Penstock-Design für Wasserkraftprojekte

Wasserkraft ist eine bekannte und genutzte Form erneuerbarer Energiequelle, die sowohl die gespeicherte potenzielle Energie als auch die kinetische Energie von Wasser als Energiequelle nutzt. Die kinetische Energie von sich schnell bewegendem Flusswasser kann leicht in elektrische Energie umgewandelt werden, um den Bedarf eines Einfamilienhauses oder einer lokalen Gemeinschaft zu decken. Aber um ein Wasserrad oder eine Turbine zur Stromerzeugung zu drehen, müssen wir zuerst das Wasser zu diesen Geräten bringen, und dies kann mit Hilfe eines einfachen Penstock-Designs erfolgen.

A < starker>Schieberist der ungewöhnliche Name für eine Reihe von Trögen, Tunneln oder Fallrohren, die Wasser von einem Damm, Reservoir oder Fluss direkt zu einem Wasserrad oder einer Turbine transportieren. In “Run-of-River” Bei kleinen Wasserkraftprojekten wird ein unterschlächtiges Wasserrad oder Schaufelrad an einem festen Rotor oder einer festen Achse befestigt und in die Strömung eines Flusses oder Baches gestellt.

Penstock Design Canal

Während das Wasser vorbeifließt, drückt die kinetische Energie des Wassers gegen die Schaufeln, wodurch das Rad gedreht und mechanische Energie erzeugt wird. Die Einfachheit dieser Art von System besteht darin, dass das Wasser nicht aufgestaut werden muss.

Ein effizienteres und leistungsfähigeres Design ist das oberschlächtige Wasserraddesign, bei dem das Wasser von oben fließt, um das Rad zu drehen. Um dies zu erreichen, wird ein Teil des Wassers in einem Fluss umgeleitet und in einen kleinen künstlichen Kanal oder eine Pipeline geleitet, die als „Druckrohrleitung“ bezeichnet wird. Das typische Druckrohrdesign besteht aus einem starren Rohr aus Stahl oder hochfestem Kunststoff.

Jedes Wasserkraftsystem erfordert, dass das Wasser aus einem Fluss auf zuverlässige und kontrollierbare Weise umgeleitet und entnommen wird, und die Aufgabe der Druckleitung besteht darin, Wasser bergab zum Wasserrad oder zur Wasserturbine unter Druck innerhalb eines Kraftwerks zu befördern.

Die natürliche Schwerkraft erzeugt die Energie, die zum Drehen der Turbinen erforderlich ist, die wiederum Strom erzeugen. Manchmal wird ein Tor oder Ventil verwendet, um den Wasserfluss durch die Druckleitung zu steuern. Das Wasser verlässt das Kraftwerk und wird in den Fluss zurückgeführt, ohne die vorhandene Strömung oder den Wasserstand zu verändern.

Da die Erzeugung von Wasserkraft aus Wasser von einer Kombination aus Fallhöhe und Durchfluss abhängt, müssen beide zur Stromerzeugung verfügbar sein. Ein Umleitungswehr kann verwendet werden, um den Wasserstand so weit anzuheben, dass eine konstante Versorgung durch die Druckleitung gewährleistet ist. Manchmal kann auch ein natürliches Merkmal des Flusses wie ein permanenter Pool im Fluss als Wehr fungieren.

Druckrohrleitungen sind Rohre und Kanäle

Dann ist eine Druckrohrleitung nichts anderes als eine Pipeline oder ein Kanal, der verwendet wird, um ein kleines Wasserkraftwerk mit Wasser zu versorgen oder zu speisen. Die Länge einer Druckrohrleitung hängt von der Topografie der Region und der Entfernung des Wasserrads vom Wehr oder Einlauf ab. So funktionieren moderne Wasserkraftwerke mit Dämmen und Druckleitungen, aber in viel größerem Maßstab.

Die Wahl des Typs und der Größe der Druckleitung hängt von mehreren Faktoren ab, wie z. B. Entfernung, Kosten und Druckverlust. Der Druckverlust ist auf die Reibung in der Druckleitung oder im Kanal zurückzuführen, die hauptsächlich von der Geschwindigkeit des durchfließenden Wassers, der Rauheit des Wandmaterials (glatter Stahl oder rauer Beton) sowie der Länge und dem Durchmesser der Druckleitung abhängt. Offensichtlich nehmen die Druckverluste proportional mit zunehmendem Rohrdurchmesser ab. Die Pipelinekosten werden jedoch mit zunehmendem Durchmesser stark steigen.

