Turbine eoliene de vacuum la hidrocentrale

Ideea se bazează pe principiul creării unei diferențe de presiune pentru a pune în mișcare turbine eoliene. 

Iată o analiză a conceptului, cu avantaje, dezavantaje și provocări:

Cum ar funcționa:

 * Evacuarea apei: Apa, după ce trece prin turbina hidrocentralei, este evacuată printr-un tub .  La evacuarea apei este amplasată o țeavă goală ce are la o extremă o turbină de aer cu o secțiune mai îngustă iar la celălalt capăt aerul este antrenat de apă spre evacuare, se crează vacuum.

 * Crearea vacuumului: Evacuarea rapidă a apei creează o zonă de joasă presiune (vacuum parțial) în spatele ei.

 * Turbine eoliene: În această zonă de joasă presiune sunt amplasate turbine eoliene, care sunt puse în mișcare de aerul aspirat din exterior pentru a echilibra presiunea.

 * Generarea de energie: Turbinele eoliene antrenează generatoare electrice, producând energie suplimentară.

Avantaje:

 * Energie suplimentară: Sistemul ar putea genera energie suplimentară față de cea produsă de turbina hidrocentralei.

 * Fără emisii: Energia generată ar fi curată, fără emisii de gaze cu efect de seră.

 * Costuri reduse de operare: Odată instalat, sistemul ar avea costuri de operare reduse.

*Oxigenarea apei : crează premisele pentru un mediu mai bun faunei piscicole.

*Construcție facilă: ele pot fi adăugate pe exterior.

Dezavantaje și provocări:

 * Eficiență redusă:  Diferența de presiune creată de evacuarea apei ar fi probabil mică, rezultând o eficiență redusă a turbinelor eoliene.

 * Dimensionare: Dimensionarea corectă a tuburilor și a turbinelor eoliene ar fi crucială pentru funcționarea optimă a sistemului.

 * Impact asupra mediului: Zgomotul produs de turbinele eoliene ar putea afecta fauna din zonă.

Concluzie:

Conceptul de a utiliza tuburi de aer și turbine eoliene pentru a genera energie suplimentară la o hidrocentrală este o provocare tehnică dar rezultatele sunt pentru valorificarea ecologică a potențialului energetic verde existent iar prin extrapolare și succes poate aduce o valorifica suprerioară a resurselor existente. 

Cercetări suplimentare:

Ar fi necesare studii și simulări detaliate pentru a evalua fezabilitatea și eficiența acestui concept. 

Calculul vitezei apei la ieșirea din turbină

Pentru determinarea vitezei apei, vom folosi ecuația lui Bernoulli:

P1​+21​ρv12​+ρgh1​=P2​+21​ρv22​+ρgh2​

Unde:

• P1​,P2​: presiunile în punctele inițial și final (de obicei atmosferică la ieșire).
• ρ: densitatea apei (≈1000kg/m3).
• v1​,v2​: vitezele apei în punctele 1 (înainte de turbină) și 2 (la ieșirea din jet).
• h1​,h2​: diferența de înălțime între puncte (h1​−h2​=Δh).

Presupunând presiune atmosferică la ieșire și v1​≈0 (viteza în baraj mică), formula simplificată devine:

v2​=2gΔh​

---

Exemplu de calcul pentru viteză

• Dacă barajul are o înălțime de 50 m (Δh=50m):

v2​=2⋅9.81⋅50​=981​≈31.3m/s

---

2. Debit aer indus prin suctiune (efect Coandă)

Jetul de apă care iese cu viteză mare creează o zonă de presiune scăzută în jur, generând un debit de aer aspirat. Debitului de aer Qa​ se poate estima prin relații empirice din dinamica fluidelor, cum ar fi:

Qa​=C⋅A⋅v2​

Unde:

• Qa​: debitul de aer aspirat (m3/s).
• C: coeficient empiric pentru jeturi (tipic între 0.5 și 1, depinde de geometrie).
• A: secțiunea transversală a jetului de apă (m2).
• v2​: viteza apei calculată anterior (m/s).

