Năng lượng từ nước

Năng lượng từ nước hay năng lượng nước là năng lượng tổng hợp từ lực hoặc năng lượng của dòng nước, được sử dụng cho các mục đích có ích.

Trước khi trở thành nguồn điện thương mại, thủy năng đã được áp dụng để tưới tiêu và cung cấp năng lượng cho nhiều loại máy móc khác nhau, như máy xay nước, máy dệt, máy cưa, cẩu trục trên tàu, và thang máy sử dụng trong tòa nhà.

Một phương pháp khác là sử dụng trompe (máy bơm nén khí cổ) để tạo khí nén từ dòng nước, khí nén này sau đó có thể sử dụng làm nguồn năng lượng cho các máy móc ở xa nguồn nước.

Lịch sử

Thủy điện đã được sử dụng từ thời cổ đại từ thời kỳ Lưỡng Hà và Hy Lạp cổ đại, khi các công trình thủy lợi đã được xây dựng từ thế kỷ thứ 6 trước Công nguyên và đồng hồ nước đã xuất hiện từ thế kỷ thứ 2 trước Công nguyên. Các ví dụ khác về sử dụng năng lượng từ nước bao gồm hệ thống Qanat ở Ba Tư cổ đại và hệ thống dẫn nước Turpan ở Trung Quốc cổ đại.

Bánh xe nước và cối xay nước

Năng lượng từ nước đã được sử dụng hàng trăm năm. Tại Ấn Độ, bánh xe nước và cối xay nước đã được xây dựng; tại Đế quốc La Mã, cối xay gió dùng sức nước để xay bột từ hạt ngũ cốc, và được sử dụng để cưa gỗ và đá; tại Trung Quốc, cối xay nước đã được sử dụng rộng rãi từ thời nhà Hán. Năng lượng từ sóng nước chảy ra từ một bồn nước đã được sử dụng để phục vụ cho việc đãi quặng kim loại trong phương pháp gọi là hushing. Phương pháp này được sử dụng đầu tiên tại mỏ vàng Dolaucothi ở xứ Wales từ năm 75 sau Công nguyên, và phát triển ở Tây Ban Nha tại mỏ Las Medulas. Hushing cũng đã được sử dụng rộng rãi ở Anh vào thời Trung cổ và sau đó để đãi quặng chì và thiếc. Nó còn được áp dụng trong phương pháp thủy lực trong suốt thời kỳ đổ xô tìm kiếm vàng tại California.

Tại Trung Quốc và các quốc gia Đông Á khác, năng lượng từ nước còn được sử dụng để quay bánh xe dẫn nước vào các hệ thống thủy lợi. Vào thời kỳ đầu của Cách mạng Công nghiệp tại Anh, nước là nguồn năng lượng chính cho các phát minh như cơ cấu sức nước của Richard Arkwright. Mặc dù hơi nước được sử dụng rộng rãi trong nhiều nhà máy và nhà máy xay xát lớn, năng lượng từ nước vẫn được sử dụng trong suốt thế kỷ 18 và 19, tiếp tục trong nhiều nhà máy nhỏ hơn như phần dẫn động của lò cao nhỏ (như lò Dyfi) và cối xay, được xây dựng tại thác Saint Anthony, tận dụng độ cao 50 feet (15 m) trên sông Mississippi.

Vào những năm 1830, thời kỳ hoàng kim của kỷ nguyên xây dựng kênh đào, năng lượng từ nước cũng được sử dụng để vận chuyển bằng xà lan lên và xuống những dốc đồi bằng cách sử dụng đường ray dốc.

Hệ thống dẫn nước thủy điện

Mạng lưới thủy năng, sử dụng các đường ống chuyển động chất lỏng để truyền tải năng lượng cơ học từ nguồn như bơm đến người dùng cuối. Được phát triển rộng rãi trong các thành phố vào thời nữ hoàng Victoria, Anh. Một mạng lưới thủy năng cũng được sử dụng tại Geneva, Thụy Sĩ. Jet d'Eau nổi tiếng ban đầu là một van áp lực dư của hệ thống này.

