센서 물고기 및 살아있는 물고기 회수를 위한 풍선 태그 제조 기술
Summary
Sensor Fish 및 활어를 회수하기 위한 풍선 태그를 설계 및 제조하기 위한 프로토콜이 제시되어 유압 구조물에서 물리적 상태와 생물학적 성능을 평가할 수 있습니다. 이 방법은 풍선 부피, 팽창/수축 시간, 성분 선택 및 주입된 물의 특성과 같은 요소를 고려하여 풍선 태그 성능을 최적화합니다.
Abstract
물고기는 수력 발전 댐의 유압 운송 수단을 통과 할 때 부상과 사망을 경험할 수 있으며, 이러한 운송 수단이 하류 우회 시스템, 수정 된 배수로 및 터빈과 같이 물고기 친화적으로 설계된 경우에도 마찬가지입니다. 유압 구조물의 물고기 통과 조건을 연구하는 데 사용되는 주요 방법에는 Sensor Fish 기술과 살아있는 물고기를 사용한 직접 현장 테스트가 포함됩니다. Sensor Fish 데이터는 물리적 스트레스 요인과 물고기 통로 환경에서의 위치를 식별하는 데 도움이 되며, 살아있는 물고기는 부상 및 사망률을 평가합니다. Sensor Fish와 살아있는 물고기에 외부에 부착된 자체 팽창 풍선인 풍선 태그는 유압 구조물을 통과한 후 회복을 돕습니다.
이 기사에서는 두 가지 다른 온도에서 옥살산, 중탄산나트륨 분말 및 물의 혼합물을 포함하는 다양한 수의 용해성 식물성 캡슐이 포함된 풍선 태그의 개발에 중점을 둡니다. 우리의 연구는 18.3 °C에서 5 mL의 물을 주입한 3개의 캡슐이 있는 풍선 태그가 원하는 풍선 부피를 일관되게 달성한다는 것을 확인했습니다. 이 태그의 평균 팽창량은 114 cm3 이고 표준 편차는 1.2 cm3 입니다. 18.3°C에서 물을 주입한 풍선 태그 중 2캡슐 풍선 태그가 전체 팽창에 도달하는 데 가장 오랜 시간이 걸리는 것으로 관찰되었습니다. 또한, 4캡슐 풍선 태그는 더 빠른 인플레이션 시작 시간을 보여주었고, 3캡슐 풍선 태그는 더 빠른 디플레이션 시작 시간을 보여주었습니다. 전반적으로 이 접근 방식은 새로운 기술의 성능을 검증하고, 터빈 설계를 개선하고, 어류 통로 조건을 개선하기 위한 운영 결정을 내리는 데 효과적인 것으로 입증되었습니다. 연구 및 현장 평가를 위한 귀중한 도구 역할을 하며, 유압 구조물의 설계 및 작동을 개선하는 데 도움이 됩니다.
Introduction
수력 발전은 전 세계적으로 중요한 재생 에너지 자원입니다. 미국에서 수력 발전은 재생 가능한 자원에서 생산되는 전기의 약 38% 또는 274TWh를 차지하며1 연간 약 460TWh를 추가할 수 있는 잠재력이 있습니다2. 그러나 수력 발전이 증가함에 따라 수력 통과 중 물고기 부상 및 폐사에 대한 우려가 가장 중요해졌습니다3. 급속 감압(barotrauma), 전단 응력, 난류, 스트라이크, 캐비테이션 및 연삭을 포함한 다양한 메커니즘이 통과 중 물고기 부상에 기여합니다4. 이러한 부상 메커니즘은 물고기의 전반적인 상태에 즉각적인 영향을 미치지 않을 수 있지만 질병, 곰팡이 감염, 기생충 및 포식에 더 취약하게 만들 수 있습니다5. 또한 터빈 또는 기타 유압 구조물과의 충돌로 인한 직접적인 신체적 부상은 상당한 사망으로 이어질 수 있으므로 수력 발전에서 이러한 위험을 완화하는 것이 중요합니다.
