HYDRAULICKÁ SILA: VLASTNOSTI, AKO TO FUNGUJE, VÝHODY, POUŽITIE - PROSTREDIE - 2026

Hydraulický výkon je schopnosť vo vode za vzniku práce v na formu pohybu, svetla a tepla na základe ich potenciálu a kinetickej energie. Považuje sa tiež za čistú vysoko výkonnú obnoviteľnú energiu.

Táto energia je určená tokom, nerovnosťami medzi bodmi na zemi, ktorými voda prechádza a gravitačnou silou. Používali ho ľudia už od staroveku na rôzne práce.

Priehrada Itaipú (Brazília a Paraguaj). Zdroj: Angelo Leithold

Jedným z prvých použití hydraulickej energie bolo poháňanie vodných mlynov, ktoré využili silu prúdu. Týmto spôsobom bolo možné pomocou ozubených kolies premiestniť mlynské kamene do mlátičky pšenice.

V súčasnosti je jeho najvýznamnejšou aplikáciou výroba elektrickej energie prostredníctvom vodných elektrární alebo vodných elektrární. Tieto zariadenia v podstate pozostávajú z priehrady a systému turbín a alternátorov.

Voda sa v priehrade akumuluje medzi dvoma úrovňami kanála (geodetické nerovnosti), čím vytvára energiu gravitačného potenciálu. Následne prúd vody (kinetická energia) aktivuje turbíny, ktoré prenášajú energiu do alternátorov na výrobu elektrickej energie.

Medzi výhody hydraulickej energie patrí to, že je na rozdiel od iných zdrojov energie obnoviteľná a neznečisťujúca. Na druhej strane je vysoko efektívny s výťažkom v rozmedzí 90 - 95%.

Vplyv vodných elektrární na životné prostredie súvisí s kolísaním teploty a fyzikálnymi zmenami vodného toku. Podobne sa vyrábajú odpadové oleje a tuky, ktoré sa filtrujú zo strojového zariadenia.

Jeho hlavnou nevýhodou je fyzická zmena spôsobená zaplavením veľkých plôch pôdy a zmena prirodzeného toku a toku riek.

Najväčšia vodná elektráreň na svete je The Three Gorges, ktorá sa nachádza v Číne na rieke Yangtze. Ďalšími dôležitými dvoma sú Itaipú na hranici medzi Brazíliou a Paraguajom a vodná elektráreň Simón Bolívar alebo Guri vo Venezuele.

vlastnosti

Zdrojom hydraulickej energie je voda a považuje sa za obnoviteľnú energiu, pokiaľ sa vodný cyklus nezmení. Rovnako môže produkovať prácu bez vytvárania pevného odpadu alebo znečisťujúcich plynov, a preto sa považuje za čistú energiu.

výkon

Energetická účinnosť sa vzťahuje na vzťah medzi množstvom energie získanej v procese a energiou, ktorá bola potrebná na investovanie do tohto procesu. V prípade hydraulickej energie sa dosiahne výkon medzi 90 a 95% v závislosti od rýchlosti vody a použitého turbínového systému.

Ako funguje vodná energia?

Schéma vodnej elektrárne. Zdroj: Užívateľ: Tomia

Transformácia slnečnej energie na kinetickú energiu

Základom hydraulickej energie je solárna energia, topografia krajiny a zemská gravitácia. Vo vodnom cykle spôsobuje solárna energia odparovanie a potom voda kondenzuje a zráža sa na zemi.

V dôsledku nerovnej pôdy a gravitačnej sily sa na povrchu Zeme vyskytujú prúdy povrchovej vody. Týmto spôsobom sa solárna energia transformuje na kinetickú energiu v dôsledku pohybu vody kombinovaným pôsobením nerovností a gravitácie.

Neskôr sa kinetická energia vody môže premeniť na mechanickú energiu, ktorá je schopná pracovať. Napríklad môžu byť posúvané čepele, ktoré prenášajú pohyb do prevodového systému, ktorý môže ovládať rôzne zariadenia.

Veľkosť hydraulickej energie je daná nerovnomernosťou medzi dvoma danými bodmi koryta a jeho prietokom. Čím väčšie sú nerovnosti pôdy, tým väčší je potenciál a kinetická energia vody, ako aj jej schopnosť vytvárať prácu.

