Domanda:
Perché gli impianti idroelettrici utilizzano turbine invece di un'efficiente configurazione a "ruota idraulica"?
Hoytman
2015-04-02 01:46:05 UTC
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Ho pensato alle centrali idroelettriche e mi sono chiesto perché sono costruite così. A quanto pare, un flusso d'acqua viene spruzzato su una turbina, situata sul fondo di una diga (Pelton Turbine.) Questo non sembra essere un modo molto efficace per convertire l'energia. Quali sono i fattori che rendono efficace questo metodo?

Un altro metodo potrebbe essere quello di mettere l'acqua in secchi, quindi collegare questi secchi a un sistema di cinghie e utilizzare la cinghia per alimentare il generatore. Questo metodo è simile a come funziona la ruota idraulica. Quali sono gli svantaggi di questo metodo che lo rendono meno efficace della turbina.

Hai basato la tua domanda su una ruota idraulica più efficiente di una turbina. Sai se è vero?
* "A quanto pare, un getto d'acqua viene spruzzato su una turbina" * - questo malinteso è probabilmente il motivo per cui non ti aspetti che sia efficiente. La turbina è completamente immersa nell'acqua, con l'acqua che si muove attraverso la turbina.
@AndyT dipende dal design della turbina. In una configurazione Pelton Wheel, come descrive il richiedente, la turbina non è immersa. Diversi tipi di turbina sono ottimali per diverse situazioni.
@AndyT potresti parlare un po 'di più di queste situazioni (e includere la ruota idraulica se possibile?) Questo è principalmente per situazioni residenziali su piccola scala.
Due risposte:
jhabbott
2015-04-02 02:52:04 UTC
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In realtà il metodo della turbina è molto efficiente. La turbina Turgo è efficiente fino al 90% nell'estrarre l'energia dall'acqua. Gli impianti idroelettrici su larga scala che utilizzano Francis Turbines possono raggiungere un'efficienza fino al 95% ( vedi qui).

I generatori elettrici in genere utilizzano regimi elevati, quindi hai bisogno di velocità e coppia per guidarlo. Sono possibili anche generatori a basso numero di giri, ma meno efficienti. L'energia disponibile nell'energia idroelettrica proviene dalla "prevalenza" (dislivello) e dal "flusso" (quantità di acqua al secondo). Quindi, in situazioni di testa bassa, è necessario molto più flusso per ottenere la stessa energia. In questi casi, non si otterranno pressioni elevate (e quindi velocità elevate) senza ingranaggi (perdite di efficienza anche lì), quindi un approccio a ruota idraulica è fattibile. In effetti, ci sono generatori a bassa prevalenza simili a come descrivi - l'approccio benna e cinghia - così come turbine a bassa prevalenza più tradizionali.

Le situazioni a bassa prevalenza sono più difficili da progettare (economicamente), perché sono necessarie portate elevate quindi l'intera installazione (canali, cuscinetti, generatori, ecc.) deve essere molto più forte e più grande. È più economico (per kW di capacità di generazione) utilizzare situazioni ad alta prevalenza con ruote della turbina più piccole / più veloci a pressioni più elevate.

Quindi queste sono le ragioni principali per cui vedi principalmente turbine invece di altri tipi di impianti idroelettrici. Man mano che la tecnologia migliora e le posizioni a bassa prevalenza diventano meno costose da sfruttare, ne vedremo di più.

"High RPM" - più precisamente 3000 RPM in Europa e 3600 RPM negli Stati Uniti per i migliori risultati - in questo modo la turbina può essere accoppiata direttamente al generatore e il generatore genererà elettricità a frequenza di rete (e con un design più efficiente, no avvolgimento ridondante), basta abbinare la fase e regolare la tensione media.
@SF .: Sarebbe quella velocità, o una frazione di quella? Penso che un rotore con più bracci avrebbe migliori caratteristiche di bilanciamento dinamico di uno che ne aveva solo due.
@supercat: caratteristiche di equilibrio dinamico di cosa? Potenza generata o meccanica?
@SF .: meccanico. Mi aspetto che un rotore con una coppia concentrata su due punti a 180 gradi di distanza si comporti in modo un po 'meno rigido di uno in cui la coppia è stata divisa tra punti distanti 90, 45 o 36 gradi (se un singolo generatore utilizza un rotore e tre set di bobine dello statore per produrre potenza trifase, non credo che 60 funzionerebbe), e qualsiasi mancanza di rigidità potrebbe portare a uno squilibrio dinamico. Potrei sbagliarmi, però.
@supercat: Forse, ma è solo questione di progettare cuscinetti migliori e assi più solidi, o forse peso del rotore extra (fittizio) (che è comunque desiderabile, come un volano per uniformare i picchi nell'assorbimento di corrente). L'energia prodotta da OTOH è più pulita, con meno componenti armoniche, ecc. Più energia cinetica immagazzinata = di nuovo una migliore immunità contro i picchi di assorbimento di potenza. I generatori a più bracci sono migliori quando non ci si può permettere la costruzione di alta qualità / precisione / robustezza - produzione di energia "domestica".
alephzero
2015-04-02 05:55:31 UTC
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Ci sono due modi diversi in cui il flusso d'acqua trasmette energia. Uno è la differenza di pressione tra l'acqua in entrata e in uscita dalla turbina. L'altro il cambiamento di energia cinetica dell'acqua che scorre veloce che entra nella turbina e dell'acqua che scorre lentamente che la lascia.

La tua idea del secchio sembra essere come un http://en.wikipedia.org/wiki/ Pelton_wheel che funziona estraendo l'energia cinetica da un flusso d'acqua veloce ed è efficiente per basse portate. Se le benne sulla ruota si muovono alla metà della velocità dell'acqua, l'efficienza teorica è del 100%, ma se le velocità sono in un rapporto diverso l'efficienza può essere molto inferiore.

D'altra parte, se l'alimentazione idrica ha un'alta pressione (ad es. sul fondo di una diga profonda) è più efficiente utilizzare la differenza di pressione direttamente in un progetto come una turbina Francis, piuttosto che convertire l'alta pressione in una velocità di flusso elevata (che sprecherebbe molta energia in turbolenza nell'acqua e attrito contro le pareti dei tubi) e quindi utilizzare l'energia che rimane per guidare una ruota Pelton o qualche altro "secchio" design.

$ E_k = {1 \ oltre 2} m v ^ 2; E_p = m g h $ Questo ² significa molto. Se l'acqua si muove velocemente, non vuoi rallentarla prima di estrarre l'energia.


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Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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