Υδροηλεκτρική ενέργεια[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια Μετάβαση στην πλοήγηση Πήδηση στην αναζήτηση

	Το λήμμα δεν περιέχει πηγές ή αυτές που περιέχει δεν επαρκούν. Μπορείτε να βοηθήσετε προσθέτοντας την κατάλληλη τεκμηρίωση. Υλικό που είναι ατεκμηρίωτο μπορεί να αμφισβητηθεί και να αφαιρεθεί. Η σήμανση τοποθετήθηκε στις 31/07/2020.

	Έχει προταθεί αυτό το λήμμα ή τμήμα αυτού του λήμματος, να συγχωνευθεί με το Υδροηλεκτρισμός. (Σχολιάστε) Όταν συγχωνεύετε το περιεχόμενο, σημειώστε στην σύνοψη επεξεργασίας ότι πρόκειται για «`περιεχόμενο από την σελίδα Υδροηλεκτρική ενέργεια`», για λόγους αναφοράς στους συντάκτες εκείνου του λήμματος.

Το υδροηλεκτρικό φράγμα Chief Joseph Yδροηλεκτρική ενέργεια λέγεται η εκμετάλλευση της μηχανικής ενέργειας του τρεχούμενου νερού με σκοπό -κυρίως- την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ετυμολογικά, η έννοια αυτή προέρχεται από την αρχαία ελληνική λέξη ὕδωρ. Από την αρχαιότητα, η υδροηλεκτρική ενέργεια, προερχόμενη από πολλά είδη νερόμυλων, έχει χρησιμοποιηθεί για άρδευση και λειτουργία διάφορων μηχανικών συσκευών, όπως για παράδειγμα στα ελαιοτριβεία, στα πριονιστήρια, στους κλωστοϋφαντουργικούς μύλους, στους γερανούς αποβάθρων και στους οικιακούς ανελκυστήρες. Θεωρείται ανανεώσιμη πηγή ενέργειας επειδή ο κύκλος του νερού ανανεώνεται συνεχώς από τον ήλιο.

Στα τέλη του 19^ου αιώνα έγινε ένα μεγάλο βήμα, καθώς, η υδροηλεκτρική ενέργεια έγινε πηγή παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Το Cragside στο Northumberland ήταν το πρώτο σπίτι που τροφοδοτήθηκε από υδροηλεκτρική ενέργεια, το 1878. Το πρώτο εμπορικό υδροηλεκτρικό εργοστάσιο κατασκευάστηκε στους καταρράκτες του Νιαγάρα το 1879. Το 1881, οι λαμπτήρες δρόμου στην πόλη των καταρρακτών του Νιαγάρα τροφοδοτήθηκαν από υδροηλεκτρική ενέργεια.

Διεθνή ιδρύματα όπως η Παγκόσμια Τράπεζα θεωρούν την υδροηλεκτρική ενέργεια ως ένα μέσο οικονομικής ανάπτυξης, το οποίο δεν προσθέτει σημαντικές ποσότητες άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Ωστόσο, τα φράγματα ενδέχεται να έχουν σημαντικές αρνητικές κοινωνικές και περιβαλλοντικές επιπτώσεις οι οποίες θα αναλυθούν παρακάτω.

Σήμερα, οι σύγχρονες υδροηλεκτρικές μονάδες παράγουν ηλεκτρισμό χρησιμοποιώντας στροβίλους και γεννήτριες. Η μηχανική ενέργεια που δημιουργείται από το κινούμενο νερό, περιστρέφει τον δρομέα στον στρόβιλο. Ο τελευταίος, συνδέεται με μια ηλεκτρομαγνητική γεννήτρια που παράγει ηλεκτρική ενέργεια όταν περιστρέφεται ο στρόβιλος.

Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι μια πολύ σημαντική πηγή ηλεκτρισμού, με ικανότητα παραγωγής κοντά στο 1 TW, που αποτελεί το 16.5% (3400 TWh) της συνολικής παγκόσμιας προσφοράς. Σε περισσότερες από είκοσι χώρες, η υδροηλεκτρική ενέργεια παρέχει περισσότερο από το 90% της ηλεκτρικής ενέργειας. Οι περισσότερες από τις νέες υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις βρίσκονται στην Ασία (κυρίως στην Κίνα) και στη Λατινική Αμερική (κυρίως στην Βραζιλία). Η Κίνα έχει μακράν τη μεγαλύτερη εγκατεστημένη ισχύ (210 GW) και στοχεύει σε νέα έργα. Η υδροηλεκτρική ενέργεια παράγει περίπου το 8% του ηλεκτρισμού των ΗΠΑ το οποίο, αν και ακούγεται κάπως μέτριο, εξακολουθεί να είναι σημαντικά περισσότερο από όσο παρέχουν σε συνδυασμό οι άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας κάτι που αποδεικνύει την χρησιμότητα της συγκεκριμένης ανανεώσιμης πηγής ενέργειας. Στις ΗΠΑ και τις άλλες χώρες του Οργανισμού Οικονομικής Συνεργασίας και Ανάπτυξης (ΟΟΣΑ), όπου έχουν ήδη αναπτυχθεί οι καλύτερες τοποθεσίες, η εστίαση έχει μετατοπιστεί από την ανάπτυξη νέων περιοχών στη βελτίωση των υφιστάμενων εγκαταστάσεων, προσθέτοντας δυνατότητες παραγωγής σε υφιστάμενα φράγματα όπου δεν έχουν γίνει ακόμα εγκαταστάσεις υδροηλεκτρικής ενέργειας. Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι μια εδραιωμένη ώριμη τεχνολογία, αλλά υπάρχει ακόμα ενδιαφέρον στην ανάπτυξη φθηνότερων και καλύτερων τεχνολογιών για εφαρμογές μικρής ισχύος και χαμηλού ύψους πτώσης.

Η υδροηλεκτρική ενέργεια έχει ένα σαφές πλεονέκτημα ως προς τις περισσότερες άλλες τεχνολογίες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας: πρόκειται για μια πολύ πιο ευέλικτη πηγή ενέργειας. Μπορεί να παρέχει ενέργεια φορτίου βάσης, ενέργεια αιχμής, στρεφόμενη εφεδρεία και αποθήκευση ενέργειας. Μπορεί να καλύπτει λεπτό προς λεπτό διακυμάνσεις του φορτίου γρηγορότερα και με μεγαλύτερο εύρος και ευελιξία από ότι τα συμβατικά εργοστάσια παραγωγής ενέργειας. Όσον αφορά την αποθήκευση, είναι ένα ιδανικό συμπλήρωμα για τις μεταβλητές και απρόβλεπτες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.,

Πίνακας περιεχομένων[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ιστορία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα][Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Νερόμυλος στο Βέλγιο (12ος αιώνας)

Οι πρώτες ενδείξεις για τροχούς και νερόμυλους χρονολογούνται από την αρχαία Εγγύς Ανατολή από τον 4^ο αιώνα π.Χ., συγκεκριμένα στην Περσική Αυτοκρατορία πριν από το 350 π.Χ., στις περιοχές του Ιράκ, του Ιράν και της Αιγύπτου.

