Источник энергии вода схемы

Энергия воды

Людям повезло, что на нашей планете находятся достаточно большие залежи полезных ископаемых, способных стать источниками энергии. Но запасы эти не безграничны и постепенно истощаются. Очевидно, что когда-то месторождения природного газа, угля и нефти могут иссякнуть.

Поэтому к самым значительным изобретениям в области энергетики относятся те, которые связаны с открытием новых источников энергии, позволяющих экономить запасы природного сырья. За это их и называют альтернативными источниками энергии. В наши дни такими источниками могут послужить как известные ранее — энергия солнца, текущей воды, ветра, приливов и отливов, подземного тепла (геотермальная энергия), так и открытые сравнительно недавно — энергия плазмы, химических процессов, атома.

Использование энергии движущейся воды — древнейшее открытие

Трудно точно сказать, когда люди научились использовать энергию движущейся воды. Считается, что более 2 тыс. лет вода была фактически единственным источником постоянной энергии вплоть до изобретения в XII в. ветряных мельниц. Еще в древние времена человек заметил, что если до половины погрузить в реку колесо с лопастями, то оно начнет вращаться. Тем самым энергия текущей воды даже в примитивной гидроустановке (от греч. «hydor» — «вода») превращалась в механическую энергию. Так, например, существует исторический документ, который утверждает, что на реке Сене (Франция) в 1682 г. была возведена крупнейшая по тем временам гидроустановка. Она состояла из 13 колес диаметром по 8 м и обеспечивала работу более 200 насосов, которые приводили в действие фонтаны в дворцовых парках.

Как работает водяная мельница

Несмотря на то, что эффективность древних гидроустановок была низкой, она все равно была несопоставимо большей по сравнению с тем, на что были способны люди или животные. Кроме того, эта энергия являлась бесплатной и была подарена самой природой.

Одним из самых древних примеров использования человеком энергии воды является водяная мельница. Водяное колесо в ней насажено на вал жернова. Вода вращает колесо — вращается и жернов, мелет зерно.

По мере развития технологии область применения водяных колес расширилась: их стали использовать не только для помола зерна, но и для приведения в действие станков или насосов. До изобретения парового двигателя число гидроустановок неуклонно росло, но затем наступило затишье. Однако в начале XX в. начался период бурного строительства гидростанций, но уже для выработки с помощью движущейся воды электроэнергии.

Эволюция водяного колеса

Главной деталью древней гидроустановки являлось водяное колесо. Струя воды увлекала за собой лопасти колеса. Оно могло быть расположено как вертикально, так и горизонтально. Водяные колеса, вращающиеся только за счет силы, создаваемой потоком воды, получили название подливных.

В результате множества технических усовершенствований в Средние века появились более эффективные верхненаливные колеса, которые вращались за счет действия веса падающей на них воды. Диаметр таких колес мог достигать 10 м, но даже при этом КПД водяного двигателя оставался низким. Вращаясь со скоростью чуть более 10 об/мин, колеса использовали менее двух третей энергии воды, и их мощность редко превышала 10 кВт.

Струйные и радиальные турбины

В современных гидроустановках водяное колесо заменено более скоростной водяной турбиной. За почти двухсотлетнюю историю эксплуатации было изобретено множество подобных устройств, имевших различные конструкции и принципы действия. Наиболее эффективными оказались так называемые струйные и радиальные турбины. По принципу действия струйные турбины схожи с верхненаливными колесами — струя воды под сильным напором ударяла в лопасти турбины и заставляла ее вращаться.

Радиальные турбины чаще используются тогда, когда напор воды невелик, но есть возможность построить плотину и создать перепад по высоте в 10—15 м. В XX в. такие турбины получили широкое распространение в связи с развитием гидроэлектростанций.

Первую гидротурбину подобной конструкции, которая имеет практическое применение, создал французский инженер Бенуа Фурнейрон (1802—1867). В 1832 г. он получил патент на свое изобретение.

