Vodní energie slouží k přeměně vodní energie přírodních řek na elektřinu pro lidské využití. K výrobě energie se používají různé zdroje energie, jako je solární energie, vodní energie v řekách a větrná energie generovaná prouděním vzduchu. Výroba vodní energie z vodní energie je levná a výstavbu vodních elektráren lze kombinovat s dalšími projekty na ochranu vodních zdrojů. Naše země je velmi bohatá na vodní zdroje a podmínky jsou pro to velmi dobré. Vodní energie hraje důležitou roli v budování národního hospodářství.
Hladina vody v řece proti proudu je vyšší než hladina vody po proudu. V důsledku rozdílu ve výšce hladiny řeky se generuje vodní energie. Tato energie se nazývá potenciální energie. Rozdíl mezi výškou hladiny řeky se nazývá pokles, nazývaný také rozdíl hladiny nebo spád vody. Tento pokles je základní podmínkou pro vznik hydraulického výkonu. Velikost hydraulického výkonu navíc závisí také na velikosti průtoku vody v řece, což je další základní podmínka stejně důležitá jako pokles. Pokles i průtok přímo ovlivňují hydraulický výkon; čím větší je objem vody v poklesu, tím větší je hydraulický výkon; pokud jsou pokles a objem vody relativně malé, výkon vodní elektrárny bude menší.
Pokles se obecně vyjadřuje v metrech. Sklon je poměr poklesu a vzdálenosti, který může naznačovat stupeň koncentrace kapek. Pokles je koncentrovanější a využití hydraulické energie je pohodlnější. Pokles využívaný vodní elektrárnou je rozdíl mezi hladinou vody proti proudu vodní elektrárny a hladinou vody po proudu po průchodu turbínou.
Průtok je množství vody protékající řekou za jednotku času a vyjadřuje se v metrech krychlových za jednu sekundu. Jeden metr krychlový vody je jedna tuna. Průtok řeky se mění kdykoli, takže když mluvíme o průtoku, musíme vysvětlit čas a konkrétní místo, kde řeka teče. Průtok se v čase velmi výrazně mění. Řeky v naší zemi mají obecně velký průtok v období dešťů v létě a na podzim a relativně malý v zimě a na jaře. Obecně je průtok řeky v horním toku relativně malý; protože se přítoky slévají, průtok po proudu se postupně zvyšuje. Proto je i když pokles proti proudu koncentrovaný, průtok malý; průtok po proudu je velký, ale pokles je relativně rozptýlený. Proto je často nejúspornější využívat hydraulickou energii ve středním toku řeky.
Pokud známe pokles a průtok spotřebovaný vodní elektrárnou, lze její výkon vypočítat pomocí následujícího vzorce:
N= GQH
Ve vzorci lze N-výstup v kilowattech nazývat také výkonem;
Q – průtok v metrech krychlových za sekundu;
H – pokles v metrech;
G = 9,8 je gravitační zrychlení, jednotka: Newton/kg
Podle výše uvedeného vzorce se teoretický výkon vypočítá bez odečtení ztrát. Ve skutečnosti při výrobě vodní energie dochází u turbín, přenosových zařízení, generátorů atd. k nevyhnutelným ztrátám výkonu. Proto by měl být teoretický výkon odečten, tj. skutečný výkon, který můžeme využít, by měl být vynásoben koeficientem účinnosti (symbol: K).
