Comment un barrage hydroélectrique fait de l'électricité
L'hydroélectricité utilise l'énergie de la chute ou du courant d'eau. Un barrage stocke l'eau en hauteur; la libérer par une turbine convertit l'énergie stockée en électricité.
En 60 secondes : comment ça marche
Un barrage hydroélectrique utilise l'énergie de l'eau qui tombe d'une hauteur. L'eau libérée du réservoir tourne une turbine, et la turbine tourne un générateur.
- Le barrage retient un réservoir, stockant de l'eau au-dessus de la centrale.
- L'eau est libérée dans un grand tuyau appelé un stock de plumes et se précipite en descente.
- Des portes réglables contrôlent la quantité d'eau qui atteint la turbine, qui tourne à mesure que l'eau la frappe.
- L'arbre de turbine tourne un générateur, qui produit de l'électricité.
- L'eau quitte la turbine et retourne dans la rivière sous le barrage.
- Un transformateur augmente la tension pour que la puissance puisse se déplacer vers le réseau.
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Par Centrales électriques dans le monde entier · Lectures connexes mises à jour · Établissement et examen du champ d'application. Illustrations pédagogiques; aucun examen par les pairs indépendant en génie n'est revendiqué.
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Faites tourner l'équipement, suivez les flux d'énergie et inspectez chaque composant. Lisez les étapes ci-dessous à tout moment.
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Centrale de réservoir gravitationnelle avec deux unités verticales Francis et générateurs synchrones à grille directe. Les sections de la centrale et de la turbine révèlent des portes pivotantes, des boîtiers fixes, des arbres, des roulements et des tubes à courants d'air en expansion. La tête brute, la loi sur le débit de la porte, l'efficacité et le réglage de 24 pôles à 50 Hz sont des exemples; le modèle à l'état stationnaire n'est pas approuvé pour la sécurité hydraulique, structurelle ou d'un barrage. Les superpositions colorées révèlent le flux à travers les équipements fermés; les impulsions dorées montrent le transfert net d'énergie électrique, et non les électrons individuels.
Comment ça marche
- Eau à un niveau supérieur
- Débit d'eau contrôlé
- Rotation de la turbine
- Générateur d'électricité
- Transformateur et grille
L'hydroélectricité transforme l'énergie de l'eau qui passe d'un niveau supérieur à un niveau inférieur en électricité. L'admission admet l'eau et un canal ou un enclos la transporte à la turbine. Dans la machine illustrée Francis, les vanes guide contrôlent le flux entrant dans le coureur. Le coureur tourne un arbre relié à un générateur, et l'eau retourne en aval.
Un réservoir peut laisser les opérateurs choisir quand libérer une partie de l'eau, dans la gestion de l'eau et les limites environnementales. Une usine de traitement des eaux de rivière dépend plus directement du débit de la rivière. Ni l'arrangement ne crée l'eau, de sorte que l'écoulement saisonnier et la sécheresse affectent la production.
Suivez l'eau, comptez pour l'électricité.
Deux unités verticales de Francis, pas Kaplan ou Pelton machines. Chacun a son propre chemin d'eau et disjoncteur; à la fois nourrir un collecteur et un transformateur de pas-up. Les passages principaux du livre ont été vérifiés avant cette mise à niveau. Chaque paramètre numérique est un choix d'enseignement illustratif, pas une spécification d'installation réelle.
Sélectionné : aperçu du système entier.
