כוח הידראולי: מאפיינים, אופן פעולתו, יתרונות, שימושים - סביבה - 2025

הכח ההידראולי הוא היכולת של מים כדי עבודת תוצרת ב בצורה של תנועה, אור וחום המבוסס על הפוטנציאל שלהם ואנרגיה הקינטית. זה גם נחשב לאנרגיה מתחדשת נקייה וביצועית גבוהה.

אנרגיה זו נקבעת על ידי הזרימה, חוסר האחידות בין נקודות על הקרקע דרכם עוברים המים וכוח הכובד. זה שימש את בני האדם מאז ימי קדם לביצוע עבודות שונות.

סכר איטאיפו (ברזיל ופרגוואי). מקור: אנג'לו לייטולד

אחד השימושים הראשונים באנרגיה הידראולית היה להספק טחנות מים שניצלו את עוצמת הזרם. בדרך זו, באמצעות גלגלי שיניים, ניתן היה להעביר אבני ריחיים לחרוש חיטה.

נכון לעכשיו היישום הרלוונטי ביותר שלה הוא ייצור אנרגיה חשמלית באמצעות תחנות כוח הידראוליות או תחנות הידרואלקטריות. צמחים אלה מורכבים בעיקר מסכר ומערכת של טורבינות ומחליפים.

המים מצטברים בסכר בין שני מפלסי התעלה (אי-אחידות גיאודזית), ומייצרים אנרגיה פוטנציאלית כבידה. בהמשך, זרם המים (אנרגיה קינטית) מפעיל טורבינות שמעבירות את האנרגיה למחלפים לייצור אנרגיה חשמלית.

אחד היתרונות של אנרגיה הידראולית היא שהיא מתחדשת ולא מזהמת, בניגוד למקורות אנרגיה אחרים. מצד שני, הוא יעיל ביותר עם תשואה שנעה בין 90 - 95%.

ההשפעה הסביבתית של מפעלים הידרואלקטריים קשורה לשונות הטמפרטורה והשינויים הפיזיים של מסלול המים. כמו כן, מיוצרים שמני פסולת ושומנים המסוננים מהמכונות.

החיסרון העיקרי שלה הוא השינויים הפיזיים שהיא גורמת עקב הצפה של שטחי אדמה גדולים והזרימה הטבעית ומסלולי הנהרות משתנים.

תחנת הכוח ההידרואלקטרית הגדולה ביותר בעולם היא שלושת הערוצים, שנמצאים בסין, על נהר היאנגצה. שני האחרים החשובים הם אלה של איטיפו בגבול בין ברזיל ופרגוואי לבין המפעל ההידרואלקטרי סימון בוליבר או גורי בוונצואלה.

מאפיינים

מקור האנרגיה ההידראולית הוא מים והם נחשבים לאנרגיה מתחדשת כל עוד מחזור המים לא משתנה. באופן דומה, הוא יכול לייצר עבודה מבלי לייצר פסולת מוצקה או גזים מזהמים ולכן נחשב לאנרגיה נקייה.

ביצועים

יעילות אנרגטית מתייחסת לקשר בין כמות האנרגיה המתקבלת בתהליך לבין האנרגיה שהייתה נחוצה להשקעה בה. במקרה של אנרגיה הידראולית, משיגים ביצועים של בין 90 ל- 95% בהתאם למהירות המים ומערכת הטורבינה בה משתמשים.

כיצד פועלת כוח מים?

תוכנית של תחנת כוח הידרואלקטרית. מקור: משתמש: טומיה

טרנספורמציה של אנרגיה סולארית לאנרגיה קינטית

הבסיס לאנרגיה הידראולית הוא באנרגיה סולארית, הטופוגרפיה של הארץ וכוח הכבידה של כדור הארץ. במחזור המים אנרגיה סולארית גורמת להתאדות ואז המים מתמצאים ויורדים על פני האדמה.

כתוצאה מקרקע לא אחידה וכוח הכובד, מתרחשים זרמי מי שטח על פני כדור הארץ. באופן זה, אנרגיה סולארית הופכת לאנרגיה קינטית כתוצאה מתנועת מים על ידי פעולה משולבת של אי-אחידות וכוח כוח.

בהמשך ניתן להפוך את האנרגיה הקינטית של מים לאנרגיה מכנית המסוגלת לבצע עבודה. לדוגמא, ניתן להזיז להבים המעבירים את התנועה למערכת הילוכים שיכולה להפעיל מכשירים שונים.

עוצמת האנרגיה ההידראולית ניתנת על ידי חוסר האחידות בין שתי נקודות נתונות של אפיק הנהר וזרימתו. ככל שחוסר האחדות של הארץ גדול יותר, כך הפוטנציאל והאנרגיה הקינטית של המים גדולים יותר, כמו גם יכולתם לייצר עבודה.

