Гидроэнергетика - Hydropower

Эта статья об общей концепции гидроэнергетики. Об использовании гидроэнергии для производства электроэнергии см. гидроэлектроэнергия.

В Плотина Три ущелья в Китае; плотина гидроэлектростанции является крупнейшей в мире электростанцией по установленная мощность.
Часть серии по
Возобновляемая энергия
Логотип «Возобновляемая энергия» Мелани Меккер-Турсун V1 bgGreen.svg

Гидроэнергетика или же сила воды (из Греческий: ὕδωρ, "вода") мощность полученный из энергия падающей или быстрой воды, которые могут быть использованы для полезных целей. С давних времен гидроэнергетика из многих видов водяные мельницы использовался как Возобновляемая энергия источник для орошение и работу различных механических устройств, таких как мельницы, лесопилки, текстиль мельницы молотки, док краны, одомашненный лифты, и руда мельницы. А тромпа, который производит сжатый воздух из падающей воды, иногда используется для питания другого оборудования на расстоянии.[1][2]

В конце 19 века гидроэнергетика стала источником производства электричество. Cragside в Нортумберленде был первый дом, работающий на гидроэлектроэнергия в 1878 г.[3] и первая промышленная гидроэлектростанция была построена в г. Ниагарский водопад в 1879 г. В 1881 г. уличные фонари в городе Ниагара-Фолс приводились в действие гидроэнергетикой.

С начала 20 века этот термин использовался почти исключительно в связи с современным развитием гидроэнергетики. Международные институты, такие как Всемирный банк рассматривать гидроэнергетику как средство экономическое развитие без добавления значительного количества углерода в атмосферу,[4]но плотины может иметь значительный отрицательный Социальное и воздействие на окружающую среду.[5]

История

Водяная мельница Braine-le-Château, Бельгия (12 век)
Saint Anthony Falls, Соединенные Штаты; здесь использовалась гидроэлектроэнергия для помола муки.
Рудная мельница с прямым приводом, конец девятнадцатого века

Самое раннее свидетельство водяные колеса и водяные мельницы восходит к древний Ближний Восток в 4 веке до нашей эры,[6] особенно в Персидская империя до 350 г. до н.э., в регионах Ирак, Иран,[7] и Египет.[8]

в Римская империя водяные мельницы были описаны Витрувием в первом веке до нашей эры.[9] В Мельница Барбегала имел шестнадцать водяных колес, перерабатывающих до 28 тонн зерна в сутки.[10] Римские водяные колеса также использовались для пиления мрамора, такого как Лесопилка Иераполиса конца 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 частях VI века. Восточно-римский пилорамы раскопан на Эфес и Гераса соответственно. В заводить и шатунный механизм этих Римские водяные мельницы преобразовал вращательное движение водяного колеса в линейное движение пильных полотен.[11]

В Китае было предположено, что его водные молоты и сильфоны еще в Династия Хан (202 г. до н.э. - 220 г. н.э.) совки для воды,[12][13] но более поздние историки полагали, что они приводились в движение водяными колесами на том основании, что у совков не было бы движущей силы для их работы. доменная печь сильфоны.[14] Доказательства наличия вертикальных водяных колес Хань можно увидеть в двух современных моделях погребальной посуды, на которых изображены гидравлические молоты.[15] Самыми ранними текстами для описания устройства являются Джиджиупян словарь 40 г. до н.э., Ян Сюн текст, известный как Фангян 15 г. до н.э., а также Синь Лун написано Хуан Тан около 20 г. н.э.[16] Также в это время инженер Ду Ши (ок. 31 г. н.э.) применили силу водяные колеса к поршень -мехи в ковке чугуна.[17]

Сила волны воды, выпущенной из резервуара, была использована для добычи металлических руд методом, известным как замолчать. Впервые метод был применен на Золотые рудники Долаукоти в Уэльс с 75 г. н.э., но были разработаны в Испании на таких рудниках, как Лас-Медулас. Замалчивание также широко использовалось в Британия в Средневековый и более поздние периоды для извлечения вести и банка руды.[18] Позже он превратился в гидравлическая добыча при использовании во время Калифорнийская золотая лихорадка.

