Wysokość ciśnienia hydraulicznego to miara energii w wodzie rzek, strumieni lub jezior. Reprezentuje ona poziom wody w płynącym zbiorniku wodnym. Mówiąc prościej, mierzy ona wysokość słupa wody nad danym punktem i jest zazwyczaj wyrażana w metrach (lub stopach w USA). Gdy poziom wody lub wysokość ciśnienia hydraulicznego jest wyższa, w danym miejscu dostępna jest energia.
W obiektach, ilość pozyskanej energii zależy od różnicy między poziomem wody w zbiorniku powyżej poziomu wody szczytowej a poziomem wody w dole poniżej zapory. Rozróżnienie to nazywa się różnicą ciśnienia hydraulicznego. Określa ono ilość energii, którą można przekształcić w energię elektryczną za pomocą turbin i generatorów. Dalsze obliczenia pokazują, że oprócz odległości, na wykorzystanie energii wpływają również różne straty, zwane stratami ciśnienia.
Ponieważ woda w zbiorniku, znajdująca się wyżej, ma większą poziomą energię potencjalną grawitacji niż woda w kanale wylotowym. Energia potencjalna grawitacji wody w zbiorniku, spływającej przez rurociągi , generuje energię potrzebną do napędzania turbin i wytwarzania energii elektrycznej. Procedura ta jest przedstawiona w niniejszym dokumencie, wykorzystując równanie Bernoulliego. Zasadniczo wysokość podnoszenia hydraulicznego odpowiada jednej jednostce energii grawitacji – w tym przypadku będzie to magazynowanie wody.
Równanie mocy hydroelektrycznej wykorzystuje wartość ciśnienia hydraulicznego, aby podać szacowaną dostępną moc. Ten czynnik odgrywa rolę w równaniu przedstawionym w następujący sposób:
P = ρQgΔh
Gdzie:
- P – Szybkość, z jaką obliczana jest moc, a jej pomiary wyrażane są w dżulach na sekundę, znanych jako W.
- Δh – oznacza różnicę ciśnienia hydraulicznego na zaporze lub turbinie mierzoną w metrach.
- ρ – Zależy od gęstości cieczy mierzonej w kg/m3.
- Q – Oznacza objętość przepływu lub natężenie przepływu wody mierzone w metrach na sekundę (m3/s).
- g – oznacza przyspieszenie grawitacyjne mierzone w metrach na sekundę do kwadratu.
Równanie to mówi, że większa różnica wysokości ciśnienia powoduje gromadzenie się energii mechanicznej w zbiornikach.
Rodzaje głowic hydraulicznych
Istnieją trzy klasyfikacje zapór na podstawie różnic w wysokości ciśnienia hydraulicznego: średnie i niskie. Dalsze szczegóły dotyczące tych typów wysokości ciśnienia hydraulicznego zostaną omówione później.
1. Wysoka głowa
Gdy różnica wysokości podnoszenia przekracza sto metrów, nazywa się to wysokim spadem. W przeciwieństwie do poprzedniego, woda przepływająca przez tę elektrownię jest zazwyczaj pobierana z wysokości ponad otoczeniem, co oznacza, że do wytworzenia podobnej energii potrzeba mniejszej objętości. Ponieważ woda przepływa przez takie systemy, jej prędkość nie jest duża, dlatego wymagane są małe turbiny.
Woda musi również przebyć pewną odległość za pomocą długiego rurociągu, ponieważ nawet krótsza turbina i węższy rurociąg doprowadzą do powstania kieszeni powietrznych, które obniżą wydajność. Najczęściej duże elektrownie wodne należą do wysokich i średnich spadów.
2. Średnia głowa
W systemach o średnim spadku różnica wysokości waha się od 10 do 100 metrów. W porównaniu z zaporą o wysokim spadku, biorąc pod uwagę rurociąg zasilający w zaporze o średnim spadku, różnica wysokości jest mniejsza. Ten rodzaj zapory wykorzystuje znaczną ilość wody i dużą utratę wysokości.
3. Niska głowa
Systemy zazwyczaj mają zapory o niskim spadzie o wysokości poniżej 10 metrów . Z tego powodu turbiny wodne o niskim spadzie są zazwyczaj stosowane w systemach przepływowych, które wymagają przepływu wody w rzekach bez znacznego wzrostu poziomu.
Typowy system niskociśnieniowy transportuje dużo wody, dlatego do wydajnego przekształcania energii wodnej w energię potrzebne są większe turbiny. W przypadku tych instalacji nie jest wymagane spiętrzanie wody, ponieważ trzeba magazynować mniej wody.
Przeczytaj także: 5 głównych zalet i wad energii wodnej
Straty ciśnienia hydraulicznego
Straty te powstają w wyniku tarcia w rurach . Uwzględnienie tych strat ciśnienia zmniejsza ilość energii w wodzie. Ta skorygowana wartość ciśnienia, uwzględniająca straty, nazywana jest ciśnieniem efektywnym.
Efektywna wysokość podnoszenia jest równa wysokości podnoszenia brutto pomniejszonej o wszystkie straty wysokości podnoszenia. Wszystkie elektrownie wodne generują straty wysokości podnoszenia, które dzielą się na duże i małe straty wysokości podnoszenia. Straty wysokości podnoszenia hydraulicznego są następnie mierzone, obliczane i wyrażane na równi z samą wysokością podnoszenia hydraulicznego, np. w odniesieniu do równoważnej wysokości wodomierza . Wymaga to odjęcia od całkowitej mocy brutto mocy traconej z powodu strat wysokości podnoszenia; w ten sposób otrzymuje się rzeczywistą moc netto, którą można uzyskać. Równanie można przedstawić następująco:
P netto = P brutto − P strata
Przeczytaj także: Czym jest konwencjonalna elektrownia wodna?
Rodzaje strat ciśnienia
Rodzaje strat ciśnienia to:
Duże straty ciśnienia: Zdecydowana większość dużych strat ciśnienia wynika z tarcia w rurach i przebiega na dużych odległościach rurociągu, na przykład w rurociągu derywacyjnym.
Drobne straty ciśnienia: Każde inne źródło drobnych strat ciśnienia poza stratami tarcia. Zasadniczo każde zagięcie rury lub zmiana ruchu wody powoduje pewien rodzaj straty, który nazywa się drobnymi stratami.
Zdarzają się jednak przypadki, w których duże straty ciśnienia są mniejsze od strat mniejszych, ale sumują się, określając całkowitą moc wyjściową zapory hydraulicznej, wbrew temu, co sugerują ich nazwy.
Koniecznie przeczytaj: Czym jest szczelinowanie hydrauliczne?
