Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
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 .
Часть серии по
Возобновляемая энергия
Логотип «Возобновляемая энергия» Мелани Меккер-Турсун V1 bgGreen.svg

Гидроэнергетика или водная энергия (от греч . Ὕδωρ , «вода») - это энергия, получаемая из энергии падающей или быстро текущей воды, которую можно использовать для полезных целей. С древних времен гидроэнергия от многих видов водяных мельниц неоднократно использовалась в качестве возобновляемого источника энергии для орошения и работы различных механических устройств, таких как зерновые мельницы , лесопилки , текстильные фабрики, молотковые молоты , док- краны , бытовые подъемники и т. Д. рудамельницы. Trompe , которая производит сжатый воздух от падающей воды, иногда используется для питания других машин на расстоянии. [1] [2]

В конце 19 века гидроэнергетика стала источником выработки электроэнергии . Крэгсайд в Нортумберленде был первым домом, работающим от гидроэлектроэнергии в 1878 году [3], а первая коммерческая гидроэлектростанция была построена на Ниагарском водопаде в 1879 году. В 1881 году уличные фонари в городе Ниагарский водопад питались от гидроэлектроэнергии.

С начала 20 века этот термин использовался почти исключительно в связи с современным развитием гидроэнергетики. Международные организации, такие как Всемирный банк, рассматривают гидроэнергетику как средство экономического развития без добавления значительного количества углерода в атмосферу [4], но плотины могут иметь значительные негативные социальные и экологические последствия . [5]

История [ править ]

Водяная мельница Брейн-ле-Шато , Бельгия (12 век)
Сент-Энтони-Фоллс , США ; здесь использовалась гидроэлектроэнергия для помола муки.
Рудная мельница с прямым приводом, конец девятнадцатого века

Самые ранние свидетельства о водяных колесах и мельницы восходят к древнему Ближнему Востоку в 4 веке до н.э., [6] , в частности , в Персидской империи до 350 г. до н.э., в районах Ирака , Иран , [7] и Египет . [8]

В Римской империи водные мельницы были описаны Витрувием еще в первом веке до нашей эры. [9] У мельницы Барбегала было шестнадцать водяных колес, перерабатывающих до 28 тонн зерна в день. [10] Римские водяные колеса также использовались для распиловки мрамора, например, на лесопилке в Иераполе в конце 3 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 мельницпреобразовал вращательное движение водяного колеса в линейное движение пильных полотен. [11]

В Китае было предположение , что его вода с питанием молотков поездки и сильфоны из еще в династии Хань (202 г. до н.э. - 220 г. н.э.) были приведены в воде совки , [12] [13] , но позже историки считали , что они были приведены в действии водяные колеса на том основании, что у водяных совков не было бы движущей силы для приведения в действие сильфонов доменных печей . [14] Вертикальные водяные колеса Хань можно увидеть в двух современных моделях погребальной посуды, на которых изображены гидравлические молоты. [15] Самыми ранними текстами, описывающими устройство, являются Дзицзюпский словарь 40 г. до н.э., текст Ян Сюн , известный как Фангьян.15 г. до н.э., а также Синь Лунь, написанный Хуан Таном около 20 г. н.э. [16] Кроме того , было в течение этого времени , что инженер Ду Ши применил силу (с 31 AD.) Водяных колес на поршень - сильфона в ковки чугуна. [17]

Сила волны воды, выпущенной из резервуара, использовалась для извлечения металлических руд методом, известным как замалчивание . Впервые этот метод был использован на золотых приисках Долаукоти в Уэльсе с 75 года нашей эры, но был разработан в Испании на таких рудниках, как Лас Медулас . Замалчивание был также широко используется в Великобритании в средние века и более поздних периодов для извлечения свинца и олова руд. [18] Позднее он превратился в гидравлическую добычу, когда использовался во время Калифорнийской золотой лихорадки .

В мусульманском мире во время исламской Золотого века и Арабская сельскохозяйственной революция (8-13 вв), инженеры широко использовала гидроэнергетику, а также раннее использование энергии приливов и отливы , [19] и крупные гидравлические фабричные комплексы. [20] Различные воды с питанием от промышленных мельниц были использованы в исламском мире, в том числе Фуллинг мельниц, gristmills , бумажных фабрик , hullers , лесопильных , судовых мельниц , штемпеля мельниц , сталелитейных заводах , сахарных заводах , а такжеприливные мельницы . К XI веку в каждой провинции исламского мира были действующие промышленные фабрики, от Аль-Андалуса и Северной Африки до Ближнего Востока и Центральной Азии . [21] Мусульманские инженеры также использовали водяные турбины , зубчатые передачи в водяных мельницах и водоподъемных машинах, а также первыми использовали плотины в качестве источника гидроэнергии, используемой для обеспечения дополнительной энергии водяным мельницам и водоподъемным машинам. [22]

