energia hidraulica
DESCRIPTION
T.A.M.D.C.MTRANSCRIPT
Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice
Energia Hidraulică
Profesor coordonator: Rusănescu Carmen Otilia
Student: Sendrulescu Claudia Mihaela
Grupa: 742
1
Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice
Energia Hidraulică
Energia hidraulică reprezintă capacitatea unui sistem fizic (apă) de a efectua un lucru
mecanic la trecerea dintr-o poziție dată în altă poziție (curgere). Datorită circuitului apei în natură,
întreținut automat de energia Soarelui, energia hidraulică este o formă de energie regenerabilă.
Energia hidraulică este o energie mecanică formată din energia potențială a apei dată de diferența
de nivel între lacul de acumulare și centrală, respectiv din energia cinetică a apei în
mișcare. Exploatarea acestei energii se face actualmente în hidrocentrale, care transformă energia
potențială a apei în energie cinetică. Aceasta e apoi captată cu ajutorul unor turbine
hidraulice care acționează generatoare electrice care în final o transformă în energie electrică.
Tot forme de energie hidraulică sunt și energia cinetică a valurilor și mareelor. [1]
Fig.1 Barajul Bicaz [2]
2
Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice
ISTORIC
Energia hidraulică a fost folosită încă din antichitate În India se foloseau roțile
hidraulice la morile de apă. În Imperiul Roman morile acționate de apă produceau fâină și erau
folosite de asemenea la acționarea gaterelor pentru tăierea lemnului și a pietrei. Puterea unui
torent de apă eliberată dintr-un rezervor a fost folosită la extracția minereurilor, metodă descrisă
încă de Pliniu cel Bătrân. Metoda a fost folosită pe larg înevul mediu în Marea Britanie și chiar
mai târziu la extracția minereurilor de plumb și staniu. Metoda a evoluat în mineritul hidraulic,
folosită în perioada goanei după aur din California.
În China și în extremul orient, roți hidraulice cu cupe erau folosite la irigarea culturilor. În
anii 1830, în perioada de vârf a canalelor, energia hidraulică era folosită la tractarea barjelor în
sus și în josul pantelor pronunțate. Energia mecanică necesară diverselor industrii a determinat
amplasarea acestora lângă căderile de apă.
În zilele de azi utilizarea curentă a energiei hidraulice se face pentru producerea curentului
electric, care este produs în acest caz cu costuri relativ reduse, iar energia produsă poate fi
utilizată relativ departe de surse. [1]
Fig.2 Mineri folosind jeturi de apă în exploatarea auriferă Dutch Flat, California, între 1857 -
1870. [3]
3
Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice
Fenomene naturale
Din punct de vedere al hidrologiei, energia hidraulică se manifestă prin forța apei
asupra malurilor râului și a bancurilor. Aceste forțe sunt maxime în timpul inundațiilor, datorită
creșterii nivelului apelor. Aceste forțe determină dislocarea sedimentelor și a altor materiale
din albiarâului, cauzând eroziune și alte distrugeri. [1]
Descriere cantitativa
Resursa hidroenergetică poate fi evaluată prin puterea (energia în unitatea de timp) care se
poate obține. Puterea depinde de căderea și cu debitul sursei de apă.
Căderea (engleză head) determină presiunea apei, care este dată de diferența de nivel dintre
suprafața liberă a apei și a turbinei, exprimată în metri.
Debitul de curgere (engleză flow rate) este cantitatea de apă care curge în unitatea de timp
care curge prin conducta de aducțiune într-o anumită perioadă de timp, exprimată în metri
cubi/secundă.
Cantitatea de energie care se obține prin coborârea în câmp gavitațional a unui obiect de
masă cu o diferență de înălțime este:
unde este accelerația gravitațională.
Energia hidraulică disponibilă într-un lac de acumulare se poate extrage prin coborârea
intenționată a nivelului apei. În acest caz, puterea depinde de debitul masic al apei.
Deoarece fracția este tocmai puterea și exprimând în membrul din dreapta
fracția în funcție de debitul volumic de curgere și de densitatea apei, se obține forma
uzuală:
Pentru a obține în wați, trebuie exprimată în kg/m³, în m³/s, în m/s² și în m.
