Гидроэнергетика

редактировать

Эта статья об общей концепции гидроэнергетики. Чтобы узнать об использовании гидроэнергии для производства электроэнергии, см. Гидроэлектроэнергия.

Плотина « Три ущелья» в Китае; плотина гидроэлектростанции является крупнейшей в мире электростанцией по установленной мощности.

Возобновляемая энергия
Часть серии по

Биотопливо Биомасса Биогаз Геотермальный Гидроэнергетика Солнечная энергия Приливная сила Мощность волны Ветровая энергия
Темы по странам Маркетинговые и политические тенденции
v т е

Гидроэнергетика (от греч. Ὕδωρ, «вода»), также известная как гидроэнергетика, - это использование падающей или быстро текущей воды для производства электроэнергии или для работы машин. Это достигается за счет превращения в гравитационную потенциальную или кинетическую энергию от источника воды для производства электроэнергии. Гидроэнергетика - это метод устойчивого производства энергии.

С древних времен гидроэнергия водяных мельниц использовалась в качестве возобновляемого источника энергии для орошения и работы механических устройств, таких как мельницы, лесопилки, текстильные фабрики, путевые молоты, док- краны, бытовые подъемники и рудные мельницы. Trompe, которая производит сжатый воздух от падающей воды, иногда используется для питания других машин на расстоянии.

В настоящее время гидроэнергетика используется в основном для выработки гидроэлектроэнергии, а также используется как половина системы накопления энергии, известной как гидроэлектроэнергия с накоплением с насосом.

Гидроэнергетика является привлекательной альтернативой ископаемому топливу, поскольку она не производит напрямую углекислый газ или другие атмосферные загрязнители и обеспечивает относительно постоянный источник энергии. Тем не менее, у него есть экономические, социологические и экологические недостатки и требуется достаточно энергичный источник воды, такой как река или возвышенное озеро. Международные организации, такие как Всемирный банк, рассматривают гидроэнергетику как низкоуглеродное средство экономического развития.

СОДЕРЖАНИЕ

1 История
2 Расчет количества доступной мощности
3 Недостатки и ограничения
4 Приложения
- 4.1 Механическая мощность
  - 4.1.1 Водяные мельницы
  - 4.1.2 Сжатый воздух
- 4.2 Электричество
5 Сила дождя
6 См. Также
7 Примечания
8 ссылки
9 Внешние ссылки

История

Водный поршень из Nongshu с Ван Чжэнь (эт. 1290-1333)

Сент-Энтони-Фоллс, США ; здесь использовалась гидроэлектроэнергия для перемалывания муки.

Рудная мельница с прямым приводом, конец девятнадцатого века.

Факты свидетельствуют о том, что основы гидроэнергетики восходят к древнегреческой цивилизации. Другие свидетельства указывают на то, что водяное колесо независимо появилось в Китае примерно в то же время. Свидетельства наличия водяных колес и водяных мельниц датируются древним Ближним Востоком в 4 веке до нашей эры. Более того, есть свидетельства того, что гидроэнергетика с ирригационными машинами использовалась в древних цивилизациях, таких как Шумер и Вавилония. Исследования показывают, что водяное колесо было первоначальной формой гидроэнергии и приводилось в движение людьми или животными.

В Римской империи водяные мельницы были описаны Витрувием в первом веке до нашей эры. Barbegal мельница, расположенная в современной Франции, было 16 водяных колес, перерабатывать до 28 тонн зерна в сутки. Римские водяные колеса также использовались для распиливания мрамора, например, на лесопилке в Иераполе в конце 3-го века нашей эры. Такие лесопилки имели водяное колесо, которое приводило в движение две кривошипно-шатунные тяги для привода двух пил. Он также появляется в двух восточно-римских лесопильных заводах VI века, раскопанных в Эфесе и Герасе соответственно. Кривошипный механизм и соединительный стержень из этих римских мельниц превращает вращательное движение водяного колеса в линейное перемещение пильных дисков.

