לייצר אנרגיה הידראולית, יש צורך לנצל את תנועת כמויות גדולות של מים דרך מפל, המאפשרת תנועה של טורבינה. אחת הטורבינות הנפוצות ביותר בייצור הידרואלקטרי היא טורבינת קפלן. סוג זה של טורבינה משמש במפלים קטנים, עד כמה עשרות מטרים, שבהם הזרימה גבוהה.
במאמר זה נפרט ממה מורכבת טורבינת קפלן, המאפיינים העיקריים שלה וכיצד היא משמשת לייצור חשמל הידראולי.
מהי הטורבינה של קפלן
La טורבינת קפלן מדובר בסוג של טורבינת סילון הידראולית, המיועדת לפעול בסביבות עם שיפועים קטנים, ממטרים בודדים ועד כמה עשרות. זה גם דורש זרימות גדולות, בין 200 ו-300 מ"ק לשנייה, מה שהופך אותה לטורבינה יעילה מאוד לייצור אנרגיה הידראולית, מקור אנרגיה מתחדש.
הוא הומצא על ידי הפרופסור האוסטרי ויקטור קפלן ב-1913, והמבנה החדשני שלו הופך אותו למתאים במיוחד למצבים בהם זרימת המים משתנה. אחד המאפיינים המרכזיים של טורבינה זו הוא שניתן לכוון את הלהבים שלה בהתאם לכיוון הזרימה, ולמטב את ביצועיה גם כאשר קצב הזרימה הוא רק 20-30% מהזרימה הנומינלית שלה.
תכונה נוספת של טורבינות קפלן רבות היא שהן חלק ממערכות ייצור חשמל הכוללות סטטורים קבועים, המייעלים את זרימת המים המזינים את הטורבינה, ובכך משפרים את יכולת ייצור החשמל. יעילות טורבינת קפלן הוא יכול להישאר מוגבה על פני מגוון רחב של קצבי זרימה, מה שהופך אותו למרכיב מפתח במפעלים הידרואלקטרים רבים.
עקרון הפעלה
עקרון הפעולה של טורבינת קפלן הוא פשוט אך יעיל. המים מגיעים לטורבינה דרך תעלה בצורת ספירלה, המאפשרת הזנת הטורבינה בכל היקפיה. לאחר מכן המים עוברים דרך מפיץ, המעניק לזרימה תנועה סיבובית החיונית להפעלת הטורבינה.
ברגע שהמים נכנסים לטורבינה, זה גורם ל סיבוב האימפלר, הסטת זרימת המים בזווית של 90° ולאחר מכן הפיכתה צירית. פעולה זו מאפשרת לטורבינה לנצל את האנרגיה הקינטית של המים כדי להגביר את יעילותה ביצירת אנרגיה.
La טורבינת קפלן יש לו יכולת לשחזר חלק מהאנרגיה בזכות מפזר במערכת הפליטה שלו, דבר שאינו נפוץ בכל הטורבינות ההידראוליות. מפזר זה תורם לשיפור ביצועי הטורבינה ביישומים בהם לחץ המים אינו גבוה, כגון במפלים קטנים.
תכונות ויתרונות עיקריים
אחד היתרונות המשמעותיים ביותר של טורבינת קפלן הוא יכולתה להתאים את הלהבים בהתאם לכיוון זרימת המים. זה מאפשר לטורבינה לשמור על יעילות גבוהה במגוון תנאי זרימה ולחץ.
בניגוד לטורבינות קונבנציונליות, כמו טורבינות מדחף, לקפלן יש ווסתי זרימה שיכולים להתאים גם את להבי האימפלר וגם את זווית להבי המפיצים. זה הופך אותה לאחת הטורבינות המגוונות ביותר בשוק, המסוגלת לעבוד בה טווחי זרימה וראש רחבים, עם יעילות של עד 90%.
טווח הפעולה של טורבינת קפלן כולל ראשים מקסימליים של כ 80 מטר גבוה וקצבי זרימה של עד 50 מ"ק לשנייה. למרות שהוא חולק כמה היבטים עם טורבינות פרנסיס, הקפלן יעיל במיוחד בתנאים של זרימות גבוהות וראשים נמוכים לצנוח, היכן שטורבינות אחרות יאבדו יעילות.
כיצד פועלות טורבינות בכוח מים
בתחנת כוח הידרואלקטרית, ויסות מתח המוצא חיוני כדי להבטיח אספקת חשמל קבועה. משמעות הדבר היא שמהירות הטורבינה חייבת להישאר קבועה גם כאשר תנאי זרימת המים משתנים. טורבינות קפלן מיועדות להסתגל לשינויים אלו, תוך שמירה על זרימת המים קבועה הודות למערכות בקרה מתקדמות.
לטורבינות הידרואלקטריות, בין אם קפלן, פרנסיס או פלטון, יש מערכות בקרה שונות כדי להבטיח שהן נשארות יציבות כאשר הן מתמודדות עם שינויים בלחץ המים. בפרט, לטורבינות קפלן יש בדרך כלל לעקוף חרירי, אשר מפנה ביעילות את עודפי המים כדי למנוע נזק ממה שמכונה פטיש מים, עלייה פתאומית בלחץ שעלולה להזיק מאוד למתקנים.
טורבינות הידראוליות מסווגות לפי סוג המפל והזרימה שהן מטפלות בהן:
- קפיצות גדולות עם זרימות קטנות: משתמשים בטורבינות פלטון.
- קפיצות בינוניות עם זרימה גדולה יותר: משתמשים בטורבינות של פרנסיס.
- קפיצות קטנות עם זרימות גדולות: נעשה שימוש בטורבינות קפלן ומדחף.
כמות המים שעוברת בטורבינה מווסתת בהתאם לדרישת החשמל הנוכחית. המים הנותרים מופנים דרך תעלות הזרמה כדי למנוע כל אובדן במערכת. במתקנים הידרואלקטרים מודרניים, מערכות בקרה מבטיחות ניצול אופטימלי של הזרימה הזמינה, ומסייעות בשמירה על הפקת אנרגיה יעילה ובר קיימא.
מאמר זה מכסה בהרחבה את פעולתן, היתרונות והמאפיינים של טורבינות קפלן, אחת הטכנולוגיות המתקדמות והיעילות ביותר לשימוש באנרגיה הידראולית. בהתחשב בביצועים הגבוהים והרבגוניות שלהם, הם מהווים את אחת האפשרויות הנפוצות ביותר במגזר ייצור אנרגיה על בסיס מים.