Sensörlü Balık ve Canlı Balık Geri Kazanımı için Balon Etiketi Üretim Tekniği
Summary
Sensör Balıkları ve canlı balıkları geri kazanmak için balon etiketlerinin tasarlanması ve üretilmesi için bir protokol sunulmakta, hidrolik yapılarda fiziksel durumlarının ve biyolojik performanslarının değerlendirilmesine olanak sağlanmaktadır. Yöntem, balon hacmi, şişirme/indirme süreleri, bileşen seçimi ve enjekte edilen suyun özellikleri gibi faktörleri göz önünde bulundurarak balon etiketi performansını optimize eder.
Abstract
Balıklar, hidroelektrik barajlarındaki hidrolik nakillerden geçtiklerinde, bu nakiller aşağı akış baypas sistemleri, modifiye dolusavaklar ve türbinler gibi balık dostu olacak şekilde tasarlanmış olsalar bile, yaralanmalar ve ölümler yaşayabilirler. Hidrolik yapılarda balık geçiş koşullarını incelemek için kullanılan ana yöntemler, Sensör Balık teknolojisi ve canlı balık kullanılarak doğrudan, yerinde test yapılmasını içerir. Sensör Balık verileri, fiziksel stres faktörlerini ve balık geçiş ortamındaki konumlarını belirlemeye yardımcı olurken, canlı balıklar yaralanma ve ölüm oranı açısından değerlendirilir. Sensör Balıklarına ve canlı balıklara dışarıdan takılan kendiliğinden şişen balonlar olan balon etiketleri, hidrolik yapılardan geçtikten sonra toparlanmalarına yardımcı olur.
Bu makale, iki farklı sıcaklıkta oksalik asit, sodyum bikarbonat tozları ve su karışımı içeren değişen sayıda çözünebilir, bitkisel bazlı kapsüllere sahip balon etiketlerinin geliştirilmesine odaklanmaktadır. Araştırmamız, 18.3 ° C’de 5 mL su enjekte edilen üç kapsüllü balon etiketlerinin sürekli olarak istenen balon hacmine ulaştığını belirledi. Bu etiketlerin ortalama şişirme hacmi 114 cm3, standart sapması 1,2cm3’tür. 18.3 °C’de su enjekte edilen balon künyeleri arasında iki kapsüllü balon künyelerinin tam şişirmeye ulaşmasının en uzun sürdüğü gözlemlendi. Ek olarak, dört kapsüllü balon etiketleri daha hızlı bir enflasyon başlangıç zamanı gösterirken, üç kapsüllü balon etiketleri daha hızlı bir deflasyon başlangıç zamanı gösterdi. Genel olarak, bu yaklaşımın yeni teknolojilerin performansını doğrulamak, türbin tasarımını iyileştirmek ve balık geçiş koşullarını iyileştirmek için operasyonel kararlar almak için etkili olduğu kanıtlanmıştır. Araştırma ve saha değerlendirmeleri için değerli bir araç olarak hizmet eder ve hidrolik yapıların hem tasarımının hem de işletilmesinin iyileştirilmesine yardımcı olur.
Introduction
Hidroelektrik, dünya çapında önemli bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Amerika Birleşik Devletleri’nde hidroelektrik, yenilenebilir kaynaklardanüretilen elektriğin tahminen %38’ine veya 274 TWh’sine katkıda bulunur 1 ve yılda yaklaşık 460 TWh ekleme potansiyeline sahiptir2. Bununla birlikte, hidroelektrik gelişimi arttıkça, hidrolik geçiş sırasında balık yaralanması ve ölümleri ile ilgili endişeler çok önemli hale gelmiştir3. Hızlı dekompresyon (barotravma), kayma gerilimi, türbülans, grevler, kavitasyon ve öğütme dahil olmak üzere geçiş sırasında balık yaralanmalarına çeşitli mekanizmalar katkıda bulunur4. Bu yaralanma mekanizmaları balığın genel durumu üzerinde hemen bir etkiye sahip olmasa da, onları hastalıklara, mantar enfeksiyonlarına, parazitlere ve avlanmaya karşı daha savunmasız hale getirebilir5. Ek olarak, türbinler veya diğer hidrolik yapılarla çarpışmalardan kaynaklanan doğrudan fiziksel yaralanmalar önemli ölümlere yol açabilir ve hidroelektrik gelişiminde bu risklerin azaltılmasının önemini vurgulamaktadır.
Balık geçiş koşullarını değerlendirmek için en yaygın yöntemlerden biri, Sensör Balıkları ve canlı balıkları hidrolik yapılar 6,7 yoluyla serbest bırakmaktır. Sensör Balık, balıkların türbinler, dolusavaklar ve baraj baypas alternatifleri 8,9 dahil olmak üzere hidrolik yapılardan geçiş sırasında yaşadıkları fiziksel koşulları incelemek için tasarlanmış otonom bir cihazdır. 3D ivmeölçer, 3D jiroskop, sıcaklık sensörü ve basınç sensörü9 ile donatılmış Sensor Fish, balık geçiş koşulları hakkında değerli veriler sağlar.
