センサーフィッシュと生きた魚を回収するためのバルーンタグを設計および製造するためのプロトコルが提示され、水理構造物での物理的状態と生物学的性能の評価が可能になります。この方法では、バルーンの体積、膨張/収縮時間、コンポーネントの選択、注入された水の特性などの要因を考慮して、バルーンタグの性能を最適化します。
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この記事について
サマリー
要約
魚は、水力発電ダムの水力輸送を通過するときに、下流のバイパスシステム、改造された余水吐、タービンなど、魚に優しいように設計されていても、怪我や死亡を経験する可能性があります。水理構造物の魚の通過条件を研究するために使用される主な方法は、センサーフィッシュ技術と生きた魚を使用した直接の in situ テストです。センサーフィッシュのデータは、魚の通過環境における物理的なストレス要因とその位置を特定するのに役立ち、生きた魚は怪我や死亡率について評価されます。バルーンタグは、センサーフィッシュや生きた魚に外部に取り付けられた自己膨張式のバルーンで、水力構造物を通過した後の回復を助けます。
この記事では、シュウ酸、重炭酸ナトリウム粉末、および2つの異なる温度の水の混合物を含む、さまざまな数の溶解性植物ベースのカプセルを備えたバルーンタグの開発に焦点を当てています。私たちの研究では、18.3°Cで5 mLの水を注入した3つのカプセルを備えたバルーンタグが、一貫して目的のバルーン容量を達成することがわかりました。これらのタグの平均膨張体積は114cm3で、標準偏差は1.2cm3でした。18.3°Cで水を注入したバルーンタグのうち、2カプセルのバルーンタグが完全に膨張するまでに最も長い時間がかかったことが観察されました。さらに、4カプセルのバルーンタグは膨張開始時間が速く、3カプセルのバルーンタグは収縮開始時間が速いことが示されました。全体として、このアプローチは、新技術の性能を検証し、タービン設計を改善し、魚道条件を改善するための運用上の決定を下すのに効果的であることが証明されています。これは、研究やフィールド評価のための貴重なツールとして機能し、油圧構造の設計と操作の両方の改良に役立ちます。
概要
水力発電は、世界的に重要な再生可能エネルギー資源です。米国では、水力発電は再生可能エネルギー源から発電される電力の推定38%にあたる274TWhに貢献しており1、年間約460TWhを追加する可能性があります2。しかし、水力発電の開発が進むにつれて、水力航路中の魚の怪我や死亡に関する懸念が最重要課題となっています3。急激な減圧(気圧外傷)、せん断応力、乱流、ストライク、キャビテーション、粉砕など、さまざまなメカニズムが通過中の魚の損傷に寄与します4。これらの損傷メカニズムは、魚の全体的な状態にすぐに影響を与えることはないかもしれませんが、病気、真菌感染症、寄生虫、捕食に対してより脆弱になる可能性があります5。さらに、タービンやその他の水力構造物との衝突による直接的な人身傷害は、重大な死亡につながる可能性があり、水力発電開発においてこれらのリスクを軽減することの重要性が強調されています。
魚の通過状態を評価するための最も一般的な方法の1つは、水理構造を介してセンサーフィッシュと生きた魚を放流することです6,7。Sensor Fi....
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プロトコル
1. 酸/塩基封入
- ミキシングカップでH2C 2 O4(シュウ酸)およびNaHCO3(重炭酸ナトリウム)の重量で1:2の比率で混合する(材料表を参照)。酸塩基粉末混合物が結晶化している場合は、乳鉢と乳棒を使用して粉砕します(図1A)。
- サイズ3の植物性カプセルと半自動カプセル充填機を取り出して、プロセスを開始します( 材料表を参照)。
- キャップシートを清潔で乾燥した面に平らに置きます。黒いペグを使用してカプセル化シートをキャップシートの上に合わせ、所定の位置に正しく固定します(図1B)。
- 事前に分離されたカプセルを使用しない限り、カプセルの上部と下部を分離します。.サイズ#3の植物性カプセルは、閉じたとき、長さ15.9 mm、外径(OD)5.57 mm、体積0.30 mL、重量47 mgの全体寸法を有する。
- カプセルトップをカプセル化シートに流し込みます(図1C)。円を描くように、上部を穴にそっと振ってください。その間、カプセル化シートの壁の隙間を片手またはパウダースプ....