Unele dispozitive, ca roțile hidraulice extrag energie din curgere fără a fi necesar ca apa să-și
schimbe înălțimea, caz în care se exploatează doar energia cinetică a curentului de apă:
4
Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice
unde este viteza apei.
Cu , unde A este secțiunea pin care trece apa:
Roțile cu aducțiune superioară pot extrage ambele tipuri de energie, atât cea potențială, cât și cea
cinetică. [1]
Moduri de exploatare a energiei hidraulice
Roti hidraulice
O roată hidraulică utilizează energia râurilor pentru a produce direct lucru mecanic.
La debite mici se exploatează în principal energia potențială a apei. În acest scop se folosesc
roți pe care sunt montate cupe, iar aducțiunea apei se face în partea de sus a roții, apa
umplând cupele. Greutatea apei din cupe este forța care acționează roata. În acest caz căderea
corespunde diferenței de nivel între punctele în care apa este admisă în cupe, respectiv
evacuată și este cu atât mai mare cu cât diametrul roții este mai mare.
La debite mari se exploatează în principal energia cinetică a apei. În acest scop se folosesc
roți pe care sunt montate palete, iar aducțiunea apei se face în partea de jos a roții, apa
împingând paletele. Pentru a avea momente cât mai mari, raza roții trebuie să fie cât mai
mare. Adesea, pentru a accelera curgerea apei în dreptul roții, înaintea ei se plasează
un stăvilar deversor, care ridică nivelul apei (căderea) și transformă energia potențială a
acestei căderi în energie cinetică cuplimentară, viteaza rezultată prin deversare adăugându-se
la viteza de curgere normală a râului. [1]
Prima roată de apă s-a folosit în Persia pentru irigat, apoi în China şi în India. Pe teritoriul
ţării noastre s-au folosit mori hidraulice încă din secolul al XI-lea. Ele utilizau energia cinetică a
râurilor cu debite mari sau a căderilor de apă. Instalaţiile hidraulice au fost construite în două
variante: cu roata hidraulică verticală şi cu roată hidraulică orizontală (făcaie, ciutură sau titirez,
în limbaj popular).
5
Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice
Toate instalaţiile se construiau din lemn de esenţă tare (stejar, de exemplu). Roata hidraulică
verticală este formată dintr-un ax orizontal, cu o circumferinţă (obadă) pe care se montează
paletele. Apa poate interacţiona cu paletele din partea superioară a roţii – atunci când curge pe un
jgheab înclinat – sau cu cele din partea inferioară a roţii, în cazul râurilor suficient de repezi şi de
adânci. Paletele roţii verticale pot fi drepte sau scobite. Atunci când paletele drepte se montează
direct pe un ax gros ele se numesc zbaturi.
Principiul de funcţionare a roţii hidraulice constă în transformarea mişcării de translaţie a
apei în mişcare de rotaţie a roţii şi axului ei; o parte din energia mecanică a apei se transformă
astfel în energie mecanică de rotaţie, care, la rândul ei, este folosită pentru punerea în mişcare a
unei instalaţii de irigat sau pentru a acţiona alte dispozitive – mori de măcinat, pive, şteampuri.
[4]
Fig.3 Roată hidraulică cu aductiune superioara la Mozonova, Spania [5]
6
Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice
Fig.4 Roţi hidraulice cu aducţiune inferioară la Hama,Siria [6]
Hidrocentrale
O hidrocentrală utilizează amenajări ale râurilor sub formă de baraje, în scopul producerii
energiei electrice. Potențialul unei exploatări hidroelectrice depinde atât de cădere, cât și de
debitul de apă disponibil. Cu cât căderea și debitul disponibile sunt mai mari, cu atât se poate
obține mai multă energie electrică. Energia hidraulică este captată cu turbine.
Potențialul hidroenergetic al României era amenajat în 1994 în proporție de cca. 40 %. Centrale
hidroelectrice aveau o putere instalată de 5,8 GW, reprezentând circa 40% din puterea instalată
în România. Producția efectivă a hidrocentralelor a fost în 1994 de aproape 13 TWh,
reprezentând circa 24 % din totalul energiei electrice produse.
