PROVINCIAAL TECHNISCH INSTITUUT

PROVINCIAAL TECHNISCH INSTITUUT
Roze 131
9900 EEKLO
3e graad
Jakob Keerman
6IWc
Lennart Vermeulen n°7
n°4
Waterkrachtcentrale
SCHOOLJAAR 2014 -2015
Woord vooraf
De Geïntegreerde Proef die ik maakte aan het PTI in Eeklo ging over waterkracht.
Van ons werd verwacht om bij dit onderwerp zoveel mogelijk vakgebieden te
betrekken. De waterkrachtcentrales zijn tot op heden een zeer actueel onderwerp. Er
worden dezer dagen in België zeer veel centrales gebouwd. Ik denk ook dat dit in de
toekomst nog een belangrijke bron zal zijn van elektrische energie. Van ons werd
ook verwacht dat we dit thema vrij technisch uitwerkten. We hebben daarom beslist
om een miniatuurversie te bouwen van de waterkrachtcentrale. Dit concept is
achteraf gezien dan wel iets groter uitgevallen dan verwacht. Door zelf een stuurkring
te bouwen om het opgewekte vermogen en het toerental op te meten, betrokken we
ook de vakgebieden elektronica en ICT erbij. Deze GIP nam ook deel aan de
technologiebeurs in Kortrijk en zal ook te zien zijn in de prijs Focus Aarde.
Om te beginnen zou ik graag Jakob bedanken die mijn GIP-partner was en aan wie
ik veel gehad heb gedurende het jaar. Onze GIP-mentor, meneer Geeraert, ben ik
dankbaar voor zijn hulp met de opbouw van het theoretisch deel en het opvolgen van
het praktisch deel. Ik mag zeker meneer Gervoyse niet vergeten bedanken hij hielp
ons met onze Arduino-schakeling. Mevrouw De Taeye zou ik graag bedanken want
zij zorgde ervoor dat wij telkens zo snel mogelijk onze onderdelen kregen wat zeker
geen evidente job was. Ze zorgde er ook voor dat sommige stukken op school
konden gemaakt worden. Ook zou ik graag mijn ouders en vooral mijn vader
bedanken omdat ze veel tips gaven en een deel van de GIP financierden. En
natuurlijk ben ik mevrouw Van Houtte en mevrouw Vercleyen dankbaar voor het
verbeteren van het theoretisch deel.
Inhoudsopgave
1
Inleiding................................................................................................................ 7
2
Waterkracht .......................................................................................................... 8
2.1.1
2.2
3
Algemene werking .................................................................................. 9
Vermogen en rendement ............................................................................. 10
2.2.1
Valhoogte .............................................................................................. 11
2.2.2
Debiet ................................................................................................... 12
2.2.3
Formule vermogen ................................................................................ 12
Kleine waterkracht.............................................................................................. 14
3.1
Voorbeeld .................................................................................................... 14
3.2
De waterkrachtcentrales in België ............................................................... 15
3.3
Actualiteit van waterkracht in België ............................................................ 16
4
Getijdenmolen .................................................................................................... 21
5
Voor- en nadelen van groene energie ................................................................ 22
6
5.1
Voordelen van: ............................................................................................ 22
5.2
Nadelen van: ............................................................................................... 22
Watermolens met boven- en onderslagrad ........................................................ 23
6.1
Bovenslagrad .............................................................................................. 23
6.2
Onderslagrad ............................................................................................... 23
6.3
Poncelet rad ................................................................................................ 24
6.4
Zuppinger wiel ............................................................................................. 24
6.5
Turbines ...................................................................................................... 25
6.5.1
Francis-turbine ...................................................................................... 25
6.5.2
Pelton-turbine........................................................................................ 25
6.5.3
Kaplan-turbine....................................................................................... 26
7
Nieuwe technieken ............................................................................................. 27
8
Vermogen aan de hand van bestaande molens ................................................. 28
8.1
Coo trois ponts ............................................................................................ 28
8.2
Bütgenbach ................................................................................................. 28
8.3
Route de la Plate Taille Froidchapelle ......................................................... 28
8.4
Barrage de la Gileppe.................................................................................. 28
8.5
Barrage de la Vesdre................................................................................... 28
9
Autonoom huis ................................................................................................... 29
9.1
10
Wateroverlast .............................................................................................. 31
9.1.1
Bypass .................................................................................................. 32
9.1.2
Aanpasbaar waterrad. ........................................................................... 32
Invloed op het milieu van waterkrachtcentrales .............................................. 33
10.1
Waterkwaliteit ........................................................................................... 33
10.2
Biodiversiteit ............................................................................................. 33
10.3
Vismigratie ............................................................................................... 34
11
Praktische realisatie ........................................................................................ 35
11.1
Mechanisch deel ...................................................................................... 35
11.1.1
Ontwerpen totaalbeeld....................................................................... 35
11.1.2
Beredeneren van de te gebruiken schoepen ..................................... 36
11.1.3
Uittekenen van constructie kaders + afmetingen vastzetten .............. 36
11.1.4
Lassen kaders + oriënteren van de kaders + opvangbak .................. 37
11.1.5
Ontwerpen en construeren van schoepen, rad en as ........................ 39
11.1.6
Uittekenen en bouwen lagering + tussenbalk .................................... 41
11.1.7
Assemblage rad + rad in kader monteren .......................................... 41
11.1.8
Installeren van de nieuwe buizen....................................................... 43
11.1.9
Spuitmonden testen en aanpassen ................................................... 45
11.1.10
Kader verstevigen .............................................................................. 47
11.1.11
Overbrenging ..................................................................................... 48
11.1.12
Waterdichtheid verzekeren ................................................................ 49
11.2
Elektronisch gedeelte ............................................................................... 50
11.2.1
Vermogen meting .............................................................................. 50
11.2.2
Toerental meting ................................................................................ 51
11.2.3
Programmering van de Arduino ......................................................... 52
12
Nederlands ..................................................................................................... 55
13
Frans .............................................................................................................. 58
13.1
Demande de documentation .................................................................... 58
13.2
Compréhension technique ....................................................................... 59
13.2.1
Texte de base en français ................................................................. 59
........................................................................................................................... 59
13.2.2
Traduction néerlandaise .................................................................... 61
De getijdencentrale van Rance ................................................................................. 61
Bestaande structuren ............................................................................................ 61
De architectuur van de getijdencentrale ............................................................. 61
De interne uitrustingen van de centrale.............................................................. 61
De getijdenenergie bij de productie van elektriciteit. ............................................. 62
Chronologisch verloop ....................................................................................... 62
De bijzondere eigenschappen van de getijdencentrale van de Rance ............... 62
14
13.2.3
Lexique bilingue ................................................................................. 63
13.2.4
Questionnaire .................................................................................... 64
Engels ............................................................................................................. 66
14.1
Text .......................................................................................................... 66
14.2
Glossary ................................................................................................... 70
14.3
Outline ...................................................................................................... 73
14.4
Summary .................................................................................................. 74
14.5
Letter ........................................................................................................ 75
15
Besluit ............................................................................................................. 76
16
Literatuurlijst ................................................................................................... 77
17
Figurenlijst ...................................................................................................... 78
18
Bijlagen ........................................................................................................... 80
18.1
Enkele foto’s van eindproduct .................................................................. 80
1 Inleiding
Bij het begin van dit schooljaar dienden we een GIP-onderwerp en partner te kiezen.
Ik had al snel voor Jakob als GIP-partner gekozen maar de keuze van het onderwerp
was iets moeilijker. Na een 2 weken denken kwamen we dan toch bij het onderwerp
waterkracht terecht. In het begin wisten we niet goed waaraan we ons konden
verwachten, wat we wel wisten was dat van ons verwacht werd dat we een werkstuk
zouden ontwerpen en maken. Eenmaal we begonnen waren, werd dit onderwerp
steeds leuker en boeiender om aan te werken.
Het eindwerk bestaat uit een theoretisch en een praktisch deel. In het praktische deel
leggen we eerst uit hoe we op het idee kwamen om onze GIP juist op deze manier
op te bouwen. Hierbij tonen we ook enkele van onze eerste schetsen. Het idee van
de schoepen wordt beredeneerd in 11.1.3. In punt 11.1.5 leggen we stap voor stap
uit hoe het rad opgebouwd is en hoe we het ontwierpen, hierbij komen ook nog
enkele technische tekeningen. Daarna leggen we ook nog uit hoe we de kaders in
mekaar bevestigden en hoe het rad hierop gebouwd werd. Tot slot wordt de
overbrenging toegelicht aan de hand van enkele berekeningen en foto’s.
In het theoretisch deel beginnen we met het begrip waterkracht te bespreken. Bij het
tweede punt gaan we wat dieper in op het vermogen en het rendement van een
normale waterkrachtcentrale. Het begrip kleine waterkracht wordt dan weer
uitgediept in punt 3. Daarna analyseren we de verschillende soorten raderen en
turbines. Hierna komt het deel waarin we het gebruik van waterkracht bij een
autonoom huis bespreken. De invloed van waterkrachtcentrales op het milieu vindt u
in punt 10. Tot slot komen de verschillende opdrachten van Engels en Frans. Voor
Nederlands schreven het woord vooraf, de inleiding en het besluit.
6-TSO-IW
Waterkracht
8
2 Waterkracht
Waterkracht ontstaat uit de waterkringloop. Het water in de zeeën of oceanen wordt
door de zon opgewarmd en verdampt. Aan de oppervlakte stijgt de vochtige lucht op
en worden er wolken gevormd. Dit komt dan als neerslag weer naar beneden. Door
rivieren stroomt het water onder invloed van het hoogteverschil weer terug naar zee.
De energie uit waterkracht komt dus in feite van de zonne-energie en is daarom een
duurzame energie.
Figuur 2.1 Waterkracht
Het benutten van waterkracht kent een lange geschiedenis. Waterkracht is in het
verleden veelvuldig ingezet voor het mechanisch bewerken van allerlei grondstoffen
zoals graan en hout.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Waterkracht
9
2.1.1 Algemene werking
Vroeger werd deze waterkracht door een waterrad benut die dan via een as
rechtstreeks of via overbrengingen de machines aandreef. Deze watermolens
worden de dag van vandaag veel gemoderniseerd met een turbine die, in plaats van
de machines rechtstreeks aandrijft, een generator aandrijft die elektrische stroom
opwekt en zo de machines aandrijft.
Deze watermolens en andere, modernere waterkrachtcentrales veranderen de
waterloop niet of zeer miniem. Deze watermolens maken enkel gebruik van een
kleine omleiding van het water.
Als men meer energie wilt opwekken dan kan dit niet zonder grote veranderingen in
de waterloop. In dit geval bouwt men een groot stuwmeer die een rivier indijkt en een
grote hoeveelheid water verzamelt. Dit water wordt dan via een leiding in de
stuwdam naar een turbinehuis geleid. Deze ruimte is lager gelegen en soms
ingebouwd in de stuwdam. Hierin staat een turbine. Deze turbines drijven assen aan
die, op hun beurt een generator in werking stellen. In de leiding wordt de potentiële
energie van het water in het reservoir omgezet naar kinetische energie in de
aanvoerbuis. Dan wordt deze kinetische energie omgezet naar mechanische energie
in de turbine en uiteindelijk van mechanische energie naar elektrische energie in de
generator.