Explication simple
La hauteur fournit de l'énergie; les portes régulent l'eau. La tête brute compare les surfaces du réservoir et de l'eau en aval. Le râteau capture les débris; l'admission admet l'eau et le stock la porte à l'enveloppe spirale. Les vanes fixes supportent/dirigent le passage. [H1]
Le coureur conduit une machine électrique séparée. L'eau est dirigée vers l'intérieur et tourne vers le bas à travers le coureur Francis à pale fixe. Le rotor du générateur de coureur et coaxial tourne ensemble; les boîtiers de boîtier, de stator et de roulement restent fixes. Une unité synchrone connectée fonctionne à sa vitesse de couplage de grille. Plus de décharge fournit plus de couple et de puissance, pas un nouveau RPM stable. [H1] [H2] [H4]
L'eau et l'énergie électrique partent par différentes voies. Le tube de courants d'air en expansion réduit la vitesse de sortie et récupère une partie de la tête de vitesses sous forme de pression, puis conduit à la course arrière. Le courant alternatif en trois phases (AC) passe par chaque disjoncteur, le collecteur et le transformateur sur la grille. [H1]
Solde opérationnel actuel
| Limite | Puissance |
|---|---|
| Entrée hydraulique brute par les deux groupes électrogènes | 12.210 |
| Prise/perte de stock | 0.581 |
| Eau non convertie en turbine / énergie mécanique | 1.163 |
| Pertes liées aux groupes électrogènes | 0.419 |
| Transformateur / perte de collecte | 0.151 |
| Exportation de grilles utiles | 9.896 |
La libération du passage est comptabilisée séparément : 0.000 m3/s porte 0.000 MW de potentiel hydraulique brut, avec une sortie de générateur nulle attribuée. 12.210 MW. Ce n'est pas la chaleur et n'est pas inclus dans l'efficacité de la voie de production.
| Unité | Shaft MW | Torque kN·m | Generator MWac | Frequency Hz |
|---|---|---|---|---|
| François 1 | 5.233 | 199.873 | 5.023 | 50 |
| François 2 | 5.233 | 199.873 | 5.023 | 50 |
Détails techniques
Tête et puissance. Hg est la tête brute (m), Q est la décharge unitaire (m3/s), hc est la perte de tête d'admission/de stock (m) et Hnet = Hg − hc La tête représente l'énergie par unité de poids; elle comprend les termes d'élévation, de pression et de vitesse. Ici, les deux têtes de vitesse de surface libre sont négligées. La tête nette n'est pas la profondeur de coureur sous le réservoir, et ρgHnet n'est pas présenté comme une pression mesurée du coureur. [H1]
Pe = ρ g Q Hnet ηt ηg · Pgrid = (Pe,1 + Pe,2) ηTx
Pe est la puissance du générateur en courant alternatif (W); ρ est la densité de l'eau (1 000 kg/m3); g est l'accélération gravitationnelle (9,80665 m/s2); ηt est l'efficacité totale de la turbine (0,90, y compris les pertes de tubes à courants, d'eau et de mécanique);g est l'efficacité du générateur (0.96);Tx L'efficacité de la collecte est de 0,985. Les performances et la densité sont supposées constantes. Ne pas multiplier dans un deuxième rendement de récupération de tube de brouillon: sa performance est déjà à l'intérieur ηt. [H1]
Loi de porte illustrée, pas un graphique de la colline de Francis. Laissez une commande de porte / 100 pour une unité admise, ou zéro pour une unité isolée, quelle que soit sa commande stockée. Qref = 10 m³/s at Href = 60 m net head, and k = 0.03 s²/m⁵. Assume Q = a Qref √(Hnet/Href) and hc = kQ². With A = a²Qref²/Href, algebra gives Q² = AHg/(1+kA). Each penstock is independent. These invented coefficients are not a friction factor, manufacturer gate curve, computed pipe hydraulics or tested efficiency map. Actual efficiency varies with head, discharge and speed; very small positive commands are conceptual examples, not recommended operation.
