Vatnstúrbína, þar sem Kaplan-, Pelton- og Francis-túrbínur eru algengastar, er stór snúningsvél sem breytir hreyfiorku og stöðuorku í vatnsafl. Þessar nútímaútgáfur af vatnshjólinu hafa verið notaðar í yfir 135 ár til iðnaðarorkuframleiðslu og nýlega til vatnsaflsorkuframleiðslu.
Til hvers eru vatnstúrbínur notaðar í dag?
Í dag er vatnsaflsorka 16% af orkuframleiðslu heimsins. Á 19. öld voru vatnstúrbínur aðallega notaðar til iðnaðarorku áður en rafmagnsnet urðu útbreidd. Nú á dögum eru þær notaðar til raforkuframleiðslu og má finna þær í stíflum eða á svæðum þar sem mikið vatn rennur.
Með ört vaxandi orkuþörf í heiminum og þáttum eins og loftslagsbreytingum og tæmingu jarðefnaeldsneytis, hefur vatnsaflsorka möguleika á að hafa mikil áhrif sem græn orka á heimsvísu. Þar sem leit að umhverfisvænum og hreinum orkugjöfum heldur áfram gætu Francis-túrbínur reynst mjög vinsæl og sífellt meira notaðar lausnir á komandi árum.
Hvernig framleiða vatnstúrbínur rafmagn?
Vatnsþrýstingur sem myndast úr náttúrulegu eða tilbúnu rennandi vatni er orkugjafi fyrir vatnstúrbínur. Þessi orka er tekin upp og breytt í vatnsafl. Vatnsaflsvirkjanir nota almennt stíflu í virkri á til að geyma vatn. Vatnið er síðan losað í áföngum, rennur í gegnum túrbínuna, snýr henni og virkjar rafal sem framleiðir síðan rafmagn.
Hversu stórar eru vatnstúrbínur?
Vatnsorkukerfi með háum, meðalstórum og lágum vatnsþrýstingi eru flokkuð eftir því hversu háar vatnsþrýstingar þær eru. Lágþrýstings vatnsaflsvirkjanir eru stærri þar sem vatnstúrbínan þarf að vera stór til að ná háum rennslishraða á meðan lágur vatnsþrýstingur er beitt á blöðin. Vatnsorkukerfi með háum vatnsþrýstingi þurfa hins vegar ekki svo stórt yfirborðsummál þar sem þau eru notuð til að virkja orku úr hraðari vatnslindum.
Tafla sem útskýrir stærð mismunandi hluta vatnsaflsvirkjunarkerfisins, þar á meðal vatnstúrbínunnar
Tafla sem útskýrir stærð mismunandi hluta vatnsaflsvirkjunarkerfisins, þar á meðal vatnstúrbínunnar.
Hér að neðan munum við útskýra nokkur dæmi um mismunandi gerðir vatnstúrbína sem notaðar eru fyrir mismunandi notkun og vatnsþrýsting.
Kaplan túrbína (0-60m þrýstihæð)
Þessar túrbínur eru þekktar sem ásflæðisviðbragðstúrbínur, þar sem þær breyta þrýstingi vatnsins þegar það rennur í gegnum það. Kaplan-túrbínan líkist skrúfu og er með stillanlegum blöðum til að hámarka skilvirkni yfir mismunandi vatns- og þrýstingsstig.
Skýringarmynd af Kaplan-túrbínu
Pelton-túrbína (300m-1600m þrýstihæð)
Pelton-túrbínan – eða Pelton-hjólið – er þekkt sem púlstúrbína, sem dregur orku úr vatni á hreyfingu. Þessi túrbína hentar vel fyrir notkun með mikla þrýstingshæð, þar sem hún krefst mikils vatnsþrýstings til að beita krafti á skeiðlaga föturnar og valda því að diskurinn snýst og myndar orku.
Pelton-túrbína
Francis-túrbína (60m-300m þrýstihæð)
Síðasta og frægasta vatnstúrbínan, Francis-túrbínan, framleiðir 60% af vatnsafli heimsins. Francis-túrbínan virkar sem árekstrar- og viðbragðstúrbína sem starfar við meðalþrýsting og sameinar ás- og radíusflæðishugtök. Með þessu fyllir túrbínan bilið á milli túrbína með háan og lágan þrýsting, sem skapar skilvirkari hönnun og skorar á verkfræðinga í dag að bæta hana enn frekar.
Nánar tiltekið starfar Francis-túrbína þannig að vatn rennur í gegnum spíralhlíf og inn í (kyrrstæða) leiðarblöð sem stjórna vatnsflæðinu í átt að (hreyfanlegum) rennslisblöðum. Vatnið neyðir rennslisrásina til að snúast vegna sameinuðu áhrifa og viðbragða krafta og fer að lokum út úr rennslisrásinni í gegnum sogrör sem leiðir vatnsflæðið út í umhverfið.
Hvernig vel ég hönnun vatnstúrbínu?
Að velja bestu túrbínuhönnunina snýst oft um eitt; þrýstingshæð og rennslishraða sem þú hefur aðgang að. Þegar þú hefur ákvarðað hvaða vatnsþrýsting þú getur nýtt þér geturðu ákveðið hvort lokuð „viðbragðstúrbínuhönnun“ eins og Francis-túrbínan eða opin „hvattúrbínuhönnun“ eins og Pelton-túrbínan henti betur.
Vatnstúrbínumynd
Að lokum geturðu ákvarðað nauðsynlegan snúningshraða fyrirhugaðs rafstöðvarinnar.
Birtingartími: 15. júlí 2022