Στη Ρωμαϊκή Αυτοκρατορία, οι υδρόμυλοι περιεγράφηκαν από τον Βιτρούβιο τον πρώτο αιώνα π.Χ. Ο μύλος Barbegal είχε δεκαέξι τροχούς που επεξεργάζονταν έως και 28 τόνους σιτηρών την μέρα. Ρωμαϊκοί τροχοί χρησιμοποιήθηκαν επίσης για πριόνισμα μαρμάρου, όπως το πριονιστήριο της Ιεράπολης στα τέλη του 3^ου αιώνα. Τέτοια πριονιστήρια είχαν έναν τροχό νερού ο οποίος «οδηγούσε» δύο ράβδους μανιβέλας για να τροφοδοτήσουν δύο πριόνια. Εμφανίζεται επίσης σε δύο ανατολικούς ρωμαϊκούς μύλους του 6^ου αιώνα που ανασκάφηκαν στην Έφεσο και τη Γέρασα αντίστοιχα. Ο μηχανισμός μανιβέλας αυτών των ρωμαϊκών νερόμυλων μετέτρεψε την περιστροφική κίνηση του τροχού σε γραμμική κίνηση των πριονωτών λεπίδων. Saint Anthony Falls : Η υδροηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιήθηκε εδώ για να αλέσει αλεύρι. Στην Κίνα, θεωρήθηκε ότι τα υδατοκίνητα σφυριά από την δυναστεία των Χαν (202 π.Χ. – 220 π.Χ.) τροφοδοτούνταν από υδάτινες σέσουλες. Εντούτοις, αργότερα οι ιστορικοί πίστευαν ότι τροφοδοτούνταν από υδρόβιους τροχούς, ισχυριζόμενοι ότι οι σέσουλες δεν θα είχαν την κινητήρια δύναμη για να λειτουργήσουν τους φυσητήρες υψικαμίνων. Περίπου το 20 μ.Χ. ο μηχανικός Du Shi εφάρμοσε τη δύναμη των υδραυλικών τροχών στους φυσητήρες εμβόλων στο σφυρηλατημένο χυτοσίδηρο.

Η δύναμη ενός κύματος νερού που απελευθερώνεται από μία δεξαμενή χρησιμοποιήθηκε για την εξαγωγή μεταλλευμάτων με μια μέθοδο γνωστή ως “hushing”. Η μέθοδος αυτή, χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στα μεταλλεία χρυσού Dolaucothi στην Ουαλία από το 75 μ.Χ. και μετά, αλλά είχε αναπτυχθεί στην Ισπανία σε ορυχεία όπως το Las Médulas. Το Hushing χρησιμοποιήθηκε επίσης ευρέως στη Βρετανία στη Μεσαιωνική περίοδο και αργότερα για την εξαγωγή μεταλλεύματος μόλυβδου και κασσίτερου. Αργότερα εξελίχθηκε σε υδραυλική εξόρυξη όταν χρησιμοποιήθηκε κατά τη περίοδο του California Gold Rush. Το κάστρο Warwick, στο οποίο χρησιμοποιείται υδροηλεκτρική ενέργεια για την ηλεκτροδότηση του κάστρου. Στον μουσουλμανικό κόσμο, κατά την διάρκεια της Ισλαμικής Χρυσής Εποχής και της Αραβικής Γεωργικής Επανάστασης (8^ος – 13^ος αιώνας), οι μηχανικοί έκαναν ευρεία χρήση υδροηλεκτρικής ενέργειας ενώ παράλληλα έκαναν και τις πρώτες χρήσεις παλιρροιακής ενέργειας. Επίσης έχτισαν και τα πρώτα μεγάλα υδραυλικά εργοστάσια. Ακόμα, στον ισλαμικό κόσμο, χρησιμοποιήθηκε μα ποικιλία υδρόβιων βιομηχανικών ελαιοτριβείων, συμπεριλαμβανομένων των: γρύλων, διάφορων ειδών μύλων, σκαφών, πριονιστηρίων, χαλυβουργείων και ζαχαροτριβείων. Μέχρι τον 11^ο αιώνα, σε κάθε επαρχία του ισλαμικού κόσμου λειτουργούσαν βιομηχανικοί μύλοι. Πιο συγκεκριμένα, από την Βόρεια Αφρική έως την Μέση Ανατολή και την Κεντρική Ασία. Οι μουσουλμάνοι μηχανικοί χρησιμοποίησαν επίσης στροβίλους νερού και πρωτοστάτησαν στη χρήση φραγμάτων ως πηγή υδραυλικής ενέργειας, οι οποίοι παρείχαν πρόσθετη ισχύ σε νερόμυλους και μηχανήματα ανύψωσης νερού (water-raising machines).

Ο ισλαμικός μηχανικός Al-Jazari (1136-1206) περιέγραψε σχέδια για 50 συσκευές, πολλές από τις οποίες τροφοδοτούνται με νερό, στο βιβλίο του, The Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices.

Το 1753, ο Γάλλος μηχανικός Bernard Forest de Bélidor δημοσίευσε το Architecture Hydraulique, στο οποίο περιέγραψε υδραυλικές μηχανές κάθετου και οριζόντιου άξονα. Η αυξανόμενη ζήτηση για την βιομηχανική επανάσταση θα οδηγούσε επίσης στην ανάπτυξη.

Τα δίκτυα υδραυλικής ισχύος χρησιμοποιούσαν σωλήνες για την μεταφορά πεπιεσμένου νερού και την μετάδοση μηχανικής ισχύος από την πηγή στους τελικούς χρήστες. Η πηγή ισχύος ήταν συνήθως μια κεφαλή νερού, η οποία θα μπορούσε επίσης να βοηθηθεί από μια αντλία. Υπήρξε εκτεταμένη χρήση αυτών των δικτύων σε βικτοριανές πόλεις στο Ηνωμένο Βασίλειο. Ακόμα, ένα δίκτυο υδραυλικής ισχύος αναπτύχθηκε στη Γενεύη της Ελβετίας. Το παγκοσμίου φήμης Jet d'Eau σχεδιάστηκε αρχικά ως βαλβίδα εκτόνωσης υπερπίεσης για το δίκτυο. Μύλος μεταλλεύματος, ο οποίος τροφοδοτείται απευθείας με νερό, τέλη 19ου αιώνα. Στην αρχή της Βιομηχανικής Επανάστασης στη Βρετανία, το νερό ήταν η κύρια πηγή ισχύος για νέες εφευρέσεις, όπως το water frame του Richard Arkwright. Παρόλο που η χρήση υδραυλικής ενέργειας αντικαταστάθηκε σε πολλά εργοστάσια από τον ατμό, συνεχίστηκε η χρησιμοποίηση της και κατά τη διάρκεια του 18ου και του 19ου αιώνα για πολλές μικρότερες λειτουργίες, όπως η οδήγηση των φυσητήρων σε μικρούς υψικαμίνους (π.χ. το Dyfi Furnace) και μύλους, όπως αυτοί που χτίστηκαν στο Saint Anthony Falls, οι οποίοι χρησιμοποιούσαν την πτώση του νερού από το ύψος των 50 ποδιών (15 μ.) του ποταμού Μισισιπή.

