L'energia hidroelèctrica consisteix a convertir l'energia de l'aigua dels rius naturals en electricitat perquè la gent l'utilitzi. Hi ha diverses fonts d'energia utilitzades en la generació d'energia, com ara l'energia solar, l'energia hidràulica dels rius i l'energia eòlica generada pel flux d'aire. El cost de la generació d'energia hidroelèctrica mitjançant energia hidroelèctrica és econòmic, i la construcció de centrals hidroelèctriques també es pot combinar amb altres projectes de conservació d'aigua. El nostre país és molt ric en recursos hidroelèctrics i les condicions també són molt bones. L'energia hidroelèctrica juga un paper important en la construcció de l'economia nacional.
El nivell de l'aigua aigües amunt d'un riu és més alt que el nivell de l'aigua aigües avall. A causa de la diferència en el nivell de l'aigua del riu, es genera energia de l'aigua. Aquesta energia s'anomena energia potencial o energia potencial. La diferència entre l'alçada de l'aigua del riu s'anomena caiguda, també anomenada diferència de nivell d'aigua o alçada. Aquesta caiguda és una condició bàsica per a la formació de l'energia hidràulica. A més, la magnitud de l'energia hidràulica també depèn de la magnitud del cabal d'aigua del riu, que és una altra condició bàsica tan important com la caiguda. Tant la caiguda com el cabal afecten directament l'energia hidràulica; com més gran sigui el volum d'aigua de la caiguda, més gran serà la potència hidràulica; si la caiguda i el volum d'aigua són relativament petits, la producció de la central hidroelèctrica serà menor.
La caiguda s'expressa generalment en metres. El gradient és la relació entre la caiguda i la distància, que pot indicar el grau de concentració de la caiguda. La caiguda és més concentrada i l'ús de l'energia hidràulica és més convenient. La caiguda utilitzada per una central hidroelèctrica és la diferència entre la superfície de l'aigua aigües amunt de la central hidroelèctrica i la superfície de l'aigua aigües avall després de passar per la turbina.
El cabal és la quantitat d'aigua que flueix en un riu per unitat de temps, i s'expressa en metres cúbics en un segon. Un metre cúbic d'aigua és una tona. El cabal d'un riu canvia en qualsevol moment, per la qual cosa quan parlem del cabal, hem d'explicar l'hora del lloc específic on flueix. El cabal canvia molt significativament amb el temps. Els rius del nostre país generalment tenen un gran cabal a l'estació de pluges a l'estiu i la tardor, i relativament petit a l'hivern i la primavera. Generalment, el cabal del riu és relativament petit aigües amunt; com que els afluents es fusionen, el cabal aigües avall augmenta gradualment. Per tant, tot i que el desnivell aigües amunt està concentrat, el cabal és petit; el cabal aigües avall és gran, però el desnivell està relativament dispers. Per tant, sovint és més econòmic utilitzar l'energia hidràulica al tram mitjà del riu.
Coneixent la caiguda i el cabal utilitzats per una central hidroelèctrica, la seva producció es pot calcular mitjançant la fórmula següent:
N= GQH
En la fórmula, la potència N, en quilowatts, també es pot anomenar potència;
Q–cabal, en metres cúbics per segon;
H – caiguda, en metres;
G = 9,8, és l'acceleració de la gravetat, unitat: Newton/kg
Segons la fórmula anterior, la potència teòrica es calcula sense deduir cap pèrdua. De fet, en el procés de generació d'energia hidroelèctrica, les turbines, els equips de transmissió, els generadors, etc. tenen pèrdues de potència inevitables. Per tant, la potència teòrica s'ha de descomptar, és a dir, la potència real que podem utilitzar s'ha de multiplicar pel coeficient d'eficiència (símbol: K).