Figuur 2.2 De algemene werking van een stuwdam
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Waterkracht
10
2.2 Vermogen en rendement
Het vermogen van een waterkrachtcentrale hangt van vele factoren af. De
belangrijkste hiervan zijn het debiet en de valhoogte.
Een ander belangrijk aspect is het rendement: zoals bij elke energieomzetting
moeten ook hier vele invloedsfactoren omtrent omzettingsverliezen in de
energiebalans in rekening gebracht worden. Enkele van de invloedsfactoren zijn de
wrijving van lagers van de turbine en de generator, verliezen in de generator, wrijving
van het water en de toevoerleiding en nog veel meer. Het rendement beschrijft hierbij
de verhouding tussen geleverde energie (de energie die het water aanvankelijk
heeft) en de toegevoerde energie (de energie die uit de generator komt).
𝐸𝑛
ŋ=
𝐸𝑡
met: ŋ = het rendement
En = geleverde energie
Et = toegevoegde energie
In de meeste gevallen wordt een minimum rendement van 80% wel gehaald. Bij
optimaal gebruik zal dit rendement gaan stijgen tot soms boven de 90%.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Waterkracht
11
2.2.1 Valhoogte
De valhoogte van de watermolens bepaalt mee het vermogen. Dit is omdat de
potentiële energie die het water bezit afhankelijk is van de hoogte waarover het valt.
Deze energie kan je bereken via de formule:
𝐸𝑝 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ
met: m = de massa in kg
g = de valversnelling (hier 9,81m/s²)
h = hoogte in m
De valhoogte in België is nooit zeer hoog omdat het reliëf in België dit niet toelaat.
Daardoor is het vermogen in België beperkt.
Als de valhoogte dus 12,0 meter bedraagt zal de energie van 1,00 kg water gelijk zijn
aan:
𝐸𝑝 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ = 1,00𝑘𝑔 ∙ 9,81𝑚/𝑠² ∙ 12,0𝑚 = 118𝑗𝑜𝑢𝑙𝑒
Figuur 2.3 Valhoogte
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Waterkracht
12
2.2.2 Debiet
Het debiet (Q) van een rivier is hoeveel water er voorbij vloeit per tijdseenheid. Hoe
groter het debiet van deze rivieren, hoe groter het opgewekte vermogen. Het debiet
is uitgedrukt in m³/s. Dus:
𝑄=
𝑉
∆𝑡
Met :
Q= debiet in kubieke meter per seconde
V= volume in kubieke meter
Δt= verlopen tijd in seconden
2.2.3 Formule vermogen
Het vermogen van een waterkracht centrale kan je via volgende formule berekenen:
P = ρ.g.Q.h.η
Waarin:
P = Vermogen (Watt)
ρ = Dichtheid van water (kg/m³) (altijd constant)
g = Valversnelling (m/s²) (in onze contreien altijd
9,81m/s²)
Q = Debiet (m³/s) (afhankelijk van de stroom)
h = Valhoogte ( meter ) (afhankelijk van het reliëf)
η = Rendement (afhankelijk van meerdere factoren)
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Waterkracht
13
Afleiding:
Omdat vermogen niets anders is dan geleverde energie per
tijdseenheid is
𝑃=
𝐸𝑝
∆𝑡
.
Rekening houdend met het rendement wordt dit
𝑃=
𝐸𝑝
∆𝑡
∙ η.
Hierin is
𝐸𝑝 = ℎ ∙ 𝑚 ∙ 𝑔
en
𝑚 =𝑉∙𝜌
Dus is
V
𝑃 = η ∙ ℎ ∙ 𝑔 ∙ ρ ∙ ∆t = η ∙ ℎ ∙ 𝑔 ∙ ρ ∙ Q
Voorbeeld:
Als het debiet van een rivier 1,00 m³/s is en het verval is 2,00 meter en de
centrale werkt met een rendement van 90,0% dan is het vermogen gelijk aan:
Gegeven:
h = 2,00m
Q = 1,00m³/s
𝜂 = 90%
Gevraagd: P = ?
Oplossing:
P = η ∙ h ∙ g ∙ ρ ∙ Q = 0.90 ∙ 2,00m ∙
Industriële Wetenschappen
9.81m 1000kg
∙
∙ 1,00m3 ⁄s = 17,7kW
2
3
s
m
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Kleine waterkracht
14
3 Kleine waterkracht
Kleine waterkracht is waterkracht die minder dan 1MW opwekt maar deze grens is
niet alles zeggend. Deze grens is bedoeld om een onderscheid te maken tussen
installaties die een grote invloed hebben op de waterloop en deze die dat niet doen.
Als de installatie geen grote verandering in de waterloop brengt dan is dit een kleine
waterkracht. Bij een kleine waterkracht wordt het water veelal een klein stuk
omgeleid en geconcentreerd, de installatie staat ook meestal direct naast de
waterloop zodat er geen leidingen naartoe moeten lopen. In België zijn bijna alle
waterkrachtcentrales kleine waterkracht. Er zijn ongeveer 57 waterkrachtcentrales
waarvan er 44 kleine waterkracht zijn.
3.1 Voorbeeld
Een voorbeeld van kleine waterkracht is de Boembekemolen die we later nog
bespreken. Deze molen levert maar weinig vermogen op en maakt geen grote
veranderingen in de waterloop. Deze molen is gewoon in een beek, de Zwalm,
geïntegreerd.
Figuur 3.1 Boembekemolen voor en na
restauratie
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Kleine waterkracht
15
3.2 De waterkrachtcentrales in België
Er bestaan verschillende soorten waterkracht aangepast aan het gevraagde
vermogen en de soort waterloop. We onderscheiden 3 types:

Bij sommige waterlopen wordt eerst een stuwmeer aangelegd op een hoger
gelegen plateau. Hieruit wordt het water meestal via een buis naar de
lagergelegen centrale geleid. Deze centrales hebben bijna altijd een hoger
vermogen.

Daarnaast bestaat ook het waterrad. Deze wordt rechtstreeks aangesloten op
de waterloop. Het waterrad heeft meestal ook een kleiner vermogen. De
stroming moet ook constant zijn en niet te sterk of de constructie begeeft het.

We hebben ook de spaarbekkencentrales of pompcentrales. Deze centrales
leveren energie op piekmomenten (wanneer er nood aan is) en wanneer er
geen energie nodig is pompen ze water naar het bovengelegen stuwmeer.
Deze centrales dienen als energiebuffer.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Kleine waterkracht
16
3.3 Actualiteit van waterkracht in België
Het Albert kanaal telt 6 sluizencomplexen daarop worden de 6 pompcentrales
gebouwd. In de zomer van 2010 werd begonnen met de bouw van 6
waterkrachtcentrales op het Albert kanaal . Deze zouden moeten klaar zijn tegen
2016. De bouw van deze waterkrachtcentrales samen zou 21 miljoen euro bedragen,
3.5 miljoen per centrale. Tegen eind 2011 waren er al twee afgewerkt nu wordt nog
gewerkt aan de overige 4. Allemaal samen zouden deze centrales stroom leveren
voor 10000 gezinnen.
Hieronder hebben we een aantal centrales in België op kaart gezet en van elke soort
centrale er enkele geselecteerd.
Figuur 3.2 Enkele waterkrachtcentrales in België
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Kleine waterkracht
17
1. Coo Trois Ponts ; Trois-Ponts : Dit is een spaarbekken centrale op een
meander van de Amblève met een valhoogte van 270 meter en levert
gemiddeld 385 kW.
Figuur 3.3 Luchtfoto van Coo Trois Ponts
2. Lixhe ; Vise: dit is een waterkrachtcentrale gebouwd op de Maas, deze levert
22979 kW. Dit is een van de 6 pompinstallaties op het Albertkanaal.
Figuur 3.4 Luchtfoto van Lixhe
3. Bütgenbach ; Bütgenbach: Dit is een waterkrachtcentrale met stuwmeer op
de rivier de Warche met een valhoogte van 23 meter met een vermogen van
2106 kW.
Figuur 3.5 luchtfoto van Bütenbach
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Kleine waterkracht
18
4. Monsin ; Luik: Dit is een centrale gebouwd in een sluis met een vermogen
van 17765 kW. Dit is ook een van de 6 pompinstallaties op het Albertkanaal.
Figuur 3.6 Luchtfoto van Monsin
5. Andenne ; Andenne: Dit is ook een centrale gebouwd in een sluis op het
Albertkanaal met een vermogen van 8986 kW
Figuur 3.7 Luchtfoto van Andene
6. Boembekemolen: Deze ligt in Brakel en is nog in aanbouw dit is een oud
waterrad die nu aangepast wordt om elektriciteit op te wekken. Dit heeft een
valhoogte van iets meer dan 2 meter.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Kleine waterkracht
19
7. Route de la Plate Taille Froidchapelle, Henegouwen: Dit is een stuwdam
aangelegd aan een groot natuurlijk stuwmeer op de rivier Eau d’Heure met
een valhoogte van 46 meter en een vermogen van 140 MW
Figuur 3.8 Foto van de brug over de stuwdam van Route de la Plate Taille Froidchapelle
Figuur 3.9 Luchtfoto van Toute de la Plate Taille Froidchapelle
8. Barrage de la Gileppe: Dit is een groot stuwmeer op de rivier Gileppe met
stuwdam en energiecentrale met een valhoogte van 42,9 meter en een debiet
van gemiddeld 76.300 m³/dag. Twee turbines drijven elk een alternator aan.
De centrale levert een jaarlijkse productie van elektriciteit van 3.300.000 kWh.
Figuur 3.10 Luchtfoto van Barrage de la Gileppe
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Kleine waterkracht
20
9. Robertville: Dit grote stuwmeer op de rivier de Warche voedt een drukleiding
van 5,3 km lang naar de energiecentrale van Bevercé, de hoogte van de
stuwdam bedraagt 54.5 meter. De energiecentrale in Bevercé levert en
vermogen van 9902 kW.
Figuur 3.11 Luchtfoto van Robertville
10. Barrage de la Vesdre ; Eupen: Dit is een stuwdam met energiecentrale, de
valhoogte bedraagt 57 meter en het vermogen van de centrale ligt op 1519
kW
Figuur 3.12 Luchtfoto van Barrage de la Vesdre
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Getijdenmolen
21
4 Getijdenmolen
Een getijdenmolen is een molen die gebruik maakt van de getijden. De molen is
gelegen aan een oceaan, zee of rivier die onderworpen is aan getijden. Bij deze
molens wordt bij vloed een reservoir gevuld dat bij eb weer leegloopt. Een reservoir
laten vollopen en leeglopen heeft geen nut. Dus loopt het water via een smalle
doorgang naar het reservoir. In die doorgang wordt een waterrad geplaatst die door
het stromend water aangedreven wordt. Vele van deze molens worden enkel
aangedreven wanneer het reservoir leegloopt. Maar er zijn toch talrijke molens die
zowel bij eb als vloed worden aangedreven. Dit zijn de zogenaamde “dubbele
molens”. Bij deze molens worden allerlei verschillende soorten waterraderen gebruikt
die we in het volgende deel bespreken. Hier in de buurt is er maar 1 getijdenmolen
die nog kan gebruikt worden en dat is de getijdenmolen van Rupelmonde. Bij
modernere molens zijn er vele varianten op deze techniek gebruikt.
