כיצד לבצע אופטימיזציה של גנרטור טורבינת פרנסיס

טורבינת מים, כאשר טורבינות קפלן, פלטון ופרנסיס הן הנפוצות ביותר, היא מכונה סיבובית גדולה הפועלת להמרת אנרגיה קינטית ופוטנציאלית לאנרגיה הידרואלקטרית. מקבילות מודרניות אלה של גלגל המים משמשות למעלה מ-135 שנה לייצור חשמל תעשייתי, ולאחרונה לייצור אנרגיה הידרואלקטרית.

למה משמשות טורבינות מים כיום?
כיום, אנרגיה הידרואלקטרית תורמת ל-16% מייצור החשמל בעולם. במאה ה-19, טורבינות מים שימשו בעיקר לייצור חשמל תעשייתי לפני שרשתות החשמל הפכו נפוצות. כיום, הן משמשות לייצור חשמל וניתן למצוא אותן בסכרים או באזורים בהם מתרחשת זרימת מים כבדה.
עם הביקוש העולמי לאנרגיה שעולה במהירות וגורמים כמו שינויי אקלים ודלדול דלקים מאובנים, לאנרגיה הידרואלקטרית יש פוטנציאל להשפיע רבות כצורה של אנרגיה ירוקה בקנה מידה עולמי. ככל שהחיפוש אחר מקורות אנרגיה ידידותיים לסביבה ונקיים נמשך, טורבינות פרנסיס עשויות להתגלות כפתרון פופולרי מאוד ומאומץ יותר ויותר בשנים הקרובות.

כיצד טורבינות מים מייצרות חשמל?
לחץ מים הנוצר ממים זורמים באופן טבעי או מלאכותי משמש כמקור אנרגיה לטורבינות מים. אנרגיה זו נלכדת והופכת לאנרגיה הידרואלקטרית. תחנת כוח הידרואלקטרית בדרך כלל משתמשת בסכר על נהר פעיל כדי לאגור מים. לאחר מכן המים משתחררים במרווחים, זורמים דרך הטורבינה, מסובבים אותה ומפעילים גנרטור שמייצר חשמל.

כמה גדולות טורבינות מים?
בהתבסס על גובה הלחץ שבו הן פועלות, ניתן לסווג טורבינות מים לגובה מתח גבוה, בינוני ונמוך. מערכות הידרואלקטריות בעלות גובה מתח נמוך הן גדולות יותר, מכיוון שטורבינת המים צריכה להיות גדולה כדי להשיג קצב זרימה גבוה בעוד שלחץ מים נמוך מופעל על הלהבים. בתורן, מערכות הידרואלקטריות בעלות גובה מתח גבוה אינן זקוקות להיקף פנים כה גדול, מכיוון שהן משמשות לניצול אנרגיה ממקורות מים מהירים יותר.

תרשים המסביר את גודל חלקי מערכת הכוח ההידרואלקטרי השונים, כולל טורבינת המים
תרשים המסביר את גודל חלקי מערכת הכוח ההידרואלקטרי השונים, כולל טורבינת המים
להלן, נסביר מספר דוגמאות לסוגים שונים של טורבינות מים המשמשות ליישומים ולחצי מים שונים.

טורבינת קפלן (גובה לחץ 0-60 מטר)
טורבינות אלו ידועות כטורבינות תגובה של זרימה צירית, מכיוון שהן משנות את לחץ המים כשהם זורמים דרכן. טורבינת קפלן דומה למדחף וכוללת להבים מתכווננים כדי למקסם את היעילות על פני טווח של רמות מים ולחץ.

דיאגרמת טורבינת קפלן
טורבינת פלטון (גובה לחץ 300-1600 מטר)
טורבינת פלטון - או גלגל פלטון - ידועה כטורבינת אימפולס, ככזו שמפיקה אנרגיה ממים בתנועה. טורבינה זו מתאימה ליישומים בעלי גובה לחץ גבוה, מכיוון שהיא דורשת כמות גבוהה של לחץ מים כדי להפעיל כוח על הדליים בצורת כף, ולגרום לדיסק להסתובב ולייצר חשמל.

טורבינת פלטון
טורבינת פרנסיס (גובה לחץ 60-300 מטר)
טורבינת המים האחרונה והמפורסמת ביותר, טורבינת פרנסיס, מהווה 60% מאנרגיה הידרואלקטרית בעולם. טורבינת פרנסיס, הפועלת כטורבינת פגיעה ותגובה בעוצמה בינונית, משלבת מושגים של זרימה צירית ורדיאלית. בכך, הטורבינה ממלאת את הפער בין טורבינות בעלות עוצמה גבוהה ונמוכה, יוצרת תכנון יעיל יותר ומאתגרת את המהנדסים כיום לשפר אותו עוד יותר.

באופן ספציפי יותר, טורבינת פרנסיס פועלת על ידי מים הזורמים דרך מעטפת ספירלית לתוך להבי הנחיה (סטטיים) אשר שולטים בזרימת המים לעבר להבי המסלול (הנעים). המים מאלצים את המסלול להסתובב כתוצאה מהשפעה ותגובת כוחות משולבים, ולבסוף יוצאים מהמסלול דרך צינור משיכה שפולט את זרימת המים לסביבה החיצונית.

כיצד לבחור עיצוב טורבינת מים?
בחירת עיצוב הטורבינה האופטימלי מסתכמת לעתים קרובות בדבר אחד; כמות המים וקצב הזרימה הזמינים לכם. לאחר שקבעתם איזה סוג של לחץ מים תוכלו לרתום, תוכלו להחליט אם "עיצוב טורבינת תגובה" סגורה כמו טורבינת פרנסיס או "עיצוב טורבינת אימפולס" פתוח, כמו טורבינת פלטון, מתאימים יותר.

דיאגרמת טורבינות מים
לבסוף, תוכלו לקבוע את מהירות הסיבוב הנדרשת של הגנרטור החשמלי המוצע שלכם.