В турбине Фурнейрона вода подается в спиральный кожух, по форме напоминающий раковину улитки. Поток воды из кожуха поступает на вогнутые лопатки ротора, расположенного в центре «улитки», и вращает его. Ротором в такой конструкции является рабочее колесо, соединенное с валом турбины. Это колесо и является рабочим органом турбины, преобразующим энергию потока в механическую. Кстати, турбины Фурнейрона были установлены на первой в мире крупной гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде в Канаде.

Энергия приливов и отливов

Еще одним способом извлечения энергии из водных ресурсов планеты являются приливно-отливные станции. Оказалось, что вода морей и океанов, поднимающаяся более чем на десять метров во время приливов, несет с собой практически неограниченный запас энергии. Для ее использования в узких береговых проходах ставят преграду — плотину. Проникая через отверстия в такой плотине, вода вращает колеса или турбины, причем как во время прилива, так и во время отлива.

Существуют также такие гидростанции, на которых во время прилива вода перетекает в закрытый бассейн через шлюзы в дамбе или плотине. Затем шлюзы закрывают, уровень воды в море падает, а задержанная вода, вытекая из бассейна, вращает водяные колеса или гидротурбины.

Это интересно!

Энергию приливов впервые в заметных количествах стали использовать уже во второй половине XVI в. Так, например, жители Лондона (Англия) столкнувшись с перебоями водоснабжения, установили водяные колеса на реке Темзе. Вращаемые то в одну, то в другую сторону приливами, они заставляли работать насосы, закачивающие воду в трубы, по которым она текла в город.

Самая первая и крупнейшая приливно-отливная станция «Ля Ране» была построена в 1966 г. в устье реки Ране (Франция). Протяженность плотины станции составляет 800 м. Благодаря тому, что перепад высот прилива и отлива в этом месте составляет от 12 до 18 м, мощность «Ля Ране» доходит до 240 МВт.

Источник

Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНОЙ ЭНЕРГИИ

Имеются три основные схемы создания сосредоточенного напора ГЭС: 1) плотинная схема, когда напор создается плотиной; 2) деривационная схема, когда напор создается преимущественно посредством деривации, осуществляемой в виде канала, туннеля или трубопровода; 3) плотинно-деривационная схема, когда напор создается и плотиной, и деривацией. Плотины имеются во всех трех схемах.

Плотинная схема (рис. 2-3) осуществляется преимущественно при больших расходах воды в реке и малых уклонах ее свободной поверхности. Посредством плотины, построенной в пункте В, создается подпор воды, который распространяется вверх по реке до пункта А. Разность уровней воды в пунктах А и В равна H0 + Ah. Часть общего падения Ah будет потеряна при движении -воды в верхнем бьефе. Сосредоточенный перепад уровней, т. е. напор будет равен 0. В плотинной схеме в зависимости от напора ГЭС может быть русловой или припло- тинной.

Русловой называется такая ГЭС, у которой здание ГЭС наряду с плотиной входит в состав сооружений, создающих напор (рис. 2-4).

Здание русловой ГЭС воспринимает полное давление воды со стороны ВБ и должно удовлетворять условию устойчивости, как и плотина. Русловая ГЭС может быть построена при сравнительно небольшом напоре.

При средних и больших напорах, превышающих диаметр турбины более чем в 4—5 раз, здание ГЭС не может входить в состав напорного фронта. В таких случаях строят при плоти иную ГЭС, здание которой располагается за плотиной и не воспринимает полного давления воды (рис. 2-5). Подвод воды к турбинам такой ГЭС осуществляется трубопроводами, размещенными в теле или поверх бетонной плотины, под земляной плотиной или туннелями, прокладываемыми в обход плотины.

При деривационной схеме высота плотины может быть небольшой, обеспечивающей лишь отвод воды из реки в деривацию, а сосредоточенный напор получается за счет разности уклонов воды в реке и в деривации. На рис. 2-6 приведена схема ГЭС с деривацией в виде открытого канала. Плотина создает небольшой подпор. Из подпертого бьефа вода по деривационному каналу поступает в напорный бассейн, откуда она подается по трубопроводам к турбинам ГЭС. От турбин вода по отводящему каналу направляется в реку или деривацию следующей ГЭС или же в ирригационный оросительный канал.

