Хидроенергията е предназначена да преобразува водната енергия на естествените реки в електричество, което хората могат да използват. Съществуват различни източници на енергия, използвани за производство на електроенергия, като слънчева енергия, водна енергия в реките и вятърна енергия, генерирана от въздушния поток. Производството на водноелектрическа енергия с помощта на водноелектрическа енергия е ниско и изграждането на водноелектрически централи може да се комбинира с други проекти за опазване на водите. Страната ни е много богата на водноелектрически ресурси и условията са много добри. Хидроенергията играе важна роля в изграждането на националната икономика.
Нивото на водата нагоре по течението на реката е по-високо от нивото ѝ надолу по течението. Поради разликата в нивото на водата в реката се генерира водна енергия. Тази енергия се нарича потенциална енергия или потенциална енергия. Разликата във височината на речната вода се нарича спад, наричан още разлика в нивата на водата или воден напор. Този спад е основно условие за формиране на хидравлична мощност. Освен това, големината на хидравличната мощност зависи и от големината на водния поток в реката, което е друго основно условие, също толкова важно, колкото и спада. Както спадът, така и потокът пряко влияят на хидравличната мощност; колкото по-голям е водният обем на спада, толкова по-голяма е хидравличната мощност; ако спадът и водният обем са относително малки, мощността на водноелектрическата централа ще бъде по-малка.
Падът обикновено се изразява в метри. Градиентът е съотношението на пада и разстоянието, което може да показва степента на концентрация на капките. Падът е по-концентриран и използването на хидравлична енергия е по-удобно. Падът, използван от водноелектрическа централа, е разликата между водната повърхност нагоре по течението на водноелектрическата централа и водната повърхност надолу по течението след преминаване през турбината.
Дебитът е количеството вода, което тече в реката за единица време, и се изразява в кубически метри за една секунда. Един кубичен метър вода е един тон. Дебитът на реката се променя по всяко време, така че когато говорим за дебита, трябва да обясним времето на конкретното място, където тече. Дебитът се променя много значително във времето. Реките в нашата страна обикновено имат голям дебит през дъждовния сезон през лятото и есента и сравнително малък през зимата и пролетта. Като цяло, дебитът на реката е сравнително малък в горното течение; тъй като притоците се сливат, дебитът надолу по течението постепенно се увеличава. Следователно, въпреки че спадът нагоре по течението е концентриран, дебитът е малък; дебитът надолу по течението е голям, но спадът е сравнително разпръснат. Затова често е най-икономично да се използва хидравлична енергия в средното течение на реката.
Познавайки падът и дебита, използвани от водноелектрическа централа, нейната мощност може да се изчисли по следната формула:
N= GQH
Във формулата N–изходна мощност, в киловати, може да се нарече и мощност;
Q – дебит, в кубически метри в секунда;
H – падане, в метри;
G = 9,8 е ускорението на гравитацията, единица: Нютон/кг
Съгласно горната формула, теоретичната мощност се изчислява без приспадане на загубите. Всъщност, в процеса на производство на водноелектрическа енергия, турбините, преносното оборудване, генераторите и др. неизбежно имат загуби на мощност. Следователно, теоретичната мощност трябва да бъде намалена, т.е. действителната мощност, която можем да използваме, трябва да се умножи по коефициента на ефективност (символ: K).