Исламский инженер - механик Аль-Джазари (1136–1206) описал конструкции 50 устройств, многие из которых приводились в действие водой, в своей книге «Книга знаний об изобретательных механических устройствах» , включая часы, устройство для подачи вина и пять устройств для подъема. вода из рек или бассейнов, хотя три из них используются животными, а один может питаться животными или водой. К ним относятся бесконечная лента с прикрепленными кувшинами , шадуф с приводом от коровы и возвратно-поступательное устройство с откидными клапанами. [23] [ нужен лучший источник ]

В 1753 году французский инженер Бернар Форест де Белидор опубликовал « Архитектуру гидравлики», в которой описал гидравлические машины с вертикальной и горизонтальной осью. [24] Растущий спрос на промышленную революцию также будет стимулировать развитие. [25]

В гидравлических электрических сетях использовались трубы для подачи воды под давлением и передачи механической энергии от источника конечным пользователям. Источником энергии обычно был напор воды, которому также мог помочь насос. Они были широко распространены в викторианских городах Соединенного Королевства. Гидравлическая сеть была также развита в Женеве , Швейцария. Всемирно известный Jet d'Eau изначально проектировался как предохранительный клапан для сети. [26]

В начале промышленной революции в Англии, вода является основным источником энергии для новых изобретений , таких как Ричард Аркрайт «s воды кадра . [27] Хотя использование энергии воды уступило место энергии пара на многих крупных заводах и фабриках, она все еще использовалась в 18-19 веках для многих небольших операций, таких как привод сильфонов в небольших доменных печах (например, Dyfi Furnace ) [28] и зерновые мельницы , такие как те, что построены у водопада Сент-Энтони , который использует 50-футовый (15 м) перепад в реке Миссисипи .

В 1830-х годах, на пике развития строительства каналов в США , гидроэнергетика обеспечивала энергию для транспортировки барж вверх и вниз по крутым холмам по наклонным железным дорогам . Поскольку железные дороги обогнали каналы для транспортировки, системы каналов были модифицированы и преобразованы в гидроэнергетические системы; история Лоуэлл, штат Массачусетс , является классическим примером коммерческого развития и индустриализации, построенное на доступность энергии воды. [29]

Технологические достижения превратили открытое водяное колесо в закрытую турбину или водяной двигатель . В 1848 году Джеймс Б. Фрэнсис , работая главным инженером компании Lowell's Locks and Canals, усовершенствовал эти конструкции и создал турбину с КПД 90%. [30] 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. Френсис реакция турбина все еще находится в широком использовании сегодня. В 1870-х годах в горнодобывающей промышленности Калифорнии Лестер Аллан Пелтон разработал высокоэффективныйИмпульсная турбина с колесом Пелтона , в которой использовалась гидроэнергия из высоких потоков, характерных для горных районов Калифорнии.

Расчет количества доступной мощности [ править ]

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

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

куда
  • ( рабочий расход) - полезная выходная мощность (в ваттах )
  • (« эта ») - КПД турбины ( безразмерный )
  • - массовый расход (в килограммах в секунду)
  • (« ро ») - плотность воды (в килограммах на кубический метр )
  • - объемный расход (в кубических метрах в секунду)
  • представляет собой ускорение силы тяжести (в метрах в секунду за секунду)
  • (« 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: [примечание 1 ]

Операторы гидроэлектростанций будут сравнивать 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 гарантированной производителем эффективности. Подробный расчет эффективности гидроэнергетической турбины будет учитывать потерю напора из-за трения потока в силовом канале или водоводе, подъем уровня воды в хвостовой части из-за потока, расположение станции и влияние различной силы тяжести, температуры и барометрического давления. давление воздуха, плотность воды при температуре окружающей среды и высота над уровнем моря передней и задней части. Для точных вычислений необходимо учитывать ошибки из-за округления и количества значащих цифр констант. [ необходима цитата ]

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. [31] Расход воды в ручье может сильно варьироваться от сезона к сезону. Разработка 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 течения реки. При проектировании дамб необходимо учитывать наихудший случай, «максимальное вероятное наводнение», которое можно ожидать на площадке; водосливной часто включаются в обводном наводнение обтекает плотину. Компьютерная модель гидравлического бассейна и записи осадков и снегопадов используются для прогнозирования максимального паводка. [ необходима цитата ]

Социальное и экологическое воздействие плотин [ править ]

Крупные плотины могут разрушить речные экосистемы, покрыть большие площади суши, вызывая выбросы парниковых газов из-за гниющей подводной растительности, перемещать тысячи людей и влиять на их средства к существованию. [32] [33]

Использование гидроэнергии [ править ]

Воспроизвести медиа
Схема гидроэнергетики, использующая силу воды, льющейся с гор Брекон-Биконс в Уэльсе ; 2017 г.
Сиси-одосьте питание от падающей воды перерывы спокойствия японского сада со звуком бамбукового коромысла ударяя камень.

