De hydraulische druk is een maat voor de energie in het water van rivieren, beken of meren. Het vertegenwoordigt het waterpeil in een stromend waterlichaam. Simpel gezegd meet het de hoogte van een waterkolom boven een bepaald punt en wordt het meestal uitgedrukt in meters (of voet in de VS). Hoe hoger het waterpeil of de hydraulische druk, hoe meer energie er op die specifieke locatie beschikbaar is.
In installaties hangt de hoeveelheid opgewekte energie af van het verschil tussen het waterpeil aan de bovenstroomse kant van het stuwmeer en het waterpeil aan de benedenstroomse kant van de dam. Dit verschil wordt het drukverschil genoemd. Het geeft aan hoeveel energie kan worden omgezet in elektriciteit met behulp van turbines en generatoren. Verdere berekeningen tonen aan dat naast de afstand ook verschillende verliezen, de zogenaamde drukverliezen, van invloed zijn op de energieopwekking.
Omdat het water in het reservoir, dat hoger ligt, een grotere horizontale potentiële zwaartekrachtenergie heeft dan het water in het afvoerkanaal. De potentiële zwaartekrachtenergie van het reservoirwater dat door de persleidingen naar beneden stroomt , leidt tot de energie die nodig is om de turbines aan te drijven en elektriciteit op te wekken. De procedure wordt hieronder weergegeven met behulp van de vergelijking van Bernoulli. Over het algemeen is een hydraulische valhoogte gelijk aan één eenheid zwaartekrachtenergie – in dit geval wateropslag.
De hydro-elektrische vermogensvergelijking gebruikt de waarde voor de hydraulische kop om het geschatte beschikbare vermogen te geven. Deze factor speelt een rol in de vergelijking die als volgt wordt weergegeven:
P = ρQgΔh
Waar:
- P – De snelheid waarmee vermogen wordt berekend en de metingen worden uitgedrukt in joule per seconde, ook wel bekend als W.
- Δh – Geeft het verschil in hydraulische hoogte over de dam of turbine weer, gemeten in meters.
- ρ – Dit hangt af van de dichtheid van de vloeistof, gemeten in kg/m3.
- Q – Geeft de volumetrische afvoer of stroomsnelheid van water aan, gemeten in meters per seconde (m3/s).
- g – Geeft de versnelling van de zwaartekracht weer, gemeten in meter per seconde in het kwadraat.
Deze vergelijking stelt dat een groter hoogteverschil leidt tot een grotere potentiële opslag van mechanische energie in reservoirs.
Soorten hydraulische koppen
Er zijn drie classificaties van dammen op basis van hun verschillen in hydraulische kop; gemiddeld en laag. Meer details over deze hydraulische koptypen worden later besproken.
1. Hoge kop
Wanneer het hoogteverschil meer dan honderd meter bedraagt , spreekt men van een hogedruksysteem. In tegenstelling tot het vorige systeem wordt het water in deze installatie meestal van hoger gelegen bronnen aangezogen, waardoor er minder volume nodig is om dezelfde hoeveelheid energie op te wekken. Omdat het water in dergelijke systemen niet met een hoge snelheid stroomt, zijn er kleinere turbines nodig.
Het water moet ook een bepaalde afstand afleggen met behulp van een lange penstock, omdat zelfs een kortere turbine en een smallere penstock leiden tot de vorming van luchtzakken die de efficiëntie verminderen. Meestal behoren grote waterkrachtcentrales tot de hoge en middelgrote hoofden.
2. Middelgrote kop
Bij stuwdammen met een gemiddelde valhoogte varieert het valhoogteverschil van 10 tot 100 meter. Bij een stuwdam met een gemiddelde valhoogte is het hoogteverschil kleiner dan bij een stuwdam met een hoge valhoogte, met name bij een stuwdam met een drukleiding. Dit type stuwdam profiteert van een aanzienlijke hoeveelheid water en een groot hoogteverschil over dat water.
3. Laag hoofd
Systemen hebben doorgaans stuwdammen met een lage valhoogte van minder dan 10 meter . Daarom worden waterturbines met een lage valhoogte meestal toegepast in systemen zoals doorstroomsystemen, waarbij rivieren worden bewogen zonder een significante stijging van het waterpeil.
Een typisch low-head systeem transporteert veel water, daarom zijn grotere turbines nodig om waterenergie efficiënt om te zetten in stroom. Er is geen waterdam nodig voor deze installaties, omdat er minder water opgeslagen hoeft te worden.
Lees ook: 5 belangrijke voor- en nadelen van waterkrachtenergie
Hydraulische kopverliezen
Deze verliezen ontstaan door wrijving in de leidingen . Door rekening te houden met deze drukverliezen wordt de hoeveelheid energie in het water verminderd. Deze gecorrigeerde waarde, voor een bepaalde druk waarbij verliezen zijn meegerekend, wordt de effectieve druk genoemd.
De effectieve valhoogte is gelijk aan de bruto valhoogte minus alle valhoogteverliezen. Alle waterkrachtcentrales produceren valhoogteverlies, dat is onderverdeeld in groot en klein valhoogteverlies. De hydraulische valhoogteverliezen worden vervolgens gemeten, berekend en op gelijke voet met de hydraulische valhoogte zelf uitgedrukt, bijvoorbeeld in termen van de equivalente hoogte van de watermeter . Hiervoor moet men het vermogen dat verloren gaat door valhoogteverlies aftrekken van het totale bruto vermogen; dan verkrijgt men het werkelijke netto vermogen dat men kan afnemen. De vergelijking kan als volgt worden weergegeven:
Nettowinst = brutowinst − verlies
Lees ook: Wat is een conventionele waterkrachtcentrale?
Soorten kopverliezen
De soorten drukverliezen zijn:
Grote drukverliezen: De overgrote meerderheid van de grote drukverliezen wordt veroorzaakt door wrijving in de leidingen en deze treden op over lange afstanden in de pijpleiding, bijvoorbeeld in de drukleiding.
Kleine drukverliezen: Alle andere bronnen van kleine drukverliezen dan wrijvingsverliezen. In wezen treedt er op elke plek waar een pijp een bocht maakt of de waterstroom verandert, een vorm van verlies op. Dit wordt een klein drukverlies genoemd.
Er zijn echter gevallen bekend waarbij de grote drukverliezen kleiner zijn dan de kleine, maar waarbij ze samen toch het totale vermogen van een hydraulische dam bepalen, in tegenstelling tot wat de naam doet vermoeden.
Absoluut lezen: Wat is hydraulische fracking?