물고기 통과 조건을 평가하는 가장 일반적인 방법 중 하나는 유압 구조물 6,7을 통해 센서 물고기와 살아있는 물고기를 방출하는 것입니다. Sensor Fish는 터빈, 배수로 및 댐 우회 대안 8,9을 포함한 유압 구조물을 통과하는 동안 물고기가 경험하는 물리적 조건을 연구하도록 설계된 자율 장치입니다. 3D 가속도계, 3D 자이로스코프, 온도 센서 및 압력 센서9가 장착된 Sensor Fish는 물고기 통과 조건에 대한 귀중한 데이터를 제공합니다.
Sensor Fish와 살아있는 물고기에 외부에 부착된 자체 팽창 풍선인 풍선 태그는 유압 구조물을 통과한 후 회복을 돕습니다. 풍선 태그는 가스 발생 화학 물질(예: 옥살산 및 중탄산나트륨)로 채워진 용해성 캡슐, 실리콘 마개 및 낚싯줄로 구성됩니다. 배치하기 전에 실리콘 마개를 통해 풍선에 물을 주입합니다. 물은 식물성 캡슐을 녹여 풍선을 팽창시키는 가스를 생성하는 화학 반응을 일으킵니다. 이 중화 반응에서 약염기인 중탄산나트륨과 약산인 옥살산이 반응하여 이산화탄소, 물 및 옥살산나트륨10을 형성합니다. 화학 반응은 다음과 같습니다.
2NaHCO3+ H2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C2 O4
부풀어 오른 풍선은 센서 피쉬와 살아있는 물고기의 부력을 증가시켜 수면에 떠 더 쉽게 회복할 수 있도록 합니다.
부유선을 달성하고 샘플(예: Sensor Fish 또는 살아있는 물고기)의 회수를 용이하게 하는 데 필요한 풍선 태그의 수는 샘플의 부피 및 질량 특성에 따라 달라질 수 있습니다. 풍선 태그 팽창 시간은 다른 온도에서 물을 주입하여 조정할 수 있습니다. 물이 차가우면 팽창 시간이 증가하고 따뜻한 물은 팽창 시간을 줄입니다. 풍선 태그는 오레곤 주 후드 강(Hood River)에 있는 독특한 수평 평판 물고기 및 잔해 스크린 구조물인 파머스 스크린(Farmers Screen)과 라오스 인민 민주 공화국(Lao People’s Democratic Republic)의 남 응움 댐(Nam Ngum Dam)에 있는 프랜시스 터빈(Francis turbine)을 포함한 다양한 위치에서 성공적으로 사용되었습니다12. 또 다른 상업적으로 이용 가능한 풍선 태그의 예는 Hi-Z Turb’N Tag13,14이다. Hi-Z Turb’N Tag를 사용하면 주입된수온에 따라 팽창 시간을 2분에서 60분 사이로 조정할 수 있습니다. 이 기술은 컬럼비아 강의 록키 리치 댐 (Rocky Reach Dam)에서 방류 된 치누크 연어 스몰트 (Chinook salmon smolts)와 코네티컷 강 (Connecticut River)의 해들리 폴스 댐 (Hadley Falls Dam)에서 어린 미국 청어와 관련된 연구를 포함하여 많은 현장 현장의 어류 연구에 사용되었습니다15,16. 두 기술 모두 산-염기 화학 반응을 활용하여 풍선 태그를 부풀려 회수합니다.
이 방법은 풍선당 $0.50에 불과한 예상 재료 비용으로 제조의 비용 효율성과 단순성을 제공합니다. 여기에 설명된 대로 제조 공정은 따르기 쉽기 때문에 누구나 풍선 태그 생산에 액세스할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 연구는 18.3°C에서 5mL의 물을 주입한 3캡슐 풍선 태그가 2캡슐 및 4캡슐 풍선 태그에 비해 시작 팽창 시간이 더 느리고 지속적으로 더 큰 부피를 가졌다는 결론을 내렸습니다. 풍선 태그에 12.7 °C에서 물을 주입했을 때 평균 부피가 작았고 팽창 시간이 길었습니다. 3 캡슐이 먼저 수축되기 시작하고, 4 캡슐이 그 뒤를 따르고, 마지막으로 2 캡슐이 수축되기 시작합니다. 각 수온과 관련된 인플레이?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 미국 에너지부(DOE) 수력 기술 사무소의 자금 지원을 받았습니다. 실험실 연구는 계약 DE-AC05-76RL01830에 따라 DOE를 위해 Battelle이 운영하는 Pacific Northwest National Laboratory에서 수행되었습니다.
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 |
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