Καθώς οι σιδηρόδρομοι προσπέρασαν τα κανάλια στο θέμα της μεταφοράς, τα συστήματα καναλιών τροποποιήθηκαν και εξελίχθηκαν σε συστήματα υδροηλεκτρικής ενέργειας. Η Μασαχουσέτη είναι ένα κλασικό παράδειγμα εμπορικής ανάπτυξης και εκβιομηχάνισης, που βασίζεται στη διαθεσιμότητα υδάτινης ισχύος.

Οι τεχνολογικές εξελίξεις είχαν αλλάξει τον τροχό ανοιχτού νερού σε κλειστό κινητήρα στροβίλου ή νερού. Το 1848 ο James B. Francis, ενώ εργαζόταν ως επικεφαλής μηχανικός της εταιρείας Lowell's Locks and Canals, βελτίωσε αυτά τα σχέδια για να δημιουργήσει μια τουρμπίνα με απόδοση 90%. Εφάρμοσε επιστημονικές αρχές και μεθόδους δοκιμών στο πρόβλημα του σχεδιασμού στροβίλων. Ο στρόβιλος αντίδρασης Francis εξακολουθεί να χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα. Στη δεκαετία του 1870, ορμώμενος από την βιομηχανία εξόρυξης της Καλιφόρνιας, ο Lester Allan Pelton ανέπτυξε τον υψηλής απόδοσης στρόβιλο τροχού Pelton, ο οποίος χρησιμοποιούσε υδροηλεκτρική ενέργεια από τις υψηλές ροές κεφαλής, το οποίο είναι χαρακτηριστικό του ορεινού εσωτερικού της Καλιφόρνιας.

Βασικές Αρχές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα][Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η ενέργεια που σχετίζεται με το νερό εκδηλώνεται με τρεις τρόπους: ως δυναμική ενέργεια, ως ενέργεια υπό πίεση και ως κινητική ενέργεια. Η ενέργεια σε ένα υδροηλεκτρικό σύστημα ξεκινάει ως δυναμική ενέργεια λόγω του ύψους του πάνω από ένα επιπέδου αναφοράς, σε στάθμη υψηλότερη από αυτή του εργοστασίου παραγωγής ηλεκτρισμού. Το νερό υπό πίεση στον αγωγό πτώσης, όταν ελευθερώνεται, είναι ικανό να παράγει έργο, συνεπώς υπάρχει ενέργεια που οφείλεται σε αυτή την πίεση. Τέλος, καθώς το νερό ρέει, υπάρχει κινητική ενέργεια που σχετίζεται με τη μάζα που κινείται. Βοηθάει να εκφράσουμε καθεμία από τις τρεις μορφές ενέργειας ανά μονάδα βάρους. Στην περίπτωση αυτή, η ενέργεια αναφέρεται ως στήλη ύψους και έχει διαστάσεις μήκους, με μονάδες όπως πόδια στήλης (“feet of head”) ή μέτρα στήλης (“meters of head”). Η συνολική ενέργεια είναι το άθροισμα του ύψους της δυναμικής ενέργειας, του ύψους της πίεσης και του ύψους της κινητικής ενέργειας και δίνεται από:

Ύψος ενέργειας =

όπου

z = στάθμη ύψους (υψόμετρο) πάνω από ένα ύψος αναφοράς (m) ή (f)

p = πίεση (N/m²)

γ = ειδικό βάρος (N/m³)

v = μέση ταχύτητα (m/s)

g = επιτάχυνση της βαρύτητας (9,81 m/s²)

Υπολογισμός της ποσότητας της διαθέσιμης ισχύος

Ένας πόρος υδροηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να αξιολογηθεί από τη διαθέσιμη ισχύ του. Η ισχύς είναι συνάρτηση της υδραυλικής κεφαλής και του ογκομετρικού ρυθμού ροής. Η κεφαλή είναι η ενέργεια ανά μονάδα βάρους (ή μονάδα μάζας) του νερού. Η στατική κεφαλή είναι ανάλογη με τη διαφορά ύψους από την οποία πέφτει το νερό. Η δυναμική κεφαλή σχετίζεται με την ταχύτητα του κινούμενου νερού. Κάθε μονάδα νερού μπορεί να παράγει έργο ίσο με το βάρος της επί την κεφαλή.

Η ισχύς που διατίθεται από την πτώση του νερού μπορεί να υπολογιστεί από τον ρυθμό ροής και την πυκνότητα του νερού, το ύψος της πτώσης και την τοπική επιτάχυνση λόγω της βαρύτητας:

όπου:

(ρυθμός ροής έργου) είναι η έξοδος ισχύος (σε watt)
είναι η αποδοτικότητα του στροβίλου (χωρίς διάσταση)
είναι ο ρυθμός ροής μάζας (σε χιλιόγραμμα ανά δευτερόλεπτο)
είναι η πυκνότητα του νερού (σε χιλιόγραμμα ανά κυβικό μέτρο)
είναι ο ογκομετρικός ρυθμός ροής (σε κυβικά μέτρα ανά δευτερόλεπτο)
είναι η επιτάχυνση λόγω βαρύτητας(σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο ανά δευτερόλεπτο)
είναι η διαφορά ύψους μεταξύ της εξόδου και της εισόδου (σε μέτρα)

Για παράδειγμα, η απόδοση ισχύος ενός στροβίλου με αποτελεσματικότητα 85%, ρυθμό ροής 80 κυβικά μέτρα ανά δευτερόλεπτο (2800 κυβικά πόδια ανά δευτερόλεπτο) και κεφαλή 145 μέτρων (480 πόδια), είναι 97 Megawatts:

Οι χειριστές υδροηλεκτρικών σταθμών θα συγκρίνουν τη συνολική ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται, με τη θεωρητική δυναμική ενέργεια του νερού που διέρχεται από την τουρμπίνα για τον υπολογισμό της απόδοσης. Οι διαδικασίες και οι ορισμοί για τον υπολογισμό της απόδοσης δίνονται σε κωδικούς δοκιμής όπως οι ASME PTC 18 και IEC 60041. Ο έλεγχος πεδίου των στροβίλων χρησιμοποιείται για την επικύρωση της εγγυημένης απόδοσης του κατασκευαστή. Ο λεπτομερής υπολογισμός της απόδοσης ενός στροβίλου υδροηλεκτρικής ενέργειας θα αντιπροσωπεύει την απώλεια της κεφαλής λόγω τριβής της ροής στο κανάλι ισχύος, την αύξηση της στάθμης του νερού της «ουράς» λόγω ροής, την θέσης του σταθμού η οποία προκαλεί διαφορετική επίδρασης της βαρύτητας, την θερμοκρασία, την βαρομετρική πίεση του αέρα, την πυκνότητα του νερού σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και τα υψόμετρα πάνω από τη στάθμη της θάλασσας. Για ακριβείς υπολογισμούς, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη σφάλματα λόγω στρογγυλοποίησης και ο αριθμός των σημαντικών ψηφίων.