в Мусульманский мир вовремя Исламский золотой век и Арабская сельскохозяйственная революция (VIII – XIII вв.) Инженеры широко использовали гидроэнергетику, а также раннее использование приливная сила,[19] и большой гидравлический фабрика комплексы.[20] В исламском мире использовались различные водные промышленные мельницы, в том числе валяние мельницы мельницы, бумажная фабрика, шелушители, лесопилки, судовые мельницы, штамповочные мельницы, сталелитейные заводы, сахарные заводы, и приливные мельницы. К 11 веку в каждой провинции исламского мира были действующие промышленные предприятия, начиная с Аль-Андалус и Северная Африка к Средний Восток и Центральная Азия.[21] Мусульманские инженеры также использовали водяные турбины, занятые шестерни в водяных мельницах и водоподъемных машинах, и впервые применил плотины как источник гидроэнергии, используемый для обеспечения дополнительной энергии водяных мельниц и водоподъемных машин.[22]

Исламский инженер-механик Аль-Джазари (1136–1206) описал конструкции для 50 устройств, многие из которых приводятся в действие водой, в своей книге: Книга знаний об изобретательных механических устройствах, включая часы, устройство для подачи вина и пять устройств для подъема воды из рек или бассейнов, хотя три из них приводятся в движение животными, а одно может питаться от животных или воды. К ним относятся бесконечный пояс с прикрепленными кувшинами, корова журавль, и возвратно-поступательное устройство с откидными клапанами.[23][нужен лучший источник ]

В 1753 г. французский инженер Бернар Форест де Белидор опубликовано Архитектура Hydraulique в котором описаны гидравлические машины с вертикальной и горизонтальной осью.[24] Растущий спрос на Индустриальная революция также будет стимулировать развитие.[25]

Гидравлические сети использовались трубы для транспортировки воды под давлением и передачи механической энергии от источника конечным пользователям. Источником энергии обычно был напор воды, которому также мог помочь насос. Они были обширными в Викторианский города Соединенного Королевства. Также в г. Женева, Швейцария. Всемирно известный Jet d'Eau изначально был разработан как предохранительный клапан для сети.[26]

В начале промышленной революции в Великобритании вода была основным источником энергии для новых изобретений, таких как Ричард Аркрайт с водная рамка.[27] Хотя использование гидроэнергии уступило место силе пара на многих более крупных заводах и заводах, она все еще использовалась в 18-19 веках для многих небольших операций, таких как привод сильфонов в небольшие доменные печи (например, Печь Dyfi )[28] и мельницы, например, построенные на Saint Anthony Falls, который использует падение с высоты 50 футов (15 м) в Река Миссисипи.

В 1830-х годах, на раннем пике популярности в США канал -строительство, гидроэнергетика обеспечивала энергией транспорт баржа движение вверх и вниз по крутым склонам с использованием наклонные плоские железные дороги. Поскольку железные дороги обогнали каналы для транспортировки, системы каналов были модифицированы и преобразованы в гидроэнергетические системы; то история Лоуэлла, Массачусетс является классическим примером коммерческого развития и индустриализации, основанного на наличии гидроэнергии.[29]

Технологические достижения превратили открытое водяное колесо в закрытое турбина или же водяной мотор. В 1848 г. Джеймс Б. Фрэнсис, работая главным инженером компании Lowell's Locks and Canals, усовершенствовал эти конструкции, чтобы создать 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. В Реакционная турбина Фрэнсиса до сих пор широко используется. В 1870-х годах, благодаря использованию в горнодобывающей промышленности Калифорнии, Лестер Аллан Пелтон разработал высокую эффективность Импульсная турбина с колесом Пелтона, который использовал гидроэнергию из высоких потоков, характерных для горных районов Калифорнии.

Расчет количества доступной мощности

Ресурс гидроэнергии можно оценить по его наличию мощность. Мощность - это функция гидравлическая головка и объемный расход. Напор - это энергия единицы веса (или единицы массы) воды.[нужна цитата ] Статический напор пропорционален разнице высот, 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

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 КАК Я 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 расчетов погрешности из-за округления и количества значащие цифры констант необходимо учитывать.[нужна цитата ]

Некоторые гидроэнергетические системы, такие как водяные колеса может черпать энергию из потока воды без изменения его высоты. В этом случае доступная мощность равна кинетическая энергия проточной воды. Водяные колеса с избыточным ударом могут эффективно улавливать оба типа энергии.[31]Расход воды в ручье может сильно меняться от сезона к сезону. Разработка гидроэлектростанции требует анализа записи потока, иногда на десятилетия, для оценки надежного годового энергоснабжения. Плотины и водохранилища являются более надежным источником энергии за счет сглаживания сезонных изменений расхода воды. Однако водохранилища имеют значительные воздействие на окружающую среду, как и изменение естественного течения реки. При проектировании плотин также необходимо учитывать наихудший случай, «максимальное вероятное наводнение», которое можно ожидать на площадке; а водосброс часто включается для обхода паводковых потоков вокруг плотины. Компьютер модель гидроузла записи об осадках и снегопадах используются для прогнозирования максимального паводка.[нужна цитата ]

