En el panorama de les energies netes, l'energia hidroelèctrica es presenta com un pilar vital de la transformació energètica, gràcies a la seva naturalesa renovable, el seu baix cost i les seves fortes capacitats d'equilibri de càrrega màxima. Des de les enormes turbines de la presa de les Tres Gorges fins al flux suau de les petites centrals hidroelèctriques a les regions muntanyoses, la rotació de la turbina sempre va acompanyada de la conversió d'energia de "l'energia potencial de l'aigua → energia mecànica → energia elèctrica". L'atractiu principal de l'energia hidroelèctrica rau en l'exquisida adaptabilitat de la unitat turbina-generador hidroelèctrica en diferents condicions de càrrega i cabal d'aigua. Aquest model de demostració dinàmic, mitjançant una rèplica precisa dels tipus de turbines convencionals, com ara les turbines de reacció i les turbines d'impuls, mostra l'enginy únic de la interacció entre la turbina i el flux d'aigua. (1) Model de turbina de reacció: l'intercanvi d'energia "abraçador" entre el flux d'aigua i les pales El model de turbina Francis és el "tot terreny" més utilitzat. El model reprodueix l'estructura central d'una unitat de 700 MW a la central elèctrica de les Tres Gorges a una escala 1:25. El rodet té un diàmetre de 30 cm i consta de 13 pales aerodinàmiques (angle d'entrada de 15°, angle de sortida de 20°) disposades radialment; al voltant del rodet hi ha pales guia ajustables (24 pales, fetes de plàstic ABS i compost de marc metàl·lic), connectades a un "anell regulador", que pot ajustar l'obertura de la paleta guia (0-30°). La carcassa transparent està feta d'acrílic fos. L'aigua (d'un sistema d'aigua circulant impulsat per una microbomba) flueix uniformement a la carcassa des de tots els costats, guiada per les pales guia, i impacta sobre les pales del rodet a una velocitat de flux simulada de 20 m/s, fent girar el rodet (150 rpm, corresponents a 125 rpm de la unitat real). El nucli de la demostració dinàmica rau en la conversió d'energia de la "presa d'aigua circumferencial": quan l'obertura de la paleta guia s'ajusta a 20°, el mesurador de cabal mostra un "cabal simulat de 5 L/s", el mesurador de velocitat s'estabilitza a 150 rpm i el model de generador genera 220 V. Quan se simula un "augment del flux durant la temporada d'inundacions" (àlep guia completament obert), la velocitat de la turbina augmenta a 180 rpm i el voltatge puja a 240 V. La pantalla mostra simultàniament "Les turbines Francis són adequades per a capçals d'aigua de 50-700 m i poden aconseguir una eficiència del 95%". Aquest disseny fa que el principi de reacció de "diferència de pressió a banda i banda de les àleps que impulsen la turbina" sigui intuïtiu, cosa que explica perfectament per què les turbines Francis són l'opció preferida per a capçals d'aigua elevats i grans cabals. El model de turbina de flux axial mostra els avantatges de la "presa d'aigua axial" per a capçals d'aigua baixos, amb tipus de àleps fixos i ajustables. El model de àleps ajustables té un rotor de 40 cm de diàmetre amb 6 àleps que giren segons les condicions del flux d'aigua (controlades per un microservomotor), amb un rang d'ajust de l'angle de l'àlep de -10° a +15°. L'àlep guia i el rotor estan disposats coaxialment, amb l'aigua fluint axialment cap al rotor. Les àleps giren sota l'efecte combinat de l'empenta de l'aigua i la seva pròpia rotació. La funció interactiva "ajust de la alçada de l'aigua" del model és única: quan el públic selecciona "alçada baixa de 3-5 m" (per exemple, un riu en una plana), l'angle de la pala s'ajusta a +15° (augmentant l'àrea de contacte amb l'aigua), l'obertura de l'àlep guia és de 30° i la velocitat del rotor és de 60 rpm; en canviar a "alçada mitjana de 10-30 m", l'angle de la pala s'ajusta a 0°, la velocitat augmenta a 100 rpm i la pantalla mostra "Les turbines de flux axial poden aconseguir una eficiència del 92% a cabals elevats i alçadas baixes". La demostració comparativa de les turbines de pas ajustable i de pas fix té un valor educatiu més gran: amb el mateix cabal, la turbina de pas ajustable, ajustant l'angle de la pala, aconsegueix una eficiència del 8 al 10% superior a la de la turbina de pas fix (la corba d'eficiència es mostra en temps real a la pantalla), il·lustrant intuïtivament l'avantatge tècnic de "les turbines de pas ajustable que es poden adaptar a una gamma més àmplia de cabals". Aquesta comparació és particularment important a l'hora d'ensenyar l'energia hidroelèctrica de petites dimensions en zones de reg, ja que ajuda els estudiants a entendre "per què les turbines de flux axial s'utilitzen sovint en projectes de petites centrals hidroelèctriques rurals". El model de turbina de flux inclinat és un "mestre de l'adaptació del capçal", amb l'eix de la pala del rodet en un angle de 45° respecte a l'eix principal (entre una turbina de flux mixt i una de flux axial). Les pales del model es poden ajustar sincronitzadament (de -5° a +25°), amb les pales guia i el rodet ajustant-se conjuntament. Quan el capçal simulat augmenta de 40 m a 120 m, l'angle de la pala s'ajusta automàticament de +25° a -5°, mantenint una velocitat estable del rodet de 120 rpm, demostrant la característica d'"alta eficiència en una variació de capçal de 3 vegades". La carcassa transparent permet una observació clara de la trajectòria de flux única, i el mapa de contorns d'eficiència a la pantalla ajuda els espectadors a entendre la seva "adaptabilitat entre turbines de flux mixt i flux axial".
