hidroelektrik -Hydropower

Çin'deki Three Gorges Barajı ; hidroelektrik barajı, kurulu güce göre dünyanın en büyük elektrik santralidir .

Su gücü olarak da bilinen hidroelektrik ( Eski Yunanca ὑδρο -, "su"), elektrik üretmek veya makinelere güç sağlamak için düşen veya hızlı akan suyun kullanılmasıdır . Bu, bir su kaynağının yerçekimi potansiyelini veya kinetik enerjisini güç üretmek için dönüştürerek elde edilir . Hidroelektrik, sürdürülebilir bir enerji üretim yöntemidir . Hidroelektrik şimdi esas olarak hidroelektrik enerji üretimi için kullanılmaktadır ve ayrıca pompalı depolama hidroelektrik olarak bilinen bir enerji depolama sisteminin yarısı olarak uygulanmaktadır . Hidroelektrik, doğrudan karbondioksit veya diğer atmosferik kirleticiler üretmediği ve nispeten tutarlı bir güç kaynağı sağladığı için fosil yakıtlara çekici bir alternatiftir . Bununla birlikte, ekonomik, sosyolojik ve çevresel dezavantajları vardır ve nehir veya yüksek göl gibi yeterince enerjik bir su kaynağı gerektirir . Dünya Bankası gibi uluslararası kuruluşlar, hidroelektrik enerjiyi ekonomik kalkınma için düşük karbonlu bir araç olarak görüyor .

Antik çağlardan beri, su değirmenlerinden elde edilen hidroelektrik , sulama ve değirmenler, kereste fabrikaları , tekstil fabrikaları, gezici çekiçler , liman vinçleri , ev asansörleri ve cevher değirmenleri gibi mekanik cihazların çalıştırılması için yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak kullanılmıştır . Düşen sudan basınçlı hava üreten bir trompe bazen uzaktaki diğer makinelere güç sağlamak için kullanılır.

Mevcut güç miktarının hesaplanması

Bir hidroelektrik kaynağı mevcut gücü ile değerlendirilebilir . Güç, hidrolik yükün ve hacimsel akış hızının bir fonksiyonudur . Kafa, suyun birim ağırlığına (veya birim kütlesine) düşen enerjidir. Statik yük, suyun düştüğü yükseklik farkıyla orantılıdır. Dinamik yük, hareket eden suyun hızı ile ilgilidir. Her bir birim su, ağırlığının kafa ile çarpımına eşit miktarda iş yapabilir.

Düşen sudan elde edilen güç, suyun akış hızı ve yoğunluğundan, düşme yüksekliğinden ve yerçekiminden kaynaklanan yerel ivmeden hesaplanabilir:

Neresi

Örneklemek gerekirse, %85 verimli, saniyede 80 metreküp (saniyede 2800 fit küp) akış hızına ve 145 metre (476 fit) basma yüksekliğine sahip bir türbinin güç çıkışı 97 megavattır:

Hidroelektrik santral operatörleri, verimliliği hesaplamak için üretilen toplam elektrik enerjisini türbinden geçen suyun teorik potansiyel enerjisi ile karşılaştırır. Verimliliğin hesaplanmasına yönelik prosedürler ve tanımlar, ASME PTC 18 ve IEC 60041 gibi test kodlarında verilmiştir. Türbinlerin saha testi, üreticinin verimlilik garantisini doğrulamak için kullanılır. Bir hidroelektrik türbininin verimliliğinin ayrıntılı hesaplanması, güç kanalındaki veya cebri borudaki akış sürtünmesinden kaynaklanan yük kaybını, akış nedeniyle kuyruk suyu seviyesindeki artışı, istasyonun yerini ve değişen yerçekiminin, hava sıcaklığının ve barometrik basıncın etkisini hesaba katar. , ortam sıcaklığında suyun yoğunluğu ve yükleme havuzu ile arka bölümün bağıl yükseklikleri. Kesin hesaplamalar için, yuvarlamadan kaynaklanan hatalar ve sabitlerin önemli basamaklarının sayısı dikkate alınmalıdır.