Actual puterea instalată depășește 6 GW[3] iar producția este de cca. 20 TWh pe an. Cota de
energie electrică produsă pe bază de energie hidraulică este de cca. 22 - 33 %. [1]
O hidrocentrală este o centrală electrică folosită pentru a transforma energia
mecanică produsă de apă înenergie electrică.
Funcționare
Printr-un baraj de acumulare a apei pe cursul unui râu, unde poate exista eventual și
o cascadă, se realizează acumularea unei energii potențiale, transformată în energie cinetică prin
rotirea turbinelorhidrocentralei. Această mișcare de rotație va fi transmisă mai departe printr-un
7
Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice
angrenaj de roți dințate generatorului de curent electric, care va transforma energia mecanică
în energie electrică. [11]
Fig. 5 Schema unei hidrocentrale prevăzută cu o turbină Kaplan [12]
Tabelul 1 Principalele hidrocentrale in România [7]
8
Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice
Hidrocentrala Porțile de Fier I este cea mai mare hidrocentrală de pe fluviul Dunăreași
are o putere instalată de 1080 MW. În aval există și hidrocentrala Porțile de Fier II, cu puterea
instalată de 250 MW. Ambele hidrocentrale sunt exploatate în parteneriat cu partea sârbă,
centralele română și sârbă la Porțile de Fier I cumulând 2160 MW, iar cele de la Porțile de Fier II
cumulând 500 MW; capacitatea maximă a turbinelor este de 8700 m³/s. Centrala Porțile de Fier I
este amplasată la 15 km amonte de orașul Drobeta Turnu-Severin, iar centrala Porțile de Fier II
la 60 km în aval.
Navigația pe Dunăre este asigurată prin ecluze realizate pe ambele maluri la ambele obiective,
ele având împreună o capacitate de trafic de 52.4 milioane tone/an pentru ecluzarea pe câte un
sens și 37.2 milioane tone/an pentru ecluzarea în ambele sensuri.
Sistemul Porțile de Fier I este una din cele mai mari construcții hidrotehnice din Europa și cea
mai mare de pe Dunăre. Lacul său de acumulare cu un volum de peste 2200 milioane mc se
întinde de la baraj până la confluența cu râul Tisa. Lacul cuprinde în principal zona Defileului
Dunării, cel mai mare defileu din Europa, cuprins între localitațile Baziaș și Orșova. Zona Porțile
de Fier are un bogat potențial arheologic, istoric și turistic. Pentru protejarea habitatului său
natural deosebit, regiunea defileului Dunării a fost inclusă in Parcul Natural Porțile de Fier.
Regiunea Defileului Dunării reprezintă una din cele mai pitorești și atractive zone turistice, atât
prin frumusețile naturale ale regiunii cât și prin monumentele istorice datând din
perioada Imperiului Roman. Ruinele castrului roman Drobeta și alepodului construit de
împăratul roman Traian peste Dunăre sunt numai câteva din atracțiile oferite de Muzeul Porțile
de Fier din orașul Drobeta Turnu-Severin. [8]
Fig.6 Hidrocentrala porțile de Fier I [9]
9
Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice
Fig.7 Hidrocentrale porțile de Fier II [10]
Microcentrale și picocentrale hidraulice
Prin microcentrală hidraulică se înțelege o hidrocentrală cu puterea instalată de 5 -
100 kW, iar o picocentrală hidraulică are o putere instalată de 1 - 5 kW. O picocentrală poate
alimenta un grup de câteva case, iar o microcentrală o mică așezare.
Deoarece consumul de curent electric are variații mari, pentru stabilizarea funcționării se pot
folosi baterii de acumulatori, care se încarcă în momentele de consum redus și asigură consumul
în perioadele de vârf. Datorită faptului că curentul de joasă tensiune produs de generatorul
microcentralei nu poate fi transportat convenabil la distanță, acumulatorii trebuie plasați lângă
turbină. Este nevoie de toate componentele unei hidrocentrale clasice - mai puțin barajul - adică
sistemul de captare, conductele de aducțiune, turbina, generatorul, acumulatori, regulatoare,
invertoare care ridică tensiunea la 230 V, ca urmare costul unei asemenea amenajări nu este mic
și soluția este recomandabilă doar pentru zone izolate, care nu dispun de linii electrice.