Социальное и экологическое воздействие плотин

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

Использование гидроэнергии

Схема гидроэнергетики, использующая силу воды, льющейся с гор Брекон-Биконс, Уэльс; 2017
А сиси-одоси Питание от падающей воды нарушает тишину японского сада, когда бамбуковая качалка ударяется о камень.

Механическая мощность

Водяные мельницы

Этот раздел представляет собой отрывок из Водяная мельница[редактировать]
Водяная мельница Braine-le-Château, Бельгия (12 век)
Интерьер Лайм Реджис водяная мельница, Великобритания (14 век)

А водяная мельница или водяная мельница - это мельница, использующая гидроэнергетику. Это структура, которая использует водяное колесо или же водяная турбина управлять механическим процессом, таким как фрезерование (шлифование), прокатка, или же стучать. Такие процессы необходимы при производстве многих материальных благ, в том числе мука, пиломатериалы, бумага, текстиль, и много металл товары. Эти водяные мельницы могут включать мельницы, лесопилки, бумажная фабрика, текстильные фабрики, молотковые дробилки, поездка молотком мельницы прокатные станы, волочение проволоки мельницы.

Одним из основных способов классификации водяных мельниц является ориентация колес (вертикальная или горизонтальная), приводная от вертикального водяного колеса через механизм механизм, а другой снабжен 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 классифицировать водяные мельницы - это их расположение: приливные мельницы использовать движение прилива; судовые мельницы водяные мельницы на борту (и составляющие) судно.

Водяные мельницы влияют на речную динамику водотоков, где они установлены. Во время работы водяных мельниц каналы имеют тенденцию осаждать, особенно заводь.[34] Также в затоне, события наводнения и осаждение смежных поймы увеличивать. Однако со временем эти эффекты нейтрализуются повышением берегов рек.[34] Где мельницы убрали, речной разрез увеличивается и каналы углубляются.[34]

Сжатый воздух гидро

Смотрите также: Тромпе

Там, где есть обильный напор воды, можно заставить сжатый воздух непосредственно 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 оказывается в ловушке. 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 этому принципу построен на Река Монреаль в Ragged Shutes рядом Кобальт, Онтарио в 1910 году и поставлял 5000 лошадиных сил на близлежащие шахты.[35]

Гидроэлектроэнергия

Основная статья: Гидроэлектроэнергия

Гидроэлектроэнергия - это применение гидроэнергии для выработки электроэнергии. Сегодня это основное использование гидроэнергетики.Гидроэлектростанции может включать резервуар (обычно создается плотина ), чтобы использовать энергию падающей воды, или можете использовать кинетическая энергия воды как в русловая гидроэлектростанция.Гидроэлектростанции могут отличаться по размеру от небольших по размеру населенных пунктов (микро гидро ) очень крупным предприятиям, поставляющим электроэнергию для всей страны. пять крупнейших электростанций в мире обычные гидроэлектростанции с плотинами.

Гидроэлектричество также можно использовать для хранения энергии в виде потенциальная энергия между двумя резервуарами на разной высоте с гидроаккумулирующая энергия.Вода закачивается вверх в водохранилища в периоды низкой потребности, чтобы выпускать ее для выработки, когда потребность высока или выработка системы низкая.

Другие формы производства электроэнергии с помощью гидроэнергетики включают: генераторы приливных потоков используя энергию из приливная сила генерируется из океанов, рек и искусственных систем каналов для выработки электроэнергии.[36]

Смотрите также

Примечания

  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.