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結果
バルーンタグの最適な製造方法を検討するため、バルーンに注入する水の量と温度に着目して検討を行いました。この研究では、インフレ開始時間、フルインフレ開始時間、デフレ開始時間、フルインフレ時のバルーンの体積など、さまざまな入力パラメータを調べました。この研究は、周囲温度が21°Cの机で行われました。
この研究のために、合計360個のバルーンタグが準備されました。タグは36セットに分けられ、各セットには10個のバルーンタグが含まれていました。セットは、2カプセル、3カプセル、または4カプセルを含むカプセルの数に基づいて分類されました。各セットのタグに、18.3°Cまたは12.7°Cの温度で5、6、7、8、9、または10mLの水を注入しました。 カプセルの溶解が可能な最低温度は12.7°C、実用性を考慮して室温は18.3°Cとしました。
その結果、12.7°Cの水を使用した場合と比較して、18.3°Cの水を使用した場合の方が完全に膨張するのが速くなることが示されました(図5).......
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ディスカッション
この研究では、18.3°Cで5 mLの水を注入した3カプセルのバルーンタグは、2カプセルおよび4カプセルのバルーンタグと比較して、開始膨張時間が遅く、一貫して体積が大きいと結論付けられました。バルーンタグに12.7°Cの水を注入すると、平均体積が小さくなり、膨張時間が長くなりました。3カプセルが最初に収縮し始め、次に4カプセル、最後に2カプセルが収縮します。各水温に関連する膨張期間と収縮期間は、現場で役立ちます。より長い膨張時間を必要とする研究では、水温が低いとバルーンタグの膨張が遅くなる可能性があり、Martinezらが実施したフィールド調査と同様に、魚やセンサーフィッシュがより広く分布し、より長い回収時間を必要とする大規模な施設での試験が可能になります7,12。より暖かい水は、縮小スケールモデルや、ファーマースクリーンやスケール付き水力タービンなどの小さな水力構造物をテストするためのインフレ率を上げるために利用することができます11,17
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開示事項
著者には利益相反はありません。
謝辞
この研究は、米国エネルギー省(DOE)の水力発電技術局から資金提供を受けました。実験室での研究は、契約DE-AC05-76RL01830の下でDOEのためにBattelleが運営するパシフィックノースウエスト国立研究所で実施されました。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 3Dプリントシリコンストッパープレート | NA | NA | |
| ARC800センサー魚 | ATS | NA | |
| FDM 3DプリンターNA | NA | ||
| 手動カプセルフィラーマシンCN-400CL(サイズ#3) | Capsulcn | NA | |
| モールドスター15 SLOW | Smooth-On | NA | |
| 耐油Buna-N OリングMcMaster-Carr | SN:9262K141 | ||
| シュウ酸、98%、無水粉末(C2H2O4) | サーモサイエンティフィック | CAS:144-62-7 | |
| 輪ゴム拡張ツール | iplusmileNA | ||
| 分離野菜セルロースカプセル(サイズ#3) | カプセル接続 | NA | |
| スマイリーフェイスヨーヨーラテックスバルーン | YoYo | NA | |
| 重炭酸ナトリウム粉末(CHNaO3) | シグマ | CAS:144-55-8 | |
| スペクトルファイバー編組釣り糸(50ポンド) | パワープロ | NA |
参考文献
- Uria-Martinez, R., et al. U.S. Hydropower Market Report. Oak Ridge National Laboratory. , (2021).
- Kao, S., et al. New stream-reach development: a comprehensive assessment of hydropower energy potential in the United States. Oak Ridge N....
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再版と許可
