Putouskorkeus

vedenpintojen korkeuserosta johtuva paine-ero
Vesivoimalaitoksen rakennekuvassa yläpuolinen vedenpinta sijaitsee vasemmalla ylhäällä ja alapuolinen vedenpinta oikealla alhaalla.

Putouskorkeus, tai myös pudotuskorkeus (engl. fall height [1][2]), on vesivoiman tuottamisessa käytettävien vesivoimalaitoksien tekninen ominaisuus, jolla ilmaistaan voimalan kykyä tuottaa vedestä sähköenergiaa. Se tarkoittaa suuresti yksinkertaistaen voimalan yläpuolisen vedenpinnan ja sen alapuolisen vedenpinnan korkeuseroa. Kun lasketaan vesivoimalaitoksen sähkötuotantokapasiteettia, eli sen sähköenergian tuottamisen maksimitehoa, ei pelkällä vedenpintojen välisellä korkeuserolla voida laskea vesivoimalan todellista kapasiteettia. Sen tarkempi määrittäminen vaatii painekorkeuden (engl. hydraulic head, saks. hydraulisches potential [2]) käyttöä laskuyhtälöissä. Painekorkeus taas riippuu paitsi korkeuserosta niin lisäksi myös yläaltaan ja ala-altaan rakenteista sekä tulo- ja lähtökanavien että vesiturbiinin muotoilusta. Rakenneputouskorkeus on suurin putouskorkeus, jolla on tarkoitettu tuottamaan vesivoimaa turvallisesti.[3][4][5]

Huomaa, että putouskorkeuden tai pudotuskorkeuden termejä käytetään esimerkiksi potamologiassa, rakennustekniikassa ja urheilussa aivan muussa merkityksessä.[6]

Vesivoimalaitoksen kapasiteetti putouskorkeuden avullaMuokkaa

Kun vesivoimaloiden rakennekapasiteettia verrataan toisiinsa, voidaan lähtökohdaksi ottaa vedenpintojen korkeuserot. Sen avulla laskettu putouskorkeus antaa karkean arvion voimalan kyvystä tuottaa energiaa. Sen lisäksi tarvitaan vielä putouksessa virtaavan veden määrää aikayksikössä eli virtaamaa   (yksikkö  ). Virtaaman karkeaksi arvoksi ilmoitetaan usein keskivirtaama, vaikka sillä laskettu kapasiteetti on vain todellisen kapasiteetin likiarvo. Tehonlaskennassa hyödynnetään ideaa mekaanisen energian säilymislaista, jossa vapautunut energia otetaan kokonaisuudessa talteen ja se kaikki muunnetaan edelleen sähköenergiaksi. Voimalan kapasiteetti   voidaan arvioida aikayksikössä   korkeudelta   alas putoavan veden massan   vapauttaman potentiaalienergian   avulla (missä   on putoamiskiihtyvyys). Kun lauseketta johdettaessa veden massa ilmoitetaan tiheyden   ja tilavuuden   tulona ( ), saadaan

 

Lausekkeella saadaan tehoksi arvo, joka on lähes suoraan verrannollinen voimalan mittareista havaittuihin hieman pienempiin teholukemiin. Aivan kaikkea energiaa, mitä putoamisessa vapautuu liikke-energiaksi, ei saada talteen sähköenergiana, joten verrannollisuuskerroin on alle 100%. Kyseistä kerrointa kutsutaan hydrauliseksi hyötysuhteeksi.[3] [4][7][8][5]

Toisaalta, nojaamalla pelkästään vedenpintojen korkeuseroihin ei saada riittävän tarkkaa kuvaa energian muutoksista. Jos huomioidaan veden liike-energia ennen vesiturbiinia ja turbiinin jälkeen, voidaan energialauseketta tarkentaa. Liike-energia voidaan huomioida monella eri laskennallisella tavalla. Jos se muunnetaan putouskorkeudeksi, toimitaan seuraavan idean mukaisesti. Vesi, joka putoaa ilman väliaineen tai kitkan vastusta, saavuttaa loppunopeuden  

 

Toisaalta vesi, jolla on loppunopeus  , on sitä ennen pudonnut korkeudelta  

 