La potència dissenyada del generador a la central hidroelèctrica s'anomena potència nominal, i la potència real s'anomena potència real. En el procés de transformació d'energia, és inevitable perdre una part de l'energia. En el procés de generació d'energia hidroelèctrica, hi ha principalment pèrdues de turbines i generadors (també hi ha pèrdues a les canonades). Les diverses pèrdues a la microcentral hidroelèctrica rural representen aproximadament el 40-50% de la potència teòrica total, de manera que la producció de la central hidroelèctrica només pot utilitzar el 50-60% de la potència teòrica, és a dir, l'eficiència és d'aproximadament 0,5-0,60 (de la qual l'eficiència de la turbina és de 0,70-0,85, l'eficiència dels generadors és de 0,85 a 0,90 i l'eficiència de les canonades i els equips de transmissió és de 0,80 a 0,85). Per tant, la potència real (sortida) de la central hidroelèctrica es pot calcular de la següent manera:
K–l'eficiència de la central hidroelèctrica (0,5～0,6) s'utilitza en el càlcul aproximat de la microcentral hidroelèctrica; aquest valor es pot simplificar com:
N=(0,5～0,6)QHG Potència real=eficiència×cabal×caiguda×9,8
L'ús de l'energia hidroelèctrica consisteix a utilitzar l'energia de l'aigua per impulsar una màquina, que s'anomena turbina hidràulica. Per exemple, la roda hidràulica antiga del nostre país és una turbina hidràulica molt senzilla. Les diverses turbines hidràuliques que s'utilitzen actualment s'adapten a diverses condicions hidràuliques específiques, de manera que poden girar de manera més eficient i convertir l'energia de l'aigua en energia mecànica. Un altre tipus de maquinària, un generador, està connectat a la turbina, de manera que el rotor del generador gira amb la turbina per generar electricitat. El generador es pot dividir en dues parts: la part que gira amb la turbina i la part fixa del generador. La part que està connectada a la turbina i gira s'anomena rotor del generador, i hi ha molts pols magnètics al voltant del rotor; un cercle al voltant del rotor és la part fixa del generador, anomenada estator del generador, i l'estator està embolicat amb moltes bobines de coure. Quan molts pols magnètics del rotor giren al mig de les bobines de coure de l'estator, es genera un corrent als cables de coure i el generador converteix l'energia mecànica en energia elèctrica.
L'energia elèctrica generada per la central elèctrica es transforma en energia mecànica (motor elèctric o motor), energia lluminosa (làmpada elèctrica), energia tèrmica (forn elèctric), etc. mitjançant diversos equips elèctrics.
la composició de la central hidroelèctrica
La composició d'una central hidroelèctrica inclou: estructures hidràuliques, equips mecànics i equips elèctrics.
(1) Estructures hidràuliques
Té preses, comportes d'admissió, canals (o túnels), tancs de pressió (o tancs de regulació), canonades de pressió, centrals elèctriques i conductes de cua, etc.
Es construeix una presa (surc) al riu per bloquejar l'aigua del riu i elevar la superfície de l'aigua per formar un embassament. D'aquesta manera, es forma un desnivell concentrat entre la superfície de l'aigua de l'embassament a la presa (surc) i la superfície de l'aigua del riu sota la presa, i després l'aigua s'introdueix a la central hidroelèctrica mitjançant l'ús de canonades o túnels. En rius relativament inclinats, l'ús de canals de desviació també pot formar un desnivell. Per exemple: Generalment, el desnivell per quilòmetre d'un riu natural és de 10 metres. Si s'obre un canal a l'extrem superior d'aquesta secció del riu per introduir aigua del riu, el canal s'excavarà al llarg del riu i el pendent del canal serà més pla. Si el desnivell del canal es fa per quilòmetre, només baixa 1 metre, de manera que l'aigua flueix 5 quilòmetres al canal, i la superfície de l'aigua només baixa 5 metres, mentre que l'aigua baixa 50 metres després de recórrer 5 quilòmetres al canal natural. En aquest moment, l'aigua del canal es condueix de tornada a la central elèctrica pel riu amb una canonada o túnel, i hi ha una caiguda concentrada de 45 metres que es pot utilitzar per generar electricitat. Figura 2
L'ús de canals de desviació, túnels o canonades d'aigua (com ara canonades de plàstic, canonades d'acer, canonades de formigó, etc.) per formar una central hidroelèctrica amb una caiguda concentrada s'anomena central hidroelèctrica de canal de desviació, que és un disseny típic de les centrals hidroelèctriques.
(2) Equipament mecànic i elèctric
A més de les obres hidràuliques esmentades anteriorment (assuts, canals, espigons, canonades a pressió, tallers), la central hidroelèctrica també necessita els següents equips:
(1) Equipament mecànic
Hi ha turbines, reguladors, vàlvules de comporta, equips de transmissió i equips no generadors.
(2) Equipament elèctric
Hi ha generadors, panells de control de distribució, transformadors i línies de transmissió.
Però no totes les petites centrals hidroelèctriques tenen les estructures hidràuliques i els equips mecànics i elèctrics esmentats anteriorment. Si la alçada d'aigua és inferior a 6 metres a la central hidroelèctrica de baixa alçada, generalment s'utilitza el canal de guia d'aigua i el canal d'aigua de canal obert, i no hi ha cap bassa de pressió ni canonades d'aigua a pressió. Per a centrals elèctriques amb un abast de subministrament d'energia petit i una distància de transmissió curta, s'adopta la transmissió d'energia directa i no cal cap transformador. Les centrals hidroelèctriques amb embassaments no necessiten construir preses. L'ús de preses profundes, canonades interiors de preses (o túnels) i sobreeixidors elimina la necessitat d'estructures hidràuliques com ara dics, comportes d'entrada, canals i basses de pressió.