Figuur 4.1 Getijdencentrale in
Rupelmonde, met leeg en vol bekken
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Voor en nadelen van groene energie
22
5 Voor- en nadelen van groene energie
5.1 Voordelen van:
Waterkracht: - Er zijn geen fossiele brandstoffen nodig, dus geen uitstoot.
- het water kan ook gebruikt worden bij de irrigatie van
landbouwgrond en drinkwater.
-de centrales hebben vaak een levensduur tot wel 100jaar.
Windkracht:
- geen fossiele brandstof nodig dus geen uitstoot.
- zeer lokaal mogelijk, goed voor als er geen net beschikbaar is.
Zonne-energie:
-geen fossiele brandstof nodig dus geen uitstoot.
5.2 Nadelen van:
Waterkracht: - De aanleg van een stuwmeer is vaak nodig wat zorgt voor het
onderwater lopen van bossen en landbouwgronden.
- Er wordt vaak organisch materiaal verzameld in het stuwmeer dat
door verrotting vaak een grotere uitstoot geeft dan even grote
conventionele centrales.
- Door de grote schommelingen in het waterniveau verdwijnen de
paaigebieden van vissen.
Windkracht: - variabele opbrengsten door veranderingen van windsnelheid. Ook kan
je een lange tijd zonder stroom zitten door windstilte of te hoge
windsnelheden.
-duur
-veel hinder door schaduw en geluid.
Zonne-energie:
- grote oppervlakte nodig.
- enkel overdag
- weersafhankelijk, geen of weinig opbrengst als het bewolkt
weer is
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Watermolens met boven en onderslagrad
23
6 Watermolens met boven- en onderslagrad
6.1 Bovenslagrad
Figuur 6.1 schematische tekening van een bovenslagrad
(2.2 schematische tekening van een bovenslagrad)
Watermolens met bovenslagrad worden meestal toegepast bij beekjes met een
zwakkere stroming. Het water wordt aangevoerd bovenaan het rad (zie foto) De beek
die hiervoor gebruikt wordt, wordt meestal omgeleid met een goot zodat ze de kracht
van de beek optimaal kunnen gebruiken. Het rad wordt meestal iets lager geplaatst
zodat we geen kracht van het water verliezen doordat we de goot onder de
verkeerde helling moeten plaatsen. Soms wordt er ook wel eens een wijer of
molenvijver aangelegd, dit is eigenlijk een soort stuwmeer of een soort buffer. Zo kan
er nog gemalen worden als de beek geen water. Het rendement van een
bovenslagrad ligt tussen de 80% en 90%.
6.2
Onderslagrad
Figuur 6.2 schematische tekening van een onderslagrad
Watermolens met een onderslagrad worden vooral toegepast bij rivieren en beken
met een sterkere stroming. Deze beken of rivieren hebben meestal een vrij klein
verval maar een groter debiet. Het rad wordt op de waterloop geplaatst zodat enkel
de onderkant in het water ligt. Het rendement van de onderslagmolen ligt vrij laag,
ongeveer 20% .
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
6.3
Watermolens met boven en onderslagrad
24
Poncelet rad
Figuur 6.3 schematische tekening van een poncelet rad
Het Poncelet rad heeft op het eerste gezicht veel gelijkenissen met een onderslagrad
al zijn er wel enkele grote verschillen. Zo is de vorm van het rad is veel
ingewikkelder. De schoepen zijn allemaal gebogen en vormen kleine kommetjes
waarin het water toekomt. Ook de aanvoer van het water is iets anders zo wordt het
water van schuin vanonder aangevoerd. De combinatie van de kamers(kommetjes)
en de wateraanvoer zorgt ervoor dat de kamers volledig gevuld zijn met water en
daardoor veel energie kunnen bevatten. Doordat de schoepen zodanig gebogen zijn
kan het water zeer makkelijk uit de kommetjes vloeien dit heeft een positieve invloed
op het rendement. Het Poncelet rad heeft een rendement van ongeveer 65%.
6.4
Zuppinger wiel
Figuur 6.4 Zuppingerwiel in de praktijk en een schematische tekening
Het ontwerp van het Zuppinger wiel lijkt een beetje op dat van het Poncelet rad. Dit
rad heeft ook gebogen schoepen maar in tegenstelling tot het Poncelet rad werkt het
Zuppinger wiel niet met kamers die zich vullen met water. Het water wordt
aangevoerd op dezelfde hoogte als de as van het rad. Dit rad heeft dan ook zeer
weinig last van hoogstaand achterwater. Want dit water kan niet in de kamers blijven
staan zoals bij het Poncelet rad maar stroomt er gewoon door. Het rendement van dit
wiel ligt dan ook hoger dan bij het Poncelet rad, het ligt op 88%.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Watermolens met boven en onderslagrad
25
6.5 Turbines
Wij zullen enkele van de meest gebruikte turbines bespreken maar er bestaan nog
veel meer soorten, ook worden sommige waterraderen omgebouwd tot turbine.
6.5.1 Francis-turbine
De Francis-turbine is de meest gebruikte turbinesoort en is in 1849 uitgevonden door
James Francis. Bij deze turbine word het water radiaal toegevoerd doorheen een
slakkenhuis. De afvoer van het water gebeurt axiaal. De turbine bestaat uit een stator
en een rotor. De stator bestaat uit 2 evenwijdige ringen waartussen statorschoepen
gemonteerd zijn. Deze schoepen kunnen zodanig georiënteerd worden dat de
watertoevoer en dus het vermogen kan geregeld worden. De stator bestaat uit een
rad dat wordt aangedreven door het water. Een uniek iets van deze turbine is, is dat
deze kan gebruikt worden als pomp. Het rendement van deze soort turbine ligt
tussen de 85 en de 90%
6.5.2 Pelton-turbine
De Pelton-turbine is uitgevonden in 1889 door Lestor Pelton. Bij deze turbines wordt
enkel gebruik gemaakt van de kinetische energie. De rotor van deze turbine is
voorzien van een aantal bekers die de vorm hebben van 2 lepels met een
tussenwand. Het water wordt toegevoerd met één tot zes injecteurs die een
waterstraal op de schoepen richten. Het debiet wordt geregeld met een regelnaald
die de doorgang in de injecteur vernauwt.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Watermolens met boven en onderslagrad
26
6.5.3 Kaplan-turbine
De Kaplan-turbine is uitgevonden in 1913 door Viktor Kaplan. Bij deze turbine loopt
het water axiaal onder hoge druk over de schoepen. Door de mogelijkheid van het
veranderen van de hoek van de schoep kan het vermogen constant worden
gehouden bij een fluctuerende waterstroom. De turbine wordt vrijwel altijd verticaal
gebruikt wat resulteert in een grote zuigkracht. Het voordeel van deze turbine is dat
deze in vergelijking met andere turbines een zeer groot debiet aankan. Ze wordt wel
enkel gebruikt bij een verval kleiner dan 50 meter. Het rendement van deze soort
turbine ligt tussen de 85 en de 90%.
Figuur 6.5 In volgorde: Peltonturbine, Francisturbine en Kaplanturbine
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Nieuwe technieken
27
7 Nieuwe technieken
Tegenwoordig worden er steeds meer nieuwe technieken uitgevonden en ontworpen
door mensen in hun vrije tijd. Wij bespreken één van deze ‘nieuwe technieken’,
namelijk de hydrocat. De ‘hydrocat’ werd ontworpen door Alex Erauw en wordt
gebruikt om gewone gezinnen te voorzien van stroom. Hij kan natuurlijk niet overal
gebruikt worden enkel bij gezinnen waarvan hun woonst dicht tegen een stromende
rivier of beek ligt. De ‘hydrocat’ werd zodanig gebouwd dat het in gelijk welke diepte
van het water kan werken en niet blokkeert het stoort of dood geen vissen en heeft
geen problemen met drijvende takken. Het bestaat uit een onderslagrad die drijvende
gehouden wordt en daardoor bijna altijd op de perfecte hoogte zit. Je kan deze
molen met 2 mensen makkelijk verplaatsen. Je moet er wel altijd voor zorgen dat de
molen vastgebonden wordt met een touw aan de oever anders kan deze wegdrijven.
Per jaar kan deze molen 4000 KWh en meer opwekken als je weet dat een
gemiddeld gezin maar 3500 KWh nodig heeft dan zie je in dat dit een zeer bruikbare
installatie is.
Figuur 7.1 De 'Hydrocat' door Alex Erauw
Figuur 7.2 Nog een creatie van Alex Erauw
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Vermogen aan de hand van bestaande molens
28
8 Vermogen aan de hand van bestaande molens
Zoals eerder uitgelegd is het vermogen van een molen of een waterkrachtcentrale
afhankelijk van het verval, het debiet en de gravitatiekracht. Daardoor is het
vermogen van de verschillende centrales anders. Ook al is de gravitatiekracht overal
nagenoeg gelijk op aarde, het verval en het debiet is nooit volledig gelijk. We
vergelijken hieronder enkele centrales in België. Ter vergelijking de kleinste
Belgische kerncentrale doel 1 levert 460MW
8.1 Coo trois ponts
Deze centrale heeft het grootste verval van de besproken centrales namelijk
270meter. Maar omdat dit een pompcentrale is die dient voor het opvangen van
energieoverschotten is het debiet van deze centrale niet zo groot als bij andere
centrales en is het gemiddeld vermogen slechts 385kW.
8.2 Bütgenbach
Met 23 meter heeft deze centrale het minste verval maar de centrale haalt toch een
vermogen van 2106kW omdat het volledige debiet van de Warche wordt gebruikt.
8.3 Route de la Plate Taille Froidchapelle
De stuwdam van deze centrale zorgt voor een valhoogte van 46 meter waardoor
deze een vermogen van 140MW opwekt wat het grootste vermogen van alle
besproken centrales is.
8.4 Barrage de la Gileppe
Door de valhoogte van 42,9 meter en het gemiddelde debiet van 76 300 m³/dag of
883l/s die 2 turbines aandrijft levert de centrale jaarlijks 3 300 MWh wat overeenkomt
met 376kW.
8.5 Barrage de la Vesdre
Met een vermogen van 1519kW is dit de 2e grootste centrale die we bespreken. De
valhoogte van deze centrale is met zijn 57 meter ook het 2e hoogst.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Autonoom huis
29
9 Autonoom huis
1. Alles wat niet in de woning zelf kan voorzien worden wordt in de dichte
omgeving gezocht bv moestuin voor groenten en fruit. Hierbij kan ook
samengewerkt worden met verschillende buren.
2. Alle basisbehoeften zo dicht mogelijk kunnen winnen door je huis op de juiste
plaatst te bouwen. Hierbij denken we aan watervoorziening voeding energie
we proberen dit allemaal in de onmiddellijke omgeving te verkrijgen.
3. Je moet altijd energiezekerheid via weersonafhankelijk energiesysteem
hebben en anders een buffer creëren. Je kan dit ook bekomen door met
biomassa-energie te werken. en de local grid als back up.
4. Active house = meer produceren dat nodig is een belangrijk principe ter
ondersteuning van het lokaal netwerk en zonder het netwerk te verstoren met
piekbelastingen.
5. Duurzaam: CO2 neutraal en met minimale ecologische voetafdruk. Dit is
realiseerbaar met bio-ecologische bouwmaterialen en biobrandstoffen (PPO
en pellets) in combinatie met zonne-energie.