Механическая сила [ править ]

Водяные мельницы [ править ]

Этот раздел является отрывком из Watermill [ править ]
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 включать мельницы , лесопилки , бумажные фабрики , текстильные фабрики , молотковые мельницы ,молотковые дробилки, прокатные станы , волочильные станы.

Один из основных способов классификации водяных мельниц - это ориентация колес (вертикальная или горизонтальная), одна приводится в действие 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 мельницы с недокусом, недокусом, грудным выстрелом и обратным ударом (выстрел назад или назад). 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. [34] Также в зоне затона увеличиваются случаи затопления и отложения отложений в прилегающих поймах . Однако со временем эти эффекты нейтрализуются повышением берегов рек. [34] Там, где были удалены мельницы, речной разрез увеличивается, а каналы углубляются. [34]

Сжатый воздух гидро [ править ]

Также: Тромпе

Там, где имеется большой напор воды, можно заставить генерировать 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. Он может упасть вниз по шахте в подземную камеру с высокой крышей, где сжатый воздух отделяется от воды и становится захваченным. 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. Через отдельный выход в крыше камеры подается сжатый воздух. Объект по такому принципу построен на реке Монреаль.в Ragged Shutes около Кобальта, Онтарио, в 1910 году и обеспечил 5 000 лошадиных сил на близлежащие рудники. [35]

Гидроэлектроэнергия [ править ]

Основная статья: Гидроэлектроэнергия

Гидроэлектроэнергия - это применение гидроэнергии для производства электроэнергии. Сегодня это основное использование гидроэнергии. Гидроэлектростанции могут включать водохранилище (обычно создаваемое плотиной ) для использования энергии падающей воды или могут использовать кинетическую энергию воды, как в гидроэлектростанциях с руслом реки . Гидроэлектростанции могут различаться по размеру от небольших электростанций ( микрогидроэлектростанции ) до очень больших электростанций, поставляющих 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 водохранилищами на разной высоте с гидроэлектростанциями с накачкой . Вода закачивается в водохранилища в периоды низкого спроса, 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 производства электроэнергии. [36]

  • 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.

См. Также [ править ]

  • Охлаждение из источника глубокой воды
  • Гравитационная водовихревая электростанция
  • Гидравлический КПД
  • Гидравлический цилиндр
  • Международная гидроэнергетическая ассоциация
  • Гидроэнергетика с низким напором
  • Мощность морского тока
  • Морская энергия
  • Преобразование тепловой энергии океана
  • Осмотическая сила
  • Мощность волны

Примечания [ править ]

  1. ^ Принимая плотность воды равной 1000 килограмм на кубический метр (62,5 фунта на кубический фут), а ускорение свободного падения - 9,81 метра в секунду в секунду.

Ссылки [ править ]

