Energie hidraulică

De la Wikipedia, enciclopedia liberă

Salt la: Navigare, căutare
Barajul Hoover

Energia hidraulică reprezintă capacitatea unui sistem fizic (apa) de a efectua un lucru mecanic la trecerea dintr-o stare dată în altă stare (curgere). Datorită circuitului apei în natură întreţinut de energia Soarelui, este considerată o formă de energie regenerabilă.

Energia hidraulică este de fapt o energie mecanică, formată din energia potenţială a apei dată de diferenţa de nivel între lacul de acumulare şi centrală, respectiv din energia cinetică a apei în mişcare.[1] Exploatarea acestei energii se face curent în hidrocentrale, care transformă energia potenţială a apei în energie cinetică, pe care apoi o captează cu ajutorul unor turbine hidraulice care acţionează generatoare electrice care o transformă în energie electrică.

Tot forme de energie hidraulică sunt considerate energia cinetică a valurilor şi mareelor.

Cuprins

[modifică] Istoric

Mineri folosind jeturi de apă în exploatarea auriferă Dutch Flat, California, între 1857 - 1870.

Energia hidraulică a fost folosită încă din antichitate În India se foloseau roţile hdraulice la morile de apă. În Imperiul Roman morile acţionate de apă produceau fâină şi erau folosite de asemenea la acţionarea gaterelor pentru tăierea lemnului şi a pietrei. Puterea unui torent de apă eliberată dintr-un rezervor a fost folosită la extracţia minereurilor, metodă descrisă încă de Pliniu cel Bătrân. Metoda a fost folosită pe larg în evul mediu în Marea Britanie şi chiar mai târziu la extracţia minereurilor de plumb şi staniu. Metoda a evoluat în mineritul hidraulic, folosită în perioada goanei după aur din California.

În China şi în extremul orient, roţi hidraulice cu cupe erau folosite la irigarea culturilor. În anii 1830, în perioada de vârf a canalelor, energia hidraulică era folosită la tractarea barjelor în sus şi în josul pantelor pronunţate. Energia mecanică necesară diverselor industrii a determinat amplasarea acestora lângă căderile de apă.

În zilele de azi utilizarea curentă a energiei hidraulice se face pentru producerea curentului electric, care este produs în acest caz co costuri relativ reduse, iar energia produsă poate fi utilizată relativ departe de surse.

[modifică] Fenomene naturale

Râul Snohomish, Washington, în timpul unei inundaţii.

Din punct de vedere al hidrologiei, energia hidraulică se manifestă prin forţa apei asupra malurilor râului şi a bancurilor. Aceste forţe sunt maxime în timpul inundaţiilor, datorită creşterii nivelului apelor. Aceste forţe determină dislocarea sedimentelor şi a altor materiale din albia râului, cauzând eroziune şi alte distrugeri.

[modifică] Fizica fenomenelor

Resursa hidroenergetică poate fi evaluată prin puterea (energia în unitatea de timp) care se poate obţine. Puterea depinde de căderea şi cu debitul sursei de apă.

  • Căderea (engleză head) determină presiunea apei, care este dată de diferenţa de nivel dintre suprafaţa liberă a apei şi a turbinei, exprimată în metri.
  • Debitul (engleză flow) este cantitatea de apă care curge în unitatea de timp care curge prin conducta de aducţiune într-o anumită perioadă de timp, exprimată în metri cubi/secundă.

Cantitatea de energie \, E care se obţine prin coborârea în câmp gavitaţional a unui obiect de masă \, m cu o diferenţă de înălţime \, h este:

\, E = mgh

unde \, g este acceleraţia gravitaţională.

Energia hidraulică disponibilă într-un lac de acumulare se poate extrage prin coborârea intenţionată a nivelului apei. În acest caz, puterea depinde de debitul masic al apei.