במובן זה, אנרגיה פוטנציאלית היא זו המצטברת בגוף מים וקשורה לגובהה יחסית לקרקע. מצד שני, האנרגיה הקינטית היא זו שהמים משחררים בתנועתם הנופלת כפונקציה של טופוגרפיה וכבידה.

ייצור חשמל מכוח הידרואלקטרי (הידרואלקטרי)

ניתן להשתמש באנרגיה הקינטית הנוצרת על ידי מים נופלים לייצור אנרגיה חשמלית. זה מושג על ידי בניית סכרים שבהם מים מצטברים ונמצאים ברמות גובה שונות.

לפיכך, האנרגיה הפוטנציאלית של מים עומדת ביחס ישר להבדל ברמה בין נקודה אחת לאחרת וכאשר המים נופלים הם הופכים לאנרגיה קינטית. בהמשך, המים עוברים דרך מערכת להבים מסתובבים ומייצרים אנרגיה קינטית סיבובית.

התנועה הסיבובית מאפשרת להעביר מערכות הילוכים שיכולות להפעיל מערכות מכניות כמו טחנות, גלגלים או אלטרנטורים. במקרה הספציפי של ייצור חשמל הידרואלקטרי, המערכת זקוקה למערכת טורבינה ומחולל לייצור חשמל.

טורבינות

הטורבינה מורכבת מציר אופקי או אנכי עם מערכת להבים המסובבים את הציר בכוח המים.

ישנם שלושה סוגים בסיסיים של טורבינות הידראוליות:

טורבינת פלטון

טורבינת פלטון. מקור: Robertk9410

זוהי טורבינת דחף בלחץ גבוה עם ציר אופקי שעובד בלי להיות שקוע לחלוטין. למאגר הסדרה סדרת להבים קעורים (להבים או שיניים) המונעים על ידי סילוני מים.

ככל שיותר מטוסי מים פוגעים בטורבינה, כך הם יפיקו יותר כוח. סוג זה של טורבינה משמש למפלים שגובהם 25 עד 200 מטרים ומגיע ליעילות של עד 90%.

טורבינת פרנסיס

טורבינת פרנסיס. מקור: המעלה המקורי היה Stahlkocher בוויקיפדיה הגרמנית.

זוהי טורבינת תגובת לחץ בינונית עם ציר אנכי ופועלת לחלוטין שקועה במים. האימפלקס מורכב מלהבים המונעים על ידי המים המובילים דרך מפיץ.

ניתן להשתמש בו במפלים שגובהם 20 עד 200 מטרים ומגיע ליעילות של 90%. זהו סוג הטורבינה הנפוצה ביותר במפעלים הידרואלקטריים גדולים בעולם.

טורבינת קפלן

טורבינת קפלן. מקור: TheRunnerUp

זהו גרסה של טורבינת פרנסיס וכמוה, יש לה ציר אנכי, אך האימפלר מורכב מסדרת להבים הניתנים לכיוון. זה של תגובה בלחץ גבוה ועובד שקוע במים לחלוטין.

טורבינת קפלן משמשת במפלים שגובהם 5 עד 20 מטרים והיעילות שלה יכולה להגיע עד 95%.

אַלְטֶרְנָטוֹר

האלטרנטור הוא מכשיר שיש לו יכולת להפוך אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית באמצעות אינדוקציה אלקטרומגנטית. לפיכך, מוטים מגנטיים (משרן) מסתובבים בתוך סליל עם קטבים לסירוגין של חומר מוליך (למשל פצע נחושת בברזל רך).

פעולתו מבוססת על העובדה שמוליך הנתון למשך זמן מסוים שדה מגנטי משתנה, מייצר מתח חשמלי.

יתרון

כוח הידראולי נמצא בשימוש נרחב מכיוון שיש לו היבטים חיוביים רבים. בין אלה אנו יכולים להדגיש:

זה חסכוני

למרות שבמקרה של מפעלים הידרואלקטריים ההשקעה הראשונית גבוהה, באופן כללי בטווח הארוך מדובר באנרגיה זולה. זה נובע מהיציבות שלו ועלות התחזוקה הנמוכה.

בנוסף, יש להוסיף את הפיצוי הכלכלי שמספקים מאגרים עם אפשרויות לתחום החקלאות, ספורט ימי ותיירות.

זה מתחדש

מכיוון שהוא מבוסס על מחזור המים, זהו מקור אנרגיה מתחדש ורציף. זה מרמז שהוא לא נגמר בזמן שלא כמו האנרגיה מדלקים מאובנים.

עם זאת, המשכיותו תלויה במחזור המים שלא ישתנה באזור מסוים או ברחבי העולם.

ביצועים גבוהים

אנרגיה הידראולית נחשבת ליעילה מאוד ועם ביצועים גבוהים הנעה בין 90 ל- 95%.