Per construir una central hidroelèctrica, en primer lloc, cal dur a terme un treball de disseny i estudi acurat. En el treball de disseny, hi ha tres etapes de disseny: disseny preliminar, disseny tècnic i detalls de construcció. Per fer una bona feina en el treball de disseny, primer cal dur a terme un treball d'estudi exhaustiu, és a dir, comprendre completament les condicions naturals i econòmiques locals, és a dir, topografia, geologia, hidrologia, capital, etc. La correcció i la fiabilitat del disseny només es poden garantir després de dominar aquestes situacions i analitzar-les.
Els components de les petites centrals hidroelèctriques tenen diverses formes segons el tipus de central hidroelèctrica.
3. Aixecament topogràfic
La qualitat del treball topogràfic té una gran influència en el disseny de l'obra i en l'estimació de la quantitat d'obra.
Exploració geològica (comprensió de les condicions geològiques), a més de la comprensió general i la investigació sobre la geologia de la conca hidrogràfica i al llarg del riu, també cal entendre si els fonaments de la sala de màquines són sòlids, cosa que afecta directament la seguretat de la central. Un cop destruïda la presa amb un cert volum d'embassament, no només danyarà la central hidroelèctrica, sinó que també causarà grans pèrdues de vides i béns aigües avall.
4. Prova hidrològica
Per a les centrals hidroelèctriques, les dades hidrològiques més importants són els registres del nivell de l'aigua del riu, el cabal, el contingut de sediments, les condicions de gel, les dades meteorològiques i les dades de l'estudi d'inundacions. La mida del cabal del riu afecta la disposició del sobreeixidor de la central hidroelèctrica. Subestimar la gravetat de la inundació causarà danys a la presa; els sediments transportats pel riu poden omplir ràpidament l'embassament en el pitjor dels casos. Per exemple, el canal d'entrada farà que el canal s'enfosqueixi i els sediments de gra gruixut passaran a través de la turbina i provocaran el desgast de la turbina. Per tant, la construcció de centrals hidroelèctriques ha de tenir dades hidrològiques suficients.
Per tant, abans de decidir construir una central hidroelèctrica, primer hem d'investigar la direcció del desenvolupament econòmic a la zona de subministrament d'energia i la demanda futura d'electricitat. Al mateix temps, hem d'estimar la situació d'altres fonts d'energia a la zona de desenvolupament. Només després de la investigació i l'anàlisi de la situació anterior podrem decidir si cal construir la central hidroelèctrica i quina ha de ser la seva escala.
En general, l'objectiu dels treballs d'estudi hidroelèctric és proporcionar informació bàsica precisa i fiable necessària per al disseny i la construcció de centrals hidroelèctriques.
5. Condicions generals per a la selecció de l'emplaçament
Les condicions generals per a la selecció d'un emplaçament es poden explicar a partir dels quatre aspectes següents:
(1) L'emplaçament seleccionat hauria de poder utilitzar l'energia hidràulica de la manera més econòmica i complir amb el principi d'estalvi de costos, és a dir, un cop acabada la central elèctrica, es gasta la menor quantitat de diners i es genera la major quantitat d'electricitat. Normalment es pot mesurar estimant els ingressos anuals de generació d'energia i la inversió en la construcció de la central per veure quant de temps es pot recuperar el capital invertit. Tanmateix, les condicions hidrològiques i topogràfiques són diferents en diferents llocs, i les necessitats d'electricitat també són diferents, de manera que el cost de construcció i la inversió no haurien d'estar limitats per certs valors.
(2) Les condicions topogràfiques, geològiques i hidrològiques de l'emplaçament seleccionat han de ser relativament superiors, i hi ha d'haver possibilitats en el disseny i la construcció. En la construcció de petites centrals hidroelèctriques, l'ús de materials de construcció ha de ser d'acord amb el principi dels "materials locals" tant com sigui possible.
(3) Cal que l'emplaçament seleccionat estigui a prop de la font d'alimentació i de la zona de processament tant com sigui possible per reduir la inversió en equips de transmissió d'energia i la pèrdua d'energia.
(4) A l'hora de seleccionar l'emplaçament, s'han d'utilitzar al màxim les estructures hidràuliques existents. Per exemple, la gota d'aigua es pot utilitzar per construir una central hidroelèctrica en un canal de reg, o es pot construir una central hidroelèctrica al costat d'un embassament de reg per generar electricitat a partir del flux de reg, etc. Com que aquestes centrals hidroelèctriques poden complir el principi de generar electricitat quan hi ha aigua, la seva importància econòmica és més evident.
Data de publicació: 19 de maig de 2022