Sensör Balıklarına ve canlı balıklara dışarıdan takılan kendiliğinden şişen balonlar olan balon etiketleri, hidrolik yapılardan geçtikten sonra toparlanmalarına yardımcı olur. Balon etiketleri, gaz üreten kimyasallarla (örneğin oksalik asit ve sodyum bikarbonat) doldurulmuş çözünebilir kapsüllerden, bir silikon tıpadan ve bir misinadan oluşur. Yerleştirmeden önce, silikon tıpadan balonun içine su enjekte edilir. Su, bitkisel bazlı kapsülleri çözerek balonu şişiren gaz üreten kimyasal bir reaksiyonu tetikler. Bu nötralizasyon reaksiyonunda, zayıf bir baz olan sodyum bikarbonat ve zayıf bir asit olan oksalik asit, karbondioksit, su ve sodyum oksalat10 oluşturmak üzere reaksiyona girer. Kimyasal reaksiyon aşağıda verilmiştir:
2NaHCO3+ H2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C2 O4
Şişirilmiş balon, Sensör Balıklarının ve canlı balıkların kaldırma kuvvetini artırarak, daha kolay iyileşme için su yüzeyinde yüzmelerini sağlar.
Yüzdürme sağlamak ve bir numunenin (örneğin, Sensör Balığı veya canlı balık) alınmasını kolaylaştırmak için gereken balon etiketlerinin sayısı, numunenin hacmine ve kütle özelliklerine bağlı olarak değişebilir. Balon etiketi şişirme süresi, farklı sıcaklıklarda su enjekte edilerek ayarlanabilir. Daha soğuk su şişirme süresini artırırken, daha sıcak su onu azaltacaktır. Balon etiketleri, Hood River, Oregon11’deki benzersiz bir yatay, düz plaka balık ve enkaz perde yapısı olan Farmers Screen ve Lao Demokratik Halk Cumhuriyeti12’deki Nam Ngum Barajı’ndaki bir Francis türbini dahil olmak üzere çeşitli yerlerde başarıyla kullanılmıştır. Piyasada bulunan bir başka balon etiketi örneği de Hi-Z Turb’N Tag13,14’tür. Hi-Z Turb’N Etiketi, şişirme süresinin enjekte edilen su sıcaklığına bağlı olarak 2 dakika ile 60 dakika arasında ayarlanmasını sağlar13. Bu teknoloji, Columbia Nehri üzerindeki Rocky Reach Barajı’nda salınan Chinook somon smoltlarını ve Connecticut Nehri15,16 üzerindeki Hadley Falls Barajı’ndaki genç Amerikan tıraşını içeren çalışmalar da dahil olmak üzere birçok saha sahasında balık çalışmalarında kullanılmıştır. Her iki teknoloji de geri kazanım için balon etiketlerini şişirmek için asit-baz kimyasal reaksiyonlarını kullanır.
Bu yöntem, balon başına yalnızca 0,50 ABD doları tahmini malzeme maliyeti ile üretimde maliyet etkinliği ve basitlik sunar. Burada açıklandığı gibi, üretim sürecini takip etmek kolaydır ve balon etiket üretimini herkes için erişilebilir hale getirir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışma, 18.3 ° C’de 5 mL su enjekte edilen üç kapsüllü balon etiketlerinin, iki kapsüllü ve dört kapsüllü balon etiketlerine kıyasla daha yavaş bir başlangıç şişirme süresine ve sürekli olarak daha büyük hacme sahip olduğu sonucuna varmıştır. Balon etiketlerine 12.7 °C’de su enjekte edildiğinde, ortalama hacim daha küçüktü ve şişirme süresi daha uzundu. Önce üç kapsül sönmeye başlar, ardından dört kapsül ve son olarak iki kapsül gelir. Her su sıcaklığıyla ilişkili e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma ABD Enerji Bakanlığı (DOE) Su Gücü Teknolojileri Ofisi tarafından finanse edilmiştir. Laboratuvar çalışmaları, DE-AC05-76RL01830 Sözleşmesi kapsamında DOE için Battelle tarafından işletilen Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı’nda gerçekleştirilmiştir.