Ορισμένα συστήματα υδροηλεκτρικής ενέργειας όπως οι τροχοί νερού μπορούν να αντλήσουν ενέργεια από τη ροή ενός σώματος νερού χωρίς να αλλάξει απαραίτητα το ύψος του. Σε αυτήν την περίπτωση, η διαθέσιμη ισχύς είναι η κινητική ενέργεια του ρέοντος νερού. Οι υδραυλικοί τροχοί μπορούν να συλλάβουν αποτελεσματικά και τους δύο τύπους ενέργειας. Η ροή του νερού σε ένα ρεύμα μπορεί να ποικίλλει πολύ από εποχή σε εποχή. Η ανάπτυξη μιας περιοχής υδροηλεκτρικής ενέργειας απαιτεί ανάλυση των αρχείων ροής, που μερικές φορές εκτείνονται σε δεκαετίες, για την αξιολόγηση της ετήσιας παροχής ενέργειας. Τα φράγματα και οι δεξαμενές παρέχουν μια πιο αξιόπιστη πηγή ισχύος, εξομαλύνοντας τις εποχιακές αλλαγές στη ροή του νερού. Ωστόσο, οι δεξαμενές έχουν σημαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις, όπως η αλλοίωση της φυσικής ροής. Ο σχεδιασμός των φραγμάτων πρέπει επίσης να αντιπροσωπεύει τη χειρότερη περίπτωση, "πιθανή μέγιστη πλημμύρα" που μπορεί να αναμένεται. Ένας υπερχειλιστής συχνά περιλαμβάνεται για να παρακάμψει τις πλημμύρες γύρω από το φράγμα. Ένα μοντέλο υπολογιστή της υδραυλικής λεκάνης και τα αρχεία βροχοπτώσεων και χιονοπτώσεων χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη της μέγιστης πλημμύρας.

Χρήσεις της Υδροηλεκτρικής Ενέργειας[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα][Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Μία διάταξη υδροηλεκτρικής παραγωγής, η οποία αξιοποιεί την δύναμη του νερού που πέφτει από τα βουνά Brecon Beacons στην Ουαλία. Υδροσυμπίεση πεπιεσμένου αέρα

Όπου υπάρχει άφθονη κεφαλή νερού, μπορεί να δημιουργηθεί πεπιεσμένος αέρας απευθείας χωρίς κινούμενα μέρη. Μια πτώση στήλης νερού αναμιγνύεται σκόπιμα με φυσαλίδες αέρα που δημιουργούνται μέσω στροβιλισμού ή με μειωτή πίεσης βεντούρι στην πρόσληψη υψηλού επιπέδου. Αυτό επιτρέπεται να πέσει κάτω από έναν άξονα, όπου τώρα συμπιεσμένος αέρας χωρίζεται από το νερό και παγιδεύεται. Το ύψος της στήλης νερού που πέφτει διατηρεί τη συμπίεση του αέρα στην κορυφή του θαλάμου, ενώ μια έξοδος, βυθισμένη κάτω από τη στάθμη του νερού στο θάλαμο επιτρέπει στο νερό να ρέει πίσω στην επιφάνεια σε χαμηλότερο επίπεδο από την είσοδο. Μια ξεχωριστή έξοδος στην οροφή του θαλάμου τροφοδοτεί τον πεπιεσμένο αέρα. Μια εγκατάσταση βάσει αυτής της αρχής, χτίστηκε στον ποταμό του Μόντρεαλ στο Ragged Shutes κοντά στο Κοβάλτ του Οντάριο το 1910 και παρείχε 5.000 ιπποδύναμη σε κοντινά ορυχεία.

Υδροηλεκτρισμός

Υδροηλεκτρισμός είναι η εκμετάλλευση της ενέργειας που προκύπτει από το νερό με σκοπό την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί παραγωγής ενέργειας μπορούν να περιλαμβάνουν μια δεξαμενή (που γενικά δημιουργείται από ένα φράγμα) για την εκμετάλλευση της ενέργειας του νερού που πέφτει ή μπορεί να χρησιμοποιήσει την κινητική ενέργεια του νερού όπως στην υδροηλεκτρική ενέργεια του ποταμού. Τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια ποικίλλουν σε μέγεθος από μικρά κοινοτικά μεγέθη (μικρό υδροηλεκτρικά) έως πολύ μεγάλα εργοστάσια που τροφοδοτούν ενέργεια σε μια ολόκληρη χώρα. Από το 2019, οι πέντε μεγαλύτεροι σταθμοί παραγωγής ενέργειας στον κόσμο είναι συμβατικοί υδροηλεκτρικοί σταθμοί με φράγματα.

Η υδροηλεκτρική ενέργεια μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση ενέργειας με τη μορφή δυναμικής ενέργειας μεταξύ δύο δεξαμενών σε διαφορετικά ύψη με υδροηλεκτρική αντλία αποθήκευσης. Το νερό αντλείται ανηφορικά σε δεξαμενές κατά τη διάρκεια περιόδων χαμηλής ζήτησης για απελευθέρωση, ενώ όταν η ζήτηση είναι υψηλή, για παραγωγή.

Άλλες μορφές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από υδροηλεκτρική ενέργεια περιλαμβάνουν γεννήτριες παλιρροιακού ρεύματος που χρησιμοποιούν ενέργεια από την παλίρροια που παράγεται από ωκεανούς, ποτάμια και ανθρωπογενή κανάλια για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Μια τυπική διάταξη ενός υδροηλεκτρικού σταθμού. Υδροηλεκτρικοί Σταθμοί

