Hydraulinen paine viittaa jokien, purojen tai järvien veden energian mittaukseen . Se edustaa virtaavan vesistön vedenpintaa. Yksinkertaisesti sanottuna se mittaa vesipatsaan korkeutta tietyn pisteen yläpuolella ja ilmaistaan yleensä metreinä (tai jalkoina Yhdysvalloissa). Kun vedenpinta tai hydraulinen paine on korkeampi, kyseisessä paikassa on käytettävissä energiaa.
Laitoksissa valjastetun energian määrä riippuu tekojärven ylävirran pinta-alan ja padon alavirran alavirran välisestä erosta. Tässä käytettyä eroa kutsutaan hydrauliseksi paine-eroksi. Se osoittaa energian määrän, joka voidaan muuntaa sähköksi turbiinien ja generaattoreiden avulla. Lisälaskelmat osoittavat, että etäisyyden lisäksi energian valjastukseen vaikuttavat myös erilaiset häviöt, joita kutsutaan painehäviöiksi.
Koska korkeammalla sijaitsevan säiliön vedellä on suurempi vaakasuora gravitaatiopotentiaalienergia kuin peräaukon vedellä, säiliöveden gravitaatiopotentiaalienergia, joka tulee alas paineilmaputkien kautta, johtaa energian syntymiseen, jota tarvitaan turbiinien liikuttamiseen ja sähkön tuottamiseen. Menettelyä kuvataan tässä Bernoullin yhtälön avulla. Yleensä hydraulinen korkeus vastaa yhtä painovoimaenergiayksikköä – tässä tapauksessa se on vesivarasto.
Vesivoimayhtälö käyttää hydraulisen pään arvoa arvioidun käytettävissä olevan tehon saamiseksi. Tällä tekijällä on rooli yhtälössä, joka esitetään seuraavasti:
P = ρQgΔh
Missä:
- P – Nopeus, jolla teho lasketaan ja mittaukset ilmaistaan jouleina sekunnissa, tunnetaan nimellä W.
- Δh – Edustaa hydraulikorkeuden eroa padon tai turbiinin poikki metreinä mitattuna.
- ρ – Riippuu nesteen tiheydestä mitattuna kg/m3.
- Q – Tarkoittaa veden tilavuusvirtausta tai virtausnopeutta mitattuna metreinä sekunnissa (m3/s).
- g – Edustaa painovoiman kiihtyvyyttä, mitattuna metreinä sekunnissa neliö.
Tämä yhtälö toteaa, että suurempi paine-ero johtaa säiliöihin varastoituneen mekaanisen energian potentiaaliin.
Hydraulisen pään tyypit
Paoilla on kolme luokitusta niiden hydraulisen pään erojen perusteella; keskitasoa ja matalaa. Lisätietoja näistä hydraulisista päätyypeistä käsitellään myöhemmin.
1. Korkea pää
Kun vedenkorkeusero on yli sata metriä, puhutaan korkeasta vedenkorkeudesta. Toisin kuin edellisessä tapauksessa, tässä laitoksessa virtaava vesi otetaan yleensä ympäristönsä yläpuolelta, mikä tarkoittaa, että se tarvitsee vähemmän vettä samanlaisen energian tuottamiseen. Tällaisissa järjestelmissä vesi ei virtaa nopeasti, joten tarvitaan pieniä turbiineja.
Veden on myös kuljettava jonkin matkan pitkällä kynällä, koska lyhyempikin turbiini ja kapeampi pylväs johtavat tehokkuutta heikentävien ilmataskujen muodostumiseen. Useimmiten suuret vesivoimalat kuuluvat korkeisiin ja keskikokoisiin päihin.
2. Keskikokoinen pää
Keskikorkeissa padoissa korkeusero vaihtelee 10–100 metrin välillä. Keskikorkean padon tulvavahvuus huomioon ottaen korkeusero on pienempi kuin korkeapaineisessa padossa. Tämän tyyppinen pato hyödyntää huomattavaa vesimäärää ja sen suurta korkeuden laskua.
3. Matala pää
Järjestelmissä on yleensä alle 10 metriä matalapaineisia patoja . Tästä syystä matalapaineisia vesiturbiineja käytetään yleensä esimerkiksi jokien virtausjärjestelmissä, joissa jokia liikutetaan ilman merkittävää nousua.
Tyypillinen matalakorkoinen järjestelmä kuljettaa paljon vettä, joten tarvitaan suurempia turbiineja vesienergian muuntamiseksi tehoksi tehokkaasti. Näissä asennuksissa ei vaadita veden patoamista, koska vettä on varastoitava vähemmän.
Lue myös: Vesivoiman 5 tärkeintä etua ja haittaa
Hydraulisen pään menetys
Nämä häviöt johtuvat putkien sisäisestä kitkasta . Näiden painehäviöiden huomioon ottaminen vähentää veden energiamäärää. Tätä oikaistua arvoa, jossa paine on otettu huomioon häviöt, kutsutaan efektiiviseksi paineeksi.
Tehollinen paine on yhtä suuri kuin bruttopaine vähennettynä kaikilla painehäviöillä. Kaikki vesivoimalaitokset tuottavat painehäviötä, joka jaetaan suureen ja pieneen painehäviöön. Hydrauliset painehäviöt mitataan, lasketaan ja ilmaistaan yhtäläisellä tasolla kuin itse hydraulinen paine, esimerkiksi vesimittarin ekvivalenttikorkeuden mukaan . Tämä edellyttää, että kokonaisbruttotehosta vähennetään painehäviön vuoksi hukkaan heitetty teho; sitten saadaan todellinen nettoteho, jonka voidaan laskea. Yhtälö voidaan esittää seuraavasti:
P netto = P brutto − P tappio
Lue myös: Mikä on perinteinen vesivoimalaitos?
Pään menetystyypit
Päähäviön tyypit ovat:
Suuret painehäviöt: Valtaosa suurista painehäviöistä johtuu putkien kitkasta, ja ne kulkevat putkilinjassa pitkiä matkoja, esimerkiksi paineputkessa.
Pienet painehäviöt: Mikä tahansa muu pienten painehäviöiden lähde kitkahäviöiden lisäksi. Pohjimmiltaan missä tahansa kohdassa, jossa putki taipuu tai veden liike muuttuu, syntyy jonkinlaista häviötä, jota kutsutaan pieneksi häviöksi.
On kuitenkin tapauksia, joissa suuret painehäviöt ovat pienemmät kuin pienet, mutta ne summautuvat hydraulipadon kokonaistehon määrittämiseksi, toisin kuin niiden nimet antavat ymmärtää.
Pakko lukea: Mitä on hydraulinen murtaminen?