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Für die meisten Klein- und Kleinstwasserkraftwerke sind die am häufigsten verwendeten Materialien für eine Druckleitungskonstruktion aufgrund ihrer Eigenschaften Polyethylen mittlerer Dichte (MDPE), Polyethylen hoher Dichte (HDPE), Hart-PVC (Polyvinylchlorid) und Weichstahlrohre Eignung, Verfügbarkeit und Erschwinglichkeit.

Die Auslegung der Druckrohrleitungen hängt wirklich von ihrem Material, der Beschaffenheit des Geländes und allen zu berücksichtigenden Umweltaspekten ab. Zum Beispiel Aufputz oder Erdverlegung.

In vielen Kleinwasserkraftanlagen folgt die Druckrohrleitung aus Kostengründen den Konturen der Erdoberfläche, die viel größer ist als die senkrechte Fallhöhe.

Das Problem bei oberflächenmontierten Druckrohrleitungen ist, dass ein Teil der kinetischen Energie im Wasser aufgrund von Reibung und Turbulenzen innerhalb der Rohrleitung verloren geht, wenn es sich um den Boden zu einer niedrigeren Höhe krümmt, da Ellbogen oder Gabeln dazu neigen, Druckverluste zu erhöhen. Auch eine oberflächenmontierte Druckleitung muss vor Schäden durch Tiere oder umstürzende Bäume geschützt werden und erfordert im Allgemeinen eine Verankerung mit Beton und Bolzen an kritischen Punkten.

Einige dieser Nachteile der Druckleitung können durch unterirdisches Vergraben überwunden werden. Bei der Erdverlegung von Druckrohrleitungen ist besondere Aufmerksamkeit erforderlich, wenn die Rohrleitungen an sehr kalten Orten und in sehr kalten Umgebungen installiert werden, um einen Winterschutz vor Eis und Frost zu gewährleisten. Außerdem ist es im Allgemeinen vorzuziehen, die Druckleitung unterirdisch zu vergraben, um Schutz vor Ausdehnung zu bieten, da Änderungen der Umgebungstemperatur dazu führen, dass sich die Länge der Druckleitung ausdehnt und zusammenzieht, was zu Brüchen und Lecks führen kann.

Der Druck des durch die Druckleitung fließenden Wassers kann sehr hoch sein, daher ist bei der Verwendung von starren Kunststoffrohren die Druckstufe der Druckleitung sehr wichtig, da die Dicke der Rohrwand dick genug sein muss, um dem maximalen hydrostatischen Wasserdruck standzuhalten besteht die Gefahr, dass das Rohr platzt. Der Druck des Wassers in der Druckleitung hängt von der Fallhöhe ab, eine höhere Fallhöhe bedeutet einen höheren Druck. Der hydrostatische Druck wird angegeben als: ρ x g x H, wobei: ρ die Dichte von Wasser ist, gist die Erdbeschleunigung und H ist die Kopfhöhe.

Reibung ist immer vorhanden und ist die Kraft, die der Bewegung des Wassers widersteht. Die Wechselwirkung des fließenden Wassers mit der Rohr- oder Kanalwand bedeutet, dass der Reibungsverlust in der Druckrohrleitung bei einem schlechten Druckrohrdesign möglicherweise hoch sein kann, da je rauer das Rohr, desto höher die Reibung.

Dann die Menge Energie, die zur Überwindung der gesamten Reibungsverluste innerhalb des Systems erforderlich ist, muss durch eine größere Wassersäule bereitgestellt werden, wenn Sie die erforderliche Durchflussrate an der Turbine erreichen möchten.

Dann Penstock Pipe

müssen so bemessen sein, dass sie den erforderlichen Durchfluss und Druck für die Wasserturbinenkonstruktion ohne zu großen Reibungsverlust bereitstellen. Die Geschwindigkeit, mit der Wasser aus der effektiven Fallhöhe des Systems fällt, hängt vom Volumen der Druckleitung ab.