Στους υδροηλεκτρικούς σταθμούς (ΥΗΣ) μετατρέπεται η κινητική ή η δυναμική ενέργεια του τρεχούμενου νερού σε μηχανική ενέργεια, μέσω ενός υδροστρόβιλου που λειτουργεί στην περίπτωση αυτή σαν μετατροπέας ενέργειας. Η γεννήτρια, που είναι σε κοινό άξονα με τον υδροστρόβιλο, μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική. Ανάλογα με την υψομετρική διαφορά του νερού οι ΥΗΣ διακρίνονται σε σταθμούς χαμηλής (0-20 m), μέσης (20-100m) και υψηλής πίεσης (>100m). Οι υψομετρικές διαφορές που είναι εκμεταλλεύσιμες κυμαίνονται από μερικά μέτρα, πχ 3m, μέχρι και 1500m περίπου. Στην Ελλάδα οι ΥΗΣ είναι, κατά κανόνα, ΥΗΣ δεξαμενής, με ρυθμιζόμενη ισχύ. Οι σταθμοί αυτοί, όπως θα αναλυθεί στη συνέχεια, χρησιμοποιούν το νερό που είναι αποθηκευμένο σε μια δεξαμενή χωρητικότητας της τάξης των 10⁹m³ . Στο εξωτερικό, σε μεγάλα ποτάμια (Ρήνος), χρησιμοποιούνται και ΥΗΣ φυσικής ροής. Στις περιπτώσεις αυτές χρησιμοποιείται η ροή του ποταμού για την παραγωγή ενέργειας. Η ηλεκτρική ισχύς που αποδίδεται από τη γεννήτρια προκύπτει από το γινόμενο της δυναμικής ενέργειας του νερού επί ένα βαθμό απόδοσης, ο οποίος είναι το γινόμενο της απόδοσης των αγωγών, n_a = 0,93…0,99 , του στροβίλου n_T = 0,85..0,94 και της γεννήτριας n_G = 0,95..0,99. Ο ολικός βαθμός n της απόδοσης ενέργειας των ΥΗΣ κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 0,75 έως 0,92.

Η ισχύς που παράγεται από έναν ΥΗΣ δίνεται από τη σχέση:

όπου

ο ολικός βαθμός απόδοσης,

το ειδικό βάρος του νερού σε , δηλαδή ,

η παροχή του νερού στο στρόβιλο σε ,

η υψομετρική διαφορά άνω και κάτω στάθμης σε .

Για ένα βαθμό απόδοσης 0,82 η ισχύς είναι:

όπου Q είναι σε m³/s και H σε m.

Ένα μεγάλο πλεονέκτημα των ΥΗΣ είναι ότι η ισχύς τους ρυθμίζεται σε χρόνους πολύ πιο σύντομους από ότι σε έναν ατμοηλεκτρικό σταθμό. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται σαν ρυθμιστικά εργοστάσια για τη ρύθμιση της ροής της ισχύος στο δίκτυο, εκεί όπου απαιτούνται μικρές χρονικές σταθερές ρύθμισης.

Τα ρυθμιστικά εργοστάσια είναι συνήθως ΥΗΣ. Στην Ελλάδα χρησιμοποιείται ο ΥΗΣ του Καστρακίου για τη ρύθμιση της ροής ισχύος μεταξύ Ελλάδας και Γιουγκοσλαβίας. Το μεγαλύτερο υδροηλεκτρικό φράγμα στον κόσμο, το Three Gorges Dam στην Κίνα Οι ΥΗΣ ανήκουν στα μεγαλύτερα έργα της τεχνικής. Τις περισσότερες φορές συνδυάζουν την παραγωγή ενέργειας και την άρδευση ή ύδρευση μεγάλων περιοχών. Η υλοποίηση τους όμως είναι πολυδάπανη, μακροχρόνια και πολλές φορές επιβάλλει και γενικότερες κοινωνικές μεταβολές, όπως μετακίνηση οικισμών από περιοχές που θα πλημμυρίσουν κατά την δημιουργία ταμιευτήρων νερού. Σήμερα ο μεγαλύτερος ΥΗΣ του κόσμου βρίσκεται στον ποταμό Itaipu, στα σύνορα Βραζιλίας – Παραγουάης.

Άλλα μεγάλα υδροηλεκτρικά συγκροτήματα υπάρχουν στον Καναδά, όπου το συγκρότημα La Grande Complex στο Quebec έχει συνολική εγκατεστημένη ισχύ 16,021 GW , αλλά ο μεγαλύτερος σταθμός του είναι ο Robert Bourassa με εγκατεστημένη ισχύ 5,616 GW. Στις ΗΠΑ υπάρχει ο σταθμός Grand Coulee, Washington, με ισχύ 6,809 GW, που λειτουργεί από το 1942. Πρόσφατα κατασκευάστηκε το μεγαλύτερο υδροηλεκτρικό φράγμα στον κόσμο στο Three Gorges στον ποταμό Yangtze της Κίνας. Οι πρώτες γεννήτριες τέθηκαν σε λειτουργία το 2003 ενώ το έργο, που περιλαμβάνει 26 συνολικά γεννήτριες συνολικής ισχύος 18,3 GW ολοκληρώθηκε το 2009. Το κόστος του έργου ξεπέρασε τα 100 δισεκατομμύρια US, καταλαμβάνοντας έτσι τη θέση του ακριβότερου τεχνικού έργου στον κόσμο. Στην τιμή αυτή δεν συμπεριελήφθησαν τα κόστη των απαλλοτριώσεων, της μετακίνησης του πληθυσμού και των περιβαλλοντικών επιπτώσεων.

Στη χώρα μας οι ΥΗΣ αναπτύσσονται κυρίως κατά μήκος των ποταμών Αχελώου, Αλιάκμονα και Νέστου. Ο μεγαλύτερος ΥΗΣ, από πλευράς εγκατεστημένης ισχύος, βρίσκεται τον Αχελώο, και είναι ο ΥΗΣ Κρεμαστών, με εγκατεστημένη ισχύ 437,2 MW.

Υδροστρόβιλοι[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα][Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ο δρομέας ενός μικρού υδροστροβίλου Οι υδροστρόβιλοι εργάζονται αποδοτικά σε περιστροφικές ταχύτητες χαμηλότερες των 3000 min^-1 , που αντιστοιχούν στη συχνότητα των 50 Hz. Έτσι απαιτείται η προσαρμογή της ταχύτητας αυτών στη σύγχρονη ταχύτητα του δικτύου. Αυτό γίνεται με κατάλληλη επιλογή του αριθμού των πόλων της γεννήτριας. Η αλλαγή της ταχύτητας περιστροφής με μηχανικά μέσα (κιβώτια ταχυτήτων κλπ.) είναι συνήθως τεχνικά ασύμφορη λύση.

Σε συνδυασμό με τους ΥΗΣ, χρησιμοποιούνται οι όροι πρωτογενής και δευτερογενής ενέργεια. Πρωτογενής ενέργεια είναι εκείνη που ρυθμίζεται και μπορεί να προσαρμοστεί στην κατανάλωση, όπως πχ σε διάφορους σταθμούς δεξαμενής. Δευτερογενής ενέργεια είναι εκείνη που δεν μπορεί να προσαρμοστεί στη ζήτηση, όπως πχ στα εργοστάσια φυσικής ροής.