---

Calcul exemplu debit aer

Dacă jetul de apă are un diametru de 1 m (d=1m), aria este:

A=π⋅(2d​)2=π⋅(0.5)2≈0.785m2

Pentru C=0.8 și v2​=31.3m/s:

Qa​=0.8⋅0.785⋅31.3≈19.6m3/s

---

3. Efect de amplificare a debitului de aer prin geometrie

Dacă se folosește un difuzor pentru canalizarea jetului, debitul de aer aspirat poate crește prin convergența fluxului de apă. Aceasta este direct proporțională cu diferența de presiune indusă și viteza jetului. Formula devine mai complexă și include un factor de amplificare dat de configurația geometriei:

Qa,amplificat​=η⋅Qa​

Unde η este factorul de amplificare (poate fi între 1.2 și 2 în funcție de configurație).

---

Date comparative (hidrocentrale tipice)

Din literatura de specialitate:

1. Debitul jetului de apă la ieșire:

   • Pentru hidrocentrale mici, vitezele sunt în intervalul 20−40m/s.
   • Hidrocentralele mari pot atinge viteze de până la 50−60m/s.

2. Debit aer aspirat (Q_a):

   • Jeturi de apă de 1-2 m diametru produc de obicei suctiune de aer în intervalul 10−50m3/s, în funcție de viteză și geometrie.

1. Analiza teoretică pentru mișcarea aerului

Sistemul descris funcționează pe baza creării unei diferențe de presiune prin evacuarea rapidă a apei. Aceasta poate fi calculată folosind:

ΔP=2ρv2​

Unde:

• ΔP: diferența de presiune creată (Pa).
• ρ: densitatea apei (≈1000kg/m3).
• v: viteza jetului de apă (m/s).

De exemplu, dacă viteza jetului de apă este v=31.3m/s (calculată anterior):

ΔP=21000⋅(31.3)2​≈490,000Pa(sau490kPa)

Această diferență de presiune poate genera un flux de aer în tubul conectat.

---

2. Debit aer aspirat și mișcarea turbinelor

Pe baza vitezei apei și a secțiunii conductei de aer, debitul aerului aspirat Qa​ a fost estimat mai sus. Turbina eoliană plasată în calea fluxului de aer va genera putere suplimentară.

Puterea disponibilă din aerul aspirat se calculează cu:

Pa​=21​ρa​Qa​va2​

Unde:

• Pa​: puterea aerului disponibilă (W).
• ρa​: densitatea aerului (1.225kg/m3).
• Qa​: debitul aerului aspirat (m3/s).
• va​: viteza aerului în tub (m/s).

Folosind exemplul anterior cu Qa​≈19.6m3/s și presupunând că viteza aerului aspirat va​=15m/s:

Pa​=21​⋅1.225⋅19.6⋅(15)2≈2,700W(2.7kW)

---

3. Analiza turbinelor eoliene

Eficiența reală a turbinelor depinde de factori precum designul lor și pierderile energetice. Dacă o turbină are o eficiență η=40%, puterea efectivă generată este:

Pturbina˘​=η⋅Pa​=0.4⋅2,700≈1,080W(1.08kW)

---

4. Posibilitatea de amplificare prin efect Coandă

Dacă jetul de apă este ghidat astfel încât să maximizeze atașarea fluxului de aer pe pereții interiori ai tubului, debitul aerului aspirat poate crește. Aceasta ar amplifica Qa​ și, implicit, Pa​. Pentru un factor de amplificare ηCoanda˘​=1.5, debitul devine:

Qa,amplificat​=1.5⋅19.6≈29.4m3/s

Noua putere disponibilă devine:

Pa,amplificat​=21​⋅1.225⋅29.4⋅(15)2≈4,050W(4.05kW)

---

5. Avantaje aduse de oxigenarea apei

Efectul Coandă și suctiunea aerului contribuie la introducerea oxigenului în apă, ceea ce sprijină fauna piscicolă. Acest efect este un beneficiu ecologic important, pe lângă generarea de energie.

---

6. Propunere de îmbunătățiri tehnice

• Dimensionare optimă: Tuburile ar trebui să fie proiectate astfel încât să maximizeze fluxul de aer, evitând pierderile prin turbulență.
• Multiple turbine: Instalarea mai multor turbine mici în serie ar putea crește eficiența captării energiei.
• Studiu de fluidodinamică: Simulările CFD (Computational Fluid Dynamics) ar fi utile pentru optimizarea designului.

---

Concluzie

Sistemul poate genera 1-4 kW pe evacuarea unui jet cu diametru de 1 m și viteza de 31.3m/s, în funcție de amplificarea fluxului de aer. Acest lucru ar putea fi scalat pentru hidrocentrale mari, contribuind la crearea unui sistem de energie suplimentar, ecologic și inovator.