Biểu hiện tự nhiên

Ứng dụng hiện đại

Đập thủy điện

Năng lượng thủy triều

Năng lượng của dòng thủy triều

Năng lượng từ sóng biển

Thủy điện quy mô nhỏ

Tính toán công suất hữu ích

Một nguồn năng lượng thủy năng có thể được đánh giá bằng công suất hữu ích, tức là công suất sản xuất trong một khoảng thời gian nhất định. Trên các hồ chứa lớn, công suất hữu ích thường phụ thuộc vào chiều cao áp suất thủy lực và tốc độ dòng chảy của nước. Trong một hồ chứa, áp suất thủy lực là sự chênh lệch chiều cao nước giữa lúc hồ đầy nước và lúc hồ xả nước hết. Mỗi khối nước có thể sản sinh ra một lượng công bằng với trọng lượng của nó nhân với chiều cao áp suất thủy lực.

Lượng năng lượng E được giải phóng khi một vật có khối lượng m rơi từ một độ cao h dưới tác động của trọng lực g được tính bởi

$E=mgh$

Năng lượng này được khai thác thông qua thủy điện và có thể giải phóng bằng cách điều chỉnh mực nước xuống. Khi đó, năng lượng sẽ tỷ lệ với vận tốc của chất lỏng.

$\frac{E}{t}=\frac{m}{t}gh$

Thay thế P bằng ⁄_t và biểu diễn ⁄_t dưới dạng thể tích của chất lỏng di chuyển qua một đơn vị thời gian (tốc độ dòng chảy, φ) và khối lượng riêng của nước, ta có biểu thức phổ biến sau đây:

$P=\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}\mathrm{\varphi <!--\; \varphi \; -->}gh$

hoặc

Một công thức đơn giản để tính năng lượng điện gần đúng mà một nhà máy thủy điện sản xuất là:

P = hrgk

Trong đó, P là công suất tính bằng kilowatt, h là chiều cao tính bằng mét, r là tốc độ dòng chảy tính bằng mét khối trên giây, g là gia tốc trọng trường bằng 9.8 m/s2, và k là hiệu suất có giá trị từ 0 đến 1. Hiệu suất thường cao hơn ở những tua bin lớn hơn và hiện đại hơn.

Một số hệ thống thủy năng như bánh xe nước có thể chuyển đổi năng lượng từ dòng chảy của nước mà không cần thay đổi độ cao. Trong trường hợp này, công suất hữu ích là năng lượng động của dòng nước.

$P=\frac{1}{2}\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}\mathrm{\varphi <!--\; \varphi \; -->}{v}^2$

trong đó v là tốc độ của nước, hoặc với

$\mathrm{\varphi <!--\; \varphi \; -->}=Av$

trong đó A là diện tích của dòng nước chảy qua, ta cũng có

$P=\frac{1}{2}\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}A{v}^3$

Bánh xe chạy bằng sức nước có thể tận dụng hiệu quả cả hai dạng năng lượng này.

• Micro-hydro power Lưu trữ 2009-03-25 tại Wayback Machine, Adam Harvey, 2004, Intermediate Technology Development Group, Truy cập ngày 1 tháng 1 năm 2005 từ ITDG.org Lưu trữ 2009-03-25 tại Wayback Machine
• Microhydropower Systems, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Hiệu suất năng lượng và Năng lượng tái tạo, 2005
• Allan. ngày 18 tháng 4 năm 2008. Bánh xe nước dưới. Truy cập từ Builditsolar.com
• Shannon, R. 1997. Công nghệ bánh xe nước. Truy cập từ Permaculturewest.org.au Lưu trữ 2017-09-20 tại Wayback Machine

Liên kết ngoài

• Hiệp hội Thủy điện Quốc tế
• Trung tâm Quốc tế về Thủy điện (ICH) cổng thông tin thủy điện với liên kết đến nhiều tổ chức liên quan đến thủy điện trên toàn thế giới
• Hoạt động Thực tiễn (ITDG) Lưu trữ 2009-09-12 tại Wayback Machine một tổ chức từ thiện Anh phát triển thủy điện nhỏ và cung cấp tài liệu kỹ thuật mở rộng.
• $11 triệu được dành riêng cho nghiên cứu năng lượng nước.