Проектната мощност на генератора във водноелектрическата централа се нарича номинална мощност, а действителната мощност се нарича действителна мощност. В процеса на преобразуване на енергията е неизбежно да се загуби част от енергията. В процеса на производство на водноелектрическа енергия има главно загуби в турбините и генераторите (има и загуби в тръбопроводите). Различните загуби в селските микро-водноелектрически централи представляват около 40-50% от общата теоретична мощност, така че продукцията на водноелектрическата централа може реално да използва само 50-60% от теоретичната мощност, т.е. ефективността е около 0,5-0,60 (от които ефективността на турбината е 0,70-0,85, ефективността на генераторите е 0,85 до 0,90, а ефективността на тръбопроводите и преносното оборудване е 0,80 до 0,85). Следователно, действителната мощност (производителност) на водноелектрическата централа може да се изчисли, както следва:
K – ефективността на водноелектрическата централа, (0,5～0,6) се използва при грубото изчисление на микро-водноелектрическата централа; тази стойност може да бъде опростена като:
N=(0,5～0,6)QHG Действителна мощност=ефективност×дебит×пад×9,8
Използването на водноелектрическа енергия е да се използва водната енергия за задвижване на машина, която се нарича водна турбина. Например, древното водно колело в нашата страна е много проста водна турбина. Различните хидравлични турбини, използвани в момента, са пригодени към различни специфични хидравлични условия, така че да могат да се въртят по-ефективно и да преобразуват водната енергия в механична енергия. Друг вид машина, генератор, е свързан към турбината, така че роторът на генератора се върти заедно с турбината, за да генерира електричество. Генераторът може да бъде разделен на две части: частта, която се върти заедно с турбината, и неподвижната част на генератора. Частта, която е свързана с турбината и се върти, се нарича ротор на генератора и около ротора има много магнитни полюси; кръг около ротора е неподвижната част на генератора, наречена статор на генератора, а статорът е обвит с много медни намотки. Когато много магнитни полюси на ротора се въртят в средата на медните намотки на статора, по медните проводници се генерира ток и генераторът преобразува механичната енергия в електрическа.
Електрическата енергия, генерирана от електроцентралата, се преобразува в механична енергия (електрически двигател или мотор), светлинна енергия (електрическа лампа), топлинна енергия (електрическа пещ) и т.н. от различни електрически съоръжения.
Съставът на водноелектрическата централа
Съставът на водноелектрическа централа включва: хидравлични съоръжения, механично оборудване и електрическо оборудване.
(1) Хидротехнически съоръжения
Разполага с преливници (язовири), всмукателни шлюзове, канали (или тунели), предни резервоари (или регулиращи резервоари), напорни тръби, електроцентрали и отводнителни канали и др.
В реката се изгражда преливник (язовир), който блокира речната вода и повдига водната повърхност, образувайки резервоар. По този начин се образува концентриран спад между водната повърхност на резервоара на прелива (язовира) и водната повърхност на реката под язовира, след което водата се вкарва във водноелектрическата централа чрез водопроводи или тунели. В относително стръмни реки, използването на отклонителни канали също може да образува спад. Например: Обикновено спадът на километър на естествена река е 10 метра. Ако в горния край на този участък от реката се отвори канал за вкарване на речна вода, каналът ще бъде изкопан по протежение на реката и наклонът на канала ще бъде по-плосък. Ако спадът в канала е направен на километър, той ще спадне само с 1 метър, така че водата ще тече 5 километра в канала, а водната повърхност ще падне само с 5 метра, докато водата ще падне 50 метра след изминаване на 5 километра в естествения канал. По това време водата от канала се отвежда обратно към електроцентралата от реката с водопровод или тунел и има концентриран пад от 45 метра, който може да се използва за производство на електроенергия. Фигура 2
Използването на отклонителни канали, тунели или водопроводи (като пластмасови тръби, стоманени тръби, бетонни тръби и др.) за образуване на водноелектрическа централа с концентриран спад се нарича водноелектрическа централа с отклонителен канал и представлява типично разположение на водноелектрическите централи.
(2) Механично и електрическо оборудване
В допълнение към гореспоменатите хидравлични съоръжения (преливници, канали, аварийни площадки, напорни тръби, работилници), водноелектрическата централа се нуждае и от следното оборудване:
(1) Механично оборудване
Има турбини, регулатори, шибърни клапани, преносно оборудване и негенериращо оборудване.
(2) Електрическо оборудване
Има генератори, разпределителни табла, трансформатори и електропроводи.
Но не всички малки водноелектрически централи разполагат с гореспоменатите хидравлични съоръжения, механично и електрическо оборудване. Ако водният напор е по-малък от 6 метра в нисконапорните водноелектрически централи, обикновено се използват водопроводен канал и отворен воден канал, без напорни водопроводи и тръби за вода под налягане. За електроцентрали с малък обхват на електрозахранване и късо разстояние за предаване се прилага директно предаване на енергия и не се изисква трансформатор. Водноелектрически централи с резервоари не е необходимо да изграждат язовири. Използването на дълбоки водосборни отвори, вътрешни тръби (или тунели) на язовирите и преливници елиминира необходимостта от хидравлични съоръжения като преливници, водосборни врати, канали и напорни водопроводи.