זה לא מזהם

אנרגיה מסוג זה משתמשת במקור טבעי כמו מים וגם אינה מייצרת פסולת או גזים מזהמים. לכן השפעתו על הסביבה נמוכה והיא נחשבת לסוג של אנרגיה נקייה.

נוכחות מאגרים

במקרים בהם נבנים מאגרים לשימוש באנרגיה הידרואלקטרית, אלה מציגים שורה של יתרונות נוספים:

- הם מאפשרים לווסת את זרימת הנהר ולהימנע משיטפונות.
- הם מייצגים מאגר מים לצריכה אנושית, השקיה ושימוש תעשייתי.
- הם יכולים לשמש כאזורי בילוי ולעסוק בספורט ימי.

חסרונות

תלות בגשמים

מגבלה של ייצור כוח הידרואלקטרי היא התלות שלה במשטר הגשמים. לכן, בשנים יבשות במיוחד אספקת המים יכולה לרדת באופן דרסטי ומפלס המאגר יורד.

כאשר זרימת המים מצטמצמת, ייצור האנרגיה החשמלית נמוך יותר. באופן שיכול להתרחש באזורים התלויים מאוד בבעיות באספקת אנרגיה הידרואלקטרית.

שינוי מסלול הטבעי של הנהר

בניית סכר בנהר משנה את מסלולו הטבעי, משטר השיטפונות שלו, הידלדל (ירידה בזרימה) ואת תהליך גרירת המשקעים. לכן, חלים שינויים בביולוגיה של צמחים ובעלי חיים מימיים או נמצאים בסביבת גוף המים.

לעומת זאת, שמירת משקעים בסכר משנה את היווצרות הדלתות בפתח הנהרות ומשנה את תנאי האדמה.

סכנת שבירת סכר

בגלל נפח המים הגדול שנאגר בכמה סכרים הידרואלקטריים, הפרה של קיר התמך או המדרונות הסמוכים עלולה לגרום לתאונות קשות. לדוגמה, במהלך שנת 1963 התרחש שיפוע סכר ואג'ונט (כיום מנוטרל) באיטליה וגרם ל -2,000 מקרי מוות.

יישומים

גלגלים ענקיים ומשאבות מים

סיבוב גלגל המונע על ידי האנרגיה הקינטית של המים מאפשר למשוך מים מבאר או תעלה רדודים לתעלה או מאגר מוגבהים. באופן דומה, האנרגיה המכנית המופקת מהגלגל יכולה להניע משאבה הידראולית.

הדגם הפשוט ביותר מורכב מגלגל עם להבים עם קערות שאוספים את המים באותו זמן שהם מונעים על ידי הזרם. ואז, בסיבובם, הם מפילים את המים למיכל או לתעלה.

טחנות

במשך יותר מ 2000 שנה, היוונים והרומאים השתמשו באנרגיה הידראולית בכדי להעביר טחנות לטחינת דגני בוקר. סיבוב הגלגל המונע על ידי זרם המים מפעיל הילוכים שמסובבים את אבן הריחיים.

זיופים

יישום קדום נוסף של יכולת עבודה הידראולית מבוססת כוח הוא השימוש בה להפעלת מפוח הזיפוף בעבודות נפחות ומטלורגיה.

שבר הידראולי

בכרייה ובנפט משמשת האנרגיה הקינטית של מים לשחיקת סלע, ​​לשבירה ולהקל על מיצוי מינרלים שונים. לשם כך משתמשים בתותחי מים ענקיים בלחץ הפוגעים במצע עד שהוא נשחק.

זוהי טכניקה הרסנית לאדמה ומזהמת מאוד את נתיבי המים.

מתעלף

טכניקה מאוד שנויה במחלוקת שתופסת תאוצה בתעשיית הנפט היא שבריר. זה מורכב מגידול נקבוביות הסלע המכיל נפט וגז על מנת להקל על סילוקו.

זה מושג על ידי הזרקת כמויות גדולות של מים וחול בלחצים גבוהים יחד עם סדרה של תוספים כימיים. הטכניקה נחקרה בגלל צריכת המים הגבוהה שלה, קרקעות ומים מזהמים וגורמת לשינויים גיאולוגיים.

מפעלים הידרואלקטריים

השימוש המודרני הנפוץ ביותר הוא להפעלת מפעלי ייצור חשמל, מה שנקרא מפעלים הידרואלקטריים או מפעלים הידרואלקטריים.

דוגמאות למפעלים חשמליים

שלושת הערוצים

סכר שלוש הערוצים (סין). מקור: לה גרנד פורטאג 'יצירה הוראה: רחמן

תחנת הכוח ההידרואלקטרית שלושת הערוצים נמצאת בפרובינציית הובי בסין, לאורך נהר היאנגצה. בניית סכר זה החלה בשנת 1994 והושלמה בשנת 2010 והגיעה לשטח מוצף של 1,045 ק"מ² והספק מותקן של 22,500 מגה וואט (מגה וואט).

