Χρήστης:Const gr/Πρόχειρο

Υδροηλεκτρική ενέργεια

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια Μετάβαση στην πλοήγησηΠήδηση στην αναζήτηση Yδροηλεκτρική Eνέργεια 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 19ου 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). Στην πραγματικότητα, τα δύο μεγαλύτερα συγκροτήματα παραγωγής υδροηλεκτρικής ενέργειας είναι στην Κίνα (Three Gorges, 22.4 GW) και στη Βραζιλία (Itaipu, 14 GW). 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.,

Ιστορία

Οι πρώτες ενδείξεις για τροχούς και νερόμυλους χρονολογούνται από την αρχαία Εγγύς Ανατολή από τον 4ο 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 3ου 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 6ου 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.

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.

Στον μουσουλμανικό κόσμο, κατά την διάρκεια της Ισλαμικής Χρυσής Εποχής και της Αραβικής Γεωργικής Επανάστασης (8ος – 13ος 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 11ο 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.

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]

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 αυτή την  περίπτωση, 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. Η εικόνα (496) δείχνει τις μετατροπές μεταξύ αυτών των μορφών ενέργειας, καθώς το νερό ρέει από μία δεξαμενή, μέσω ενός αγωγού πτώσης, σε έναν υδροστρόβιλο. 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.