6. Het autonoom huis past goed in de ruimtelijke ordening en de plaatselijke
architectuur het is ook de bedoeling een bestaand huis te verbouwen in plaats
van een nieuw huis te bouwen.
7. Lowtech: met beheersbare, begrijpbare en zelf te onderhouden technieken.
De bewoner moet in staat zijn om zijn eigen energiehuishouden te beheersen
en te begrijpen.
8. Mobiliteit: hoe minder vervoer hoe beter: wonen waar men werkt, geen ecoslaapsteden en het gebruik van grondstoffen uit de onmiddellijke omgeving.
9. Betaalbaar: De investering in autonomie moet zichzelf terug betalen binnen de
15 jaar.
10. Bioklimatisch: De architectuur moet aangepast zijn aan het klimaat, zodat de
architectuur een maximaal energievoordeel biedt en de nood aan technieken
minimaliseert.
11. Aanpasbaar aan nieuwe technieken: gezien de snelle technische ontwikkeling
inzake de elektriciteits- en de warmteproductie dient de autonome woning
deze ontwikkelingen flexibel te kunnen opvangen.
We zoeken een mogelijkheid om in een autonoom huis (die we hierboven
beschrijven) een waterkrachtinstallatie te verwerken. We schetsen de mogelijkheden
hiervan eens met een paar voor en nadelen.
-
Voordelen:
1. Als gezin en huis ben je onafhankelijk van elektriciteitaanvoer van de
leveranciers.
2. Je moet niet meer jaarlijks betalen.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
-
Autonoom huis
30
Nadelen:
1. Niet iedereen heeft naast zijn huis of in zijn tuin een waterloop of beek
liggen waar genoeg stroming opzit.
2. Soms heb je ook niet zo veel vermogen nodig dan je levert of lever je te
weinig vermogen.
3. Bij kleine beekjes is de stroming meestal niet constant over het hele jaar
4. In aankoop en constructie is elke waterloop verschillend.
5. Wateroverlast (zie extra uitleg hieronder)
-
Conclusies:
1. De waterkracht centrale voor het autonome huis heeft meer nadelen dan
voordelen maar is wel doenbaar als je huis naast een beek of waterloop
gelegen is.
2. De energievoorziening dient onafhankelijk te zijn van het weer wat een
waterloop meestal niet is. Als we dan gewoon aan energievoorziening in
een niet autonoom huis dat aan een waterloop gelegen is kunnen we dit al
makkelijker verwezenlijken.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Autonoom huis
31
9.1 Wateroverlast
Bij watermolens is er altijd een groot gevaar voor wateroverlast en als ieder huis of
huizengroep een eigen watermolen zou hebben zouden overstromingen veel
voorkomen. Maar wateroverlast door molens is ook voorkombaar door verschillende
technieken te gebruiken.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Autonoom huis
32
9.1.1 Bypass
Het wateroverlast wordt veroorzaakt doordat er een vernauwing is aangebracht voor
het waterrad waardoor het water wordt opgehouden. Dit lost men op als er een
bypass wordt geplaatst. Dat is een kanaal naast de molen met een aanpasbare dam
die opengaat als het water te hoog komt en zo het water omleidt.
Figuur 9.1 Principe van een by pass
9.1.2 Aanpasbaar waterrad.
Een andere manier om wateroverlast te voorkomen is zorgen dat het water vlotter
kan doorstromen als het waterniveau te hoog komt. Hiervoor moet de weerstand
door het waterrad verkleint worden. Dit kan men doen door het waterrad op vlotters
te plaatsen die het waterniveau volgen en zo de plek onder het rad vergroot of
verkleint.
Figuur 9.2 Principe van een rad op vlotters
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Invloed op het milieu van waterkrachtcentrales
33
10 Invloed op het milieu van waterkrachtcentrales
10.1 Waterkwaliteit
Waterkracht heeft vooral een invloed op de waterkwaliteit bij grote projecten als er
hoge dammen van minstens 15 meter worden geplaatst. Als men dammen plaatst
wordt er een gebied onderwater gezet waar er veelal fabrieken hebben gestaan.
Hierdoor ziet men bij 80 procent van deze dammen een verslechterde waterkwaliteit,
zoals een verhoogde aanwezigheid van kwik en problemen van sedimentatie. Dit
was het besluit van een onderzoek van International Rivers.
Figuur 10.1 Het vervuilde stuwmeer van de Drieklovendam
10.2 Biodiversiteit
Het begrip biodiversiteit omvat het aantal diersoorten, plantsoorten, bossen,
moerassen,…. In dit onderdeel bespreken we welke invloed waterkrachtinstallaties
hebben op deze gebieden en factoren. Veel hangt af van de soort
waterkrachtcentrale. Als we een gewoon simpel waterrad hebben zoals de eerder
vernoemde boembeke molen zal weinig invloed hebben op plantensoorten en
bossen zolang er niet te veel water opgehouden wordt en er niets onder water wordt
gezet. Als we daarentegen een turbine met stuwmeer beschouwen zal er hiervoor
een veel groter gebied onder water gezet worden waardoor er veel plantensoorten
zullen afsterven in dit gebied. Als er hiervoor ook bossen onder water worden gezet
dan zullen de diersoorten die hier leven er ook onder lijden. Hoe groter de centrale
hoe meer de omliggende flora er zal onder lijden. Bij het bespreken van de
biodiversiteit van de vissoorten verwijs ik naar het onderliggende deel over
vismigratie.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Invloed op het milieu van waterkrachtcentrales
34
10.3 Vismigratie
Veel vissen maken trektochten in de rivieren gedurende hun leven voor te paren. Als
men echter dammen en andere waterkrachtcentrales plaatst kunnen deze vissen niet
meer migreren waardoor deze vissensoorten dreigen te verdwijnen. Er is echter wel
een oplossing voor dit probleem. Om de vissen de plek te geven om te migreren en
toch een hoog waterniveau te houden voor de dam wordt een vissentrap geplaatst.
Een vissentrap is een serie van waterbassins die overlopen in elkaar en die elk op
een ander niveau liggen. De diepte van het overlopende water is diep genoeg voor
de vissen om erdoor te zwemmen, ook kunnen ze in elk bassin uitrusten om verder
te kunnen zwemmen.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Praktische realisatie
35
11 Praktische realisatie
11.1 Mechanisch deel
11.1.1 Ontwerpen totaalbeeld
In het begin van het jaar werd ons gevraagd een miniatuurversie van een
waterkrachtcentrale te bouwen. We startten in september met het ontwerpen en
beredeneren van ideale en makkelijk te bouwen miniatuurcentrale. We kwamen uit
op een makkelijk te realiseren basisontwerp waar later in het jaar nog veel
aanpassingen zouden gebeuren. Hieronder ziet u dan ook een foto van onze eerste
ontwerpen.
Figuur 11.1 De eerste schetsen
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Praktische realisatie
36
11.1.2 Beredeneren van de te gebruiken schoepen
We dienden ook al op voorhand te weten wel soort schoepen we zouden gebruiken
of toch zeker hoe deze er zouden uitzien. Na verschillende soorten turbines en
raderen te bekijken werden we het meest aangetrokken tot het ontwerp van de
peltonturbine. We wisten ook dat een identieke kopie onmogelijk mede door het
ingewikkelde ontwerp en de hoge druk die we nodig hadden. Het stond dus vast dat
we een eigen versie van deze turbine gingen ontwerpen en bouwen.
Figuur 11.2 Schetsen van de turbine
11.1.3 Uittekenen van constructie kaders + afmetingen vastzetten
In december werd het dan tijd om de afmetingen van onze kaders vast te zetten.
Voor het grote kader die later het vat zou omhooghouden kwamen we uit op een
hoogte van 1m60, deze hoogte werd later natuurlijk nog hoger door er wielen onder
te plaatsen. Het kleine kader was dan weer 1m op 1m op 40 cm. Nadat we wisten
welke buizen we gingen gebruiken tekende mevrouw De Taeye de constructie uit
voor ons. We hebben voor het grote kader vierkanten buizen gebruikt van 2 m dik die
4cm op 4cm waren. Voor het kleine kader waren deze buizen maar 2.5cm op 2.5cm.
Mevrouw De Taeye bezorgde ons ook voor een zaaglijst waar we later me naar de
magazijnier konden gaan. Deze verzaagde de lange buizen van 6m tot de stukken
die wij direct konden aan elkaar lassen. Hieronder ziet u de eerste schetsen en de
tekeningen van mevrouw De Taeye.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Praktische realisatie
37
Figuur 11.3 Eerste schetsen van het kader en de uiteindelijke tekeningen
11.1.4 Lassen kaders + oriënteren van de kaders + opvangbak
Eenmaal we de op voorhand gezaagde buizen hadden was er nog een halve dag
werk om hiervan onze kaders te lassen. De moeilijkheid was vooral om alle kaders
haaks op mekaar te lassen zonder dat de vierkante buizen ergens gedraaid zaten.
Van zodra de kaders gelast waren konden we proberen de 2 kaders in mekaar te
bevestigen. Hierbij moesten rekening houden dat het kleine kader zeker niet te hoog
in het grote kader zat. Hoe lager het kleine kader zat hoe meer verval er tussen het
vat en het rad was, dus hoe meer druk we hebben. Maar als we het kleine kader dan
weer te laag gingen dan ging deze later dan weer in het water hangen van de
opvangbak, hierdoor zou het ijzer kunnen roesten. De opvangbak maakten we uit de
onderkant van een vat die identiek is als het bovenste vat. Hieronder ziet u nog
enkele foto’s van de gelaste kaders en hoe ze in elkaar bevestigd zijn.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Praktische realisatie
38
Figuur 11.4 De kaders voor het eerst in elkaar gemonteerd
Figuur 11.5 Systeem van de montage van de kaders
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Praktische realisatie
39
11.1.5 Ontwerpen en construeren van schoepen, rad en as
Op voorhand wisten we al dat we gebruik gingen maken van een soort peltonturbine.
Maar doordat we minder druk hebben dan bij een normale peltonturbine waren we
genoodzaakt deze een beetje aan te passen. Zo hebben we de diameter iets groter
gemaakt waardoor ons moment rond de as iets groter werd. De schoepen van een
normale peltonturbine zijn ook zeer ingewikkeld gebouwd waardoor je ze sowieso
zou moeten laten uitfrezen. Wij hebben er daarom ook voor gekozen om de
schoepen een beetje solistischer te bouwen waardoor we alles zelf konden doen. De
werking en het doel van de peltonschoepen bleven hierbij onveranderd. Hieronder
vindt u een foto die de werking en het doel van de peltonschoepen nader toelicht.
Figuur 11.6 Lagering van het rad
Figuur 11.7 Eerste testen van het uiteindelijke rad
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Praktische realisatie
40
Figuur 11.8 Technische tekening van de as van het rad
Figuur 11.9 Tekeningen van het rad
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Praktische realisatie
41
11.1.6 Uittekenen en bouwen lagering + tussenbalk
Eenmaal we ons schoepenrad hadden moest er een lagering worden voorzien. We
bestelden lagers met lagerkussens op school en tekenden een lagerbalk uit die dan
in het kleine kader kon worden gelast. We moesten ook rekening houden met een
wachttijd van 4 weken doordat we het via school bestelden. In afwachting van onze
lagers konden we alvast de lagerbalken in ons kader lassen. Hieronder ziet u enkele
tekeningen van de lagers en de tussenbalk. Ook enkele foto’s van hoe we dit
assembleerden vindt u hierboven terug bij 3.1.5.