Όπως η ενέργεια στο νερό εκδηλώνεται σε τρεις μορφές -δυναμική, πίεσης και κινητική-, υπάρχουν τρεις επίσης διαφορετικές προσεγγίσεις για να μετατρέψουμε αυτή την ενέργεια νερού σε μηχανική ενέργεια η οποία χρειάζεται για τη περιστροφή του άξονα μιας ηλεκτρικής γεννήτριας. Οι στρόβιλοι ώσης μετατρέπουν τη δυναμική ενέργεια του νερού σε κινητική ενέργεια μιας δέσμης νερού που εκρέει με ορμή από υψηλής πίεσης ακροφύσια νερού επάνω σε σκαφίδια ή σε πτερύγια του δρομέα. Αντίθετα, η ταχύτητα του νερού σε έναν στρόβιλο αντίδρασης παίζει μικρό μόνο ρόλο, και είναι κυρίως η διαφορά πίεσης κατά μήκος του δρομέα (ή των πτερυγίων) αυτών των υδροστροβίλων που δημιουργεί την επιθυμητή ροπή. Σε γενικές γραμμές, οι υδροστρόβιλοι ώσης είναι πιο κατάλληλοι για εγκαταστάσεις σε συνθήκες μεγάλου ύψους και χαμηλής παροχής, ενώ το αντίθετο είναι η περίπτωση για τους υδροστρόβιλους αντίδρασης. Και τέλος ο αργόστροφος αλλά ισχυρός παραδοσιακός νερόμυλος -τροχός οριζόντιου άξονα- μετατρέπει τη δυναμική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια. Οι τροχοί οριζόντιου άξονα δεν είναι εντελώς κατάλληλοι για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, διότι δεν μπορούν να περιστραφούν με υψηλές ταχύτητες. Παλιός υδροστρόβιλος Pelton Στους ΥΗΣ χρησιμοποιούνται διαφορετικοί τύποι στροβίλων ανάλογα με την υψομετρική διαφορά H και την παροχή του νερού στον υδροστρόβιλο. Οι στρόβιλοι που χρησιμοποιούνται ανήκουν στις εξής κατηγορίες:

Στρόβιλος ελεύθερης δέσμης ή τύπου Pelton για μεγάλες υψομετρικές διαφορές. H≥100m
Στρόβιλος τύπου Francis για μεσαίες υψομετρικές διαφορές. H = 30…800m
Στρόβιλος τύπου Kaplan για χαμηλές υψομετρικές διαφορές. H = 2…80mΥδροστρόβιλος Francis

1)Οι υδροστρόβιλοι ώσης χρησιμοποιούνται πιο συχνά σε μικρά συστήματα. Ο πρωτότυπος υδροστρόβιλος ώσης αναπτύχθηκε και κατοχυρώθηκε από τον Lester Pelton το 1880 και οι σύγχρονες μηχανές αυτής της τεχνολογίας συνεχίζουν να φέρουν το όνομά του. Σε έναν υδροστρόβιλο Pelton, το νερό εκχύνεται με ορμή από τα ακροφύσια σε ζεύγος σκαφιδίων που συνδέονται στον δρομέα. Τα σκαφίδια έχουν σχεδιαστεί προσεκτικά για να εκμεταλλεύονται όσο το δυνατόν περισσότερη από την κινητική ενέργεια του νερού, ενώ απομένει αρκετή ενέργεια στο νερό για να μπορεί να φύγει από τους κάδους χωρίς να αναμιγνύεται με το εισερχόμενο νερό. Το νερό, όπως αναφέρθηκε, προσάγεται σε πολλά ακροφύσια, που είναι διατεταγμένα ισομετρικά γύρω από τον τροχό Pelton. Εκεί το νερό εκρέει και η δυναμική του ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια. Η δέσμη του νερού που εκρέει από κάθε ακροφύσιο χτυπά εφαπτομενικά στον τροχό Pelton που φέρει πτερύγια. Η ρύθμιση της ισχύος γίνεται με βελονοειδείς βαλβίδες. Υπάρχουν όμως εμπρός από τα ακροφύσια και ανακλαστήρες της δέσμης του νερού, που μπορούν σε μικρό χρόνο να παρεμβληθούν ανάμεσα στη δέσμη του νερού και στον τροχό, ώστε να την αποκλίνουν από το να πέσει πάνω στα πτερύγια. Με τον τρόπο αυτό, η ισχύς μπορεί να μηδενιστεί σε διάστημα δέκατων του δευτερολέπτου. Στους στροβίλους Pelton, η υδροστατική πίεση στα πτερύγια είναι παντού η ίδια. Σε κάθε στιγμή μόνο ορισμένα πτερύγια, πχ 6, έχουν επαφή με το νερό και έτσι όπως κινείται ο τροχός, τα πτερύγια εναλλάσσονται. Αυτοί οι υδροστρόβιλοι έχουν τυπικά αποδόσεις εύρους 70% - 90%.

Η απόδοση του πρωτότυπου σχεδιασμού Pelton ελαττώνεται σε υψηλότερες παροχές, γιατί το νερό εξερχόμενο από τα σκαφίδια τείνει να αναμιγνύεται με το εισερχόμενο ρεύμα. Ένας άλλος υδροστρόβιλος ώσης ονομάζεται Turgo και είναι παρόμοιος με τον Pelton. Ωστόσο, ο δρομέας έχει διαφορετική γεωμετρία και το εισερχόμενο νερό προσβάλλει τα πτερύγια από τη μια πλευρά υπό γωνία, επιτρέποντας την έξοδο του νερού από την άλλη, κάτι που μειώνει σημαντικά το πρόβλημα παρεμβολής. Ο σχεδιασμός Turgo επιτρέπει στο εκτοξευόμενο ρεύμα νερού να προσβάλλει αρκετούς κάδους απευθείας και περιστρέφει τον δρομέα με μεγαλύτερη ταχύτητα σε σχέση με τον Pelton, το οποίο τον καθιστά κάπως πιο συμβατό με τις ταχύτητες της γεννήτριας.