В Китае во времена династии Хань (202 г. до н.э. - 220 г. н.э.) водные молотки и сильфоны приводились в движение лопатками. Однако некоторые историки предположили, что они приводились в движение водяными колесами. Это потому, что предполагалось, что у совков для воды не было бы движущей силы, чтобы приводить в действие сильфоны доменных печей. Многие тексты описывают водяное колесо гуннов; некоторые из самых ранних - это словарь Jijiupian 40 г. до н.э., текст Ян Сюн, известный как Fangyan 15 г. до н.э., а также Xin Lun, написанный Хуан Таном около 20 г. н.э. Это было также в течение этого времени, что инженер Ду Ши применил силу (с 31 AD.) Водяных колес на поршень - сильфона в ковки чугуна.

Другой пример раннего использования гидроэнергетики - замалчивание. Замалчивание - это использование силы волны воды, выпущенной из резервуара, при добыче металлических руд. Впервые этот метод был использован на золотых приисках Долокоти в Уэльсе с 75 года нашей эры. Этот метод получил дальнейшее развитие в Испании на шахтах, таких как Лас-Медулас. Замалчивание был также широко используется в Великобритании в средние века и более поздних периодов для извлечения свинца и олова руд. Позже он превратился в гидравлическую добычу, когда использовался во время Калифорнийской золотой лихорадки в 19 веке.

Исламская империя охватывала большую область, в основном, в Азии и Африке, а также других близлежащих районах. Во время Золотого века ислама и арабской сельскохозяйственной революции (VIII – XIII века) гидроэнергетика широко использовалась и развивалась. Ранние использования приливной энергии возникли вместе с большим гидравлическим заводом complexes.A широкий спектр водного питания промышленных мельниц использовалась в регионе, включая Фуллинг мельницу, gristmills, бумажные фабрики, hullers, лесопилки, судовые мельницы, штемпели мельницы, сталелитейные заводы, сахар мельницы и приливные мельницы. К 11 веку в каждой провинции Исламской империи были действующие промышленные предприятия, от Аль-Андалуса и Северной Африки до Ближнего Востока и Центральной Азии. Мусульманские инженеры также использовали водяные турбины при использовании шестерен в водяных мельницах и водоподъемных машинах. Они также первыми использовали плотины в качестве источника энергии воды, используемой для обеспечения дополнительной энергии водяных мельниц и водоподъемных машин.

Кроме того, в своей книге «Книга знаний об изобретательных механических устройствах» мусульманский инженер-механик Аль-Джазари (1136–1206) описал конструкции для 50 устройств. Многие из этих устройств были на воде, в том числе часы, устройство для подачи вина и пять устройств для подъема воды из рек или бассейнов, причем три из них приводятся в движение животными, а одно может питаться от животных или воды. Кроме того, они включали бесконечный пояс с прикрепленными к ним кувшинами, шадуф с приводом от коровы (кран-подобный ирригационный инструмент) и возвратно-поступательное устройство с шарнирными клапанами.

Бенуа Фурнейрон, французский инженер, разработавший первую гидроэнергетическую турбину.

В 19 веке французский инженер Бенуа Фурнейрон разработал первую гидроэнергетическую турбину. Это устройство было реализовано на коммерческом заводе Ниагарского водопада в 1895 году и работает до сих пор. В начале 20 века английский инженер Уильям Армстронг построил и эксплуатировал первую частную электростанцию, которая располагалась в его доме в Крагсайде в Нортумберленде, Англия. В 1753 году французский инженер Бернар Форест де Белидор опубликовал свою книгу « Гидравлическая архитектура», в которой описал гидравлические машины с вертикальной и горизонтальной осью.