V tomto zmysle je potenciálna energia energia, ktorá sa hromadí vo vodnom útvare a súvisí s jej výškou vzhľadom na zem. Na druhej strane kinetická energia je energia, ktorá sa uvoľňuje pri klesajúcom pohybe ako funkcia topografie a gravitácie.

Výroba elektriny z vodnej energie (vodná energia)

Kinetická energia generovaná padajúcou vodou sa môže použiť na výrobu elektrickej energie. Dosahuje sa to stavbou priehrad, kde sa akumuluje voda a je udržiavaná v rôznych výškach.

Potenciálna energia vody je teda priamo úmerná rozdielu v úrovni medzi jedným bodom a druhým a keď voda padá, premieňa sa na kinetickú energiu. Následne voda prechádza systémom rotujúcich lopatiek a vytvára rotačnú kinetickú energiu.

Rotačný pohyb umožňuje pohyblivé prevodové systémy, ktoré môžu aktivovať mechanické systémy, ako sú mlyny, kolesá alebo alternátory. V konkrétnom prípade výroby vodnej energie systém vyžaduje na výrobu elektriny turbínový systém a alternátor.

turbíny

Turbína pozostáva z horizontálnej alebo vertikálnej osi so systémom lopatiek, ktoré otáčajú túto os silou vody.

Existujú tri základné typy hydraulických turbín:

Peltonova turbína

Peltonova turbína. Zdroj: Robertk9410

Je to vysokotlaková impulzná turbína s horizontálnou osou, ktorá funguje bez toho, aby bola úplne ponorená. Obežné koleso má rad konkávnych čepelí (čepelí alebo zubov), ktoré sú poháňané prúdmi vody.

Čím viac prúdov vody zasiahne turbínu, tým viac energie bude generovať. Tento typ turbíny sa používa na vodopády vysoké od 25 do 200 metrov a dosahuje účinnosť až 90%.

Francisova turbína

Francisova turbína. Zdroj: Pôvodným používateľom nahrávania bol Stahlkocher na nemeckej Wikipédii.

Je to strednotlaková reakčná turbína so zvislou osou a pracuje úplne ponorená vo vode. Obežné koleso je tvorené lopatkami, ktoré sú poháňané vodou vedúcou cez rozvádzač.

Môže byť použitý vo vodopádoch s výškou 20 až 200 metrov a dosahuje účinnosť 90%. Toto je typ turbíny, ktorá sa najčastejšie používa vo veľkých vodných elektrárňach na svete.

Kaplanova turbína

Kaplanova turbína. Zdroj: TheRunnerUp

Je to variant Francisovej turbíny a rovnako ako táto má vertikálnu os, ale obežné koleso je tvorené radom nastaviteľných lopatiek. Má vysokotlakovú reakciu a je úplne ponorený do vody.

Kaplanova turbína sa používa vo vodopádoch s výškou 5 až 20 metrov a jej účinnosť môže dosiahnuť až 95%.

alternátor

Alternátor je zariadenie, ktoré má schopnosť transformovať mechanickú energiu na elektrickú energiu prostredníctvom elektromagnetickej indukcie. Magnetické póly (induktory) sa teda otáčajú vo vnútri cievky so striedajúcimi sa tyčami vodivého materiálu (napríklad medené rany v mäkkom železe).

Jeho činnosť je založená na skutočnosti, že vodič podrobený určitý čas premenlivému magnetickému poľu, generuje elektrické napätie.

výhoda

Hydraulická sila sa často používa, pretože má veľa pozitívnych aspektov. Medzi nimi môžeme zdôrazniť:

Je to ekonomické

Aj keď v prípade vodných elektrární je počiatočná investícia vysoká, vo všeobecnosti je to z dlhodobého hľadiska lacná energia. Je to kvôli jeho stabilite a nízkym nákladom na údržbu.

Okrem toho je potrebné pridať hospodársku kompenzáciu, ktorú poskytujú nádrže s možnosťami akvakultúry, vodných športov a cestovného ruchu.

Je obnoviteľný

Keďže je založený na vodnom cykle, je obnoviteľným a nepretržitým zdrojom energie. To znamená, že sa nevyčerpá v čase na rozdiel od energie z fosílnych palív.

Jeho kontinuita však závisí od toho, či sa vodný cyklus nezmení v danom regióne ani globálne.

Vysoký výkon

Hydraulická energia sa považuje za veľmi efektívnu as vysokým výkonom, ktorý je medzi 90 až 95%.