Su çarkları gibi bazı hidroelektrik sistemleri, yüksekliğini değiştirmeden bir su kütlesinin akışından güç alabilir. Bu durumda mevcut güç, akan suyun kinetik enerjisidir . Aşırı atış su çarkları, her iki enerji türünü de verimli bir şekilde yakalayabilir. Bir akarsudaki akış mevsimden mevsime büyük ölçüde değişebilir. Bir hidroelektrik santralinin geliştirilmesi, güvenilir yıllık enerji arzını değerlendirmek için bazen onlarca yılı kapsayan akış kayıtlarının analizini gerektirir. Barajlar ve rezervuarlar, su akışındaki mevsimsel değişiklikleri yumuşatarak daha güvenilir bir güç kaynağı sağlar. Bununla birlikte, doğal olarak meydana gelen nehir akışının değişmesi gibi rezervuarların da önemli bir çevresel etkisi vardır. Baraj tasarımı, sahada beklenebilecek en kötü durum olan "muhtemel maksimum taşkını" hesaba katmalıdır; barajın etrafındaki taşkın akışlarını yönlendirmek için genellikle bir dolusavak dahil edilir. Hidrolik havzanın bir bilgisayar modeli ve yağış ve kar yağışı kayıtları, maksimum taşkın tahmininde kullanılır.

Dezavantajlar ve sınırlamalar

Hidroelektrik, yenilenebilir bir enerji kaynağı olmakla birlikte dikkate alınması gereken bazı dezavantajlara sahiptir. Ekoloji, çevre ve biyolojik çeşitlilik üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Hidroelektrik enerjinin en önemli dezavantajlarından biri , can, mal kaybı ve arazi kirliliği gibi yıkıcı etkilere sahip olabilen Baraj arızaları potansiyelidir .

Barajlar ve rezervuarlar , nehir ekosistemleri üzerinde , bazı hayvanların yukarı akıntıya gitmesini engellemek, aşağı akıntıya salınan suyun soğuması ve oksijensizleşmesi ve partiküllerin çökmesi nedeniyle besin kaybı gibi büyük olumsuz etkilere sahip olabilir . Nehir tortusu nehir deltaları oluşturur ve barajlar bunların erozyondan kaybedilenleri geri kazanmasını engeller. Ayrıca araştırmalar, baraj ve rezervuar inşaatlarının bazı sucul türler için habitat kaybına yol açabileceğini bulmuştur.

Büyük ve derin baraj ve rezervuar tesisleri , su altında çürüyen bitki örtüsünden sera gazı emisyonlarına neden olan geniş arazileri kaplamaktadır . Ayrıca, diğer yenilenebilir enerji kaynaklarına göre daha düşük seviyelerde olmakla birlikte , hidroelektrik enerjinin bir sera gazı olan metan gazı ürettiği tespit edilmiştir . Bu, anaerobik sindirimi tetikleyen suyun oksijensizleşmesi nedeniyle rezervuarın dibinde organik maddeler biriktiğinde meydana gelir .

Bir hidroelektrik santral sahasının yakınında yaşayan insanlar, inşaat sırasında veya rezervuar kıyıları dengesiz hale geldiğinde yerlerinden edilir . Diğer bir potansiyel dezavantaj, kültürel veya dini alanların inşaatı engelleyebilmesidir.

Uygulamalar

Galler'deki Brecon Beacons dağlarından dökülen suyun gücünden yararlanan bir hidroelektrik planı ; 2017
Düşen sudan güç alan bir shishi-odoshi, bir kayaya çarpan bambu sallanan kolun sesiyle bir Japon bahçesinin sessizliğini bozar.

Mekanik Güç

su değirmenleri

Braine-le-Château Su Değirmeni , Belçika (12. yüzyıl)
Lyme Regis su değirmeninin içi , Birleşik Krallık (14. yüzyıl)

Bir su değirmeni veya su değirmeni, hidroelektrik kullanan bir değirmendir. Öğütme (taşlama) , haddeleme veya çekiçleme gibi mekanik bir işlemi yürütmek için bir su çarkı veya su türbini kullanan bir yapıdır . Un , kereste , kağıt , tekstil ve birçok metal ürün dahil olmak üzere birçok maddi ürünün üretiminde bu tür işlemlere ihtiyaç vardır . Bu su değirmenleri , değirmenleri , bıçkı fabrikalarını, kağıt fabrikalarını , tekstil fabrikalarını , çekiçli değirmenleri , gezici çekiçli değirmenleri, haddehaneleri , tel çekme değirmenlerini içerebilir .

