En vattenturbin, där Kaplan-, Pelton- och Francis-turbinerna är de vanligaste, är en stor roterande maskin som omvandlar kinetisk och potentiell energi till vattenkraft. Dessa moderna motsvarigheter till vattenhjulet har använts i över 135 år för industriell kraftproduktion, och på senare tid även för vattenkraftproduktion.
Vad används vattenturbiner till idag?
Idag bidrar vattenkraft med 16 % av världens elproduktion. På 1800-talet användes vattenturbiner huvudsakligen för industriell kraftproduktion innan elnäten blev utbredda. Numera används de för elproduktion och kan hittas i dammar eller områden där kraftiga vattenflöden förekommer.
Med den snabbt ökande globala energiefterfrågan och faktorer som klimatförändringar och utarmande fossila bränslen har vattenkraft potential att få stor inverkan som en form av grön energi på global nivå. I takt med att sökandet efter miljövänliga och rena kraftkällor fortsätter kan Francis-turbiner visa sig vara en mycket populär och alltmer använd lösning under de kommande åren.
Hur genererar vattenturbiner elektricitet?
Vattentryck som skapas av naturligt eller artificiellt strömmande vatten används som energikälla för vattenturbiner. Denna energi fångas upp och omvandlas till vattenkraft. Ett vattenkraftverk använder vanligtvis en damm i en aktiv flod för att lagra vatten. Vattnet släpps sedan ut i omgångar, strömmar genom turbinen, roterar den och aktiverar en generator som sedan producerar elektricitet.
Hur stora är vattenturbiner?
Baserat på den tryckhöjd de arbetar under kan vattenturbiner klassificeras i hög, medelhög och låg tryckhöjd. Vattenkraftsystem med låg tryckhöjd är större, eftersom vattenturbinen måste vara stor för att uppnå ett högt flöde medan lågt vattentryck appliceras över bladen. I sin tur behöver vattenkraftsystem med hög tryckhöjd inte en så stor ytomkrets, eftersom de används för att utnyttja energi från snabbare vattenkällor.
Diagram som förklarar storleken på de olika delarna av vattenkraftsystemet, inklusive vattenturbinen
Ett diagram som förklarar storleken på de olika delarna av vattenkraftsystemet, inklusive vattenturbinen
Nedan kommer vi att förklara några exempel på olika typer av vattenturbiner som används för olika tillämpningar och vattentryck.
Kaplan-turbin (0–60 m tryckhöjd)
Dessa turbiner är kända som axialflödesreaktionsturbiner, eftersom de ändrar vattentrycket när det strömmar genom den. Kaplan-turbinen liknar en propeller och har justerbara blad för att maximera effektiviteten över en rad vatten- och trycknivåer.
Ett Kaplan-turbindiagram
Peltonturbin (tryckhöjd 300 m–1600 m)
Peltonturbinen – eller Peltonhjulet – är känd som en impulsturbin, en turbin som utvinner energi från rörligt vatten. Denna turbin är lämplig för tillämpningar med högt tryck, eftersom den kräver ett högt vattentryck för att applicera kraft på de skedformade hinkarna och få skivan att rotera och generera kraft.
Pelton-turbin
Francis-turbin (60–300 m tryckhöjd)
Den sista och mest berömda vattenturbinen, Francisturbinen, står för 60 % av världens vattenkraft. Francisturbinen fungerar som en slag- och reaktionsturbin som arbetar med medelhög tryckhöjd och kombinerar axiella och radiella flödeskoncept. Genom att göra detta fyller turbinen gapet mellan turbiner med hög och låg tryckhöjd, vilket skapar en effektivare design och utmanar dagens ingenjörer att ytterligare förbättra den.
Mer specifikt fungerar en Francis-turbin genom att vatten strömmar genom ett spiralformat hölje in i (statiska) ledskenor som styr vattenflödet mot de (rörliga) bladen i löprännan. Vatten tvingar löprännan att rotera genom den kombinerade kraftpåverkan och reaktionen, och lämnar slutligen löprännan genom ett dragrör som leder ut vattenflödet i den yttre miljön.
Hur väljer jag en vattenturbindesign?
Att välja den optimala turbindesignen handlar ofta om en sak; mängden tryck och flödeshastighet som är tillgänglig för dig. När du väl har fastställt vilken typ av vattentryck du kan hantera kan du sedan bestämma om en sluten "reaktionsturbindesign" som Francis-turbinen eller en öppen "impulsturbindesign", som Pelton-turbinen, passar bättre.
Vattenturbindiagram
Slutligen kan du fastställa den nödvändiga rotationshastigheten för din föreslagna elgenerator.
Publiceringstid: 15 juli 2022