Рекомендации

  1. ^ «История гидроэнергетики | Министерство энергетики». energy.gov. Получено 4 мая 2017.
  2. ^ "История власти Ниагарского водопада". www.niagarafrontier.com. Получено 4 мая 2017.
  3. ^ "Информация для посетителей Cragside". Национальный фонд. Получено 16 июля 2015.
  4. ^ Говард Шнайдер (8 мая 2013 г.). «Всемирный банк обращается к гидроэнергетике, чтобы согласовать развитие с изменением климата». Вашингтон Пост. Получено 9 мая 2013.
  5. ^ Николайсен, Пер-Ивар. "12 мегаплотин, изменивших мир (на норвежском языке) " По-английски Текниск Укеблад, 17 января 2015 г. Дата обращения 22 января 2015 г.
  6. ^ Терри С. Рейнольдс, Сильнее сотни человек: история вертикального водяного колеса, JHU Press, 2002 г. ISBN  0-8018-7248-0, п. 14
  7. ^ Селин, Хелайн (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. Дои:10.3390 / w7095031.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  9. ^ Олесон, Джон Питер (30 июня 1984 г.). Греческие и римские механические водоподъемные устройства: история технологии. Springer. п. 373. ISBN  90-277-1693-5. КАК В  9027716935.
  10. ^ Хилл, Дональд (2013). История инженерии в классические и средневековые времена. Рутледж. С. 163–164. ISBN  9781317761570.
  11. ^ Ритти, Греве и Кессенер 2007, п. 161
  12. ^ Терри Рейнольдс: Сильнее сотни человек. История вертикального водяного колеса, Издательство Университета Джона Хопкинса, 1983, стр. 26-30.
  13. ^ Льюис 1997, п. 118
  14. ^ Адам Лукас: Ветер, вода, работа: древние и средневековые технологии фрезерования, Brill Academic Publishers, 2006 г., стр. 55
  15. ^ Сяолей, Ши (2015). Свидетельства культурной реликвии гидравлических отбойных молотков. Сельскохозяйственная археология.
  16. ^ Нидхэм, Том 4, Часть 2, 184.
  17. ^ Нидхэм, Джозеф (1986), Наука и цивилизация в Китае, Том 4: Физика и физические технологии, Часть 2, Машиностроение, Тайбэй: Издательство Кембриджского университета, стр. 370, г. ISBN  0-521-05803-1
  18. ^ Хант, Роберт (1887). Британская горнодобывающая промышленность: трактат по истории, открытию, практическому развитию и будущим перспективам металлургических рудников Соединенного Королевства (2-е изд.). Лондон: Кросби Локвуд и Ко, стр. 505. Получено 2 мая 2015.
  19. ^ Ахмад Й. аль-Хасан (1976). Таки ад-Дин и арабское машиностроениеС. 34–35. Институт истории арабской науки, Университет Алеппо.
  20. ^ Майя Шацмиллер, стр. 36.
  21. ^ Адам Роберт Лукас (2005 г.), «Промышленное фрезерование в древнем и средневековом мире: обзор свидетельств промышленной революции в средневековой Европе», Технологии и культура 46 (1), стр. 1–30 [10].
  22. ^ Ахмад Й. аль-Хасан, Передача исламских технологий на Запад, Часть II: Передача исламской инженерии В архиве 18 февраля 2008 г. Wayback Machine
  23. ^ Аль-Хассани, Салим. «800 лет спустя: памяти гениального инженера-механика Аль-Джазари». Мусульманское наследие. Фонд науки, технологий и цивилизации. Получено 30 апреля 2015.
  24. ^ «История гидроэнергетики». Министерство энергетики США. Архивировано из оригинал 26 января 2010 г.
  25. ^ «Гидроэлектростанция». Водная энциклопедия.
  26. ^ «Чем заняться в Женеве, Швейцария». www.geneve-tourisme.ch. Женевский туризм.
  27. ^ Крейс, Стивен (2001). «Истоки промышленной революции в Англии». Путеводитель по истории. Получено 19 июн 2010.
  28. ^ Гвинн, Осиан. «Печь Дайфи». BBC История Среднего Уэльса. BBC. Получено 19 июн 2010.
  29. ^ «Гидроэнергетика в Лоуэлле» (PDF). Массачусетский университет. Получено 28 апреля 2015.
  30. ^ Льюис, Б. Дж .; Цимбала; Вуден (2014). «Основные исторические достижения в конструкции водяных колес и гидротурбин Фрэнсиса». Серия конференций ИОП: Наука о Земле и окружающей среде. ВГД. 22: 5–7. Дои:10.1088/1755-1315/22/1/012020.
  31. ^ С. К., Сахдев. Базовая электротехника. 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. ^ а б 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. Дои:10.1080/04353676.2019.1574209.
  35. ^ Мейнард, Франк (ноябрь 1910 г.). «Пять тысяч лошадиных сил из пузырьков воздуха». Популярная механика: 633.
  36. ^ "Приливный хребет и берег".

внешняя ссылка