Su değirmenlerini sınıflandırmanın ana yollarından biri, biri bir dişli mekanizması aracılığıyla dikey bir su çarkı ile çalıştırılan ve diğeri böyle bir mekanizma olmadan yatay bir su çarkı ile donatılmış olan çark yönüne (dikey veya yatay) göredir. İlk tip, suyun çark kanatlarına çarptığı yere bağlı olarak, alttan atış, üstten atış, göğüsten atış ve geri tepme (arkadan atış veya ters atış) su çarkı değirmenlerine ayrılabilir. Su değirmenlerini sınıflandırmanın başka bir yolu, konumlarıyla ilgili temel bir özelliğe göredir: gelgit değirmenleri gelgitin hareketini kullanır; gemi değirmenleri, bir gemide bulunan (ve oluşturan) su değirmenleridir.

Su değirmenleri, kuruldukları su yollarının nehir dinamiklerini etkiler. Su değirmenlerinin çalıştığı süre boyunca, kanallar, özellikle durgun su, tortulaşma eğilimindedir . Ayrıca durgun su alanında, su baskını olayları ve bitişik taşkın yataklarının çökelmesi artar. Ancak zamanla bu etkiler, nehir kıyılarının yükselmesiyle iptal edilir. Değirmenlerin kaldırıldığı yerlerde nehir yarığı artar ve kanallar derinleşir.

Sıkıştırılmış hava

Hareket eden parçalar olmadan doğrudan basınçlı hava üretmek için bol miktarda su yapılabilir . Bu tasarımlarda, düşen bir su sütunu , yüksek seviyeli girişte türbülans veya bir venturi basınç düşürücü yoluyla üretilen hava kabarcıklarıyla kasıtlı olarak karıştırılır . Bu, bir şafttan aşağıya, şimdi sıkıştırılmış havanın sudan ayrıldığı ve hapsolduğu yüksek çatılı bir yeraltı odasına düşmesine izin verir. Düşen su sütununun yüksekliği, bölmenin tepesindeki havanın sıkışmasını sağlarken, bölmedeki su seviyesinin altına daldırılan bir çıkış, suyun giriş seviyesinden daha düşük bir seviyede yüzeye geri akmasına izin verir. Haznenin çatısındaki ayrı bir çıkış, basınçlı havayı besler. Bu prensibe dayalı bir tesis , 1910'da Cobalt, Ontario yakınlarındaki Ragged Shutes'ta Montreal Nehri üzerinde inşa edildi ve yakındaki madenlere 5.000 beygir gücü sağladı.

Elektrik

Hidroelektrik, en büyük hidroelektrik uygulamasıdır. Hidroelektrik, küresel elektriğin yaklaşık %15'ini üretir ve 35'ten fazla ülke için toplam elektrik arzının en az %50'sini sağlar. 2021'de küresel kurulu hidroelektrik elektrik kapasitesi, tüm yenilenebilir enerji teknolojileri arasında en yüksek olan yaklaşık 1400 GW'a ulaştı.

Hidroelektrik üretimi , sahanın yüksekliği nedeniyle mevcut olan suyun potansiyel enerjisinin veya hareketli suyun kinetik enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülmesiyle başlar .

Hidroelektrik santraller enerji elde etme şekillerine göre farklılık göstermektedir. Bir tip bir baraj ve bir rezervuar içerir . Rezervuardaki su, talep halinde barajı rezervuara bağlayan kanallardan geçirilerek elektrik üretiminde kullanılmak üzere temin edilmektedir. Su, elektrik üreten jeneratöre bağlı bir türbini döndürür.

Diğer tür, nehir tipi bitki olarak adlandırılır. Bu durumda, rezervuar olmadan su akışını kontrol etmek için bir baraj inşa edilir . Nehir tipi elektrik santrali sürekli su akışına ihtiyaç duyar ve bu nedenle talep üzerine güç sağlama yeteneği daha düşüktür. Akan suyun kinetik enerjisi ana enerji kaynağıdır.

