Een waterturbine, waarvan de Kaplan-, Pelton- en Francis-turbines de meest voorkomende zijn, is een grote roterende machine die kinetische en potentiële energie omzet in waterkracht. Deze moderne equivalenten van het waterrad worden al meer dan 135 jaar gebruikt voor de opwekking van industriële energie, en meer recent ook voor de opwekking van waterkracht.
Waar worden waterturbines tegenwoordig voor gebruikt?
Tegenwoordig is waterkracht goed voor 16% van de wereldwijde energieopwekking. In de 19e eeuw werden waterturbines voornamelijk gebruikt voor industriële energie, voordat elektriciteitsnetten wijdverbreid raakten. Tegenwoordig worden ze gebruikt voor elektriciteitsopwekking en zijn ze te vinden in dammen of gebieden met zware waterstromen.
Met de snel stijgende wereldwijde vraag naar energie en factoren zoals klimaatverandering en de uitputting van fossiele brandstoffen, heeft waterkracht de potentie om wereldwijd een grote impact te hebben als vorm van groene energie. Naarmate de zoektocht naar milieuvriendelijke en schone energiebronnen voortduurt, zouden Francis-turbines de komende jaren een zeer populaire en steeds meer toegepaste oplossing kunnen blijken.
Hoe wekken waterturbines elektriciteit op?
De waterdruk die ontstaat door natuurlijk of kunstmatig stromend water dient als energiebron voor waterturbines. Deze energie wordt opgevangen en omgezet in waterkracht. Een waterkrachtcentrale gebruikt doorgaans een dam in een actieve rivier om water op te slaan. Het water wordt vervolgens stapsgewijs afgevoerd, stroomt door de turbine, draait deze en activeert een generator die vervolgens elektriciteit opwekt.
Hoe groot zijn waterturbines?
Op basis van de opvoerhoogte waaronder ze werken, kunnen waterturbines worden ingedeeld in hoge, gemiddelde en lage opvoerhoogte. Waterkrachtcentrales met lage opvoerhoogte zijn groter, omdat de waterturbine groot moet zijn om een hoge stroomsnelheid te bereiken terwijl er een lage waterdruk op de bladen wordt uitgeoefend. Waterkrachtcentrales met hoge opvoerhoogte hebben daarentegen een minder grote oppervlakteomtrek nodig, omdat ze worden gebruikt om energie te winnen uit sneller stromende waterbronnen.
Grafiek waarin de grootte van de verschillende onderdelen van het waterkrachtsysteem, inclusief de waterturbine, wordt uitgelegd
Een grafiek die de grootte van de verschillende onderdelen van het waterkrachtsysteem, inclusief de waterturbine, uitlegt
Hieronder lichten we een aantal voorbeelden toe van verschillende typen waterturbines die voor verschillende toepassingen en waterdruk worden gebruikt.
Kaplan-turbine (drukhoogte 0-60 m)
Deze turbines staan bekend als axiale stromingsreactieturbines, omdat ze de druk van het water veranderen terwijl het erdoorheen stroomt. De Kaplan-turbine lijkt op een propeller en heeft verstelbare bladen om de efficiëntie te maximaliseren bij verschillende water- en drukniveaus.
Een Kaplan-turbinediagram
Pelton-turbine (drukhoogte 300-1600 m)
De Pelton-turbine – of Pelton-wiel – staat bekend als een impulsturbine, een turbine die energie haalt uit bewegend water. Deze turbine is geschikt voor toepassingen met hoge opvoerhoogtes, omdat er een hoge waterdruk nodig is om kracht uit te oefenen op de lepelvormige emmers, waardoor de schijf gaat roteren en energie opwekt.
Pelton-turbine
Francis Turbine (drukhoogte 60-300 m)
De laatste en bekendste waterturbine, de Francis-turbine, is goed voor 60% van alle waterkrachtcentrales ter wereld. De Francis-turbine werkt als een impact- en reactieturbine met een gemiddelde opvoerhoogte en combineert axiale en radiale stromingsconcepten. Hierdoor overbrugt de turbine de kloof tussen turbines met een hoge en lage opvoerhoogte, wat resulteert in een efficiënter ontwerp en ingenieurs vandaag de dag uitdaagt om het verder te verbeteren.
Meer specifiek werkt een Francisturbine doordat water door een spiraalvormige behuizing stroomt in (statische) geleideschoepen die de waterstroom naar de (bewegende) rotorbladen regelen. Water dwingt de rotor tot rotatie door de gecombineerde impact en reactie van krachten, en verlaat de rotor uiteindelijk via een luchtkanaal dat de waterstroom naar de buitenomgeving afvoert.
Hoe kies ik een waterturbineontwerp?
De keuze voor het optimale turbineontwerp komt vaak neer op één ding: de opvoerhoogte en het debiet dat u kunt benutten. Zodra u hebt vastgesteld welke waterdruk u kunt benutten, kunt u beslissen of een gesloten "reactieturbine" zoals de Francis-turbine of een open "impulsturbine", zoals de Pelton-turbine, de beste keuze is.
Waterturbine diagram
Ten slotte kunt u de benodigde rotatiesnelheid van uw voorgestelde elektrische generator instellen.
Plaatsingstijd: 15 juli 2022