При пересеченном или горном рельефе местности, деривацию можно выполнить в виде туннеля, прорезывающего горный массив (рис. 2-7), или в виде трубопровода, уложенного по поверхности земли. Деривация может состоять частично из канала и туннеля, из трубопровода и туннеля и т. п.

Существует два типа гидротехнических туннелей: безнапорные, заполненные водой не полностью, с атмосферным давлением над свободной поверхностью воды, и напорные, в которых вода заполняет все сечение туннеля. В напорном туннеле гидродинамическое давление даже в самой верхней точке сечения выше атмосферного. В конце длинного подводящего напорного туннеля устраивается уравнительный резервуар для уменьшения гидравлического удара при резких изменениях расхода воды, потребляемой ГЭС (рис. 2-7). В конце подводящего безнапорного туннеля как и в конце деривационного канала сооружается напорный бассейн (рис. 2-6).

При длинной безнапорной подводящей деривации (канал, безнапорный туннель) в конце ее иногда устанавливается бассейн суточного регулирования расхода и мощности ГЭС (рис. 2-6).

Если река несет большое количество крупных наносов (песка), попадание которых в деривацию может вызвать нежелательные последствия, то в начале подходящей деривации сооружается отстойник. Наносы, выпавшие в отстойнике, смываются в реку через промывной канал.

Если возможно переохлаждение воды и образование внутривод- ного льда — шуги, то в случае надобности на головном узле, на деривационном канале или на напорном бассейне сооружают шугосбросы.

Деривация может быть отводящей. При большой длине отводящая деривация часто выполняется в виде туннеля, когда ГЭС является подземной.

Деривационные схемы установок выгодны в горных условиях, при больших уклонах свободной поверхности воды в реке и сравнительно малых используемых расходах, когда при относительно небольшой длине и малых поперечных размерах деривации можно получить большой напор и большую мощность ГЭС. При благоприятных геологических и топографических условиях на горной реке может быть применена и плотинная схема. Посредством плотины молено создать водохранилище Для регулирования стока реки.

В плотинно-деривационной схеме используются выгодные свойства .обеих предыдущих схем, т. е. может быть создано водохранилище и использовано падение реки ниже плотины (рис. 2-8). На используемом участке реки А—В при неизменной отметке верхнего бьефа ВБ местоположение плотины может быть различным. Чем выше по течению расположена плотина, тем меньше ее высота. При этом уменьшается размер водохранилища, т. е. уменьшается затапливаемая территория, но увеличивается длина деривации и увеличиваются потери напора hA-B- Тщательное техникоэкономическое сравнение вариантов позволяет выбрать наилучший.

КАСКАДЫ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ И ВОДОХРАНИЛИЩ

Несколько ГЭС, последовательно расположенных на одном водотоке, образуют каскад. Проектирование и осуществление каскадов ГЭС имеет целью возможно более полное использование падения реки и ее стока в интересах всего народного хозяйства. При этом стремятся за счет создания водохранилищ нанлучшим образом зарегулировать сток рек.

Местоположение каждого гидроузла, его напор, объем образуемого им водохранилища и т. п. выбираются на основе тщательного изучения природных условий и всестороннего технико-экономического анализа. Для того чтобы использовать возможно больший сток на данной установке, створ плотины стремятся расположить ниже крупного притока, а для уменьшения ущерба от затопления створ плотины выбирают выше крупных городов. При выборе створа плотины часто решающее значение имеют топографические и геологические ус-ловия.

При сооружении каскада ГЭС обычно оказывается целесообразным некоторый подпор вышерасположенной ступени, благодаря чему падение реки используется более полно и может производиться глубокое суточное регулирование мощности ГЭС без существенных колебаний уровня НБ.

На рис. 2-9 приведена схема Волжско-Камского каскада ГЭС и водохранилищ. Река Волга имеет длину 3690 км и общее падение 250 м. Ступенчатой линией показаны проектные уровни воды после осуществления всей схемы реконструкции Волги.

Каскады ГЭС построены и строятся в СССР на многих реках — Енисее, Ангаре, Иртыше, Каме, Свири, Вуоксе, Днепре, Сырдарье, Нарыие, Чирчике, Куре, Риони, Ингури, Сулаке и др.