Her iki tasarımın da sınırlamaları vardır. Örneğin, baraj inşaatı çevrede yaşayanların rahatsız olmasına neden olabilir. Baraj ve rezervuarlar, yakınlardaki toplulukların karşı çıkabileceği nispeten büyük bir alanı kaplar. Ayrıca, rezervuarlar potansiyel olarak aşağı havzadaki habitatlara zarar vermek gibi önemli çevresel sonuçlara sahip olabilir. Öte yandan, nehir tipi projenin sınırlaması, sürecin mevsimsel nehir akışının hızına bağlı olması nedeniyle elektrik üretimindeki verimliliğin düşmesidir. Bu, yağışlı mevsimin kuru mevsime göre elektrik üretimini artırdığı anlamına gelir.

Hidroelektrik santrallerin boyutları, mikro hidro adı verilen küçük santrallerden , bu gücü tüm ülkeye sağlayan büyük santrallere kadar değişebilir. 2019 yılı itibarıyla dünyanın en büyük beş elektrik santrali, barajlı konvansiyonel hidroelektrik santralleridir.

Hidroelektrik, pompalı depolama ile farklı yüksekliklerdeki iki rezervuar arasında potansiyel enerji şeklinde enerji depolamak için de kullanılabilir . Su, talebin düşük olduğu dönemlerde, talebin yüksek veya sistem üretiminin düşük olduğu durumlarda üretim için serbest bırakılmak üzere rezervuarlara yokuş yukarı pompalanır.

Hidroelektrik ile elektrik üretiminin diğer biçimleri arasında okyanuslardan, nehirlerden ve insan yapımı kanal sistemlerinden elektrik üretimine kadar üretilen gelgit gücünden enerji kullanan gelgit akıntısı jeneratörleri yer alır.

yağmur gücü

Yağmur, "doğadaki son kullanılmayan enerji kaynaklarından biri" olarak anılır. Yağmur yağdığında, doğru şekilde kullanıldığında muazzam elektrik potansiyeline sahip olan milyarlarca litre su düşebilir. Enerjiyi yağmur damlalarının çarpmasında kullanmak gibi, yağmurdan güç üretmenin farklı yöntemleriyle ilgili araştırmalar yapılıyor. Bu, yeni ve gelişmekte olan teknolojilerin test edilmesi, prototiplenmesi ve yaratılmasıyla çok erken aşamalarındadır. Böyle bir güce yağmur gücü denir. Bunun denendiği bir yöntem, hem güneşten hem de yağmurdan elektrik üretebilen "tüm hava koşullarına uygun güneş panelleri" adı verilen hibrit güneş panelleri kullanmaktır.

Zoolog ve bilim ve teknoloji eğitimcisi Luis Villazon'a göre, "2008'de bir Fransız araştırması, hareket ettiklerinde güç üreten piezoelektrik cihazları bir yağmur damlasından 12 milivat çıkarmak için kullanabileceğinizi tahmin ediyor. Metrekare başına 0,001kWh - uzak bir sensöre güç sağlamak için yeterli." Villazon, yağan yağmurdan suyu toplamak ve 185 m2'lik bir çatı için yılda tahmini 3 kWh enerji üretimi olan bir türbini çalıştırmak için kullanmak için daha iyi bir uygulama olacağını öne sürdü. Elektrik üretmek için Meksika Teknoloji Üniversitesi'nden üç öğrenci tarafından oluşturulan mikro türbin tabanlı bir sistem kullanıldı. Pluvia sistemi "silindirik bir mahfaza içinde bir mikrotürbini döndürmek için evlerin çatı yağmur oluklarından akan yağmur suyu akışını kullanıyor. Bu türbin tarafından üretilen elektrik, 12 voltluk pilleri şarj etmek için kullanılıyor."

Yağmur gücü terimi, yağmuru yakalama sürecini içeren hidroelektrik sistemlerine de uygulanmıştır.