Microcentralele se pot instala pe râuri relativ mici, dar, datorită fluctuațiilor sezoniere de debit
ale râurilor, în lipsa barajului debitul râului trebuie să fie considerabil mai mare decât cel
prelevat pentru microcentrală. Pentru o putere de 1 kW trebuie pentru o cădere de 100 m un debit
de 1 l/s. În practică, datorită randamentelor de transformare, este nevoie de un debit aproape
dublu, randamentul uzual fiind puțin peste 50 %. [1]
10
Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice
Centrale mareomotrice
O centrală mareomotrică recuperează energia mareelor. În zonele cu
maree, acestea se petrec de două ori pe zi, producând ridicarea, respectiv scăderea nivelului
apei. Există două moduri de exploatare a energiei mareelor:
• Centrale fără baraj, care utilizează numai energia cinetică a apei, similar cum morile
de vânt utilizează energia eoliană.
• Centrale cu baraj, care exploatează energia potenţială a apei, obţinută prin ridicarea
nivelului că urmare a mareei.
Deoarece mareea în Marea Neagră este de doar câţiva centimetri, România nu
are potenţial pentru astfel de centrale. [1]
Compania australiană Oceanlinx a inaugurat prima centrală mareomotrică de 1
MW din lume în portul MacDonnell, situat în sudul Australiei. Tehnologia „Greenwave” a celor
de laOceanlinx foloseşte energia falurilor pentru a produce aer sub presiune care ulterior este
injectat într-o turbină care generează energie electrică. Convertorul este încastrat într-un cofrag
prefabricat din beton armat care este ancorat la adâncimi de 10 – 15 metri, fără a distruge
fundul marii. [13]
Fig.8 Centrala mareometrica de 1 MW [13]
11
Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice
Instalații care recuperează energia valurilor
Pentru recuperarea energiei valurilor se pot folosi scheme similare cu cele de la centralele
mareomotrice cu baraj, însă, datorită perioadei scurte a valurilor aceste scheme sunt puțin
eficiente.
Un obiect care plutește pe valuri execută o mișcare cu o traiectorie eliptică. Cea mai simplă
formă de valorificare a acestei mișcări pentru recuperarea energiei valurilor
sunt pontoanele articulate. O construcție modernă este cea de tip Pelamis[8] formată din mai mulți
cilindri articulați, care, sub acțiunea valurilor au mișcări relative care acționează niște pistoane.
Pistoanele pompează ulei sub presiune prin motoare hidraulice care acționează generatoare
electrice. [1]
12
Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice
Bibliografie
[1]- http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_hidraulic%C4%83
[2]- http://despreromania.com/lacul-rosu/
[3]- http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_hidraulic%C4%83#mediaviewer/File:X-60072.jpg
[4]- http://www.referat.ro/referate/Tehnologii_traditionale_808.html
[5]- http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_hidraulic%C4%83#mediaviewer/File:La_noria.jpg
[6]- http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_hidraulic%C4%83#mediaviewer/File:Trois_norias_hama1980.jpg
[7]- http://www.energie-gratis.ro/hidrocentrale.php
[8]- http://ro.wikipedia.org/wiki/Por%C8%9Bile_de_Fier_I
[9]- http://fortasocialaromana.ro/stiatica.php?idStiatica=12
[10]- http://www.hidroconstructia.com/rom/portile_de_fier.html
[11]- http://ro.wikipedia.org/wiki/Hidrocentral%C4%83
[12]- http://ro.wikipedia.org/wiki/Hidrocentral%C4%83#mediaviewer/File:Hydroelectric_dam_german.png
[13]- http://www.green-report.ro/australienii-detin-prima-centrala-mareometrica-de-1-mw-din-
lume/
13