Источник

Электричество в кармане или как получить энергию из воды и воздуха

Сила водяного потока для выработки электроэнергии верой и правдой служит человечеству вот уже более 100 лет. Но что первое может придти на ум пользователям FORUMHOUSE когда речь заходит о гидроэнергетике? Обычно, воображение рисует циклопическое сооружение в виде гидроэлектростанции перегородившей реку.

А теперь представьте себе небольшую водяную турбину, изготовленную из современных композитных материалов, которую силами двух человек можно установить в водяной поток и мощности которой хватит на то чтобы запитать холодильник, телевизор и ноутбук. Звучит как фантастика, не правда ли? Но японские инженеры из компании Ibasei так не считают, анонсировав в прошлом году свою самую последнюю разработку — миниатюрную гидротурбину под названием Cappa.

Турбина не требует проведения земляных работ и может быть установлена в водяной поток на специальных креплениях. А при скорости потока в 2,0 м/сек, эта система может вырабатывать 250 Вт мощности.

По заявлениям представителей компании — в основе турбины используется диффузор особой формы, благодаря чему даже небольшой поток воды ускоряется, и вращает лопасти турбины, вырабатывая электрический ток.

Выработанная энергия преобразуется в электричество с помощью генератора. Затем, с помощью контроллера, постоянный ток преобразовывается в переменный, частотой в 50/60 Гц, который может быть использован в домашних условиях.

В этом разделе нашего форума вы сможете узнать все особенности использования инверторов.

Как надеются инженеры компании, при цене около 10000$ эта турбина станет незаменимой помощницей для частных домов. При необходимости, можно установить несколько таких турбин последовательно друг за другом, что существенно увеличит выработку электрического тока. Главное только, чтобы рядом с вашим домом протекала река.

Ловец ветра

Но что делать, если реки нет? Обратиться за помощью к ловцу ветра или, как его чаще всего называют ветрогенератору, но не к простому.

Все мы привыкли, что ветрогенератор вырабатывает электричество при помощи вращения лопастей. И, несмотря на то, что энергия ветра распространена практически повсеместно, её, зачастую не хватает для выработки электричества необходимой мощности.

Причина проста — эффективность лопастной установки практически достигла потолка. Но современные технологии не стоят на месте, и одной из новейших разработок компании из жаркого Туниса, Saphon Energy, стал ветрогенератор Saphonian. Отказавшись от лопастей, инженеры разработали ветрогенератор больше напоминающий спутниковую тарелку. Так в чём же заключается принцип работы этого устройства?

Поменяв турбину на парус, который имеет высокий коэффициент аэродинамического сопротивления, инженеры компании добились того, что парус, под действием потока ветра, совершает колебательные движения и, захватывая в два раза больше кинетической энергии, передаёт свои движения с помощью системы поршней — гидравлической системе, которая, вращая вал генератора, преобразовывает энергию в электрический ток.

Благодаря такому подходу, как заявляют представители компании, достигается практически бесшумная работа установки, степень выработки тока по сравнению с аналогичными по размеру установками вырастает в 2.5 раза, а стоимость ветрогенератора Saphonian почти в два раза меньше.

О самостоятельном строительстве установки для альтернативных источников электроснабжения дома подробно рассказано в этой статье.

Как показали предварительные испытания ветрогенератор, с диаметром паруса в 120 см, вырабатывает электроэнергию мощностью от 400 до 600 Ватт. И в данный момент инженеры компании работают над усовершенствованием конструкции установки.

Таким образом, с помощью современных технологий выбор источника альтернативной энергии существенно расширяется, что позволяет дать вашему загородному дому большую автономию и независимость от поставщиков энергоносителей.

Узнать больше об альтернативной энергии пользователи FORUMHOUSE могут из соответствующей ветки форума. В этой теме раскрывается вопрос использования ветрогенератора. Применение тепловых насосов обсуждается здесь.

А ознакомившись с этим видео вы увидите, как геотермальный насос обеспечивает теплом дом в случае отсутствия магистрального газа.

Источник