Растущий спрос на промышленную революцию также будет стимулировать развитие. В начале промышленной революции в Англии, вода была основным источником энергии для новых изобретений, таких как Ричард Аркрайт «s воды кадра. Хотя гидроэнергия сменилась паровой энергию во многих крупных заводах и фабрик, она до сих пор используется в течение 18 и 19 веков для многих небольших операций, таких как вождение мехов в небольших доменных печах (например, Dyfi печь ) и gristmills, такие как те, что построены у водопада Сент-Энтони, который использует 50-футовый (15 м) перепад реки Миссисипи.

Технологические достижения превратили открытое водяное колесо в закрытую турбину или водяной двигатель. В 1848 году британско-американский инженер Джеймс Б. Фрэнсис, главный инженер компании Lowell's Locks and Canals, усовершенствовал эти конструкции и создал турбину с КПД 90%. Он применил научные принципы и методы испытаний к проблеме проектирования турбин. Его математические и графические методы расчета позволили уверенно спроектировать высокоэффективные турбины, точно соответствующие конкретным условиям потока на площадке. Фрэнсис реакцию турбины по - прежнему используется. В 1870-х годах на базе горнодобывающей промышленности Калифорнии Лестер Аллан Пелтон разработал высокоэффективную импульсную турбину с колесом Пелтона, в которой использовалась гидроэнергия из высоконапорных водотоков, характерных для Сьерра-Невады.

Расчет количества доступной мощности

Ресурс гидроэнергии можно оценить по его доступной мощности. Мощность зависит от гидравлического напора и объемного расхода. Напор - это энергия на единицу веса (или единицу массы) воды. Статический напор пропорционален разнице высот, на которую падает вода. Динамический напор связан со скоростью движущейся воды. Каждая единица воды может выполнить работу, равную ее весу, умноженному на голову.

Мощность, доступная от падающей воды, может быть рассчитана на основе скорости потока и плотности воды, высоты падения и местного ускорения свободного падения:

{\ displaystyle {\ dot {W}} _ {out} = - \ eta \ {\ dot {m}} g \ \ Delta h = - \ eta \ \ rho {\ dot {V}} \ g \ \ Delta час}

{\ displaystyle {\ dot {W}} _ {out} = - \ eta \ {\ dot {m}} g \ \ Delta h = - \ eta \ \ rho {\ dot {V}} \ g \ \ Delta час}

куда

${\ displaystyle {\ dot {W}} _ {out}}$ ${\ displaystyle {\ dot {W}} _ {out}}$ ( рабочий расход) - полезная выходная мощность (в ваттах )
${\ displaystyle \ eta}$ $\ eta$ (« эта ») - КПД турбины ( безразмерный )
${\ displaystyle {\ dot {m}}}$ ${\ dot {m}}$ - массовый расход (в килограммах в секунду)
${\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ (« ро ») - плотность воды (в килограммах на кубический метр )
${\ displaystyle {\ dot {V}}}$ ${\ dot {V}}$ это объемная скорость потока (в кубических метрах в секунду)
${\ displaystyle g}$ $грамм$ представляет собой ускорение силы тяжести (в метрах в секунду за секунду)
${\ displaystyle \ Delta h}$ $\ Delta h$ (« Дельта h») - разница в высоте между выходом и входом (в метрах)

Для иллюстрации: выходная мощность турбины с КПД 85%, расходом 80 кубических метров в секунду (2800 кубических футов в секунду) и напором 145 метров (480 футов) составляет 97 мегаватт:

{\ displaystyle {\ dot {W}} _ {out} = 0,85 \ times 1000 \ ({\ text {kg}} / {\ text {m}} ^ {3}) \ times 80 \ ({\ text { m}} ^ {3} / {\ text {s}}) \ times 9.81 \ ({\ text {m}} / {\ text {s}} ^ {2}) \ times 145 \ {\ text {m }} = 97 \ times 10 ^ {6} \ ({\ text {kg}} \ {\ text {m}} ^ {2} / {\ text {s}} ^ {3}) = 97 \ {\ текст {MW}}}

