Warum verwenden Wasserkraftwerke Turbinen anstelle einer effizienten Wasserradkonfiguration?

Ich habe über Wasserkraftwerke nachgedacht und mich gefragt, warum sie so gebaut sind, wie sie sind. So wie es verstanden wird, wird ein Wasserstrahl auf eine Turbine gesprüht, die sich am Boden eines Damms befindet (Pelton-Turbine). Dies scheint kein sehr effektiver Weg zu sein, um die Energie umzuwandeln. Welche Faktoren machen diese Methode effektiv?

Eine andere Methode wäre, das Wasser in Eimer zu füllen, diese Eimer dann an ein Riemensystem anzuschließen und den Generator über den Riemen mit Strom zu versorgen. Diese Methode ähnelt der Funktionsweise des Wasserrads. Was sind die Nachteile dieser Methode, die sie weniger effektiv als die Turbine macht?

electrical-engineering power

— Hoytman
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Sie haben Ihre Frage auf ein Wasserrad gestützt, das effizienter als eine Turbine ist. Wissen Sie, ob dies wahr ist?

— Hazzey

"Wie man es versteht, wird ein Wasserstrahl auf eine Turbine gesprüht" - dieses Missverständnis ist wahrscheinlich der Grund, warum Sie nicht erwarten, dass es effizient ist. Die Turbine ist vollständig in das Wasser eingetaucht, wobei sich das Wasser durch die Turbine bewegt.

— AndyT

@AndyT hängt vom Turbinendesign ab. In einem Pelton Wheel-Setup ist die Turbine, wie der Fragesteller beschreibt, nicht eingetaucht. Verschiedene Turbinentypen sind für verschiedene Situationen optimal.

— Flyto

@AndyT Könnten Sie etwas mehr über diese Situationen sprechen (und wenn möglich das Wasserrad einbeziehen?). Dies ist hauptsächlich für kleine Wohnsituationen gedacht.

— Hoytman

Antworten:

Tatsächlich ist die Turbinenmethode sehr effizient. Die Turgo-Turbine ist bis zu 90% effizient bei der Entnahme der Energie aus dem Wasser. Großwasserkraftwerke mit Francis-Turbinen können einen Wirkungsgrad von bis zu 95% erreichen ( siehe hier ).

Elektrische Generatoren verwenden normalerweise hohe Drehzahlen, daher benötigen Sie Drehzahl und Drehmoment, um sie herumzufahren. Generatoren mit niedriger Drehzahl sind ebenfalls möglich, aber weniger effizient. Die in der Wasserkraft verfügbare Energie kommt vom „Kopf“ (Höhenabfall) und vom „Durchfluss“ (Wassermenge pro Sekunde). In Situationen mit niedrigem Kopf benötigen Sie also viel mehr Durchfluss, um die gleiche Energie zu erhalten. In diesen Fällen erhalten Sie ohne Getriebe keine hohen Drücke (und damit auch keine hohen Geschwindigkeiten) (auch dort Effizienzverluste), sodass ein Wasserrad-Ansatz möglich ist. Tatsächlich gibt es Low-Head-Generatoren, wie Sie sie beschreiben - den Bucket-and-Belt-Ansatz - sowie traditionellere Low-Head-Turbinen .

Low-Head-Situationen sind (wirtschaftlich) schwieriger zu konstruieren, da hohe Durchflussmengen erforderlich sind und die gesamte Installation (Kanäle, Lager, Generatoren usw.) viel stärker und größer sein muss. Es ist billiger (pro kW Erzeugungskapazität), Hochdrucksituationen mit kleineren / schnelleren Turbinenrädern bei höheren Drücken zu verwenden.

Dies sind die Hauptgründe, warum Sie hauptsächlich Turbinen anstelle anderer Arten von Wasserkraftwerken sehen. Wenn sich die Technologie verbessert und Low-Head-Standorte billiger zu nutzen sind, werden wir mehr davon sehen.

