Αιολική Ενέργεια & Ενέργεια του Νερού

Transcript

1 Αιολική Ενέργεια & Ενέργεια του Νερού Ενότητα 9: Υδραυλικά Φαινόμενα Γεώργιος Λευθεριώτης, Επίκουρος Καθηγητής Τμήμα Φυσικής

2 Σκοποί ενότητας Γνωριμία με γενικά φαινόμενα υδρολογίας Παρουσίαση μεθόδων εκτίμησης κατακρημνισμάτων Φυσικό και μαθηματικό υπόβαθρο υπολογισμού παροχών σε ανοιχτα/κλειστά κανάλια, σωλήνες πιέσεως. Σύνδεση με τις παροχές υδροηλεκτρικών και ενεργειακοί υπολογισμοί επί αυτών. Εξοικίωση με υδρογραφήματα, διαγράμματα καμπύλης παροχών, διάγραμμα Moody, διάγραμμα ειδικής ενέργειας Γνωριμία με εξειδικευμένα υδραυλικά φαινόμενα (άμλα, πλήγμα, σπηλαίωση, κύματα νερού) 2

3 Περιεχόμενα ενότητας (1) Στοιχεία υδρολογίας Επίδραση 11ετούς κύκλου στις παροχές Υδρολογικός κύκλος Λεκάνες απορροής Κατακρημνίσματα Βροχόμετρα εκτίμηση όγκου πολύγωνα Thiesen Μέτρηση/αξιοποίηση παροχών Καμπύλη διάρκειας παροχών Ελληνικά ποτάμια 3

4 Περιεχόμενα ενότητας (2) Ενεργειακοί υπολογισμοί υδροηλεκτρικών Ροή σε σωλήνες πιέσεως Ροή νερού σε ανοιχτά κανάλια: Ειδική ενέργεια Froude Εφαρμογή: Υδραυλικό άλμα Υδραυλικό πλήγμα Σπηλαίωση Κύματα στο νερό 4

5 Στοιχεία Υδρολογίας (1) Ένταση ηλ. Ακτ/λίας

6 Στοιχεία Υδρολογίας (2) 400 Χρόνια Παρατήρησης Ηλιακών Κηλίδων Αριθμός Κηλίδων

7 Ο υδρολογικός Κύκλος

8 Λεκάνη απορροής - Υδροκρίτης

9 Είδη λεκανών απορροής

10 Κατακρημνίσματα-βροχόμετρα

11 Εκτίμηση όγκου - Πολύγωνα Thiessen

12 Υδρογράφημα Υδρογράφημα : πρόκειται για διάγραμμα της παροχής όγκου νερού σε συνάρτηση με το χρόνο.

13 Αξιοποίηση παροχών 6,00 ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΔΙΑΡΚΕΙΑΣ ΠΑΡΟΧΩΝ ΠΑΡΟΧΗ (m 3 /s) 5,00 4,00 3,00 Διαθέσιμες παροχές Αξιοποιήσιμες παροχές 2,00 1,00 0,00 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 ΠΟΣΟΣΤΟ ΥΠΕΡΒΑΣΗΣ Δεν μπορώ να πάρω όλη την ποσότητα νερού του ποταμιού. Η ποσότητα που πρέπει να μείνει λέγεται οικολογική ποσότητα. Για μεγαλύτερη αξιοποίηση του διαθέσιμου δυναμικού θα πρέπει Q mmm το να βρίσκεται όσο το δυνατόν ψηλότερα και το Q mmm όσο το δυνατόν πιο κάτω.

14 Ενεργειακοί υπολογισμοί υδροηλεκτρικών (1) Το νερό βρίσκεται σε ύψος Η και η δυναμική του ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική από τον υδροστρόβιλο και κατόπιν σε ηλεκτρική από τη γεννήτρια. Νόμος Bernoulli: ρgh = ρv V = gh Διαθέσιμη ισχύς:

15 Μέση ισχύς: Μέγιστη ισχύς: Συντ αποδοτικότητας: Ενεργειακοί υπολογισμοί υδροηλεκτρικών (2) P max CF = = P nρ gh Q αν e P max max CF Q αν e Q max Ενέργεια που παράγεται από υδροηλεκτρικό έργο σε ένα χρόνο: ( ) E = P t t hours αν αν

16 Ενεργειακοί υπολογισμοί υδροηλεκτρικών (3) Βαθμός ενεργειακής ή αξιοποίησης των παροχών ΒΕΑ Αξιοποιήσιµος όγκος νερού BEA = ιαθέσιµος όγκος νερού Μας δείχνει που βρίσκονται τα Qmax, Qmin σε σχέση με την καμπύλη παροχών Όταν κατεβάζουμε το Qmax μειώνουμε το BEA αλλά αυξάνουμε την ενεργειακή αξιοποίηση.