Projektovaný výkon generátoru ve vodní elektrárně se nazývá jmenovitý výkon a skutečný výkon se nazývá skutečný výkon. V procesu transformace energie je nevyhnutelné, že dojde ke ztrátě části energie. Při výrobě vodní energie dochází především ke ztrátám v turbínách a generátorech (dochází také ke ztrátám v potrubí). Různé ztráty ve venkovských mikro-vodních elektrárnách tvoří asi 40–50 % celkového teoretického výkonu, takže výkon vodní elektrárny může ve skutečnosti využít pouze 50–60 % teoretického výkonu, tj. účinnost je asi 0,5–0,60 (z toho účinnost turbíny je 0,70–0,85, účinnost generátorů je 0,85 až 0,90 a účinnost potrubí a přenosového zařízení je 0,80 až 0,85). Skutečný výkon (výstup) vodní elektrárny lze tedy vypočítat následovně:
K – účinnost vodní elektrárny (0,5～0,6) se používá v hrubém výpočtu mikro-vodní elektrárny; tuto hodnotu lze zjednodušeně vyjádřit jako:
N=(0,5～0,6)QHG Skutečný výkon=účinnost×průtok×pokles×9,8
Využití vodní energie spočívá ve využití vodní energie k pohonu stroje, kterému se říká vodní turbína. Například starověké vodní kolo v naší zemi je velmi jednoduchá vodní turbína. Různé hydraulické turbíny, které se v současnosti používají, jsou přizpůsobeny různým specifickým hydraulickým podmínkám, aby se mohly efektivněji otáčet a přeměňovat energii vody na mechanickou energii. Dalším druhem stroje je generátor, který je připojen k turbíně, takže rotor generátoru se otáčí s turbínou a vyrábí elektřinu. Generátor lze rozdělit na dvě části: část, která se otáčí s turbínou, a pevnou část generátoru. Část, která je připojena k turbíně a otáčí se, se nazývá rotor generátoru a kolem rotoru je mnoho magnetických pólů; kruh kolem rotoru je pevná část generátoru, nazývaná stator generátoru, a stator je omotán mnoha měděnými cívkami. Když se mnoho magnetických pólů rotoru otáčí uprostřed měděných cívek statoru, generuje se na měděných drátech proud a generátor přeměňuje mechanickou energii na elektrickou.
Elektrická energie generovaná elektrárnou se pomocí různých elektrických zařízení transformuje na mechanickou energii (elektromotor nebo motor), světelnou energii (elektrická lampa), tepelnou energii (elektrická pec) a tak dále.
Složení vodní elektrárny
Složení vodní elektrárny zahrnuje: hydraulické konstrukce, mechanická zařízení a elektrická zařízení.
(1) Hydraulické konstrukce
Má jezy (přehrady), vstupní stavidla, kanály (nebo tunely), předtlakové nádrže (nebo regulační nádrže), tlakové potrubí, elektrárny a odpadní náhony atd.
V řece se staví jez (přehrada), který zadržuje říční vodu a zvyšuje hladinu vody, čímž vzniká nádrž. Tímto způsobem se vytvoří koncentrovaný spád mezi hladinou vody v nádrži na jezu (přehradě) a hladinou řeky pod přehradou, a poté se voda přivádí do vodní elektrárny pomocí vodovodních trubek nebo tunelů. U relativně strmých řek může spád tvořit i použití odklonných kanálů. Například: Spád na kilometr přirozené řeky je obecně 10 metrů. Pokud se na horním konci této části řeky otevře kanál pro přivádění říční vody, kanál se podél řeky vyhloubí a sklon kanálu bude plošší. Pokud se spád v kanálu provede na kilometr, spád klesne pouze o 1 metr, takže voda v kanálu protéká 5 kilometrů a hladina vody klesne pouze o 5 metrů, zatímco v přirozeném kanálu voda klesne o 50 metrů po uběhnutí 5 kilometrů. V této době je voda z kanálu vedena zpět do elektrárny řekou vodovodním potrubím nebo tunelem a vzniká zde koncentrovaný spád o výšce 45 metrů, který lze využít k výrobě elektřiny. Obrázek 2
Použití objímkových kanálů, tunelů nebo vodovodních potrubí (jako jsou plastové trubky, ocelové trubky, betonové trubky atd.) k vytvoření vodní elektrárny s koncentrovaným poklesem se nazývá vodní elektrárna s objímkovým kanálem a představuje typické uspořádání vodních elektráren.
(2) Mechanické a elektrické zařízení
Kromě výše zmíněných hydraulických děl (jezy, kanály, předhradí, tlakové potrubí, dílny) potřebuje vodní elektrárna také následující vybavení:
(1) Mechanické zařízení
Jsou zde turbíny, regulátory, šoupátka, přenosová zařízení a negenerační zařízení.
(2) Elektrické zařízení
Jsou zde generátory, rozvodné panely, transformátory a přenosové vedení.
Ne všechny malé vodní elektrárny však mají výše uvedené hydraulické konstrukce a mechanické a elektrické zařízení. Pokud je vodní spád v nízkotlaké vodní elektrárně menší než 6 metrů, obvykle se používá rozvodný kanál a otevřený vodní kanál a neexistuje žádný tlakový předhradí ani tlakové vodovodní potrubí. U elektráren s malým dosahem napájení a krátkou přenosovou vzdáleností se používá přímý přenos energie a není potřeba žádný transformátor. Vodní elektrárny s nádržemi nemusí stavět přehrady. Použití hlubokých přívodů, vnitřních trubek (nebo tunelů) přehrad a přelivů eliminuje potřebu hydraulických konstrukcí, jako jsou jezy, vstupní stavidla, kanály a tlakové předhradí.