(2) Model de turbina d'impuls: alliberament d'energia "de tipus col·lisió" del flux d'aigua i les pales
El model de turbina Pelton és el "campió de potència" per a aplicacions d'alta alçada, replicant el disseny clàssic de la central elèctrica Leonhard a Suïssa. 12 cubetes en forma de copa (cadascuna amb una capacitat de 50 ml, fetes de llautó cromat) es distribueixen uniformement al voltant del rodet (25 cm de diàmetre); la "broqueta" (0,5 cm de diàmetre) gira 360°. L'aigua a alta pressió (proporcionada per una bomba de pistó, que simula una alçada de 500-1000 m) forma un raig d'alta velocitat (50 m/s) que impacta amb precisió el "divisor" de les cubetes, convertint l'energia cinètica de l'aigua en energia mecànica del rodet giratori. El punt culminant de la demostració dinàmica és la transferència d'energia a través de l'"impacte del raig": quan s'activa una sola broqueta, el raig d'aigua que impacta la roda de la turbina genera una "força de reacció" notable (acceleració instantània del rotor), que arriba a les 300 rpm i una potència de sortida del generador simulada de 500 W. Amb dues boquilles (disposades simètricament), la velocitat augmenta a 580 rpm i la potència a 980 W. La pantalla mostra que "l'eficiència d'aquest tipus de turbina pot arribar al 90% sota una alçada d'aigua elevada, i l'aigua no entra a la carcassa, cosa que la fa adequada per a aigua amb un alt contingut de sediments". Aquest disseny il·lustra clarament el principi que "la transferència d'energia cinètica no depèn de la pressió de l'aigua, sinó únicament de l'impacte del flux d'aigua a alta velocitat", cosa que explica perfectament per què és adequat per a "centrals hidroelèctriques de muntanya amb una alçada de més de 100 m". El model de turbina d'impacte inclinat demostra l'adaptabilitat flexible de "l'impacte del raig oblic", amb la boquilla inclinada 22,5° respecte al pla de la roda de la turbina, i l'aigua impacta obliquament sobre les pales en forma de cullera (18 pales). La funció interactiva permet als espectadors ajustar l'angle de la boquilla, observant el canvi de velocitat del rotor: una disminució del 10-15% quan l'angle es desvia de 22,5°, cosa que il·lustra l'impacte de la precisió de l'angle en l'eficiència. Aquest tipus de model s'utilitza sovint per il·lustrar "energia hidroelèctrica a petita escala en zones muntanyoses", adequada per a "sistemes d'energia distribuïda amb una alçada de 20-300 m i cabals petits". El model de turbina de doble impacte maximitza l'ús de l'energia "impactant l'aigua sobre les pales dues vegades". La roda de la turbina té dues capes de pales; després del primer impacte, l'aigua flueix a través de la roda per impactar la capa inferior. La roda transparent permet als espectadors veure la trajectòria del "doble impacte". La pantalla mostra que "si bé l'eficiència del disseny de doble impacte és lleugerament inferior (75-85%), la seva estructura simple i el seu baix cost el fan adequat per a la microenergia hidroelèctrica rural". Aquest disseny fa evident la "saviesa de l'ús de l'energia en dissenys simples". (3) Tipus especials de models de turbines hidroelèctriques: dissenys innovadors per a condicions extremes
El model de turbina de bulb és una solució de "perfil pla" per a centrals hidroelèctriques de baixa alçada. Presenta una estructura en "forma de bulb": el generador està allotjat dins d'una carcassa en forma de bulb a la via del flux d'aigua, i el rotor de la turbina està connectat directament a l'eix del generador (sense carcassa en espiral). L'aigua flueix axialment a través de la unitat. Per a altures de alçada simulades de 2-8 m (per exemple, centrals mareomotrius), el rotor (40 cm de diàmetre, 8 pales corbes) gira a 80 rpm. La pantalla mostra "Les turbines de bulb poden aconseguir eficiències de fins al 88%, adequades per a centrals elèctriques de llit fluvial, amb baixos costos d'enginyeria civil". La carcassa transparent mostra clarament la característica de "flux d'aigua rectilini", cosa que explica el seu ús generalitzat en aplicacions de baixa alçada com ara canals de marea i reg. El model de turbina mareomotriu demostra la generació d'energia bidireccional. Les pales del rotor tenen un disseny simètric en "forma de S", que permet que el rotor giri independentment de si l'aigua flueix d'esquerra a dreta o de dreta a esquerra (60 rpm). El model està vinculat a un "tanc de simulació de marees", que utilitza els nivells d'aigua ascendents i descendents per crear un flux alternatiu, demostrant el cicle de "generació d'energia durant la marea alta → generació d'energia durant la marea baixa → aturada durant la marea quieta". La pantalla mostra "Les turbines mareomotrius utilitzen la gravetat lunar, són renovables i altament predictibles". Aquest disseny fa que la sinergia entre "l'energia neta i els ritmes naturals" sigui visualment evident.
Data de publicació: 10 de setembre de 2025