Figuur 11.10 Technische tekening voor de bevestiging van de lagers
11.1.7 Assemblage rad + rad in kader monteren
Om de schoepen te bouwen maakten we gebruik van stukken halve pvc-buis met
diameter 5 cm deze bevestigden we met tec7(sterke lijmsoort) aan een metalen
plaatje zoals hieronder weergegeven. Deze plaatjes waren voorzien van 2 gaatjes
aan de ene kant en aan de andere kant kwamen de schoepen. We lieten op school
een aluminium schijf zagen van 6 mm dik. Deze schijf werd door één van de
praktijkleerkrachten voorzien van gaten zodat er 18 schoepen op gelijke afstand van
elkaar aan konden bevestigd worden. Ook werd er in het midden van de schijf 1
groot gat geboord met daar rond nog 4 gaten om de as in te bevestigen. De
tekeningen van de as en de schijf met schoepen vindt u hieronder terug ook enkele
foto’s staan hieronder.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Praktische realisatie
42
Figuur 11.11 Tussenbalk in het binnenframe
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Praktische realisatie
43
11.1.8 Installeren van de nieuwe buizen
Aangezien de uitgang waarvan het vat al voorzien was veel te klein was en de kraan
de doorstroom van het water teveel hinderde maakten we zelf 2 uitgangen bij. Deze
uitgangen werden onderaan het vat gemaakt door 2 gaten te boren door het vat en
daar een pvc flens bevestiging aan te sluiten. Deze flens werd extra verzekerd met
silicone. De grootste uitdaging was om de moeren binnenin het vat vast te houden.
Hieronder ziet u enkele foto’s van hoe we dit gerealiseerd hebben en ook hoe het
eindresultaat eruit ziet.
Figuur 11.12: moer vasthouden binnenin het vat
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Praktische realisatie
44
Figuur 11.13: onderkant van het vat met de nieuwe uitgang
Figuur 11.14: één van de twee nieuwe uitgangen
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Praktische realisatie
45
11.1.9 Spuitmonden testen en aanpassen
Nadat we het rad getest hadden met ondermaatse spuitmonden die zeer
onnauwkeurig waren en we ook zeer smalle buizen hadden gebruikt die bovendien
gevoed werden met water door een zeer smalle doorgang kwamen de nieuwe
stukken toe. Door de stukken die we nu hadden konden we onderaan het vat gaten
boren met diameter 65 mm hierop sloten we dan een darm aan met diameter 63 mm.
We hadden ook nieuwe spuitmonden die veel nauwkeuriger waren. Door al deze
verbeteringen kregen we een toerental van 130 toeren per minuut in plaats van de 70
tr/min die we kregen met de smalle buizen. Hieronder staan enkele afbeeldingen van
de dikke buizen die we uittesten. En de verschillende standen die we al uittestten.
Figuur 11.15 Eerste test voor het debiet
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Praktische realisatie
46
Figuur 11.16Tweede test voor het debiet
Figuur 11.17 Het rad met de spuitmonden op de juiste plaats
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Praktische realisatie
47
11.1.10
Kader verstevigen
We hadden al verschillende keren het vat op het kader geplaatst maar toen we het
op een keer echt vol deden zagen we dat het kader zeer onstabiel en wankel was
onder de 1000 kg van het vat. We waren dan ook genoodzaakt het kader zwaar te
verstevigen. We deden dit door aan 3 zijden diagonale stalen kabels te spannen.
Ook de bovenkant van het kader werd verstevigd. Foto’s van de versteviging vindt u
hieronder terug.
Figuur 11.18 Eerste testen met de afgewerkte darmen
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Praktische realisatie
48
11.1.11
Overbrenging
Via meneer Gervoyse kregen we een gelijkstroommotor ter beschikking die we
konden gebruiken als generator. Het enige nadeel aan deze generator was het
toerental van 3000 tr/min die we moesten bereiken om deze generator een
noembaar vermogen te laten opwekken. Hierdoor moesten we een zeer grote
overbrenging realiseren. Omdat een enkele overbrenging bijna ondoenbaar was
hebben we een dubbele overbrenging gebouwd. We werkten met riemschijven
gemaakt uit een plastic genaamd ertalon. We lieten deze schijven draaien door een
klas uit het 5e jaar mechanica. Ook de as die we nodig hadden in deze dubbele
overbrenging werd door hen gebouwd. Het rad draaide onbelast aan een toerental
van bijna 130 tr/min en we moesten naar een toerental van zeker 3000 toeren per
minuut. We maakten de berekening rekening houdend met vrij veel belasting we
gingen ervan uit dat het rad belast nog een toerental ging halen van 80 toeren per
minuut. We wisten dat het grootste riemschijf die we konden laten maken op school
een diameter had van 220 mm. Als we dit combineerden met een klein schijfje van
35 mm dan kwamen we aan een toerental van 3160 tr/min wat eigenlijk ideaal is.
Hieronder vindt u de berekening voor dit toerental en enkele foto’s van onze
overbrenging.
80 ∙
502,9 ∙
220
= 502,9
35
220
= 3160 𝑡𝑟/𝑚𝑖𝑛
35
Figuur 11.19 De afgewerkte overbrenging
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Praktische realisatie
49
11.1.12
Waterdichtheid verzekeren
Nog een grote uitdaging was het waterdicht krijgen van het kader waar het rad in zit
dit deden we met plexiglas die aan de binnenkant van het kader werd bevestigd. De
voegen werden met silicone waterdicht gemaakt aan de bovenkant staken we er een
stuk binnenband van een fiets tussen die we dan samendrukten met enkele bouten.
Hieronder vindt u terug enkele foto’s ervan.
Figuur 11.20: het kleine kader met rad erin
Figuur 11.21: waterdichte ingang spuitmond
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Praktische realisatie
50
11.2 Elektronisch gedeelte
11.2.1 Vermogen meting
11.2.1.1
Spanningsmeting
Het doel van een waterkrachtcentrale is elektriciteit opwekken en dus was dit ook ons
doel. Hiervan wil je natuurlijk het vermogen weten. Wij doen dit aan de hand van een
elektronische schakeling en een Arduino Mega. We beginnen met de spanning te
meten maar we hebben een problemen omdat een Arduino maar tot 5 volt kan
meten. Om dit op te lossen maken we gebruik van een spanningsdeler. Hierbij plaats
je twee weerstanden in serie en meet je de spanning over 1 weerstand. Om de
verbruiker zo min mogelijk te verstoren gebruik je zeer grootte weerstanden. Als je
wilt meten tot een maximum van 15volt kan je best twee weerstanden nemen waarbij
de weerstand waar je over meet de helft zoveel weerstand heeft als de ander. Je kan
dit ook doen met meer dan 2 weerstanden als de juiste weerstanden niet voor
handen zijn.
De algemene formule voor een spanningsdeler kan bekomen worden met de wet van
ohm die zegt dat:
𝑈 =𝐼∙𝑅
Waarin:
𝑈 = spanning (V)
𝐼 = stroom (A)
𝑅 = weerstand (Ω)
Als je weet dat de stroom in beide weerstanden even groot is als de weerstanden in
serie staan en dat de totale weerstand de som is van de twee afhankelijke
weerstanden dan is de formule:
𝐼=
𝑈
𝑅1 + 𝑅2
En als je de spanning per weerstand bekijkt krijg je:
𝐼=
𝑈1 𝑈2
=
𝑅1 𝑅2
En hiermee kan je de benodigde weerstand berekenen als je 1 weerstand kiest.
11.2.1.2
Stroommeting
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Praktische realisatie
51
Om het vermogen te berekenen moet je ook de stroom weten die door je verbruiker
vloeit. Hiervoor plaats je een zeer kleine weerstand in serie met de verbruiker en
meet je de spanning hierover. Dit principe werkt ook volgens de wet van ohm, als er
een stroom door een weerstand vloeit dan staat er altijd een spanning over die
weerstand die afhankelijk is van de grootte van de stroom. Deze weerstand moet
klein zijn omdat je de verbruiker niet mag storen. Maar als de weerstand zeer klein is
dan is de spanning over de weerstand ook klein en dan zullen de meetfouten zeer
groot zijn. Daarom plaats je een OPAMP waarmee je de spanning versterkt met een
bepaalde factor.
Figuur 11.22 Principe tekening voor stroom te meten
De OPAMP moet gevoed worden met +7V en -7V. Een OPAMP heeft een
inverterende en een niet inverterende ingang, op de niet inverterende ingang sluit je
de positieve klem van de weerstand aan en op de inverterende een spanningsdeler
die tussen de uitgang van de OPAMP staat en de negatieve klem van de weerstand.
Deze spanningsdeler bepaalt hoeveel de spanning wordt versterkt.
Omdat je de versterkingsfactor kent weet je de werkelijke waarde van de spanning
en je weet ook de exacte waarde van de weerstand waardoor je met de wet van ohm
de stroom kan berekenen.
11.2.1.3
Vermogen berekenen
Als je zegt ik meet het vermogen zeg je eigenlijk iets wat niet kan, je meet de stroom
en de spanning zoals ik hierboven beschreef en dan bereken je het vermogen. De
formule hiervoor is zeer makkelijk en je kan ze laten uitvoeren door de arduino
waardoor je zelf niets moet doen.
𝑃 =𝑈∙𝐼
Waarin:
𝑃 = vermogen (W)
𝑈 = spanning (V)
𝐼 = stroom (A)
11.2.2 Toerental meting
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Praktische realisatie
52
Wat ook handig is voor te weten is het toerental van de generator dus maakten wij
hiervoor ook een schakeling. Hiervoor plaats je een magneet aan het uiteinde van de
as van de generator, dit was bij ons al aanwezig. Als dit gebeurt is dan plaats je een
spoel dicht bij het magneetje zodat de magnetische veldlijnen de spoel kunnen
snijden. Wij maakten deze spoel zelf van zeer fijne koperdraad en een ferriet kern.
Als deze spoel gesneden wordt ontstaat er een kleine EMK voor een kort ogenblik,
deze spanning is echter te klein om in te lezen met de arduino waardoor deze
versterkt moet worden. Dit doen we weer met een OPAMP maar in dit geval is het
niet nodig om de spanning met een factor te vergroten dus versterken we de
spanning tot we de voedingsspanning bereiken.
Als we deze spanningspulsjes kunnen inlezen dan kunnen we de tijd tussen 2 pulsen
meten en deze omzetten naar een toerental omdat je weet dat er per toer 1 puls
binnenkomt.
11.2.3 Programmering van de Arduino
In de loop van het schooljaar leerden wij een Arduino programmeren waardoor we al
onze metingen kunnen uitvoeren. We schreven een programma waarmee we het
vermogen en het toerental op een lcd scherm konden zetten en ook op onze pc.
In het programma beginnen we met het vermelden van de library’s die we gebruiken
en bij ons is dit LiquidCrystal voor het lcd scherm. Dan maken we alle variabelen
aan. Hierbij heb je float en int, een float dient voor kommagetallen en een int voor
gewone getallen we vermelden ook de naam van de variabelen en waar ze gelijk aan
zijn.