Pro výstavbu vodní elektrárny je nutné nejprve provést pečlivý průzkum a projektové práce. V rámci projektových prací existují tři fáze: předběžný návrh, technický návrh a stavební detaily. Aby bylo možné odvést dobrou práci v projektových pracích, je nejprve nutné provést důkladný průzkum, tj. plně pochopit místní přírodní a ekonomické podmínky – tj. topografii, geologii, hydrologii, kapitál atd. Správnost a spolehlivost návrhu lze zaručit pouze po zvládnutí těchto situací a jejich analýze.
Komponenty malých vodních elektráren mají různou podobu v závislosti na typu vodní elektrárny.
3. Topografický průzkum
Kvalita topografického průzkumu má velký vliv na inženýrské uspořádání a odhad množství inženýrských prací.
Geologický průzkum (pochopení geologických poměrů) je kromě obecného pochopení a výzkumu geologie povodí a podél řeky nezbytný také pochopení, zda jsou základy strojovny pevné, což přímo ovlivňuje bezpečnost samotné elektrárny. Jakmile je přehrada s určitým objemem nádrže zničena, poškodí se nejen samotná vodní elektrárna, ale také způsobí obrovské ztráty na životech a majetku po proudu.
4. Hydrologický test
Pro vodní elektrárny jsou nejdůležitějšími hydrologickými daty záznamy o hladině vody v řece, průtoku, obsahu sedimentů, podmínkách námrazy, meteorologická data a data z průzkumu povodní. Velikost říčního průtoku ovlivňuje uspořádání přelivu vodní elektrárny. Podcenění závažnosti povodně způsobí poškození přehrady; sedimenty unášené řekou mohou v nejhorším případě rychle zaplnit nádrž. Například přítokový kanál způsobí zanášení kanálu a hrubozrnný sediment projde turbínou a způsobí její opotřebení. Proto musí být pro výstavbu vodních elektráren k dispozici dostatečná hydrologická data.
Proto před rozhodnutím o výstavbě vodní elektrárny musíme nejprve prozkoumat směr ekonomického rozvoje v oblasti dodávek energie a budoucí poptávku po elektřině. Zároveň musíme odhadnout situaci s dalšími zdroji energie v rozvojové oblasti. Teprve po prozkoumání a analýze výše uvedené situace můžeme rozhodnout, zda je vodní elektrárna potřeba postavit a jak velký by měl být její rozsah.
Obecně je účelem hydroenergetických průzkumů poskytnout přesné a spolehlivé základní informace nezbytné pro návrh a výstavbu vodních elektráren.
5. Obecné podmínky pro výběr lokality
Obecné podmínky pro výběr lokality lze vysvětlit z následujících čtyř hledisek:
(1) Vybrané místo by mělo být schopno co nejúsporněji využívat vodní energii a splňovat princip úspory nákladů, tj. po dokončení elektrárny se vynaloží nejméně peněz a vyrobí se nejvíce elektřiny. Obvykle se to dá měřit odhadem ročních příjmů z výroby elektřiny a investic do výstavby elektrárny, aby se zjistilo, za jak dlouho se investovaný kapitál může vrátit. Hydrologické a topografické podmínky se však na různých místech liší a liší se i potřeba elektřiny, takže náklady na výstavbu a investice by neměly být omezeny určitými hodnotami.
(2) Topografické, geologické a hydrologické podmínky vybrané lokality by měly být relativně výhodné a měly by existovat možnosti v oblasti projektování a výstavby. Při výstavbě malých vodních elektráren by mělo být použití stavebních materiálů co nejvíce v souladu se zásadou „místních materiálů“.
(3) Vybrané místo musí být co nejblíže k oblasti napájení a zpracování, aby se snížily investice do zařízení pro přenos energie a ztráty energie.
(4) Při výběru lokality by měly být co nejvíce využity stávající hydraulické konstrukce. Například kapka vody může být použita k vybudování vodní elektrárny v zavlažovacím kanálu nebo vodní elektrárna může být postavena vedle zavlažovací nádrže pro výrobu elektřiny ze zavlažovacího toku a tak dále. Protože tyto vodní elektrárny mohou splňovat princip výroby elektřiny, když je k dispozici voda, je jejich ekonomický význam zřejmější.
Čas zveřejnění: 19. května 2022