— Jhabbott
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"Hohe Drehzahl" - genauer gesagt 3000 U / min in Europa und 3600 U / min in den USA für beste Ergebnisse - auf diese Weise kann die Turbine direkt an den Generator gekoppelt werden und der Generator erzeugt die Stromfrequenz des Stromnetzes (und mit der effizientesten Auslegung Nr redundante Wicklung), passen Sie einfach die Phase an und regulieren Sie die durchschnittliche Spannung.

— SF.

@SF.: Wäre es diese Geschwindigkeit oder ein Bruchteil davon? Ich würde denken, dass ein Rotor mit mehreren Armen bessere Eigenschaften für das dynamische Gleichgewicht hat als ein Rotor mit nur zwei.

— Supercat

@supercat: Dynamic-Balance-Eigenschaften von was? Stromerzeugung oder mechanisch?

— SF.

@SF.: Mechanisch. Ich würde erwarten, dass sich ein Rotor mit einem Drehmoment, das auf zwei Punkte mit einem Abstand von 180 Grad konzentriert ist, etwas weniger starr verhält als einer, bei dem das Drehmoment auf Punkte aufgeteilt wurde, die 90, 45 oder 36 Grad voneinander entfernt waren (wenn ein einzelner Generator einen Rotor und drei Sätze verwendet Ich glaube nicht, dass 60 von Statorspulen zur Erzeugung von Dreiphasenleistung funktionieren würden, und ein Mangel an Steifigkeit könnte zu einem dynamischen Ungleichgewicht führen. Ich könnte mich jedoch irren.

— Supercat

@supercat: Möglicherweise, aber das ist nur eine Frage der Konstruktion besserer Lager und einer festeren Achse oder vielleicht eines zusätzlichen (Dummy-) Rotorgewichts (was ohnehin wünschenswert ist, um Schwungspitzen im Stromverbrauch auszugleichen). Die erzeugte OTOH-Energie ist sauberer, weniger harmonische Komponenten usw. Plus mehr gespeicherte kinetische Energie = bessere Immunität gegen Stromverbrauchsspitzen. Mehrarmgeneratoren sind besser, wenn Sie sich die Konstruktion mit hoher Qualität, Präzision und Festigkeit nicht leisten können - die "heimische" Energieerzeugung.

— SF.

Es gibt zwei verschiedene Möglichkeiten, wie der Wasserfluss Energie übertragen kann. Eine ist die Druckdifferenz zwischen dem Wasser, das in die Turbine eintritt und diese verlässt. Zum anderen die kinetische Energieänderung von schnell fließendem Wasser, das in die Turbine eintritt, und langsam fließendem Wasser, das sie verlässt.

Ihre Eimeridee scheint wie ein http://en.wikipedia.org/wiki/Pelton_wheel zu sein, das die kinetische Energie aus einem schnellen Wasserstrom extrahiert und für niedrige Durchflussraten effizient ist. Wenn sich die Schaufeln am Rad mit der halben Geschwindigkeit des Wassers bewegen, beträgt der theoretische Wirkungsgrad 100%. Wenn sich die Geschwindigkeiten jedoch in einem anderen Verhältnis befinden, kann der Wirkungsgrad viel geringer sein.

Wenn andererseits die Wasserversorgung einen hohen Druck hat (z. B. am Boden eines tiefen Damms), ist es effizienter, die Druckdifferenz direkt in einer Konstruktion wie einer Francis-Turbine zu verwenden, als den hohen Druck in einen hohen Druck umzuwandeln Strömungsgeschwindigkeit (die viel Energie bei Turbulenzen im Wasser und Reibung gegen die Wände der Rohre verschwenden würde) und dann die Energie verwenden, die übrig bleibt, um ein Peltonrad oder eine andere "Schaufel" -Konstruktion anzutreiben.

— Alephzero
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E_{k} = \frac{1}{2} m v^{2}; E_{p} = m g h

$E_k = {1 \over 2 } m v^2; E_p = m g h$ Das ² bedeutet viel. Wenn sich das Wasser schnell bewegt, möchten Sie es nicht verlangsamen, bevor Sie den Strom abziehen.

— SF.