Vesiturbiini, josta yleisimpiä ovat Kaplanin, Peltonin ja Francisin turbiinit, on suuri pyörivä kone, joka muuntaa kineettistä ja potentiaalista energiaa vesivoimaksi. Näitä vesipyörän moderneja vastineita on käytetty yli 135 vuoden ajan teolliseen energiantuotantoon ja viime aikoina vesivoiman tuotantoon.
Mihin vesiturbiineja käytetään nykyään?
Nykyään vesivoiman osuus maailman sähköntuotannosta on 16 %. 1800-luvulla vesiturbiineja käytettiin pääasiassa teollisuuden energiantuotantoon ennen sähköverkkojen yleistymistä. Nykyään niitä käytetään sähköntuotantoon, ja niitä löytyy padoista tai alueilta, joilla esiintyy raskasta veden virtausta.
Maailmanlaajuisen energian kysynnän kasvaessa nopeasti ja ilmastonmuutoksen sekä fossiilisten polttoaineiden ehtymisen kaltaisten tekijöiden vuoksi vesivoimalla on potentiaalia olla suuri vaikutus vihreän energian muotona maailmanlaajuisesti. Ympäristöystävällisten ja puhtaiden energialähteiden etsinnän jatkuessa Francis-turbiineista voi tulla erittäin suosittu ja yhä enemmän käyttöön otettu ratkaisu tulevina vuosina.
Miten vesiturbiinit tuottavat sähköä?
Luonnollisesti tai keinotekoisesti virtaavan veden luoma vedenpaine toimii vesiturbiinien energianlähteenä. Tämä energia otetaan talteen ja muunnetaan vesivoimaksi. Vesivoimalaitos käyttää yleensä aktiivisen joen patoa veden varastointiin. Vesi vapautuu sitten erissä, virtaa turbiinin läpi, pyörittää sitä ja aktivoi generaattorin, joka sitten tuottaa sähköä.
Kuinka suuria vesiturbiinit ovat?
Nostokorkeuden perusteella vesiturbiinit voidaan luokitella korkea-, keski- ja matalapaineisiin. Matalapaineiset vesivoimalaitokset ovat suurempia, koska vesiturbiinin on oltava suuri suuren virtausnopeuden saavuttamiseksi samalla, kun lapoihin kohdistetaan matala vedenpaine. Korkeapaineiset vesivoimalaitokset eivät puolestaan tarvitse niin suurta pinta-alaa, koska niitä käytetään energian valjastamiseen nopeasti liikkuvista vesilähteistä.
Kaavio, joka selittää vesivoimajärjestelmän eri osien, mukaan lukien vesiturbiinin, koon
Kaavio, joka selittää vesivoimajärjestelmän eri osien, mukaan lukien vesiturbiinin, koon
Alla selitämme muutamia esimerkkejä erityyppisistä vesiturbiineista, joita käytetään eri sovelluksissa ja vedenpaineissa.
Kaplan-turbiini (0–60 m painekorkeus)
Näitä turbiineja kutsutaan aksiaalivirtausreaktioturbiineiksi, koska ne muuttavat veden painetta sen virratessa sen läpi. Kaplan-turbiini muistuttaa potkuria ja siinä on säädettävät lavat tehokkuuden maksimoimiseksi eri vesi- ja painetasoilla.
Kaplanin turbiinikaavio
Pelton-turbiini (painekorkeus 300–1600 m)
Pelton-turbiini – tai Pelton-pyörä – tunnetaan impulssiturbiinina, koska se ottaa energiaa liikkuvasta vedestä. Tämä turbiini sopii suuriin nostokorkeuksiin, koska se vaatii suuren vedenpaineen kohdistaakseen voimaa lusikanmuotoisiin ämpäreihin ja saadakseen kiekon pyörimään ja tuottamaan energiaa.
Pelton-turbiini
Francis-turbiini (painekorkeus 60–300 m)
Viimeinen ja tunnetuin vesiturbiini, Francis-turbiini, tuottaa 60 % maailman vesivoimasta. Keskisuurella paineella toimivana törmäys- ja reaktioturbiinina Francis-turbiini yhdistää aksiaalisen ja radiaalisen virtauksen käsitteet. Tällä tavoin turbiini täyttää aukon korkean ja matalan paineen turbiinien välillä, mikä luo tehokkaamman suunnittelun ja haastaa insinöörit parantamaan sitä edelleen.
Tarkemmin sanottuna Francis-turbiini toimii siten, että vesi virtaa spiraalimaisen kotelon läpi (staattisiin) ohjaussiipiin, jotka ohjaavat veden virtausta (liikkuvia) juoksuputken lapoja kohti. Vesi pakottaa juoksuputken pyörimään voimien yhteisvaikutuksen ja reaktion avulla, ja lopulta vesi poistuu juoksuputkesta imuputken kautta, joka purkaa vesivirtauksen ulkoympäristöön.
Miten valitsen vesiturbiinin suunnittelun?
Optimaalisen turbiinirakenteen valinta riippuu usein yhdestä asiasta: käytettävissä olevasta nostokorkeudesta ja virtausnopeudesta. Kun olet selvittänyt, millaista vedenpainetta voit hyödyntää, voit päättää, sopiiko suljettu "reaktioturbiinirakenne", kuten Francis-turbiini, vai avoin "impulssiturbiinirakenne", kuten Pelton-turbiini.
Vesiturbiinikaavio
Lopuksi voit määrittää ehdotetun sähkögeneraattorin tarvittavan pyörimisnopeuden.
Julkaisun aika: 15.7.2022