Υπάρχει και ένας άλλος υδροστρόβιλος ώσης που ονομάζεται στρόβιλος εγκάρσιας ροής, ο οποίος είναι ιδιαίτερα χρήσιμος σε περιπτώσεις χαμηλού προς μέτριο διαθέσιμο ύψος (5-20m). Αυτός ο υδροστρόβιλος είναι γνωστός επίσης ως υδροστρόβιλος Banki, Mitchell ή Ossberger -ονόματα που αφορούν τον εφευρέτη του, αυτόν που το ανέπτυξε και τον τρέχοντα κατασκευαστή του, αντίστοιχα. Αυτοί οι υδροστρόβιλοι είναι ιδιαίτερα απλοί στην κατασκευή τους, κάτι που τους καθιστά ευρύτατα διαδεδομένους στις αναπτυσσόμενες χώρες, όπου μπορούν να κατασκευαστούν τοπικά. Υδροστρόβιλος Kaplan 2)Για εγκαταστάσεις χαμηλού ύψους με μεγάλες παροχές, οι υδροστρόβιλοι αντίδρασης είναι αυτοί που χρησιμοποιούνται πιο συχνά. Οι υδροστρόβιλοι αντίδρασης δεν προσβάλλονται από δέσμη νερού, όπως συμβαίνει στην περίπτωση των στροβίλων δράσης. Είναι εντελώς βυθισμένοι στο νερό και παράγουν την ισχύ τους από τη μάζα του νερού που κινείται μέσα από αυτούς, και όχι από την ταχύτητα. Οι περισσότεροι υδροστρόβιλοι αντίδρασης που χρησιμοποιούνται σε μικρές υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις έχουν δρομείς τύπου έλικα (σαν μια πτερωτή εξωλέμβιου κινητήρα). Η πτερωτή μπορεί να έχει τρία μέχρι έξι πτερύγια, τα οποία για μικρά συστήματα είναι συνήθως σταθερού βήματος. Μεγαλύτερες μονάδες που περιλαμβάνουν πτερύγια μεταβλητού βήματος και άλλα ρυθμιζόμενα χαρακτηριστικά αναφέρονται ως υδροστρόβιλοι Kaplan. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε εφαρμογές χαμηλού ύψους (≈2-40m). Ένα παράδειγμα συστήματος με διάταξη ορθής γωνίας, στο οποίο ένας βολβός περιέχει τη σύζευξη μεταξύ του υδροστροβίλου και μιας εξωτερικά τοποθετημένης γεννήτριας. Για μεγαλύτερα συστήματα, ένας πιο κατάλληλος στρόβιλος αντίδρασης (≈10-350m ύψος), που ονομάζεται Francis, χρησιμοποιείται ευρέως. Οι υδροστρόβιλοι Kaplan και Francis αναλύονται παρακάτω.

3)Στους στροβίλους τύπου Francis το νερό, αφού περάσει τις ρυθμιστικές διατάξεις, οδηγείται σε ένα δακτυλιοειδή, τοροειδή, σωλήνα. Από εκεί πέφτει στα πτερύγια του στροβίλου, περνώντας μέσα από ειδικά ανοίγματα στην εσωτερική περιφέρεια του σωλήνα. Στα ανοίγματα αυτά υπάρχουν κινητά πτερύγια ρύθμισης. Αλλάζοντας τη θέση των πτερυγίων το νερό αλλάζει την φορά εκροής, και συνεπώς αλλάζει και η ροπή που ασκείται πάνω στα πτερύγια του στροβίλου. Με τον τρόπο αυτό ρυθμίζεται η ισχύς εισόδου στο στρόβιλο. Όλος ο στρόβιλος βρίσκεται μέσα στο νερό και η υδροστατική πίεση είναι μεγαλύτερη στην είσοδο του στροβίλου από ότι στην έξοδο.

Οι στρόβιλοι τύπου Kaplan, έχουν ανάλογη αρχή λειτουργίας, όπως οι αντίστοιχοι τύπου Francis, εκτός από τα κινητά πτερύγια, τα οποία είναι και αυτά ρυθμιζόμενα, όπως και τα σταθερά πτερύγια.

Στους στροβίλους Kaplan και Francis υπάρχει πάντοτε διαφορά πίεσης μεταξύ εισόδου και εξόδου της μηχανής σε αντιδιαστολή με τους στροβίλους τύπου Pelton, όπου η πίεση είναι ενιαία. Για το λόγο αυτό οι δύο αυτοί τύποι ονομάζονται στρόβιλοι υπερπίεσης.

Όταν οι ταχύτητες του νερού είναι μεγάλες, δημιουργούνται υποπιέσεις στον υδροστρόβιλο, με αποτέλεσμα την εξάτμιση του νερού. Οι ατμοί συμπυκνώνονται στην συνέχεια πάνω στις επιφάνειες των πτερυγίων, με αποτέλεσμα τη διάβρωση των πτερυγίων. Το φαινόμενο αυτό λέγεται σπηλαίωση (cavitation) και μπορεί να καταστρέψει κυρίως τα κινούμενα πτερύγια. Αποφεύγεται μόνο με τον κατάλληλο σχεδιασμό του στροβίλου.

Στους στροβίλους υπερπίεσης χρησιμοποιείται συνήθως στην έξοδο του νερού ένας σωλήνας, που οδηγεί μέχρι τη στάθμη φυγής. Στην άκρη αυτού του σωλήνα αναρρόφησης δημιουργείται, λόγω της ροής του νερού στην στάθμη φυγής, μια υποπίεση (φαινόμενο αντλίας διάχυσης). Με τον τρόπο αυτό γίνεται καλύτερη εκμετάλλευση της υψομετρικής διαφοράς.

Στους στροβίλους Kaplan και Francis το νερό προσάγεται κάθετα στον άξονα του στροβίλου. Ο σωλήνας αναρρόφησης δεν είναι παράλληλος με τον άξονα του στροβίλου. Σε ορισμένους τύπους στροβίλων, που ονομάζονται σωληνωτοί στρόβιλοι και οι οποίοι μοιάζουν με τους στροβίλους Kaplan, το νερό ρέει αξονικά. Ο στρόβιλος βρίσκεται στον ευθύ σωλήνα αναρρόφησης. Έτσι βελτιώνεται η απόδοση. Η λύση όμως αυτή είναι κατασκευαστικά δύσκολη. Η ροπή μεταδίδεται τότε στη γεννήτρια μέσω κιβωτίου ταχυτήτων γιατί, όπως προαναφέρθηκε, απαιτείται υψηλή ταχύτητα περιστροφής της γεννήτριας και ο υδροστρόβιλος περιστρέφεται με χαμηλή ταχύτητα.

Η εκμεταλλεύσιμη διαφορά στάθμης νερού, δηλαδή το ενεργό ύψος H , σε συνάρτηση με την παροχή και την ειδική ταχύτητα n_q (min^-1) χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό του είδους του στροβίλου. Η ειδική ταχύτητα n_q , είναι ένα χαρακτηριστικό μέγεθος, που υπολογίζεται από τη σχέση:

όπου = ταχύτητα περιστροφής min^-1 ,

= παροχή (m³/s) στην ονομαστική λειτουργία,

= υψομετρική διαφορά (m) στην ονομαστική λειτουργία.

Μέτρηση ροής για Μικρό Υδροηλεκτρικό Σύστημα[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα][Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Προφανώς, ο προσδιορισμός της διαθέσιμης ροής του νερού είναι απαραίτητος για τον προγραμματισμό και τον σχεδιασμό ενός συστήματος. Σε κάποιες περιπτώσεις, μπορεί η πηγή να είναι τόσο άφθονη και η ζήτηση τόσο μικρή, που μια πολύ χονδρική αξιολόγηση αρκεί. Αν όμως η πηγή είναι ένα μέτριο ρυάκι ή, μάλλον, απλώς μια πηγή, ιδίως αν είναι μία της οποίας η ροή είναι εποχιακή, μπορεί να απαιτούνται πολύ πιο προσεκτικές παρατηρήσεις και μετρήσεις πριν ξοδέψουμε χρήματα. Σε αυτές τις περιπτώσεις, θα πρέπει να γίνονται τακτικές μετρήσεις τουλάχιστον κατά τη διάρκεια ενός πλήρους έτους.