  1. ^ "История гидроэнергетики | Министерство энергетики" . energy.gov . Дата обращения 4 мая 2017 .
  2. ^ "История власти Ниагарского водопада" . www.niagarafrontier.com . Дата обращения 4 мая 2017 .
  3. ^ "Информация для посетителей скалы" . Национальный фонд . Проверено 16 июля 2015 года .
  4. ^ Ховард Шнайдер (8 мая 2013 г.). «Всемирный банк обращается к гидроэнергетике, чтобы согласовать развитие с изменением климата» . Вашингтон Пост . Дата обращения 9 мая 2013 .
  5. ^ Николайсен, Пер-Ивар. « 12 мегаплотин , которые изменили мир (на норвежском языке) » На английском языке Teknisk Ukeblad , 17 января 2015 г. Дата обращения 22 января 2015 г.
  6. ^ Терри С. Рейнольдс, Сильнее сотни мужчин: история вертикального водяного колеса , JHU Press, 2002 ISBN 0-8018-7248-0 , стр. 14 
  7. ^ Селин, Helaine (2013). Энциклопедия истории науки, техники и медицины в незападных культурах . Springer Science & Business Media . п. 282. ISBN. 9789401714167.
  8. ^ Ставрос И. Яннопулос, Герасимос Либератос, Николаос Теодоссиу, Ван Ли, Мохаммад Валипур, Альдо Тамбуррино, Андреас Н. Ангелакис (2015). «Эволюция водоподъемных устройств (насосов) на протяжении веков во всем мире» . Вода . MDPI . 7 (9): 5031–5060. DOI : 10,3390 / w7095031 .CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  9. ^ Oleson, Джон Питер (30 июня 1984). Греческие и римские механические водоподъемные устройства: история технологии . Springer. п. 373. ISBN 90-277-1693-5. ASIN  9027716935 .
  10. ^ Хилл, Дональд (2013). История инженерии в классические и средневековые времена . Рутледж . С. 163–164. ISBN 9781317761570.
  11. ^ Ritti, Grewe & Kessener 2007 , стр. 161
  12. ↑ Терри Рейнольдс: Сильнее сотни мужчин. История вертикального водяного колеса , Издательство Университета Джона Хопкинса, 1983, стр. 26-30.
  13. Перейти ↑ Lewis 1997 , p. 118
  14. ↑ Адам Лукас: Ветер, Вода, Работа: Древние и средневековые технологии фрезерования , Brill Academic Publishers, 2006, стр. 55
  15. ^ Сяолей, Ши (2015). Свидетельства культурной реликвии гидравлических отбойных молотков . Сельскохозяйственная археология .
  16. Перейти ↑ Needham, Volume 4, Part 2, 184.
  17. ^ Нидхэм, Джозеф (1986), Наука и цивилизация в Китае, Том 4: Физика и физические технологии, Часть 2, Машиностроение , Тайбэй: Cambridge University Press, стр. 370, ISBN 0-521-05803-1
  18. ^ Хант, Роберт (1887). Британская горная промышленность: трактат по истории, открытию, практическому развитию и будущим перспективам металлургических рудников Соединенного Королевства (2-е изд.). Лондон: Кросби Локвуд и Ко, стр. 505 . Дата обращения 2 мая 2015 .
  19. Перейти ↑ Ahmad Y. al-Hassan (1976). Таки ад-Дин и арабское машиностроение , стр. 34–35. Институт истории арабской науки Университета Алеппо .
  20. ^ Майя Шацмиллер , стр. 36.
  21. ^ Адам Роберт Лукас (2005), «Промышленное фрезерование в древнем и средневековом мирах: обзор свидетельств промышленной революции в средневековой Европе», Технология и культура 46 (1), стр. 1–30 [10].
  22. ↑ Ахмад Й. аль-Хасан , Передача исламских технологий на Запад, Часть II: Передача исламской инженерии. Архивировано 18 февраля 2008 г. на Wayback Machine.
  23. ↑ Аль-Хассани, Салим. «800 лет спустя: памяти гениального инженера-механика Аль-Джазари» . Мусульманское наследие . Фонд науки, технологий и цивилизации . Проверено 30 апреля 2015 года .
  24. ^ «История гидроэнергетики» . Министерство энергетики США. Архивировано из оригинального 26 января 2010 года.
  25. ^ «Гидроэнергетика» . Водная энциклопедия.
  26. ^ «Чем заняться в Женеве, Швейцария» . www.geneve-tourisme.ch . Женевский туризм.
  27. Перейти ↑ Kreis, Steven (2001). «Истоки промышленной революции в Англии» . Путеводитель по истории . Проверено 19 июня 2010 года .
  28. ^ Гвинн, Осиан. «Печь Дайфи» . BBC Mid Wales History . BBC . Проверено 19 июня 2010 года .
  29. ^ "Гидроэнергетика в Лоуэлле" (PDF) . Массачусетский университет . Проверено 28 апреля 2015 года .
  30. ^ Льюис, BJ; Цимбала; Вуден (2014). «Основные исторические достижения в конструкции водяных колес и гидротурбин Фрэнсиса» . Серия конференций ИОП: Наука о Земле и окружающей среде . ВГД. 22 (1): 5–7. Bibcode : 2014E & ES ... 22a2020L . DOI : 10.1088 / 1755-1315 / 22/1/012020 .
  31. ^ СК, Сахдев. Основы электротехники . Pearson Education India. п. 418. ISBN 978-93-325-7679-7.
  32. ^ Крупные плотины гидроэлектростанций «неустойчивы» в развивающихся странах BBC, 2018
  33. ^ Моран, Эмилио Ф. и др. Устойчивая гидроэнергетика в 21 веке Труды Национальной академии наук 115.47 (2018): 11891-11898. Интернет. 30 октября 2019 г.
  34. ^ a b c Маас, Анна-Лиза; Шюттрумпф, Хольгер (2019). «Повышенные поймы и врезка русла в результате строительства и удаления водяных мельниц». Geografiska Annaler: Серия A, Физическая география . 101 (2): 157–176. DOI : 10.1080 / 04353676.2019.1574209 .
  35. ↑ Мейнард, Франк (ноябрь 1910). «Пять тысяч лошадиных сил из пузырьков воздуха» . Популярная механика : 633.
  36. ^ «Диапазон приливов и отливов от берега» .

Внешние ссылки [ править ]

  • 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 г., Группа разработки промежуточных технологий. Проверено 1 января 2005 г.
  • Микрогидроэнергетические системы , Министерство энергетики, энергоэффективности и возобновляемых источников энергии США, 2005 г.