\frac{E}{t} = \frac{m}{t}gh

Deoarece fracţia \frac{E}{t} este tocmai puterea \, P şi exprimând în membrul din dreapta fracţia \frac{m}{t} în funcţie de debitul volumic \, \phi şi de densitatea apei, se obţine forma uzuală:

P = \rho\, \phi\, g \, h.

Pentru a obţine \, P în waţi, \, \rho trebuie exprimată în kg/m³, \,\phi în m³/s, \, g în m/s² şi \, h în m.

Unele dispozitive, ca roţile hidraulice extrag energie din curgere fără a fi necesar ca apa să-şi schimbe înălţimea, caz în care se exploatează doar energia cinetică a curentului de apă:

P = \frac{1}{2}\,\rho\,\phi\, v^2

unde \, v este viteza apei.

Cu \phi = A\, v, unde A este secţiunea pin care trece apa:

P = \frac{1}{2}\,\rho\, A\, v^3

Roţile cu aducţiune superioară pot extrage ambele tipuri de energie, atât cea potenţială, cât şi cea cinetică.

[modifică] Moduri de exploatare a energiei hidraulice

Roată hidraulică cu aducţiune superioară la Mazonovo, Spania.

[modifică] Roţi hidraulice

Pentru detalii, vezi: Roată hidraulică.

O roată hidraulică utilizează energia râurilor pentru a produce direct lucru mecanic.

  • La debite mici se exploatează în principal energia potenţială a apei. În acest scop se folosesc roţi pe care sunt montate cupe, iar aducţiunea apei se face în partea de sus a roţii, apa umplând cupele. Greutatea apei din cupe este forţa care acţionează roata. În acest caz căderea corespunde diferenţei de nivel între punctele în care apa este admisă în cupe, respectiv evacuată şi este cu atât mai mare cu cât diametrul roţii este mai mare.
Roţi hidraulice cu aducţiune inferioară la Hama, Siria.
  • La debite mari se exploatează în principal energia cinetică a apei. În acest scop se folosesc roţi pe care sunt montate palete, iar aducţiunea apei se face în partea de jos a roţii, apa împingând paletele. Pentru a avea momente cât mai mari, raza roţii trebuie să fie cât mai mare. Adesea, pentru a accelera curgerea apei în dreptul roţii, înaintea ei se plasează un stăvilar deversor, care ridică nivelul apei (căderea) şi transformă energia potenţială a acestei căderi în energie cinetică cuplimentară, viteaza rezultată prin deversare adăugându-se la viteza de curgere normală a râului.

[modifică] Hidrocentrale

Pentru detalii, vezi: Hidrocentrală.
Hidrocentrala de la Porţile de Fier.

O hidrocentrală utilizează amenajări ale râurilor sub formă de baraje, în scopul producerii energiei electrice. Potenţialul unei exploatări hidroelectrice depinde atât de cădere, cât şi de debitul de apă disponibil. Cu cât căderea şi debitul disponibile sunt mai mari, cu atât se poate obţine mai multă energie electrică. Energia hidraulică este captată cu turbine.

Potenţialul hidroenergetic al României era amenajat în 1994 în proporţie de cca. 40 %. Centrale hidroelectrice aveau o putere instalată de 5,8 GW, reprezentând circa 40% din puterea instalată în România. Producţia efectivă a hidrocentralelor a fost în 1994 de aproape 13 TWh, reprezentând circa 24 % din totalul energiei electrice produse.[2] Actual puterea instalată depăşeşte 6 GW[3] iar producţia este de cca. 20 TWh pe an.[4] Cota de energie electrică produsă pe bază de energie hidraulică este de cca. 22 - 33 %.[4]

[modifică] Microcentrale şi picocentrale hidraulice

Microcentrală la Jagniatkow, Jelenia Góra, Polonia.