17 Υπολογισμός Q aa (1) Αριθμητική μέθοδος ολοκλήρωσης του τραπεζιού Τελικά λοιπόν: t t N 0 ( B ) + β υ E = 2 t Ei = Q( ti) Q( ti 1) t Ei + 1= Q ti Q ti ( ) ( ) N 1 t Q t dt Q t0 Qt Q t N 2 i= 1 ( ) ( ) ( ) Εάν έχουμε προσεγγίσει την καμπύλη διάρκειας παροχών με μια εκθετική συνάρτηση: ti At Qav Q ( 1) Q ( 2) Qav Qmt Q 0 0 e dt περ περ t = + = + Q Qav = Qmt e e 0 A Ati At0 ( ) ( ) 0 1 i 0

18 Υπολογισμός Q aa (2) Από την καμπύλη προκύπτει όμως: At0 m At0 m Q Q e e At t 0 Q Q = = ln = min 0 0 Q0 Q0 Q ln Q = At 0 m 0 ( 2) Επίσης: Ati At KQ i m At KQ i m Qmin = Qe 0 KQm = Qe 0 = e ln = Ati Q0 Q0 t i KQ ln Q0 = A m ( 3)

19 Υπολογισμός Q aa (3) Για να προκύψει το καλύτερο Qm πρέπει: dqav 1 K 1 Q m Qm 1 Qm = 0 ln = 0 dq Q m A A A Q0 A m Q0 Q 1 K 1 Q ln m A A A Q0 2 dqav 2 m Q m A Q 0 1 Q Qm = < Μ 0 ( έγιστο ) 0 1 K 1 Q m 1 = 0 ln = 0 A A A Q0 A Q m Q m Q m K ln = 0 K+ ln = 0 ln = K Qm = Qe 0 Q Q Q 1 Q 1 dq A Q Q m 0 K

20 Ροή σε σωλήνες πιέσεως (1)

21 Ροή σε σωλήνες πιέσεως (3) [1] p. 221, fig

22 Ροή σε σωλήνες πιέσεως (4) Στρωτή Ροή (Laminar flow) Re < 2000 Μεταβατικό Στάδιο (Transition) 2000 < Re < 4000 Τυρβώδης Ροή (Turbulent flow) Re > 4000

23 Ροή σε σωλήνες πιέσεως (5) Μήκος εισόδου: Μέση ταχύτητα: V Q = = S 4 Q πd 2 Παροχή: 2 πd Q = SV = V 4 Πτώση πίεσης κατά μήκος του σωλήνα (γραμμικές απώλειες) Νόμος Darcy-Weisbach Ισοδύναμο ύψος:

24 Διάγραμμα Moody

25 Ροή νερού σε ανοιχτά κανάλια: Ειδική ενέργεια Ενέργεια: Ενέργεια ανά μονάδα όγκου: Ενέργεια ανά μονάδα βάρους: Κανάλι με ορθογώνια διατομή, πλάτος l: Q = Vyl E 2 Q = y+ Η εξίσωση είναι ου βαθμού ως προς y και έχει πολλαπλές λύσεις 2l gy Ελαχιστοποίηση της ενέργειας: l Q= Vyl y de Q Q V = 0 1 = 0 = = 1 dy lgy lg gy

26 Ροή νερού σε ανοιχτά κανάλια: Αριθμός Froude E Q = y l gy 2 Διάγραμμα ειδικής ενέργειας

27 Διάγραμμα ειδικής ενέργειας (1) Βάθος y (m) E mmm Ιδανική καμπύλη ενέργειας Κρίσιμο βάθος ροής Υποκρίσιμη ροή Υπερκρίσιμη ροή y c Ειδική Ενέργεια E(m)

28 Διάγραμμα ειδικής ενέργειας (2) Βάθος, y(ft) Ειδική Ενέργεια, Ε(ft)

29 Εφαρμογή: Υδραυλικό άλμα (1) Παροχή q Ακτίνα παροχής a Βάθος μετά το άλμα d Ακτινική απόσταση άλματος R j

30 Εφαρμογή: Υδραυλικό άλμα (2) [1] p. 411, fig

31 Εφαρμογή: Υδραυλικό άλμα (4) Κατηγοριοποίηση υδραυλικού άλματος Αν F1: 1-1,7 κυματοειδές άλμα Αν F1: 1,7-2,5 ασθενές άλμα Αν F1: 2,5-4,5 παλλόμενο άλμα Πηγή [2] Αν F1: 4,5-9 σταθερό άλμα Αν F1: >9 ισχυρό

32 Υδραυλικό Πλήγμα (1) Κανονικοποιημένη μετρούμενη πίεση Χρόνος μετα το κλείσιμο της βαλβίδας (s)

33 Υδραυλικό Πλήγμα (2)

34 Σπηλαίωση Cavitation_bubble_implosion.png tion_propeller_damage.jpg

35 Κύματα στο νερο (1) Κύμα ρηχών υδάτων ΒΒΒΒΒ 1 22 μμμμμ κκκκκκκ D: Βάθος Κύμα βαθέων υδάτων ΒΒΒΒΒ 1 2 μμμμμ κκκκκκκ e:wave_motion-i18n.png

36 Τέλος Ενότητας

37 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

38 Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.0.

39 Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών, Λευθεριώτης Γεώργιος, «Αιολική Ενέργεια & Ενέργεια του Νερού, Ενότητα: Υδραυλικά φαινόμενα» Έκδοση: 1.0. Πάτρα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση:

40 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

41 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.

42 Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Οι πηγές των εικόνων είναι: [1] C.P Kothandraman, R. Rudramoorthey, Fluid Mechanics and Machinery, (2 nd edition), New Age International Publishers, 2007, 1999 [2] [3] [4] [5] *Όλοι οι διαδικτυακοί ιστότοποι που αναφέρονται ως πηγές εικόνων είναι ενεργοί στις 28/2/2015