{\ displaystyle {\ dot {W}} _ {out} = 0,85 \ times 1000 \ ({\ text {kg}} / {\ text {m}} ^ {3}) \ times 80 \ ({\ text { m}} ^ {3} / {\ text {s}}) \ times 9.81 \ ({\ text {m}} / {\ text {s}} ^ {2}) \ times 145 \ {\ text {m }} = 97 \ times 10 ^ {6} \ ({\ text {kg}} \ {\ text {m}} ^ {2} / {\ text {s}} ^ {3}) = 97 \ {\ текст {MW}}}

Операторы гидроэлектростанций сравнивают общую произведенную электрическую энергию с теоретической потенциальной энергией воды, проходящей через турбину, для расчета эффективности. Процедуры и определения для расчета эффективности приведены в кодах испытаний, таких как ASME PTC 18 и IEC 60041. Полевые испытания турбин используются для подтверждения гарантии эффективности производителя. Подробный расчет эффективности гидроэнергетической турбины учитывает потерю напора из-за трения потока в силовом канале или водоводе, подъем уровня воды в нижнем бьефе из-за потока, расположение станции и влияние изменяющейся силы тяжести, температуры воздуха и барометрического давления., плотность воды при температуре окружающей среды и относительные высоты переднего и заднего заливов. Для точных вычислений необходимо учитывать ошибки из-за округления и количества значащих цифр констант.

Некоторые гидроэнергетические системы, такие как водяные колеса, могут получать энергию из потока воды, не обязательно изменяя его высоту. В этом случае доступная мощность - это кинетическая энергия текущей воды. Водяные колеса с избыточным ударом могут эффективно улавливать оба типа энергии. Расход в ручье может сильно варьироваться от сезона к сезону. Строительство гидроэлектростанции требует анализа данных о потоках, иногда за десятилетия, для оценки надежного годового энергоснабжения. Плотины и водохранилища являются более надежным источником энергии за счет сглаживания сезонных изменений расхода воды. Однако водохранилища оказывают значительное воздействие на окружающую среду, как и изменение естественного речного стока. При проектировании плотины необходимо учитывать наихудший случай, «максимальное вероятное наводнение», которое можно ожидать на участке; для разводки паводковых потоков вокруг плотины часто предусматривается водосброс. Компьютерная модель гидравлического бассейна и записи осадков и снегопадов используются для прогнозирования максимального паводка.

Недостатки и ограничения

Выявлены недостатки гидроэнергетики. Люди, живущие рядом с площадкой гидроэлектростанции, перемещаются во время строительства или когда берега водохранилища становятся нестабильными. Еще одним потенциальным недостатком является то, что культурные или религиозные объекты могут препятствовать строительству.

Плотины и водохранилища могут иметь серьезные негативные последствия для речных экосистем. Крупные и глубокие заводы плотин и водохранилищ покрывают большие площади земли, что вызывает выбросы парниковых газов от подводной гниющей растительности. Кроме того, было обнаружено, что гидроэнергетика производит метан, который является парниковым газом, хотя и на более низком уровне, чем другие возобновляемые источники энергии. Это происходит, когда органические вещества накапливаются на дне резервуара из-за деоксигенации воды, которая запускает анаэробное пищеварение. Кроме того, исследования показали, что строительство дамб и водохранилищ может привести к потере среды обитания для некоторых водных видов.

Прорывы плотин могут иметь катастрофические последствия, включая человеческие жертвы, имущественные потери и загрязнение земель.

Приложения

Воспроизвести медиа Схема гидроэнергетики, использующая силу воды, льющейся с гор Брекон-Биконс, Уэльс ; 2017 г.

Сиси-одосьте питание от падающей воды перерывы спокойствия японского сада со звуком бамбукового коромысла ударяя камень.