Neznečisťuje

Tento druh energie využíva prírodný zdroj, napríklad vodu, a nevytvára ani odpad ani znečisťujúce plyny. Jeho vplyv na životné prostredie je preto nízky a považuje sa za formu čistej energie.

Prítomnosť nádrží

V prípadoch, keď sú vybudované nádrže na využívanie vodnej energie, tieto predstavujú rad ďalších výhod:

- Umožňujú regulovať tok rieky a zabrániť povodniam.
- Predstavujú rezervoár vody na ľudskú spotrebu, zavlažovanie a priemyselné použitie.
- Môžu byť použité ako rekreačné oblasti a na cvičenie vodných športov.

nevýhody

Závislosť od zrážok

Obmedzenie výroby vodnej energie je závislosť od zrážkového režimu. Preto sa v obzvlášť suchých rokoch môže prívod vody drasticky znížiť a hladina nádrže sa zníži.

Keď sa zníži prietok vody, je výroba elektrickej energie nižšia. Takýmto spôsobom sa môže vyskytnúť v oblastiach, ktoré sú vysoko závislé od zásobovania vodnou energiou.

Zmena prirodzeného toku rieky

Stavba priehrady v rieke mení jej prirodzený priebeh, povodňový režim, zmenšuje (pokles prietoku) a proces ťahania sedimentov. Preto sa vyskytujú zmeny v biológii rastlín a živočíchov, ktoré sú vodné alebo sa nachádzajú v blízkosti vodného útvaru.

Na druhej strane zadržiavanie sedimentov v hrádzi mení tvorbu deltov v ústach riek a mení pôdne podmienky.

Nebezpečenstvo zlomenia priehrady

Z dôvodu veľkého množstva vody uloženej v niektorých vodných nádržiach môže narušenie opornej steny alebo blízkych svahov spôsobiť vážne nehody. Napríklad v roku 1963 došlo v Taliansku ku svahu priehrady Vajont (teraz nepoužívanej), ktorá spôsobila 2 000 úmrtí.

aplikácia

Ruské kolesá a vodné čerpadlá

Rotácia kolesa poháňaného kinetickou energiou vody umožňuje čerpanie vody z plytkej studne alebo kanála do vyvýšeného kanála alebo nádrže. Mechanická energia generovaná kolesom môže poháňať hydraulické čerpadlo.

Najjednoduchší model pozostáva z kolesa s lopatkami s miskami, ktoré zbierajú vodu v rovnakom čase, keď sú poháňané prúdom. Potom pri rotácii kvapkajú vodu do nádrže alebo kanála.

Mills

Gréci a Rimania viac ako 2000 rokov používali hydraulickú energiu na presun mlynov na mletie obilnín. Otáčanie kolesa poháňaného prúdom vody aktivuje ozubené kolesá, ktoré otáčajú mlynský kameň.

vyhne

Ďalšou starou aplikáciou spracovateľnosti založenej na hydraulickej energii je jej použitie na aktiváciu vlnovcov v kováčskych a metalurgických prácach.

Hydraulické zlomenie

Pri ťažbe a oleji sa kinetická energia vody používa na eróziu horniny, jej zlomenie a uľahčenie ťažby rôznych minerálov. Na tento účel sa používajú gigantické tlakové vodné delá, ktoré narážajú na substrát až do jeho erodovania.

Je to deštruktívna technika pre pôdu a vysoko znečisťujúca vodné cesty.

posraný

Veľmi kontroverznou technikou, ktorá v ropnom priemysle naberá na obrátkach, je frakcia. Pozostáva zo zvýšenia pórovitosti oleja a plynu obsahujúceho podložie, aby sa uľahčilo jeho odstránenie.

To sa dosiahne vstreknutím veľkého množstva vody a piesku pri vysokých tlakoch spolu s radom chemických prísad. Táto technika sa pýtala na svoju vysokú spotrebu vody, znečisťujúcu pôdu a vodu a spôsobujúce geologické zmeny.

Vodné elektrárne

Najbežnejším moderným využitím je prevádzka elektrární, tzv. Vodných elektrární alebo vodných elektrární.