Figuur 11.23 Begin van het programma
Als we dit gedaan hebben schrijven we een stuk programma dat slechts eenmaal
moet doorlopen worden dit is de setup. Hierin bepalen we de in en uitgangen en
stukken die slechts eenmaal moet doorlopen worden.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Praktische realisatie
53
Figuur 11.24 Setup van het programma
Hierna maken we een de verschillende lussen of loops aan die het programma
overzichtelijk maken. Dit is eigenlijk het hoofdprogramma waarbij er wordt verwezen
naar subroutines
Figuur 11.25 Overzicht van de lussen
Eerst hebben we de lus waarin de analoge kanalen worden ingelezen.
Figuur 11.26 Subroutine voor het inlezen van de kanalen
Nu passen we de ingelezen waarden aan zodat deze een waarde hebben waarmee
we ze ergens kunnen aan linken. In dit gedeelte van het programma meten we ook
het toerental.
Figuur 11.27 Subroutine voor het aanpassen van de waarden
Als we deze waarden allemaal hebben berekend kunnen we ze schrijven naar het lcd
en de pc en dit doen we in de laatste lus.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Praktische realisatie
54
Figuur 11.28 Subroutine voor het weergeven van de waarden
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
12 Nederlands
Lennart Vermeulen
Wittemoerstraat 8
8730 OEDELEM
OEDELEM 2014-11-22
Ecrane Adegem
Koekoeklaan 53
9991 ADEGEM
Sollicitatie stageplaats
Geachte heer Bauwens
Via mijn school heb ik vernomen dat er een stageplaats beschikbaar is in uw bedrijf.
Met deze brief wil ik u vragen of ik in uw bedrijf stage zou mogen lopen. Mijn stage
zou lopen van 30 maart 2015 tot 3 april 2015.
Ik zit nu in het laatste jaar Industriële Wetenschappen in het Provinciaal Technisch
Instituut te Eeklo.
Uw bedrijf produceert grote scheepskranen, iets wat mij mateloos interesseert en
waarover ik graag veel zou bijleren. Op school zijn mijn sterkere vakken mechanica
en elektronica.
Mijn stagecoördinator is meneer Bart Magerman, hij kan u eventueel meer info
bezorgen van mij en ook van de richting die ik volg.
Met hoogachting
Lennart Vermeulen
Van:
[email protected]
Aan:
[email protected]
Onderwerp: Verzoek brochures met info over langere wachttijd
Geachte heer Regelbrugge
Op dinsdag 11 maart vindt in onze school het Provinciaal Technisch Instituut in Eeklo
onze afstudeermarkt plaats. Onlangs werd beslist de wachttijd langer te maken
zodat pas afgestudeerden later een wachtuitkering krijgen als ze geen werk vinden.
In verband met deze verandering heb ik volgend verzoek.
Aangezien deze info vooral van toepassing is voor de leerlingen die ervoor kiezen
niet verder te studeren, zouden wij graag wat extra informatie bekomen over die
wachttijd. Deze info kan ik dan delen met onze studenten in de vorm van brochures.
Onze school telt 300 laatstejaars waarvan zeker 200 leerlingen niet zullen verder
studeren na hun 6e of 7e jaar. Wij zouden dus graag 300 brochures willen aanvragen.
Aangezien de afstudeermarkt al binnen 3 weken is, zou ik de brochures graag al
binnen de 14 dagen ontvangen. Alvast bedankt voor uw moeite.
Hoogachtend
Lennart Vermeulen
(Hoofd administratie PTI Eeklo)
Aan: [email protected]
Van: [email protected]
Onderwerp: sollicitatie netwerk engineer
Geachte mevrouw Van den Eynde
Gisteren vond ik op de website van Jobat uw vacature terug van Netwerk Engineer.
Ik zou dan ook graag solliciteren naar deze job.
Iets wat mij direct aansprak in uw vacature zijn de uitdagende projecten en de
mogelijkheid om extra opleidingen te volgen. In uw functieomschrijving vernoemt u
het fenomeen troubleshouting, dit vind ik een zeer interessante manier van werken.
Ik vindt mezelf hier dan ook helemaal in terug.
Ik bezit een diploma secundair onderwijs Industriële Wetenschappen dat ik behaalde
in het Provinciaal Technisch Instituut in Eeklo. Ik liep al stage bij Ecrane in Adegem
waar ik geleerd heb problemen op te lossen. Thuis beheer ik ook al enkele jaren een
firewall, dit doe ik ook in het bedrijf van mijnmijn ouders. In mijn laatste jaar volgde ik
ook nog een extra cursus ICT in avondschool. Ik ben van nature zeer leergierig en
gemotiveerd, ik doe ook niets liever dan problemen oplossen en ben hier volgens
mijn ouders ook zeer goed in.
Ik zou u dan ook graag ontmoeten in een persoonlijk gesprek waarin ik mijn cv dat
ook in bijlage zit, nader kan toelichten.
Hoogachtend
Lennart Vermeulen
6-TSO-IW
Frans
58
13 Frans
13.1 Demande de documentation
Lennart Vermeulen
Wittemoerstraat 8
8730 OEDELEM
BELGIQUE
+32 7 407 31 38
[email protected]
2014-10-22
Alstom
3 avenue André Malraux
FR-92593 LEVALLOIS PERRET
FRANCE
Demande de documentation
Madame
Monsieur
Vous serait-il possible de me faire parvenir de la documentation sur les équipements
hydroélectriques produits par votre entreprise?
Je suis élève de terminale en section sciences industrielles, dans un lycée flamand,
à Eeklo en Belgique. En ce moment, je prépare un travail de fin d’études sur le
fonctionnement d’une centrale hydroélectrique, et notamment sur les turbines et les
générateurs. Votre documentation à ce sujet me serait donc très utile.
Je vous remercie d’avance de la suite favorable que vous pourriez donner à ma
demande.
Veuillez agréer, madame, monsieur, mes sincères salutations.
Lennart Vermeulen
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Frans
59
13.2 Compréhension technique
13.2.1 Texte de base en français
L’USINE MAREMOTRICE DE LA RANCE
L’usine marémotrice de la Rance, qui a été inaugurée en 1967, est un ouvrage
unique au monde. […].
Les structures en place
Architecture du complexe marémoteur
On distingue d’Est en Ouest :





L’écluse (4), permettant le passage des bateaux entre le bassin maritime et la
mer ;
L’usine proprement dite ;
La « digue morte » (10) : c’est une digue en enrochement complétant la
fermeture de l’estuaire […];
Un barrage mobile (11) : d’une longueur de 115 m, il est équipé de 6 vannes
[…];
Passant sur le barrage, une route à grande circulation […].
Les équipements internes à l’usine
L’enceinte principale, située au cœur d’une digue creuse en béton comporte une
salle des machines abritant les 24 groupes bulbe, 3 transformateurs et la salle de
commande.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Frans
60
Chaque groupe bulbe comporte une turbine hydroélectrique à 4 pales, […]reliée par
son axe à un alternateur, le tout étant enfermé dans une coque métallique immergée
dans un conduit hydraulique. Chacun mesure 5 m de diamètre et pèse près de 5
tonnes. La puissance unitaire est de 240 MW (soit 240 J/s). Ces groupes sont
particulièrement bien adaptés à un dénivelé faible (13 m au maximum) et à un débit
élevé (jusqu’à 300 m3/s). […]
La salle de commande contient un système informatique qui assure le pilotage
automatique de l’usine. Il intègre les paramètres propres à chaque marée afin
d’optimiser la production d’énergie.
De l’énergie des marées à la production d’électricité
[…]
Déroulement chronologique
Lorsque la marée monte, l’eau passe dans le bassin maritime par les vannes
ouvertes, et l’estuaire se remplit. Il est par ailleurs possible de donner un « coup de
pouce » lors de cette étape grâce à un prélèvement d’énergie électrique sur le
réseau EDF : c’est le pompage. Quand la mer est à son plus haut niveau, les vannes
sont fermées. Puis, quand la mer a suffisamment baissé, la chute d’eau (de l’estuaire
vers la mer) entraîne le turbinage, qui fournit alors [de l’]électricité au réseau […]. Ce
cycle est dit « à simple effet » et s’applique à des marées dont le coefficient est
inférieur à 105.
Les particularités de l’usine marémotrice de la Rance
Contrairement aux anciens moulins à marée, l’usine de la Rance exploite l’énergie
marine aussi bien à marée montante qu’à marée descendante. Ce cycle dit « à
double effet » concerne les marées dont le coefficient est supérieur à 105. Il repose
sur le fait que les groupes bulbes et les alternateurs peuvent tourner dans les 2 sens,
c’est-à-dire aussi bien au moment du vidage du bassin (turbinage) que de son
remplissage (turbinage inverse). La production d’électricité est ainsi optimisée.
Source : http://www.geographie.ens.fr/-L-usine-maremotrice-de-la-Rance.html?lang=fr
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Frans
61
13.2.2 Traduction néerlandaise
De getijdencentrale van Rance
De getijdencentrale van Rance, is geopend in 1967, is uniek in de wereld.
Bestaande structuren
De architectuur van de getijdencentrale
We
onderscheiden van oost naar west:
-
De sluis (4), die de doorgang van boten tussen de baai en de zee mogelijk
maakt.
De centrale zelf.
De ‘dode’ dam: een dam uit rotsblokken gemaakt voor het volledig afsluiten
van de riviermonding.
Een beweegbare dam (11) met een lengte van 115 m, die is uitgerust met 6
sluizen.
Over de dam, een drukke weg.
De interne uitrustingen van de centrale
De belangrijkste ruimte die zich in de holle betonnen dam bevindt omvat een
machinekamer , met daarin de 24 bulbturbines, 3 transformatoren en de
controlekamer.
Elke bulbturbine bevat een hydro-elektrische turbine met 4 schoepen die via haar as
met een generator is aangesloten, waarbij het geheel wordt omsloten door een
metalen omhulsel dat is ondergedompeld in een hydraulische buis. Elke bulbturbine
heeft een diameter van 5 meter en weegt bijna 5 ton. Het eenheidsvermogen
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Frans
62
bedraagt 240MW. Deze bulbturbines zijn bijzonder geschikt voor een laag verval (13
m maximum) en hoog debiet(tot 300 m3 / s).
De controlekamer bevat een computersysteem dat de centrale automatisch stuurt.
Het bevat voor elke soort tij een aparte instelling om de energieproductie te
optimaliseren.
De getijdenenergie bij de productie van elektriciteit.
Chronologisch verloop
Door het stijgende getij vult het water de riviermonding via de open sluizen. Het is
ook mogelijk een “boost” te geven door water op te pompen met de energietoevoer
van het Franse elektriciteitsnet. Als de zee op zijn hoogste niveau is zijn de sluizen
gesloten. Dan, als het zeeniveau voldoende gedaald is, drijft het verval (van de
riviermonding naar de zee) de turbines aan, die zo energie leveren aan het net […] .
Deze cyclus wordt de enkelwerkende genoemd en werkt bij getijden met een
coëfficiënt die kleiner is dan 105.