Auch wenn ein Rohr möglicherweise das gesamte Wasser zur Turbine transportieren kann, wenn das Druckleitungsvolumen zu klein ist , ist die Ausgangsleistung nicht optimal, da der Wasserfluss auf dem Weg nach unten eingeschränkt und verlangsamt wird und auf dem Weg an Leistung verliert.

Wenn andererseits das Volumen der Druckleitung zu groß ist, hängt die Durchflussrate durch die Druckleitung von der Geschwindigkeit ab, mit der das Wasser sie aus dem Wehr oder Reservoir weiter stromaufwärts füllen kann. Wenn die Druckleitung zu groß ist, kann sie sich zu schnell entleeren und den Wasserdruck stromabwärts an der Turbine beeinträchtigen. Es ist möglich, dass die plötzlich leere Druckleitung durch Luftdruck zusammenbricht, weil sie eher unter Vakuum als unter Druck steht. Dann sind die Variablen, die bei der Dimensionierung des Druckrohrs zu berücksichtigen sind, Förderhöhe, Durchfluss, Generatorkapazität, Rohrlänge und Anordnung.

Ein gutes Design für eine selbstgebaute Druckleitung wäre es, die gesamten Reibungsverluste durch die Rohrleitungen auf weniger als 10 oder 15 Prozent zu begrenzen, um eine Nettofallhöhe am Wasserrad oder an der Turbine von etwa 85 bis 90 Prozent der Bruttofallhöhe zu erreichen. In kleinen Wasserkraftwerken sind die Rohrgröße und das Rohrmaterial normalerweise ein Kompromiss zwischen dem Druckabfall, dem Gelände an Ihrem spezifischen Standort und natürlich den Kosten. Aber es ist wichtig, dass Sie Ihr Druckrohrdesign richtig gestalten.

Tutorial-Zusammenfassung

Kleinwasserkraft ist eine zuverlässige und kostengünstige erneuerbare Energiequelle zum Laden von Batterien an abgelegenen Orten. Mikro-Wasserkraftwerke wandeln die Energie des fließenden Wassers in elektrische Energie um, wobei die von ihnen erzeugte Energie erneuerbar und sauber ist, da sie keine umweltschädlichen Gase emittieren. Aber der Aufbau eines neuen Wasserkraftsystems kann eine äußerst kostspielige Angelegenheit sein.

Laufwassersysteme leiten normalerweise Wasser aus einem Fluss durch den Bau eines Umleitungswehrs um, das Wasser aus einem Fluss in einen Einlass umleitet, der dann durch einen Turbinengenerator fließt, und das Wasser wird über einen Unterwasserkanal in einiger Entfernung den Fluss hinunter zurückgeführt. Eine Druckleitung oder Rohrleitung wird verwendet, um das Wasser unter Druck zum Turbinenhaus zu befördern.

Die Bewegung von Wasser bedeutet eine potenziell enorme Energiemenge. Es ist wichtig, die Druckrohrleitung gut abzustützen, insbesondere an Kurven, Biegungen, Ellbogen oder Gabelungen, wo Stahl- oder Betonstützen erforderlich sein können, um der Kraft des sich bewegenden Wassers im Inneren entgegenzuwirken. Die Druckrohrleitung sollte im Boden vergraben werden, um Schäden am Rohr zu vermeiden und zu verhindern, dass Wasser durch die Sonne erhitzt wird, was Druck ausübt und das PVC angreift.

Die Druckleitung muss auch so dimensioniert sein, dass sie die erforderliche Menge an Durchfluss und Druck direkt zur Turbine ohne zu großen Reibungsverlust auf dem Weg liefert. Je kleiner der Durchmesser der Druckleitung ist, desto höher ist die Reibung zwischen dem Wasser und den Wänden und desto größer ist der Gesamtenergieverlust.

Die physische Länge einer Druckleitung oder eines Kanals trägt zur Reibung bei Verluste. Ein Druckrohr kann jedoch entweder ein innen glattes Stahlrohr oder ein starres, dickwandiges Polyrohr sein, je nach den Konstruktionsanforderungen für den Standort. Natürlich muss jede Druckleitungskonstruktion so installiert werden, dass das Transportmedium (Wasser) immer unter dem Einfluss der Schwerkraft fällt.

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