Príklady vodných elektrární

Tri rokliny

Priehrada Three Gorges (Čína). Zdroj: Le Grand PortageDerivačná práca: Rehman

Vodná elektráreň Three Gorges sa nachádza v čínskej provincii Hubei na toku rieky Yangtze. Stavba tejto priehrady sa začala v roku 1994 a bola dokončená v roku 2010, pričom dosiahla zaplavenú plochu 1 045 km² a inštalovaný výkon 22 500 MW (megawatty).

Závod zahŕňa 34 Francisových turbín (32 o 700 MW a dve o 50 MW) s ročnou výrobou elektrickej energie 80,8 GWh. Je to najväčšia vodná elektráreň na svete z hľadiska štruktúry a inštalovanej energie.

Priehrada Tri rokliny zvládla kontrolovať pravidelné záplavy rieky, ktoré spôsobili vážne škody obyvateľstvu. Zaručuje tiež dodávku elektriny do regiónu.

Jeho výstavba však mala niekoľko negatívnych dôsledkov, ako napríklad vysídlenie približne 2 miliónov ľudí. Okrem toho prispel k zániku kriticky ohrozeného čínskeho riečneho delfína (Lipotes vexillifer).

Itaipu

Priehrada Itaipu. Zdroj: Herr stahlhoefer

Vodná elektráreň Itaipú sa nachádza na hranici medzi Brazíliou a Paraguajom na toku rieky Paraná. Jeho výstavba sa začala v roku 1970 a skončila v troch etapách v rokoch 1984, 1991 a 2003.

Zatopená plocha priehrady je 1350 km² a má inštalovaný výkon 14 000 MW. Elektráreň obsahuje 20 Francisových turbín s výkonom 700 MW a ročná výroba elektrickej energie je 94,7 GWh.

Itaipu sa z hľadiska výroby energie považuje za najväčšiu vodnú elektráreň na svete. Prispieva 16% elektrickej energie spotrebovanej v Brazílii a 76% v Paraguaji.

Z hľadiska negatívnych vplyvov ovplyvnila táto priehrada ekológiu ostrovov a deltu rieky Paraná.

Simon Bolivar (Guri)

Vodná elektráreň Simón Bolívar (Gurí, Venezuela). Zdroj: Warairarepano a Guaicaipuro

Vodná elektráreň Simón Bolívar, známa tiež ako priehrada Guri, sa nachádza vo Venezuele na toku rieky Caroní. Stavba priehrady sa začala v roku 1957, prvá etapa bola dokončená v roku 1978 a bola dokončená v roku 1986.

Priehrada Guri má zaplavenú oblasť 4 250 km² a inštalovaný výkon 10 200 MW. Jej závod zahŕňa 21 Francisových turbín (10 z 730 MW, 4 zo 180 MW, 3 zo 400 MW, 3 z 225 MW a jedna z 340 MW)

Ročná produkcia je 46 GWh a z hľadiska štruktúry a inštalovanej energie sa považuje za tretiu najväčšiu vodnú elektráreň na svete. Vodná elektráreň poskytuje 80% elektrickej energie, ktorú Venezuela spotrebuje a časť sa predáva do Brazílie.

Počas výstavby tejto vodnej elektrárne boli zaplavené veľké plochy ekosystémov vo Venezuelskej Guyane, región s vysokou biodiverzitou.

Dnes je výrobná kapacita tohto závodu z dôvodu hlbokej hospodárskej krízy vo Venezuele výrazne znížená.

Referencie

1.- Hadzich M (2013). Hydraulická energia, kapitola 7. Technický výcvikový kurz skupiny PUCP. Technológie pre ekologické domy a hotely. Pápežská katolícka univerzita v Peru.
2. - Raabe J (1985). Vodná energia. Konštrukcia, použitie a funkcia hydromechanických, hydraulických a elektrických zariadení. Nemecko: N. p.
3.- Sandoval Erazo, Washington. (2018). Kapitola 6: Základné koncepcie vodných elektrární.https: //www.researchgate.net/publication/326560960_Capitulo_6_Conceptos_Basicos_de_Centrales_Hidroelectricas
4.- Stickler CM, Coe MT, Costa MH, Nepstad DC, McGrath DG, Rods BS-Lares-BS-LCP (2013). Závislosť výroby vodnej energie na lesoch v povodí Amazonky na miestnej a regionálnej úrovni. Zborník Národnej akadémie vied, 110 (23), 9601 - 9606.
5. Soria E (s / f). Hydraulika. Obnoviteľné energie pre všetkých. IBERDROLA. 19 s.