De bijzondere eigenschappen van de getijdencentrale van de Rance
In tegenstelling tot oude getijdenmolens, levert de centrale van de Rance bij zowel
eb als vloed energie. Deze zogenaamde dubbelwerkende cyclus wordt toegepast bij
getijden met een coëfficiënt van meer dan 105. Het is gebaseerd op het principe dat
bulbturbines en dynamo’s in 2 richtingen kunnen draaien, dat wil zeggen zowel bij
het leeglopen ( turbineren ) als bij het vullen ( omgekeerd turbineren ). De
elektriciteitsproductie is zo geoptimaliseerd.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Frans
63
13.2.3 Lexique bilingue
6TSO-IW
Frans
Lennart Vermeulen
Jakob Keerman
Vocabulaire technique
Français
Néerlandais
axe
as
barrage mobile
beweegbare dam
chute d’eau
verval
conduit hydraulique
hydraulische buis
coque métallique
metalen omhulsel
dénivelé faible
laag verval
digue creuse
holle dam
écluse
sluis
estuaire
riviermonding
groupe bulbe
bulbturbine
pilotage automatique
automatische besturing
puissance unitaire
eenheidsvermogen
salle de commande
controlekamer
usine marémotrice
getijdencentrale
vanne
sluis
Industriële wetenschappen
Industriële Wetenschappen
Schooljaar 2014-2015
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Frans
64
13.2.4 Questionnaire
Quelles sont les caractéristiques du barrage ?
C’est un barrage mobile d’une longueur de 115 m et équipé de 6 vannes.
Où se trouve l’usine proprement dite ?
Elle est située dans une digue creuse en béton.
Qu’est-ce qu’il y a dans la salle de machines ?
La salle des machines arbrite 24 groupes bulbe et 3 transformateurs.
Que contient chaque groupe bulbe ?
Chaque groupe bulbe comporte une turbine hydroélectrique à 4 pales, reliée
par son axe à un alternateur.
Quelles sont les caractéristiques de ces groupes bulbes ?
Chaque groupe bulbe est enfermé dans une coque métallique immergée dans
un conduit hydraulique. Chacun mesure 5 m de diamètre et pèse près de 5
tonnes. La puissance unitaire est de 240 MW
Que se passe-t-il dans la salle de commande ?
La salle de commande contient un système informatique qui assure le pilotage
automatique de l’usine.
Il intègre les paramètres propres à chaque marée afin d’optimiser la
production d’énergie.
Expliquez le principe du turbinage.
Lorsque la marée monte, l’eau passe dans le bassin maritime par les vannes
ouvertes, et l’estuaire se remplit. Quand la mer est à son plus haut niveau, les
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Frans
65
vannes sont fermées. Puis, quand la mer a suffisamment baissé, la chute
d’eau entraîne le turbinage, qui fournit alors électricité au réseau.
Qu’est-ce que le cycle ‘’à double effet ?
On parle de cycle ‘’ à double effet’’ quand le turbinage, donc la production
d’électricité, se fait aussi marée montante qu’à marée descendante.
Quelles sont les conditions nécessaires à son application ?
Il fout que les groupes bulbe et les alternateurs puissent tourner dans les deux
sens, c’est-à-dire aussi bien au moment du vidage du bassin que de son
remplissage.
Le coefficient de marée doit être supérieur a 105 .
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Engels
66
14 Engels
14.1 Text
HOW HYDROPOWER WORKS
Hydropower plants capture the energy of falling water to generate electricity. A
turbine converts the kinetic energy of falling water into mechanical energy. Then a
generator converts the mechanical energy from the turbine into electrical energy.
Hydroplants range in size from "micro-hydros" that power only a few homes to giant
dams like Hoover Dam that provide electricity for millions of people.
The photo below shows the Alexander Hydroelectric Plant on the Wisconsin River, a
medium-sized plant that produces enough electricity to serve about 8,000 people.
PARTS OF A HYDROELECTRIC PLANT
Most conventional hydroelectric plants include four major components (see graphic
below):
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Engels
67
1. Dam:
Raises the water level of the river to create falling water. Also controls the flow
of water. The reservoir that is formed is, in effect, stored energy.
2. Turbine:
The force of falling water pushing against the turbine's blades causes the
turbine to spin. A water turbine is much like a windmill, except the energy is
provided by falling water instead of wind. The turbine converts the kinetic
energy of falling water into mechanical energy.
3. Generator:
Connected to the turbine by shafts and possibly gears so when the turbine
spins it causes the generator to spin also. Converts the mechanical energy
from the turbine into electric energy. Generators in hydropower plants work
just like the generators in other types of power plants.
4. Transmission lines:
Conduct electricity from the hydropower plant to homes and business.
HOW MUCH ELECTRICITY CAN A HYDROELECTRIC POWER PLANT MAKE?
The amount of electricity a hydropower plant produces depends on two factors:
1. How Far the Water Falls:
The farther the water falls, the more power it has. Generally, the distance that
the water falls depends on the size of the dam. The higher the dam, the farther
the water falls and the more power it has. Scientists would say that the power
of falling water is "directly proportional" to the distance it falls. In other words,
water falling twice as far has twice as much energy.
2. Amount of Water Falling:
More water falling through the turbine will produce more power. The amount of
water available depends on the amount of water flowing down the river. Bigger
rivers have more flowing water and can produce more energy. Power is also
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Engels
68
"directly proportional" to river flow. A river with twice the amount of flowing
water as another river can produce twice as much energy.
CAN I FIGURE OUT HOW MUCH ENERGY A DAM IN MY AREA CAN MAKE?
Sure. It's not that hard.
Let's say that there is a small dam in your area that is not used to produce electricity.
Maybe the dam is used to provide water to irrigate farmlands or maybe it was built to
make a lake for recreation. As we explained above, you need to know two things:
1. How far the water falls:
From talking to the person who operates the dam, we learn that the dam is 10
feet high, so the water falls 10 feet.
2. Amount of water flowing in the river:
We contact the United States Geological Survey, the agency in the U.S. that
measures river flow, and learn that the average amount of water flowing in our
river is 500 cubic feet per second.
Now all we need to do is a little mathematics. Engineers have found that we can
calculate the power of a dam using the following formula:
Power = (Height of Dam) x (River Flow) x (Efficiency) / 11.8
Power
Height of Dam
River Flow
Efficiency
11.8
The electric power in kilowatts (one kilowatt equals 1,000 watts).
The distance the water falls measured in feet.
The amount of water flowing in the river measured in cubic feet
per second.
How well the turbine and generator convert the power of falling
water into electric power. For older, poorly maintained
hydroplants this might be 60% (0.60) while for newer, well
operated plants this might be as high as 90% (0.90).
Converts units of feet and seconds into kilowatts.
For the dam in our area, lets say we buy a turbine and generator with an efficiency of
80%.
Then the power for our dam will be:
Power = (10 feet) x (500 cubic feet per second) x (0.80) / 11.8 = 339 kilowatts
To get an idea what 339 kilowatts means, let's see how much electric energy we can
make in a year.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Engels
69
Since electric energy is normally measured in kilowatt-hours, we multiply the power
from our dam by the number of hours in a year.
Electric Energy = (339 kilowatts) x (24 hours per day) x (365 days per year) =
2,969,000 kilowatt hours.
The average annual residential energy use in the U.S. is about 3,000 kilowatt-hours
for each person. So we can figure out how many people our dam could serve by
dividing the annual energy production by 3,000.
People Served = 2,969,000 kilowatts-hours / 3,000 kilowatt-hours per person) = 990
people.
So our local irrigation or recreation dam could provide enough renewable energy to
meet the residential needs of 990 people if we added a turbine and generator.
Note: Before you decide to add hydropower to a dam, have a hydropower engineer
review your calculations and consult with the local resource agencies to be sure you
can obtain any permits that are required.
SOURCE: http://www.wvic.com/Content/How_Hydropower_Works.cfm
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Engels
70
14.2 Glossary
Nr
Word
Translation
Context
Explanation
1
average
gemiddeld
The average
amount of water
flowing in our river
is 500 cubic feet
per second.
The amount, level,
standard etc that is typical
of a group of people or
things.
2
convention
al
conventione
el
Most conventional Of the usual, traditional, or
hydroelectric
accepted type, instead of
plants include four being new and different.
major components.
3
Convert
veranderen
It converts units of
feet and seconds
into kilowatts.
To change from one
system, use, or method to
another, or to make
something do this.
4
divide
opsplitsen
So we can figure
out how many
people our dam
could serve by
dividing the annual
energy production
by 3,000.
To separate people or
things into smaller groups
or parts.
5
efficiency
rendement
For the dam in our
area, lets say we
buy a turbine and
generator with an
efficiency of 80%.
The ability to work well and
produce good results by
using the available time,
money, supplies etc in the
most effective way.
6
engineer
ingenieur
Before you decide
to add hydropower
to a dam, have a
hydropower
engineer review
your calculations.
Someone who designs or
builds things such as
roads, railways, bridges, or
machines.
7
generate
genereren
Hydropower plants
capture the energy
of falling water to
To produce power.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Engels
71
generate
electricity.
8
hydroplant
waterkracht- Hydroplants range Special construction that
centrale
in size from "micro- can produce electricity by
hydros" that power using water power.
only a few homes
to giant dams like
Hoover Dam that
provide electricity
for millions of
people.
9
irrigate
bevloeien,
irrigeren
Maybe the dam is
used to provide
water to irrigate
farmlands or
maybe it was built
to make a lake for
recreation.
To bring water to land
through a system of pipes,
ditches etc in order to
make crops grow.
10
kinetic
energy
kinetische
energie
A turbine converts
the kinetic energy
of falling water into
mechanical
energy.
The energy that an object
has as a result of moving.
11
maintain
onderhoude
n
For older, poorly
maintained
hydroplants this
might be 60%.
To make something stay
the same.
12
measure
meten
Electric energy is
Standard measures of the
normally measured metric system such as the
in kilowatt-hours.
litre.
13
multiply
vermenigvuldigen
We multiply the
power from our
dam by the
number of hours in
a year.
To increase by a large
amount.
14
proportion
al
evenredig
Scientists would
say that the power
Correct or suitable in size,
amount, or degree when
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Engels
of falling water is
"directly
proportional" to the
distance it falls.
72
considered in relation to
something else.
15
recreation
herscheppin
g
16
renewable
hernieuwbar Renewable energy
e
is used more and
more.
Renewable energy and
natural materials replace
themselves by natural
processes, so that they are
never completely used up.
17
reservoir
spaarbekke
n
The reservoir that
is formed is, in
effect, stored
energy.
A container, often part of a
machine, where liquid is
kept for a particular
purpose.
18
residential
energy
residentiële
energie
The average
Energy used in an average
annual residential
family .
energy use in the
U.S. is about 3,000
kilowatt-hours for
each person.
19
resource
agencies
hulpagentschappen
Consult with the
local resource
agencies to be
sure you can
obtain any permits
that are required.
Special agencies you can
contact for more
information or help.
20
windmill
windmolen
A water turbine is
much like a
windmill, except
the energy is
provided by falling
water instead of
wind.
A tall building with sails
(=long pieces of wood or
metal) that turn in the wind
and produce power to
crush grain or produce
electricity.
Industriële Wetenschappen
We recreate an old To make something exist
hydroelectric
again
power plant.
