Гидравлический напор — это показатель энергии , содержащейся в воде рек, ручьев или озер. Он отражает уровень воды в текущем водоеме. Проще говоря, это высота столба воды над определенной точкой, обычно выражаемая в метрах (или футах в США). Когда уровень воды или гидравлический напор выше, в этом конкретном месте присутствует энергия.
На установках количество получаемой энергии зависит от разницы между уровнем воды в верховьях водохранилища и уровнем воды ниже плотины. Упомянутая разница называется гидравлической разностью напоров. Она показывает количество энергии, которое может быть преобразовано в электричество с помощью турбин и генераторов. Дальнейшие расчеты показывают, что помимо расстояния, на получение энергии влияют и различные потери, называемые потерями напора.
Поскольку вода в водохранилище, расположенном выше, обладает большей горизонтальной гравитационной потенциальной энергией, чем вода в отводящем канале, гравитационная потенциальная энергия воды из водохранилища, поступающей через водоводы, приводит к созданию энергии, необходимой для вращения турбин и производства электроэнергии. В данном случае этот процесс показан с помощью уравнения Бернулли. Как правило, гидравлический напор эквивалентен одной единице гравитационной энергии – в данном случае это будет объем накопленной воды.
Уравнение гидроэлектроэнергии использует значение гидравлического напора для получения оценочной доступной мощности. Этот фактор играет роль в уравнении, представленном следующим образом:
P = ρQgΔh
Где:
- P – Скорость, с которой вычисляется мощность, и измерения выражаются в джоулях в секунду, известных как Вт.
- Δh – представляет собой разницу гидравлического напора на плотине или турбине, измеренную в метрах.
- ρ – зависит от плотности жидкости, измеряемой в кг/м3.
- Q – Обозначает объемный расход или скорость потока воды, измеряемый в метрах в секунду (м3/с).
- g – представляет собой ускорение свободного падения, измеряемое в метрах в секунду в квадрате.
Это уравнение утверждает, что большая разница напоров приводит к потенциальной механической энергии, запасенной в резервуарах.
Типы гидравлических головок
Существует три классификации плотин, основанные на различиях в их гидравлическом напоре: средний и низкий. Более подробная информация об этих типах гидравлического напора будет рассмотрена далее.
1. Высокая голова
Когда разница напоров превышает сто метров, это называется гидроэлектростанцией с высоким напором. В отличие от предыдущей, вода, протекающая на этой электростанции, обычно забирается с высоты над окружающей местностью, а это значит, что для выработки аналогичного количества энергии требуется меньший объем. Поскольку вода протекает через такие системы, она не движется с высокой скоростью, поэтому требуются небольшие турбины.
Вода также должна пройти некоторое расстояние с помощью длинного напорного водовода, так как даже более короткая турбина и более узкий напорный водовод приведут к образованию воздушных карманов, которые снижают эффективность. Чаще всего крупные гидроэлектростанции относятся к высоким и средним напорам.
2. Средняя голова
В системах со средним напором перепад высот составляет от 10 до 100 метров. По сравнению с плотиной с высоким напором, перепад высот в плотине со средним напором меньше, если учитывать водовод. Этот тип плотины использует значительный объем воды и приводит к существенной потере высоты этого объема.
3. Низкая голова
Как правило, в таких системах высота низконапорных плотин составляет менее 10 метров . Поэтому низконапорные гидротурбины обычно применяются в системах руслового типа, которые подразумевают движение рек без значительного повышения уровня воды.
Типичная система с низким напором транспортирует много воды, поэтому для эффективного преобразования энергии воды в электроэнергию требуются более крупные турбины. Для этих установок не требуется плотина для воды, поскольку требуется хранить меньше воды.
Читайте также: 5 основных преимуществ и недостатков гидроэнергетики
Гидравлические потери напора
Эти потери возникают из-за трения внутри труб . Учет этих потерь напора уменьшает количество энергии в воде. Это скорректированное значение, учитывающее потери напора, называется эффективным напором.
Эффективный напор равен общему напору за вычетом всех потерь напора. Все гидроэлектростанции создают потери напора, которые делятся на основные и второстепенные. Гидравлические потери напора измеряются, рассчитываются и выражаются наравне с самим гидравлическим напором, например, в терминах эквивалентной высоты водомера . Для этого необходимо вычесть из общей мощности, теряемой из-за потерь напора; тогда получается фактическая чистая мощность, которую можно получить. Уравнение можно представить следующим образом:
Чистая прибыль = Валовая прибыль − Убыток
Читайте также: Что такое традиционная гидроэлектростанция?
Типы потерь напора
Типы потерь напора:
Основные потери напора: Подавляющее большинство основных потерь напора происходит из-за трения в трубах, и они распространяются на большие расстояния по трубопроводу, например, в напорном трубопроводе.
Незначительные потери напора: Любой другой источник незначительных потерь напора, помимо потерь на трение. По сути, любое место изгиба трубы или изменение движения воды приводит к определенным потерям, которые называются незначительными потерями.
Однако существуют случаи, когда основные потери напора меньше второстепенных, но они суммируются, определяя общую выходную мощность гидравлической плотины, несмотря на то, что следует из их названий.
Обязательно к прочтению: Что такое гидроразрыв пласта?