Materials
| 3D Printed Silicone Stopper Plate | NA | NA | |
| ARC800 Sensor Fish | ATS | NA | |
| FDM 3D printer | NA | NA | |
| Manual Capsule Filler Machine CN-400CL (Size #3) | Capsulcn | NA | |
| Mold Star 15 SLOW | Smooth-On | NA | |
| Oil-Resistant Buna-N O-Ring | McMaster-Carr | SN: 9262K141 | |
| Oxalic Acid, 98%, Anhydrous Powder (C2H2O4) | Thermo Scientific | CAS: 144-62-7 | |
| Rubber Band Expansion Tool | iplusmile | NA | |
| Separated Vegetable Cellulose Capsules (Size #3) | Capsule Connection | NA | |
| Smiley Face YoYo Latex balloon | YoYo Balloons, Etc. | NA | |
| Sodium Bicarbonate Powder (CHNaO3) | Sigma | CAS: 144-55-8 | |
| Spectra Fiber Braided Fishing Line (50 lbs.) | Power Pro | NA |
References
- 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 National Laboratory. , (2014).
- Martinez, J. J., Deng, Z. D., Mueller, R., Titzler, S. In situ characterization of the biological performance of a Francis turbine retrofitted with a modular guide vane. Applied Energy. 276, 115492 (2020).
- Čada, G. l. e. n. n. . F. The development of advanced hydroelectric turbines to improve fish passage survival. Fisheries. 26, 14-23 (2001).
- Tuononen, E. I., Cooke, S. J., Timusk, E. R., Smokorowski, K. E. Extent of injury and mortality arising from entrainment of fish through a Very Low Head hydropower turbine in central Ontario, Canada. Hydrobiologia. 849, 407-420 (2020).
- Deng, Z., Carlson, T. J., Duncan, J. P., Richmond, M. C., Dauble, D. D. Use of an autonomous sensor to evaluate the biological performance of the advanced turbine at Wanapum Dam. Journal of Renewable and Sustainable Energy. 2, 053104 (2010).
- Martinez, J. J., et al. Hydraulic and biological characterization of a large Kaplan turbine. Renewable energy. 131, 240-249 (2019).
- Zhiqun Deng, , et al. Six-degree-of-freedom sensor fish design and instrumentation. 7, 3399-3415 (2007).
- Deng, Z. D., et al. Design and implementation of a new autonomous sensor fish to support advanced hydropower development. Review of Scientific Instruments. 85, 115001 (2014).
- Deng, Y., Jia, Y., Haoran, L. Effects of ionicity and chain structure on the physicochemical properties of protic ionic liquids. AIChE Journal. 66 (10), e16982 (2020).
- Salalila, A., Deng, Z. D., Martinez, J. J., Lu, J., Baumgartner, L. J. Evaluation of a fish-friendly self-cleaning horizontal irrigation screen using autonomous sensors. Marine and Freshwater Research. 70, 1274-1283 (2019).
- Martinez, J., et al. In situ characterization of turbine hydraulic environment to support development of fish-friendly hydropower guidelines in the lower Mekong River region. Ecological engineering. 133, 88-97 (2019).
- Heisey, P. G., Mathur, D., D’Allesandro, L. A new technique for assessing fish passage survival at hydro power stations. International Atomic Energy Agency. , (1993).
- Heisey, P. G., Mathur, D., Rineer, T. A reliable tag-recapture technique for estimating turbine passage survival: application to young-of-the-year American shad (Alosa sapidissima). Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 49 (9), 1826-1834 (1992).
- Mathur, D., Heisey, P. G., Euston, E. T., Skalski, J. R., Hays, S. Turbine passage survival estimation for chinook salmon smolts (Oncorhynchus tshawytscha) at a large dam on the Columbia River. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 53 (3), 542-549 (1996).
- Mathur, D., Heisey, P. G., Robinson, D. A. Turbine-passage mortality of juvenile American shad at a low-head hydroelectric dam. Transactions of the American Fisheries Society. 123 (1), 108-111 (1994).
- Watson, S., et al. Safe passage of American Eels through a novel hydropower turbine. Transactions of the American Fisheries Society. 151, 711-724 (2022).
- Al-Tabakha, M. o. a. w. i. a. . M., et al. Influence of capsule shell composition on the performance indicators of hypromellose capsule in comparison to hard gelatin capsules. Drug Development and Industrial Pharmacy. 41 (10), 1726-1737 (2015).
- . Hydropower Vision. U.S. Department of Energy. , (2016).
- Duncan, J. o. a. n. n. e. . P., et al. Physical and ecological evaluation of a fish-friendly surface spillway. Ecological Engineering. 110, 107-116 (2018).
- Trumbo, B. r. a. d. l. y. . A., et al. Improving hydroturbine pressures to enhance salmon passage survival and recovery. Reviews in fish biology and fisheries. 24, 955-965 (2014).
- Pohanish, R. P. . Sittig’s handbook of toxic and hazardous chemicals and carcinogens. , (2017).
- U.S. Food and Drug Administration. . CFR – Code of Federal Regulations Title 21. , (1994).