Vesi, joka saapuu vesiturbiiniin alkunopeudella  , lisää laskennallista putouskorkeutta  . Laskennallinen putouskorkeus   vastaa silloin mekaanisen energian kannalta tilannetta, jossa vesi tulee turbiiniin ilman alkunopeutta, mutta hieman korkeammalta. Toisaalta, jos vedelle jää turbiinin jälkeen vielä loppunopeus  , vähentää se laskennallista putouskorkeutta vastavalla määrällä. Liike-energiat huomoiden saadaan laskennalliseksi putouskorkeudeksi  

 

Kun ylimpään lausekkeeseen sijoitetaan korkeuden   tilalle  , saadaan kapasiteetiksi tarkempi arvo. Kun tämän avulla määritetään voimalan hydraulinen hyötysuhde, saadaan yleensä tulokseksi 75%–85%. Voimalan kapasiteetin arvoa voidaan vielä tarkentaa huomioimalla muitakin siihen vaikuttavia seikkoja.[3] [4][7][8][5]

Voimalaitosten jaottelu putouskorkeuden mukaanMuokkaa

 
Putouskorkeuden vaikutus tehoon ja turbiinin valintaan.

Putouskorkeus vaikuttaa voimalaitoksen tekniikkaan ja tuotantomääriin, joten ne on ollut tapana luokitella putouskorkeuden mukaan erilaisiin veden paine- tai putousluokkiin. Pienipainelaitoksissa käytetään yleensä putkiturbiinia tai pystyasentoisia Kaplan- ja Francis-tuurbiineja. Niiden putouskorkeudet ovat yleensä 2–15 metriä. Keskipainelaitoksissa, joiden putouskorkeudet vaihtelevat 10–40 metriä, käytetään yleensä Kaplan-turbiineja. Keskikorkeapainelaitoksilla on käytetty Francis- tai Pelton-turbiineja. Niiden putouskorkeudet ovat yli 40 metriä. Suurimmat putoukset ovat satoja metrejä ja eräänä rajana voidaan pitää 400 metriä. Korkeapainelaitoksien putous on yli 400 metriä ja eräissä tapauksissa se on ollut yli kilometrin. Niissä on käytetty yleensä Pelton-turbiinia.[9][8]

LähteetMuokkaa

  • Haapakoski, Pasi: Vesivoimalaitoksen rakenneratkaisut (PDF) insinöörityö. 4.2011. Ylivieska: Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoulu.
  • Hakulinen, Juha: Pienvesivoimalan uusinta (PDF) diplomityö. 2013. Lappeenranta: Lappeenrannan Teknillinen Yliopisto.
  • Poussu, Tommi: Vesivoimatuotannon optimointi- ohjelma. opinnäytetyö. Satakunnan Ammattikorkeakoulu, 2006. Teoksen verkkoversio (PDF) (viitattu 13.5.2020).

ViitteetMuokkaa

  1. putouskorkeus Tieteen termipankki. Viitattu 8.5.2020.
  2. a b putouskorkeus (ympäristötieteet) Termipankki. Viitattu 8.5.2020.
  3. a b c Haapakoski, Pasi: Vesivoimalaitoksen rakenneratkaisut, 2011, s.3–4, viitattu 8.5.2020
  4. a b c Haapakoski, Pasi: Vesivoimalaitoksen rakenneratkaisut, 2011, s.6, viitattu 8.5.2020
  5. a b c Poussu, Tommi: Vesivoimatuotannon optimointi- ohjelma, 2006, s. 33–36, viitattu 13.5.2020
  6. putouskorkeus (rakennusala, urheilu) Termipankki. Viitattu 8.5.2020.
  7. a b Hakulinen, Juha: Pienvesivoimalan uusinta, 2013, luku 2.0, viitattu 8.5.2020
  8. a b c Hakulinen, Juha: Pienvesivoimalan uusinta, 2013, luku 3.1, viitattu 8.5.2020
  9. Haapakoski, Pasi: Vesivoimalaitoksen rakenneratkaisut, 2011, s.21, viitattu 8.5.2020