Synchronisme et couple. n est la vitesse mécanique en tours par minute (rpm), f est la fréquence électrique (Hz), p est le nombre total de pôles magnétiques, - est la vitesse angulaire (rad/s), et T est le couple d'arbre (N·m). Le livre à cocher utilise des paires de pôles; notre p compte tous les pôles. [H2]
n = 120 f / p = 120 × 50 / 24 = 250 rpm · ω = 2πn/60 · T = Parbre/ω
Le générateur de champ de blessure à 24 pôles sélectionné se connecte directement à la grille de 50 Hz sélectionnée. La vitesse constante est une hypothèse synchrone constante, et non une simulation de gouverneur. Les unités isolées/à flux zéro sont montrées garées avec des portes fermées et des disjoncteurs ouverts; aucune synchronisation, rodage, côte, fugitif ou moteur sans charge n'est animé. 0.05 × physical rotation, then the display-speed multiplier.
Loss boundaries. Produit intérieur brutg égale perte de conduit - -gQhc + turbine loss Σ(Pnet − Parbre) + generator loss Σ(Parbre − Pe) + transformer loss + grid export. A bypass release has its own ρgQdéversementHg terme, où Qdéversement L'efficacité de la voie de génération est l'exportation du réseau divisée par une entrée hydraulique brute par des unités génératrices, non définie lorsque cette entrée est nulle. Aucune énergie n'est comptée deux fois.
Exemple vérifié · réinitialiser les entrées
Réglez 62,5 m de tête brute, les deux commandes de porte 100%, les deux unités admises, et le débit de dérivation zéro. 9.960238 m3/s; perte de conduit est 2.976190 m, leaving 59.523810 m tête nette. Chaque arbre délivre 5.233 MW à 250 tr/min, donnant 199.873 kN·m; chaque générateur livre 5.023 MWac.
12.209572 MW = 0.581408 conduit + 1.162816 turbine + 0.418614 generator + 0.150701 transformer + 9.896032 grid.
L'efficacité du chemin de génération est 81.05%. Les valeurs ci-dessus sont arrondies pour la lecture; toutes les valeurs affichées de l'état courant et la scène du navigateur original utilisent le même calcul non arrondi. Il s'agit d'un équilibre algébrique vérifié avec des paramètres inventés, pas une vraie notation de station ou une simulation validée du domaine temporel.
Ce que fait la cutaway – et ne le montre pas –
- Les maillons de régulation-anneau déplacent les portes de guichet; les lames de coureur fixes ne pissent pas comme des Kaplan. La section originale expose l'équipement fermé sans représenter des trous physiques dans une usine d'exploitation.
- Les roulements guident l'arbre et la poussée de support; les fondations, les ancres de penstock et les selles supportent la machine. Leur géométrie simplifiée ne valide pas les charges, les vibrations, la fatigue, les fondations ou la stabilité du barrage.
- La pression de vapeur est une référence importante, tandis que les noyaux et les gaz dissous affectent la création. Un changement soudain de vitesse de la plume peut créer une onde de pression appelée marteau d'eau. [H1] Aucun champ de pression, marge de cavitation ou transitoire de l'eau-hameçon n'est calculé. Les changements de porte sont des états d'enseignement instantanés, pas des instructions de fonctionnement sûres.
- Environ 5 m par unité de scène; distances comprimées, détails de l'équipement agrandis, surfaces d'eau simplifiées. Le coefficient de perte numérique n'est pas déduit de ces dimensions. Les particules montrent chemin/direction, pas débit massique, vitesse du fluide ou mouvement électronique.
- L'hydroélectricité dépend de la disponibilité de la tête et de l'eau. L'exploitation du réservoir comporte également des contraintes environnementales et de gestion de l'eau; ce modèle suppose un écoulement suffisant et ne prévoit pas l'épuisement des réservoirs ni les effets écologiques.
Télécharger la scène Blender originale modifiable. Les scripts de génération et de vérification géométrique sont inclus dans la source du projet; il s'agit d'une visualisation éducative, et non d'une conception d'installation approuvée.