Механическая мощность

Водяные мельницы

Этот раздел представляет собой отрывок из Watermill. [ редактировать ]

Водяная мельница Брейн-ле-Шато, Бельгия (12 век)

Интерьер водяной мельницы Лайм-Реджис, Великобритания (14 век)

Маунтвь или водяная мельница мельница, которая использует гидроэнергетику. Это конструкция, в которой используется водяное колесо или водяная турбина для управления механическими процессами, такими как фрезерование (шлифование), прокатка или молоток. Такие процессы необходимы при производстве многих материальных товаров, включая муку, пиломатериалы, бумагу, текстиль и многие металлические изделия. Эти водяные мельницы могут содержать gristmills, лесопильные, бумажные фабрики, текстильные фабрики, молотковые, поездки ковки мельницы, прокатные станы, волочение проволоки мельницы.

Одним из основных способов классификации водяных мельниц является ориентация колес (вертикальная или горизонтальная), одна приводится в движение вертикальным водяным колесом через зубчатый механизм, а другая оснащена горизонтальным водяным колесом без такого механизма. Первый тип может быть далее разделен, в зависимости от того, где вода попадает на лопасти колеса, на водяные мельницы с недокусом, недокусом, грудным выстрелом и обратным выстрелом (обратный выстрел или обратный выстрел). Другой способ классификации водяных мельниц - это существенная характеристика их местоположения: приливные мельницы используют движение прилива; Судовые мельницы - это водяные мельницы на борту корабля (и составляющие его).

Водяные мельницы влияют на речную динамику водотоков, в которых они установлены. Во время работы водяных мельниц каналы имеют тенденцию к отстаиванию, особенно подпор. Также в затонной зоне участились случаи затопления и отложения отложений в прилегающих поймах. Однако со временем эти эффекты нейтрализуются повышением берегов рек. Там, где были сняты мельницы, речной разрез увеличивается, а каналы углубляются.

Сжатый воздух

Смотрите также: Тромпе

Обильный напор воды можно заставить производить сжатый воздух напрямую, без движущихся частей. В этих конструкциях падающий столб воды намеренно смешивается с пузырьками воздуха, образующимися в результате турбулентности или редуктора давления Вентури на высоком уровне всасывания. Это позволяет ему упасть из шахты в подземную камеру с высокой крышей, где сжатый воздух отделяется от воды и оказывается в ловушке. Высота падающего водяного столба поддерживает сжатие воздуха в верхней части камеры, в то время как выпускное отверстие, погруженное ниже уровня воды в камере, позволяет воде вытекать обратно на поверхность на более низком уровне, чем забор. Отдельный выпуск в крыше камеры подает сжатый воздух. Завод по этому принципу был построен на реке Монреаль в Рэггед-Шутес недалеко от Кобальта, Онтарио, в 1910 году и обеспечил близлежащие рудники мощностью 5000 лошадиных сил.

Электричество

Основная статья: Гидроэлектроэнергия

Гидроэлектроэнергия - это крупнейшее применение гидроэнергетики. Гидроэлектроэнергия производит около 15% мировой электроэнергии и обеспечивает не менее 50% от общего объема электроэнергии более чем в 35 странах.

Производство гидроэлектроэнергии начинается с преобразования либо потенциальной энергии воды, которая присутствует из-за возвышения участка, либо кинетической энергии движущейся воды в электрическую энергию.

Гидроэлектростанции различаются по способам получения энергии. Один тип включает плотину и водохранилище. Вода в резервуаре доступна по запросу для использования для выработки электроэнергии, проходя через каналы, соединяющие плотину с резервуаром. Вода вращает турбину, которая связана с генератором, вырабатывающим электричество.

Другой тип - русловое растение. В этом случае сооружается заграждение для регулирования потока воды при отсутствии водоема. Русловая электростанция нуждается в постоянном потоке воды и, следовательно, имеет меньшую способность обеспечивать электроэнергию по запросу. Кинетическая энергия текущей воды является основным источником энергии.