Prin microcentrală hidraulică se înţelege o hidrocentrală cu puterea instalată de 5 - 100 kW, iar o picocentrală hidraulică are o putere instalată de 1 - 5 kW. O picocentrală poate alimenta un grup de câteva case, iar o microcentrală o mică aşezare.[5]

Deoarece consumul de curent electric are variaţii mari, pentru stabilizarea funcţionării se pot folosi baterii de acumulatori, care se încarcă în momentele de consum redus şi asigură consumul în perioadele de vârf. Datorită faptului că curentul de joasă tensiune produs de generatorul microcentralei nu poate fi transportat convenabil la distanţă, acumulatorii trebuie plasaţi lângă turbină. Este nevoie de toate componentele unei hidrocentrale clasice - mai puţin barajul - adică sistemul de captare, conductele de aducţiune, turbina, generatorul, acumulatori, regulatoare, invertoare care ridică tensiunea la 230 V,[6] ca urmare costul unei asemenea amenajări nu este mic şi soluţia este recomandabilă doar pentru zone izolate, care nu dispun de linii electrice.

Microcentralele se pot instala pe râuri relativ mici, dar, datorită fluctuaţiilor sezoniere de debit ale râurilor, în lipsa barajului debitul râului trebuie să fie considerabil mai mare decât cel prelevat pentru microcentrală. Pentru o putere de 1 kW trebuie pentru o cădere de 100 m un debit de 1 l/s. În practică, datorită randamentelor de transformare, este nevoie de un debit aproape dublu, randamentul uzual fiind puţin peste 50 %.[7]

[modifică] Centrale mareomotrice

Pentru detalii, vezi: Centrală mareomotrică.

O centrală mareomotrică recuperează energia mareelor. În zonele cu maree, acestea se petrec de două ori pe zi, producând ridicarea, respectiv scăderea nivelului apei. Există două moduri de exploatare a energiei mareelor:

  • Centrale fără baraj, care utilizează numai energia cinetică a apei, similar cum morile de vânt utilizează energia eoliană.
  • Centrale cu baraj, care exploatează energia potenţială a apei, obţinută prin ridicarea nivelului ca urmare a mareei.

Deoarece mareea în Marea Neagră este de doar câţiva centimetri, România nu are potenţial pentru astfel de centrale.

[modifică] Instalaţii care recuperează energia valurilor

Instalaţie de tip Pelamis la Peniche, Portugalia.

Pentru recuperarea energiei valurilor se pot folosi scheme similare cu cele de la centralele mareomotrice cu baraj, însă, datorită perioadei scurte a valurilor aceste scheme sunt puţin eficiente.

Un obiect care pluteşte pe valuri execută o mişcare cu o traiectorie eliptică. Cea mai simplă formă de valorificare a acestei mişcări pentru recuperarea energiei valurilor sunt pontoanele articulate. O construcţie modernă este cea de tip Pelamis[8] formată din mai mulţi cilindri articulaţi, care, sub acţiunea valurilor au mişcări relative care acţionează nişte pistoane. Pistoanele pompează ulei sub presiune prin motoare hidraulice care acţionează generatoare electrice.[9]

[modifică] Note

  1. ^ Răduleţ, R. şi colab. Lexiconul Tehnic Român, Editura Tehnică, Bucureşti, 1957-1966.
  2. ^ Dezbateri parlamentare Stenogramă din 30 aprilie 1996
  3. ^ Hidroelectrica vrea să-şi măreasca puterea instalată cu 6% pâna în 2011 Business Standard.ro, accesat 2008-06-28
  4. ^ a b Cine şi cum face legea pe piaţa energiei din România Hotnews.ro, accesat 2008-06-28
  5. ^ Microhydropower Systems US Department of Energy, accesat 2008-06-28
  6. ^ Microhydropower System Components US Department of Energy, accesat 2008-06-28
  7. ^ Evaluating a Potential Microhydropower Site US Department of Energy, accesat 2008-06-28
  8. ^ În mitologia greacă Pelamis era numele unui şarpe gigant.
  9. ^ fr Le Pelamis pointe son nez en mer du Nord Futurinc, 22 iulie 2004, accesat 2008-06-28

[modifică] Vezi şi

[modifică] Legături externe

Adus de la http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_hidraulic%C4%83
Unelte personale