המפעל כולל 34 טורבינות פרנסיס (32 של 700 מגוואט ושניים של 50 מגה וואט) עם ייצור אנרגיה חשמלית שנתי של 80.8 ג'יגה-וואט. זהו המפעל ההידרואלקטרי הגדול ביותר בעולם מבחינת מבנה וכוח מותקן.

סכר שלושת הערוצים הצליח לשלוט על הצפות תקופתיות של הנהר שבאה לגרום נזק קשה לאוכלוסייה. זה גם מבטיח את אספקת החשמל של האזור.

עם זאת, לבנייתו היו כמה השלכות שליליות כמו עקירה של כ -2 מיליון איש. בנוסף, זה תרם להכחדת הדולפין של הנהר הסיני בסכנת הכחדה (Lipotes vexillifer).

איתיפו

סכר איטאיפו. מקור: Herr stahlhoefer

המפעל ההידרואלקטרי Itaipú ממוקם בגבול שבין ברזיל לפרגוואי במסלול נהר פארנה. בנייתו החלה בשנת 1970 והסתיימה בשלושה שלבים בשנת 1984, 1991 ו -2003.

שטח השיטפון של הסכר הוא 1,350 קמ"ר ובו קיבולת מותקנת של 14,000 מגוואט. המפעל כולל 20 טורבינות פרנסיס בהיקף של 700 מגוואט וכל אחת מהן מייצרת ייצור אנרגיה חשמלית שנתי של 94.7 גיגה-וואט.

איטאיפו נחשב למפעל ההידרואלקטרי הגדול ביותר בעולם מבחינת ייצור אנרגיה. זה תורם 16% מהאנרגיה החשמלית הנצרכת בברזיל ו 76% בפרגוואי.

לגבי השפעותיו השליליות, סכר זה השפיע על האקולוגיה של האיים והדלתא של נהר פארנה.

סיימון בוליבר (גורי)

מפעל הידרו-אלקטרי של סימון בוליבר (גורי, ונצואלה). מקור: Warairarepano ו- Guaicaipuro

המפעל ההידרואלקטרי של סימון בוליבר, המכונה גם סכר גורי, ממוקם בוונצואלה על נהר הקארוני. בניית הסכר החלה בשנת 1957, שלב ראשון הסתיים בשנת 1978 והסתיים בשנת 1986.

סכר גורי בשטח מוצף של 4,250 ק"מ² והספק מותקן של 10,200 מגוואט. המפעל שלה כולל 21 טורבינות פרנסיס (10 של 730 מגוואט, 4 של 180 מגוואט, 3 של 400 מגוואט, 3 של 225 מגוואט ואחת של 340 מגוואט)

הייצור השנתי הוא 46 ג'יגה-וואט והוא נחשב למפעל ההידרואלקטרי השלישי בגודלו בעולם מבחינת מבנה וכוח מותקן. המפעל ההידרואלקטרי מספק 80% מהאנרגיה החשמלית שונצואלה צורכת וחלקו נמכר לברזיל.

במהלך הקמת מפעל הידרואלקטרי זה הוצפו שטחים גדולים של מערכות אקולוגיות בגיאנה הוונצואלית, אזור עם מגוון ביולוגי גבוה.

כיום, בגלל המשבר הכלכלי העמוק בוונצואלה, כושר הייצור של מפעל זה הופחת משמעותית.

הפניות

1.- Hadzich M (2013). אנרגיה הידראולית, פרק 7. קורס הכשרה טכנית של PUCP. טכנולוגיות לבתים ומלונות אקולוגיים. האוניברסיטה הקתולית הפונטיפית בפרו.
2.- ראבה ג'יי (1985). כוח הידראולי. התכנון, השימוש והתפקוד של ציוד הידרומכני, הידראולי וחשמלי. גרמניה: N. p.
3.- Sandoval Erazo, וושינגטון. (2018). פרק 6: מושגים בסיסיים של צמחים הידרואלקטריים. Https: //www.researchgate.net/publication/326560960_Capitulo_6_Conceptos_Basicos_de_Centrales_Hidroelectricas
4.- Stickler CM, Coe MT, Costa MH, Nepstad DC, McGrath Drig BS, Dias BS, Dias (2013). תלות של ייצור אנרגיה כוח-מים ביערות באגן האמזונס בקנה מידה מקומי ואזורי. הליכי האקדמיה הלאומית למדעים, 110 (23), 9601–9606.
5.- סוריה E (s / f). הידראוליקה. אנרגיות מתחדשות לכולם. IBERDROLA. 19 עמ '.