Οι μέθοδοι υπολογισμού της ροής ρεύματος κυμαίνονται από την απλούστερη μέθοδο του πλωτήρα και της χρονομέτρησης μέχρι τις πιο εξελιγμένες προσεγγίσεις, μεταξύ των οποίων και αυτή όπου οι μετρήσεις ταχύτητας ροής γίνονται κατά μήκος ολόκληρης της διατομής του υδατορεύματος χρησιμοποιώντας ένα ροόμετρο κινούμενο από μία προπέλα. Για τα μικρά συστήματα υδροηλεκτρικής ενέργειας, πολλές φορές η καλύτερη προσέγγιση περιλαμβάνει την κατασκευή μια προσωρινής δομής από ξύλο (κόντρα πλακέ), σκυρόδερμα ή μέταλλο, που ονομάζεται υδατοφράκτης. Το ύψος του νερού, καθώς αυτό ρέει μέσω ενός στομίου στον υδατοφράκτη, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της ροής.

Το στόμιο στον υδατοφράκτη μπορεί να έχει διαφορετικές γεωμετρίες, όπως ορθογώνιο, τρίγωνο και τραπέζιο. Χρειάζεται να έχει ένα οξύ άκρο, ώστε το νερό να εκτρέπεται αμέσως καθώς διασχίζει τον υδατοφράκτη. Για την ακρίβεια, πρέπει να δημιουργήσει μία σχεδόν στάσιμη δεξαμενή νερού ανάντι έτσι ώστε η επιφάνεια να είναι σε ηρεμία καθώς το νερό προσεγγίζει τον υδατοφράκτη, και απαιτείται κανόνας ώστε να μπορεί να μετρηθεί η στάθμη του νερού κατάντι. Όταν εφαρμοστούν οι γεωμετρικές σχέσεις για τον ορθογώνιο υδατοφράκτη και το ύψος h είναι μεγαλύτερο από 5cm , η ροή μπορεί να εκτιμηθεί ως ακολούθως:

με

Ηλεκτρολογικός εξοπλισμός Υδροηλεκτρικών Συστημάτων Μικρής Κλίμακας[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα][Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Τα μεγάλα υδροηλεκτρικά συστήματα χρησιμοποιούνται ως πηγή ισχύος AC που τροφοδοτείται απευθείας στα δίκτυα κοινής ωφέλειας χρησιμοποιώντας συμβατικές σύγχρονες γεννήτριες και συσκευές διασύνδεσης δικτύου. Δεδομένου ότι η συχνότητα εξόδου καθορίζεται από τις στροφές (rpm) της γεννήτριας, είναι επιβεβλημένος ο ακριβής έλεγχός της. Ενώ οι μηχανικοί ελεγκτές και οι χειροκίνητες βαλβίδεςελέγχου χρησιμοποιούνται παραδοσιακά, τα σύγχρονα συστήματα διαθέτουν ηλεκτρονικά εξαρτήματα που ελέγχονται από μικροεπεξεργαστές.

Αντιθέτως, τα μικρά υδροηλεκτρικά συστήματα παράγουν ρεύμα DC, το οποίο χρησιμοποιείται για να φορτίσει συσσωρευτές. Εξαίρεση θα ήταν η περίπτωση στην οποία η ηλεκτρική ενέργεια είναι εύκολα διαθέσιμη μέσω υπάρχοντος δικτύου, οπότε θα ήταν απλούστερο και φθηνότερο, από τη λύση της αποθήκευσης σε συσσωρευτές, ένα διασυνδεδεμένο σύστημα στο οποίο ο μετρητής κατανάλωσης περιστρέφεται προς μία κατεύθυνση, όταν η ζήτηση είναι λιγότερη από αυτήν που παράγει το υδροηλεκτρικό σύστημα, και προς την άλλη κατεύθυνση, όταν δεν συμβαίνει το παραπάνω.

Η συστοιχία συσσωρευτών σε ένα αυτόνομο μικρό υδροηλεκτρικό σύστημα επιτρέπει στο υδροηλεκτρικό σύστημα, συμπεριλαμβανομένων των σωλήνων, των βαλβίδων, του στροβίλου και της γεννήτριας, να σχεδιαστεί για να καλύψει απλώς την καθημερινή μέση ζήτηση ενέργειας, παρά τη μέγιστη ζήτηση αιχμής, που σημαίνει ότι τα πάντα μπορούν να είναι μικρότερα και φθηνότερα. Τα φορτία ποικίλλουν μέσα στην ημέρα βέβαια, καθώς οι συσκευές ανοίγουν και κλείνουν, αλλά οι πραγματικές μέγιστες απαιτήσεις σχετίζονται με τις διατάξεις που χρειάζονται για να ξεκινήσουν ομαλά οι κινητήρες στις μεγάλες συσκευές και τα ηλεκτρικά εργαλεία λόγω της απαίτησης υψηλών ρευμάτων εκκίνησης. Οι συσσωρευτές το χειρίζονται αυτό με ευκολία. Δεδομένου ότι οι καθημερινές διακυμάνσεις στη ροή του νερού είναι μέτριες, τα μικρά υδροηλεκτρικά συστήματα με αποθήκευση σε συσσωρευτή μπορούν να διαστασιολογηθούν για να καλύψουν πολύ μικρότερες διακοπές ρεύματος από τις διακοπές που πρέπει να χειριστούν τα φωτοβολταϊκά συστήματα και οι οποίες εξαρτώνται από τις καιρικές συνθήκες. Δύο ημέρες αποθήκευσης θεωρούνται λογικές.

Για να προστατεύσουμε τους συσσωρευτές από καταστροφή λόγω υπερφόρτισης, το σύστημα περιλαμβάνει έναν ρυθμιστή φόρτισης που εκτρέπει την περίσσεια ενέργειας από τη γεννήτρια σε έναν ρυθμιζόμενο αντιστάτη, ο οποίος μπορεί να είναι, για παράδειγμα, ένα ηλεκτρικό θερμαντικό στοιχείο σε μια δεξαμενή θέρμανσης νερού. Άλλα συστήματα ελέγχου είναι πιθανά, όπως η χρήση ρυθμιστών που είτε προσαρμόζουν την παροχή του νερού μέσω του υδροστροβίλου είτε ρυθμίζουν την παραγωγή της γεννήτριας προσαρμόζοντας το ρεύμα στις περιελίξεις του πεδίου στον δρομέα της γεννήτριας. Όπως φαίνεται, οι συσσωρευτές μπορούν να παρέχουν ισχύ DC απευθείας σε κάποια φορτία, ενώ άλλα φορτία λαμβάνουν AC