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Engels
73
14.3 Outline
1. Introduction
- What does it do
 Capture energy of falling water
 Generate electricity (kinetic into mechanical energy)
2. Parts of hydroelectric power plant
- Dam
Raises water level, creates falling water
Reservoir is stored energy
- Turbine
Force of falling water, turbine spinning
Like windmill with water
Kinetic energy-> mechanical energy
- Generator
Spinning because of turbine
Mechanical energy-> electric energy
- Transmission lines
Transports energy to homes
3. How much electricity can a hydroelectric power plant make?
Depends on:
- how far the water falls
higher dam-> water falls farther-> more power-> bigger power plant
- amount of water falling
more water falling-> more power produced
depends on amount of water flowing down the river
4. can I figure out how much energy a dam in my area can make?
Two things to know:
- how far the water falls
as high as the dam
- amount of water flowing down the river
in cubic metres per second
efficiency
5. calculations
- power=height x river flow x efficiency/11.8
- electric energy
- people served
- power, electric energy, people served of a dam in your area
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Engels
74
14.4 Summary
Hydropower plants capture the energy of falling water to generate electricity. In a
power plant they use several parts: a dam to raise the water level to create falling
water, a reservoir to store energy. The falling water makes the blades of a turbine
spin, to convert the kinetic energy into mechanical energy. It looks like the blades of a
windmill but with water. The generator is connected to the turbine and converts the
mechanical energy into electrical energy. The transmission lines transport the electric
energy to electrical net. The amount of electric energy a power plants makes
depends on the height of the dam and the amount of water flowing in the river. If you
have a higher dam the water falls farther and you can create more electricity, if there
is more water falling down the river you can produce more power. These are also the
numbers you need to calculate how much energy a power plants makes. The only
thing that’s unknown is the efficiency. But if you want to figure out how much power a
power plant makes you need to know the high and the amount of water flowing down
the river.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Engels
75
14.5 Letter
Wittemoerstraat 8
8730 Oedelem
Belgium
6 November 2014
Alstom
53 Rue Baudin
PARIS
FRANCE
Dear Sir
Dear Madam
I’m a last year high school student in Industrial Sciences in the PTI in Eeklo, in
Belgium. My final project is about hydroelectric power plants. Your company
produces parts for hydroelectric power plants.
Due to my final project I need a lot of documentation about these powerplants. On
the Internet I didn’t find much so I hope you could give me more information and
documentation about hydroelectric power plants.
I would be very pleased with some information about your company, too.
You can contact me by email: [email protected].
I look forward to hearing from you.
Yours faithfully
Lennart Vermeulen
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Besluit
76
15 Besluit
Het hoofddoel van onze GIP was het bouwen van een miniatuurwaterkrachtcentrale.
Deze miniatuurcentrale moest oorspronkelijk in een gewoon leslokaal passen en niet
erg moeilijk te bouwen zijn. Doordat we juist dat grote debiet en het grote verval
nodig hebben waren we genoodzaakt om onze plannen toch iets uit te breiden. Iets
wat ik tijdens dit jaar heb bijgeleerd door deze GIP was hoe moeilijk het wel niet is
om iets eigenhandig te ontwerpen. We leerden ook beter en efficiënter
communiceren met leerkrachten. De leerkrachten moesten perfect doorhebben wat
we precies wouden bestellen en waarvoor we dat juist nodig hadden. Het technisch
tekenen en voorstellen van de stukken die we wouden laten maken was ook iets dat
we beter in slaagden tegen het einde van het jaar. Het technisch tekenen en
voorstellen van de stukken die we wouden laten maken was ook iets dat we beter in
slaagden tegen het einde van het jaar.
De grootste uitdaging in het starten van de bouw was het bestellen en laten
construeren van de onderdelen op school. Vooreerst waren er de 4 weken wachttijd
die volgden na iedere bestelling waardoor dat we verplicht waren ver op voorhand
alles te bestellen. Dan was er ook de communicatie met de leerkrachten die ons rad,
de as en de overbrenging die niet altijd even goed verliep waardoor we soms 3 keer
op 1 dag ons moesten melden om nog eens uit te leggen wat de bedoeling was. In
de bouw van de centrale stootten we dan ook op het probleem dat ons kader niet
stevig genoeg was om die 1000 liter water omhoog te houden. Dit probleem losten
we op door stalen kabels tussen het kader te kruisen en de bovenkant te
verstevigen. Een probleem dat we zeker niet in het ongewisse mogen laten was het
waterdicht krijgen van het kleine kader. Dat geraakte dan weer opgelost door de
binnenste voegen te siliconen, de bovenkant werd voorzien van binnen fietsbanden
om waterdichtheid te verzekeren.
Al bij al denk ik dat deze opdracht een zeer goed GIP-onderwerp is voor onze
richting. Het vraagt ons zelf iets te ontwerpen, naar de toekomst toe is dit zeker niet
slecht aangezien er velen van ons doorstromen naar Industrieel Ingenieur. Er zitten
ook verschillende vakgebieden in verwerkt. Voor elektronica maken we een arduino –
schakeling en meten we hiermee het vermogen en het toerental van de generator.
Voor mechanica bereken we de overbrenging. Voor fysica berekenen we het
theoretisch vermogen. Voor aardrijkskunde bespreken we dan weer de gevolgen
voor het milieu.
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Literatuurlijst
77
16 Literatuurlijst
Informatiecentrum Duurzame-energie,Waterkrachtenergie,
http://www.engineering-online.nl/?com=content&action=hydroelectric_power
Onbekend, Waterkrachtcentrale,
http://www.encyclopex.com/waterkrachtcentrale/
Onbekend, Hydroenergie,
http://stasegem.be/wha/index.php/Hydroenergie
Onbekend, Kleine waterkracht,
http://www.ecopower.be/index.php/hernieuwbare-energie/waterkracht
Onbekend, Kleine waterkracht,
http://www2.vlaanderen.be/economie/energiesparen/doc/brochure_kleine_waterkrac
ht.pdf
Filip Doucé, Waterkracht,
http://www.joostdevree.nl/bouwkunde2/jpgg/groene_stroom_85_waterkracht_filip_do
uce_en_annick_dexters.pdf
Carey L. Biron, Hoge dammen, Lage waterkwaliteit,
http://www.ipsnews.be/artikel/hoge-dammen-lage-waterkwaliteit
Tommelein Matthias, Waterkracht,
http://technologischdenken.webklik.nl/page/waterkracht
Hugo Vanderstadt, Het autonome huis
http://www.eco-housing.be/nieuwsbrief7.pdf
www.wikipedia.org
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Figurenlijst
78
17 Figurenlijst
Figuur 2.1 Waterkracht ............................................................................................... 8
Figuur 2.2 De algemene werking van een stuwdam ................................................... 9
Figuur 2.3 Valhoogte ................................................................................................ 11
Figuur 3.1 Boembekemolen voor en na restauratie .................................................. 14
Figuur 3.2 Enkele waterkrachtcentrales in België ..................................................... 16
Figuur 3.3 Luchtfoto van Coo Trois Ponts ................................................................ 17
Figuur 3.4 Luchtfoto van Lixhe ................................................................................. 17
Figuur 3.5 luchtfoto van Bütenbach .......................................................................... 17
Figuur 3.6 Luchtfoto van Monsin .............................................................................. 18
Figuur 3.7 Luchtfoto van Andene .............................................................................. 18
Figuur 3.8 Foto van de brug over de stuwdam van Route de la Plate Taille
Froidchapelle ............................................................................................................ 19
Figuur 3.9 Luchtfoto van Toute de la Plate Taille Froidchapelle ............................... 19
Figuur 3.10 Luchtfoto van Barrage de la Gileppe ..................................................... 19
Figuur 3.11 Luchtfoto van Robertville ....................................................................... 20
Figuur 3.12 Luchtfoto van Barrage de la Vesdre ...................................................... 20
Figuur 4.1 Getijdencentrale in Rupelmonde, met leeg en vol bekken ....................... 21
Figuur 6.1 schematische tekening van een bovenslagrad ........................................ 23
Figuur 6.2 schematische tekening van een onderslagrad......................................... 23
Figuur 6.3 schematische tekening van een poncelet rad .......................................... 24
Figuur 6.4 Zuppingerwiel in de praktijk en een schematische tekening .................... 24
Figuur 6.5 In volgorde: Peltonturbine, Francisturbine en Kaplanturbine ................... 26
Figuur 7.1 De 'Hydrocat' door Alex Erauw ................................................................ 27
Figuur 7.2 Nog een creatie van Alex Erauw ............................................................. 27
Figuur 9.1 Principe van een by pass ........................................................................ 32
Figuur 9.2 Principe van een rad op vlotters .............................................................. 32
Figuur 10.1 Het vervuilde stuwmeer van de Drieklovendam..................................... 33
Figuur 11.1 De eerste schetsen ................................................................................ 35
Figuur 11.2 Schetsen van de turbine ........................................................................ 36
Figuur 11.3 Eerste schetsen van het kader en de uiteindelijke tekeningen .............. 37
Figuur 11.4 De kaders voor het eerst in elkaar gemonteerd ..................................... 38
Figuur 11.5 Systeem van de montage van de kaders .............................................. 38
Figuur 11.6 Lagering van het rad .............................................................................. 39
Figuur 11.7 Eerste testen van het uiteindelijke rad ................................................... 39
Figuur 11.8 Technische tekening van de as van het rad .......................................... 40
Figuur 11.9 Tekeningen van het rad ......................................................................... 40
Figuur 11.10 Technische tekening voor de bevestiging van de lagers ..................... 41
Figuur 11.11 Tussenbalk in het binnenframe............................................................ 42
Figuur 11.12: moer vasthouden binnenin het vat ...................................................... 43
Figuur 11.13: onderkant van het vat met de nieuwe uitgang .................................... 44
Figuur 11.14: één van de twee nieuwe uitgangen .................................................... 44
Figuur 11.15 Eerste test voor het debiet .................................................................. 45
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Figurenlijst
79
Figuur 11.16Tweede test voor het debiet ................................................................. 46
Figuur 11.17 Het rad met de spuitmonden op de juiste plaats.................................. 46
Figuur 11.18 Eerste testen met de afgewerkte darmen ............................................ 47
Figuur 11.19 De afgewerkte overbrenging................................................................ 48
Figuur 11.20: het kleine kader met rad erin .............................................................. 49
Figuur 11.21: waterdichte ingang spuitmond ............................................................ 49
Figuur 11.22 Principe tekening voor stroom te meten .............................................. 51
Figuur 11.23 Begin van het programma ................................................................... 52
Figuur 11.24 Setup van het programma ................................................................... 53
Figuur 11.25 Overzicht van de lussen ...................................................................... 53
Figuur 11.26 Subroutine voor het inlezen van de kanalen ........................................ 53
Figuur 11.27 Subroutine voor het aanpassen van de waarden ................................ 53
Figuur 11.28 Subroutine voor het weergeven van de waarden ................................ 54
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Bijlagen
80
18 Bijlagen
18.1 Enkele foto’s van eindproduct
Industriële Wetenschappen
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Industriële Wetenschappen
Bijlagen
81
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Industriële Wetenschappen
Bijlagen
82
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Industriële Wetenschappen
Bijlagen
83
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Industriële Wetenschappen
Bijlagen
84
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Industriële Wetenschappen
Bijlagen
85
schooljaar 2014-2015
6-TSO-IW
Industriële Wetenschappen
Bijlagen
86
schooljaar 2014-2015