Оба дизайна имеют ограничения. Например, строительство плотины может причинить дискомфорт близлежащим жителям. Плотина и водохранилища занимают относительно большое пространство, которому могут противостоять близлежащие сообщества. Более того, водохранилища потенциально могут иметь серьезные экологические последствия, такие как нанесение вреда местообитаниям ниже по течению. С другой стороны, ограничением руслового проекта является снижение эффективности производства электроэнергии, поскольку процесс зависит от скорости сезонного речного течения. Это означает, что сезон дождей увеличивает выработку электроэнергии по сравнению с сухим сезоном.

Размер гидроэлектростанций может варьироваться от небольших станций, называемых микрогидроэлектростанциями, до крупных станций, поставляющих эту электроэнергию для всей страны. По состоянию на 2019 год пятерка крупнейших электростанций в мире - это обычные гидроэлектростанции с плотинами.

Гидроэлектроэнергия также может использоваться для хранения энергии в виде потенциальной энергии между двумя резервуарами на разной высоте с помощью накачки. Вода закачивается в водохранилища в периоды низкой потребности, чтобы выпускать ее для выработки, когда потребность высока или выработка системы низкая.

Другие формы производства электроэнергии с помощью гидроэлектроэнергии включают в себя генераторы приливных потоков, использующие энергию приливной энергии, генерируемой из океанов, рек и искусственных систем каналов, для выработки электроэнергии.

Обычный заслон-гидры сооружение (гидроэлектростанция) является наиболее распространенным типом гидроэлектроэнергии.
Дамба Чиф Джозеф возле Бриджпорта, штат Вашингтон, является крупной русловой станцией без значительного водохранилища.
Микрогидро в Северо-Западном Вьетнаме
Верхний резервуар и плотина системы гидроаккумулирования Ffestiniog в Уэльсе. Нижняя электростанция может вырабатывать 360 МВт электроэнергии.

Сила дождя

Дождь называют «одним из последних неиспользованных источников энергии в природе. Когда идет дождь, могут выпасть миллиарды литров воды, которые обладают огромным электрическим потенциалом при правильном использовании». В настоящее время ведутся исследования различных методов получения энергии из дождя, например, путем использования энергии удара капель дождя. Это находится на очень ранней стадии, когда тестируются, прототипируются и создаются новые и появляющиеся технологии. Такая мощность получила название мощности дождя. Один из методов, в котором это было предпринято, заключается в использовании гибридных солнечных панелей, называемых «всепогодные солнечные панели», которые могут генерировать электричество как от солнца, так и от дождя.

По словам зоолога и преподавателя науки и техники Луиса Вильясона, «французское исследование 2008 года показало, что вы можете использовать пьезоэлектрические устройства, которые генерируют энергию при движении, для извлечения 12 милливатт из капли дождя. За год это составит менее 0,001 кВтч на квадратный метр - этого достаточно для питания удаленного датчика ». Виллазон предположил, что лучшим вариантом будет сбор воды из выпавших дождей и использование ее для приведения в действие турбины с расчетным производством энергии 3 кВт ч в год для крыши площадью 185 м2. Система на основе микротурбин, созданная тремя студентами Технологического университета Мексики, использовалась для выработки электроэнергии. Система Pluvia «использует поток дождевой воды из водостоков на крышах домов для вращения микротурбины в цилиндрическом корпусе. Электроэнергия, вырабатываемая этой турбиной, используется для зарядки 12-вольтовых батарей».

Термин «энергия дождя» также применяется к гидроэнергетическим системам, которые включают процесс улавливания дождя.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

внешние ссылки

Международная гидроэнергетическая ассоциация
Портал Международного центра гидроэнергетики (ICH) по гидроэнергетике со ссылками на многочисленные организации, связанные с гидроэнергетикой по всему миру
IEC TC 4: Гидравлические турбины (Международная электротехническая комиссия - Технический комитет 4) Портал IEC TC 4 с доступом к области применения, документам и веб-сайту TC 4
Микрогидроэнергетика, Адам Харви, 2004, Группа разработки промежуточных технологий. Проверено 1 января 2005 г.
Микрогидроэнергетические системы, Министерство энергетики, энергоэффективности и возобновляемых источников энергии США, 2005 г.