Tarih

Wang Zhen tarafından Nongshu'dan bir su pistonu (fl. 1290–1333)
Saint Anthony Şelaleleri , Amerika Birleşik Devletleri ; burada unu öğütmek için hidroelektrik kullanılıyordu.
Doğrudan suyla çalışan cevher değirmeni, on dokuzuncu yüzyılın sonları

Kanıtlar, hidroelektrik enerjisinin temellerinin antik Yunan uygarlığına kadar uzandığını gösteriyor . Diğer kanıtlar, su çarkının aynı dönemde Çin'de bağımsız olarak ortaya çıktığını gösteriyor. Su çarklarının ve su değirmenlerinin kanıtı, MÖ 4. yüzyılda antik Yakın Doğu'ya kadar uzanıyor . Ayrıca kanıtlar, Sümer ve Babil gibi eski uygarlıklarda sulama makinelerini kullanan hidroelektrik kullanımını gösteriyor . Araştırmalar, su çarkının su gücünün ilk biçimi olduğunu ve insanlar ya da hayvanlar tarafından çalıştırıldığını gösteriyor.

Roma İmparatorluğu'nda suyla çalışan değirmenler, MÖ 1. yüzyılda Vitruvius tarafından tanımlandı . Günümüz Fransa'sında bulunan Barbegal değirmeni , günde 28 tona kadar tahıl işleyen 16 su çarkına sahipti. MS 3. yüzyılın sonlarına ait Hierapolis kereste fabrikası gibi mermer kesmek için Roma su çarkları da kullanılıyordu . Bu tür kereste fabrikalarında, iki testereye güç sağlamak için iki krank ve bağlantı çubuğunu çalıştıran bir su çarkı vardı. Ayrıca sırasıyla Efes ve Gerasa'da kazılan 6. yüzyıldan kalma iki Doğu Roma bıçkıhanesinde de görülmektedir . Bu Roma su değirmenlerinin krank ve biyel mekanizması, su çarkının dönme hareketini testere bıçaklarının doğrusal hareketine dönüştürdü.

Han hanedanlığı döneminde (MÖ 202 - MS 220) Çin'de suyla çalışan gezici çekiçler ve körüklerin başlangıçta su kepçeleriyle çalıştırıldığı düşünülüyordu . Bununla birlikte, bazı tarihçiler, su çarklarıyla güçlendirildiklerini öne sürdüler. Bunun nedeni, su kepçelerinin yüksek fırın körüklerini çalıştıracak itici güce sahip olmayacağı teorisiydi . Birçok metin Hun su çarkını anlatır; en erken olanlardan bazıları MÖ 40'ın Jijiupian sözlüğü, Yang Xiong'un MÖ 15'in Fangyan'ı olarak bilinen metni ve Huan Tan tarafından MS 20 civarında yazılan Xin Lun'dur . Aynı zamanda mühendis Du Shi (yaklaşık MS 31) , dökme demiri dövmede su çarklarının gücünü piston - körüklere uyguladı.

Hidroelektrik enerjinin erken kullanımına ilişkin bir başka örnek, mineral damarlarını ortaya çıkarmak için sel veya sel suyu kullanan tarihi bir madencilik yöntemi olan sessizleştirmede görülmektedir . Yöntem ilk olarak MS 75'ten itibaren Galler'deki Dolaucothi Altın Madenlerinde kullanıldı . Bu yöntem, İspanya'da Las Médulas gibi madenlerde daha da geliştirildi . Hushing ayrıca Orta Çağ ve sonraki dönemlerde İngiltere'de kurşun ve kalay cevherlerini çıkarmak için yaygın olarak kullanıldı . Daha sonra 19. yüzyılda Kaliforniya Altına Hücum sırasında kullanıldığında hidrolik madenciliğe dönüştü .