Principaux ouvrages de référence
- [H1] John S. Gulliver et Roger E. A. Arndt, rédacteurs. Manuel d'ingénierie hydroélectrique. McGraw-Hill, 1991. ISBN 0-07-025193-2. Checked Arndt’s Chapter 4, printed 4.4–4.7, 4.15, 4.28–4.30 and 4.33–4.34, including equations (4.2), (4.9), (4.16a), in the University of Minnesota institutional scan. Cochez également le chapitre 5, §5.5, imprimé 5.55, pour le mécanisme qualitative de l'eau-hameçon. Ce sont des passages sélectionnés, pas un examen de l'ensemble du livre.
- [H2] Herbert H. Woodson et James R. Melcher. Dynamique électromécanique, Partie I. Wiley, 1968; lawful MIT OpenCourseWare reissue, 2009. Checked Chapter 4, §4.1.8, equation (4.1.95) and synchronous-speed examples in the MIT-hosted chapter. Notre équation utilise des pôles totaux au lieu des paires de pôles de books.
Manuel de démarrage · lecture supplémentaire seulement
[H3] Théodore Wildi. Machines électriques, entraînements et systèmes d'alimentation, 6ème édition, Pearson Nouvelle édition internationale, publié 2013 / ©2014. publisher metadata and contents H2 est la fondation de livre de machine électrique effectivement vérifiée.
Documentation technique complémentaire
[H4] Département de l'Énergie des États-Unis. Types of Hydropower Turbines, Francis section: lames fixes, boîtier de défilement, portes de guichet et tube de brouillon. Identification supplémentaire, pas la preuve de nos dimensions ou de nos gains d'efficacité.
Vérification des sources de mise à niveau . Explications et diagrammes originaux; aucune illustration de manuel copiée. Les vérifications de logiciels, de sources et de géométrie rigide n'établissent pas d'examen par les pairs indépendant en génie, de conformité aux normes, de sécurité des barrages ou d'approbation de conception.
Dans l'ingénierie
Suivez la machine, les fluides de travail et la connexion électrique.
Mécanique
Des fourgonnettes fixes précèdent les portes de mèche reliées, qui régulent la décharge dans les coureurs Francis à pales fixes. Les arbres coaxiaux conduisent les rotors du générateur; les roulements guide/tourneaux et leurs boîtiers restent fixes. Des tubes de courants d'air séparés se connectent en continu aux rails arrière.
Thermique & chimique
La turbine complète convertit l'entrée hydraulique en puissance de l'arbre, y compris la récupération de tubes à courants dans son rendement global. L'eau retourne en aval sans être brûlée ou bouillie. Le pontage à faible niveau immergé ne donne aucune génération; le déversoir de crête est fermé et non évalué. Les champs de pression, la cavitation et le marteau d'eau ne sont pas simulés.
Électrique
Chaque générateur synchrone à 24 pôles tourne à 250 tr/min dans l'état de génération de 50 Hz sélectionné. Les changements de porte modifient le couple et la sortie, et non la vitesse synchrone. Les disjoncteurs par unité alimentent un collecteur, un transformateur et un réseau en trois phases.
Principaux types et variations
Le modèle montre une usine conventionnelle avec une turbine Francis. Les trois premières variations décrivent comment l'usine gère l'eau; les trois dernières décrivent les conceptions de turbine. Ce sont des choix complémentaires: un réservoir ou une usine de traitement de l'eau a encore besoin d'une turbine adaptée à son site.
Réservoir ou usine de retenue
Les exploitants rejettent l'eau par les passages de turbines, en utilisant la différence entre le niveau d'eau en amont et le niveau en aval. Le stockage peut passer à une autre heure de la production que l'arrivée de l'eau, sous réserve des limites du réservoir et d'autres utilisations de l'eau.
Quels changements dans la pratique
Le stockage ajoute une flexibilité opérationnelle, mais la production d'électricité doit partager l'eau avec les besoins tels que la gestion des inondations, l'irrigation, les écosystèmes et l'approvisionnement en eau.