За да се изгради водноелектрическа централа, на първо място трябва да се извърши внимателно проучване и проектиране. В проектирането има три етапа: предварителен проект, технически проект и строително детайлиране. За да се свърши добре проектирането, първо е необходимо да се извърши задълбочено проучване, т.е. да се разберат напълно местните природни и икономически условия – т.е. топография, геология, хидрология, капитал и т.н. Правилността и надеждността на проекта могат да бъдат гарантирани само след овладяване на тези ситуации и техния анализ.
Компонентите на малките водноелектрически централи имат различни форми в зависимост от вида на водноелектрическата централа.
3. Топографско проучване
Качеството на топографските проучвания оказва голямо влияние върху инженерното оформление и оценката на количеството инженерни работи.
Геоложкото проучване (разбиране на геоложките условия), освен общото разбиране и проучване на геологията на водосборния басейн и по протежение на реката, е необходимо също така да се разбере дали основите на машинното отделение са солидни, което пряко влияе върху безопасността на самата електроцентрала. След като баражът с определен обем на резервоара бъде разрушен, това не само ще повреди самата водноелектрическа централа, но и ще причини огромни загуби на човешки живот и имущество надолу по течението.
4. Хидрологичен тест
За водноелектрическите централи най-важните хидрологични данни са данните за нивото на речната вода, дебита, съдържанието на седименти, условията на заледяване, метеорологичните данни и данните от проучванията на наводненията. Размерът на речния дебит влияе върху разположението на преливника на водноелектрическата централа. Подценяването на тежестта на наводнението ще доведе до повреда на язовирната стена; седиментите, носени от реката, могат бързо да напълнят резервоара в най-лошия случай. Например, входящият канал ще доведе до затлачване на канала, а едрозърнестите седименти ще преминат през турбината и ще причинят износване на турбината. Следователно, изграждането на водноелектрически централи трябва да разполага с достатъчно хидрологични данни.
Следователно, преди да вземем решение за изграждането на водноелектрическа централа, първо трябва да проучим посоката на икономическо развитие в района на електроснабдяване и бъдещото търсене на електроенергия. Същевременно трябва да оценим състоянието на други енергийни източници в района на развитие. Едва след проучване и анализ на горепосочената ситуация можем да решим дали е необходимо да се изгради водноелектрическа централа и какъв трябва да бъде мащабът ѝ.
Като цяло, целта на хидроенергийните проучвания е да се осигури точна и надеждна основна информация, необходима за проектирането и изграждането на водноелектрически централи.
5. Общи условия за избор на място
Общите условия за избор на място могат да бъдат обяснени от следните четири аспекта:
(1) Избраното място трябва да може да използва водната енергия по най-икономичния начин и да отговаря на принципа за пестене на разходи, т.е. след завършване на електроцентралата се изразходват най-малко пари и се произвежда най-много електроенергия. Това обикновено може да се измери чрез оценка на годишните приходи от производство на електроенергия и инвестицията в изграждането на централата, за да се види за колко време може да се възстанови инвестираният капитал. Хидрологичните и топографските условия обаче са различни на различните места, както и нуждите от електроенергия, така че разходите за строителство и инвестицията не трябва да бъдат ограничени от определени стойности.
(2) Топографските, геоложките и хидроложките условия на избрания обект трябва да са сравнително превъзходни и да има възможности за проектиране и строителство. При изграждането на малки водноелектрически централи използването на строителни материали трябва да бъде в съответствие с принципа на „местни материали“, доколкото е възможно.
(3) Избраното място трябва да е възможно най-близо до зоната за електрозахранване и обработка, за да се намалят инвестициите в оборудване за пренос на енергия и загубите на мощност.
(4) При избора на място, съществуващите хидравлични съоръжения трябва да се използват максимално. Например, водният капък може да се използва за изграждане на водноелектрическа централа в напоителен канал или водноелектрическа централа може да се изгради до напоителен резервоар за генериране на електроенергия от напоителния поток и т.н. Тъй като тези водноелектрически централи могат да отговарят на принципа за генериране на електроенергия, когато има вода, тяхното икономическо значение е по-очевидно.
Време на публикуване: 19 май 2022 г.