İslam İmparatorluğu , diğer çevre bölgelerle birlikte, başta Asya ve Afrika olmak üzere geniş bir bölgeye yayıldı. İslam'ın Altın Çağı ve Arap Tarım Devrimi (8. – 13. yüzyıllar) sırasında , hidroelektrik yaygın olarak kullanıldı ve geliştirildi. Gelgit gücünün ilk kullanımları, büyük hidrolik fabrika kompleksleriyle birlikte ortaya çıktı . Bölgede dolgu değirmenleri , değirmenler , kağıt değirmenleri , kabuk öğütücüler , kereste fabrikaları , gemi değirmenleri , damga değirmenleri , çelik fabrikaları , şeker değirmenleri ve gelgit değirmenleri dahil olmak üzere çok çeşitli suyla çalışan endüstriyel değirmenler kullanıldı . 11. yüzyıla gelindiğinde, Endülüs ve Kuzey Afrika'dan Orta Doğu ve Orta Asya'ya kadar İslam İmparatorluğu'nun her vilayetinde bu endüstriyel değirmenler faaliyet gösteriyordu . Müslüman mühendisler, su değirmenlerinde ve su kaldırma makinelerinde dişlileri kullanırken su türbinlerini de kullanmışlardır. Ayrıca, su değirmenlerine ve su yükseltme makinelerine ek güç sağlamak için kullanılan barajların bir su gücü kaynağı olarak kullanılmasına öncülük ettiler .

Ayrıca, Müslüman makine mühendisi Al-Jazari (1136–1206) The Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices adlı kitabında 50 cihaz için tasarımları açıkladı. Saatler, şarap servis etmek için bir cihaz ve nehirlerden veya havuzlardan suyu kaldırmak için beş cihaz dahil olmak üzere bu cihazların çoğu suyla çalışıyordu; bunlardan üçü hayvan gücüyle çalışıyor ve biri hayvan veya su ile çalıştırılabiliyor. Dahası, sürahilerin takılı olduğu sonsuz bir kayış, inek gücüyle çalışan bir gölgelik (vinç benzeri bir sulama aleti) ve menteşeli valfleri olan ileri geri hareket eden bir cihaz içeriyordu .

İlk hidroelektrik türbini geliştiren Fransız mühendis Benoît Fourneyron

19. yüzyılda, Fransız mühendis Benoît Fourneyron ilk hidroelektrik türbini geliştirdi. Bu cihaz 1895 yılında Niagara Şelalesi'ndeki ticari fabrikada hayata geçirildi ve halen çalışıyor. 20. yüzyılın başlarında, İngiliz mühendis William Armstrong, İngiltere'nin Northumberland kentindeki Cragside'daki evinde bulunan ilk özel elektrik santralini inşa etti ve işletti . 1753'te Fransız mühendis Bernard Forest de Bélidor , dikey eksenli ve yatay eksenli hidrolik makineleri tanımlayan Architecture Hydraulique adlı kitabını yayınladı .

Sanayi Devrimi'ne yönelik artan talep, kalkınmayı da yönlendirecektir. Britanya'da Sanayi Devrimi'nin başlangıcında su, Richard Arkwright'ın su çerçevesi gibi yeni icatlar için ana güç kaynağıydı . Su gücünün yerini birçok büyük değirmen ve fabrikada buhar gücüne bırakmasına rağmen, 18. ve 19. yüzyıllarda küçük yüksek fırınlarda ( örn . Mississippi Nehri'ndeki 50 fitlik (15 m) düşüşü kullanan Saint Anthony Falls'ta inşa edilenler gibi .

Teknolojik gelişmeler, açık su çarkını kapalı bir türbine veya su motoruna taşıdı . 1848'de, Lowell's Locks and Canals şirketinin baş mühendisi İngiliz-Amerikalı mühendis James B. Francis , %90 verimliliğe sahip bir türbin oluşturmak için bu tasarımları geliştirdi. Bilimsel ilkeleri ve test yöntemlerini türbin tasarımı problemine uyguladı. Matematiksel ve grafik hesaplama yöntemleri, bir sitenin özel akış koşullarına tam olarak uyan yüksek verimli türbinlerin güvenli tasarımına izin verdi. Francis reaksiyon türbini halen kullanılmaktadır. 1870'lerde, Kaliforniya madencilik endüstrisindeki kullanımlardan yola çıkarak, Lester Allan Pelton , Sierra Nevada'nın özelliği olan yüksek ana akımlardan hidroelektrik kullanan yüksek verimli Pelton çarklı dürtü türbinini geliştirdi .

Ayrıca bakınız

notlar

Referanslar

Dış bağlantılar