Plante de ruissellement ou de dérivation
Une partie des canaux de dérivation d'une rivière par une voie navigable et une turbine avant de la retourner en aval. Il utilise la chute naturelle de la rivière et peut avoir un déversoir ou un bassin limité plutôt qu'un grand réservoir de stockage.
Quels changements dans la pratique
Le nom décrit l'aménagement de l'eau; cela ne signifie pas que chaque projet est exempt de barrage ou n'a aucun effet sur la rivière.
Hydroélectricité de stockage
L'électricité conduit les pompes qui déplacent l'eau d'un réservoir inférieur à un réservoir supérieur. Plus tard, l'eau retourne à travers les turbines pour générer. Certaines usines utilisent des turbines réversibles et des génératrices de moteurs; d'autres séparent l'équipement de pompage et de production.
Quels changements dans la pratique
Il s'agit du stockage de l'énergie: elle rapporte moins d'électricité que le pompage consommé. Elle déplace l'énergie dans le temps plutôt que de fournir une nouvelle source d'énergie primaire.
Turbine de réaction Francis
Une enveloppe en spirale distribue de l'eau sous pression autour du coureur. Des vanes de guidage réglables le dirigent vers l'intérieur à travers des lames courbées, après quoi elle part le long de la direction de l'arbre à travers un tube de courants.
Quels changements dans la pratique
Les turbines Francis conviennent à une large gamme de têtes moyennes et supérieures. Les lames de coureur sont normalement fixées; les vanes de guidage régulent l'eau entrante.
Turbines Kaplan et hélice
L'eau passe principalement le long de l'axe d'un coureur en forme d'hélice. Une turbine Kaplan ajuste à la fois la position de la pale de coureur et la position de la balançoire de guide pour tenir compte des conditions changeantes.
Quels changements dans la pratique
Ces turbines de réaction sont utiles là où la tête est relativement basse et le débit est élevé. Les lames réglables aident une machine Kaplan à réagir aux conditions changeantes de l'eau.
Turbine à impulsions Pelton
Les buses transforment l'eau haute pression en jets rapides. Chaque jet frappe des seaux fendus autour de la jante du coureur et change de direction, transférant l'élan vers l'arbre. Le coureur fonctionne dans un boîtier rempli d'air plutôt qu'un passage d'eau complètement pressurisé, et l'eau usée s'écoule.
Quels changements dans la pratique
Les machines Pelton conviennent à des sites à tête élevée avec un débit relativement modeste. Leurs jets et seaux nécessitent un arrangement de puissance différent d'un coureur de réaction submergé.
Il faut savoir
- Les plantes de rivière utilisent le débit de la rivière avec peu ou pas de stockage.
- Les usines de stockage pompeux pompent l'eau en montée lorsque l'électricité est abondante et la libèrent plus tard.
- La production dépend des précipitations et de la fonte des neiges, ce qui change d'année en année.
Voir les exemples réels
L'atlas comprend 9 244 disques d'hydroélectricité dans le monde.
Afficher sur la carteRéponses connexes
Références des manuels
Les documents de référence techniques suggérés pour ce sujet sont des lectures plus poussées, et non la preuve que chaque explication a été vérifiée par rapport à chaque édition. bibliographie complète et portée de l'examen.
- Hydropower Engineering HandbookTypes de turbines, stocks de particules, déversoirs et plan de la centrale hydroélectrique (gratuitement à télécharger).
- Renewable and Efficient Electric Power SystemsTête, débit et équation de puissance pour les centrales hydroélectriques.
Sources
- EIA: Hydropower explained ↗
- US DOE: Hydropower turbines ↗
- US DOE: Head, tailwater and hydropower terminology ↗
Les découpes révèlent des équipements fermés. Les plans, les dimensions, les matériaux et les vitesses d'animation sont des exemples; c'est un modèle éducatif, pas une conception de la plante ou une simulation thermodynamique.