1. Přehled výroby vodní energie
Výroba vodní energie slouží k přeměně vodní energie přírodních řek na elektrickou energii pro lidské využití. Zdroje energie používané elektrárnami jsou rozmanité, například solární energie, vodní energie řek 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 vody. Čína je bohatá na vodní zdroje a má vynikající podmínky. Vodní energie hraje důležitou roli v národním hospodářském rozvoji.
Hladina vody v řece proti proudu je vyšší než hladina vody po proudu. V důsledku rozdílu mezi hladinami 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. Tento pokles je základní podmínkou pro hydraulický výkon. Velikost vodního výkonu navíc závisí také na velikosti průtoku vody v řece, což je další základní podmínka stejně důležitá jako pokles. Pokles i průtok přímo ovlivňují velikost hydraulického výkonu; čím větší je spád, 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 vodní hladiny je poměr poklesu a vzdálenosti, který může naznačovat stupeň koncentrace poklesu. Pokud je pokles relativně koncentrovaný, je využití vodní energie pohodlnější. Pokles využívaný vodní elektrárnou je rozdíl mezi hladinou vody proti proudu vodní elektrárny a hladinou vody po proudu po průchodu hydraulickou turbínou.
Průtok je množství vody protékající řekou za jednotku času, vyjádřené v metrech krychlových za sekundu. Metr krychlový vody je jedna tuna. Průtok řeky se mění kdykoli a kdekoli, takže když mluvíme o průtoku, musíme vysvětlit čas konkrétního místa, kde řeka teče. Průtok se v čase výrazně mění. Obecně platí, že řeky v Číně mají velký průtok v létě, na podzim a v období dešťů, ale malý průtok v zimě a na jaře. Průtok se mění měsíc ode dne a objem vody se mění rok od roku. Průtok obecných řek je v horním toku relativně malý; jak se přítoky sbíhají, průtok po proudu se postupně zvyšuje. Proto je i když pokles proti proudu koncentrovaný, průtok malý; i když je průtok po proudu velký, pokles je relativně rozptýlený. Proto je často nejúspornější využívat vodní energii ve středním toku řeky.
Pokud známe pokles a průtok využívaný vodní elektrárnou, lze její výkon vypočítat pomocí následujícího vzorce:
N= GQH
Ve vzorci N – výkon, jednotka: kW, nazývaný také výkon;
Q — průtok v metrech krychlových za sekundu;
H — Pokles v metrech;
G=9,8 je gravitační zrychlení v Newtonech/kg
Teoretický výkon se vypočítá podle výše uvedeného vzorce a neodečítají se žádné ztráty. Ve skutečnosti při výrobě vodní energie dochází u vodních 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 jsou nevyhnutelné ztráty energie. Při výrobě vodní energie dochází především ke ztrátám v hydraulických turbínách a generátorech (včetně ztrát v potrubí). Ve venkovských mikro vodních elektrárnách představují různé ztráty 40~50 % celkového teoretického výkonu, takže výkon vodních elektráren je schopen dosáhnout pouze 50~60 % teoretického výkonu, tj. účinnost je přibližně 0,5~0,60 (včetně účinnosti turbíny 0,70~0,85, účinnosti generátoru 0,85~0,90 a účinnosti potrubí a přenosového zařízení 0,80~0,85). Skutečný výkon (výstup) vodní elektrárny lze proto vypočítat následovně:
K – účinnost vodní elektrárny, (0,5~0,6) se používá pro hrubý výpočet mikro vodní elektrárny; Výše uvedený vzorec lze zjednodušit jako:
N=(0,5 ～ 0,6) QHG skutečný výkon = účinnost × průtok × pokles × devět, osm
Využití vodní energie spočívá v pohonu druhu stroje, kterému se říká vodní turbína. Například starověké vodní kolo v Číně je velmi jednoduchá vodní turbína. Různé hydraulické turbíny používané dnes jsou přizpůsobeny různým specifickým hydraulickým podmínkám, aby se mohly efektivněji otáčet a přeměňovat energii vody na mechanickou energii. Další stroj, generátor, je připojen k vodní turbíně, aby se rotor generátoru otáčel spolu s vodní turbínou a tím se mohla vyrábět elektřina. Generátor lze rozdělit na dvě části: část, která se otáčí společně s hydraulickou turbínou, a pevnou část generátoru. Část, která se otáčí společně s hydraulickou turbínou, se nazývá rotor generátoru a kolem rotoru je mnoho magnetických pólů. Kruh kolem rotoru je pevná část generátoru, která se nazývá stator generátoru. Stator je omotán mnoha měděnými cívkami. Když se uprostřed měděné cívky statoru otáčí mnoho magnetických pólů rotoru, generuje se na měděném drátu proud a generátor přeměňuje mechanickou energii na elektrickou.
Elektrická energie generovaná elektrárnou se z různých elektrických zařízení transformuje na mechanickou energii (motor nebo elektromotor), světelnou energii (elektrická lampa), tepelnou energii (elektrická pec) atd.
2. Složení vodní elektrárny
Vodní elektrárna se skládá z hydraulických konstrukcí, mechanického zařízení a elektrického zařízení.
(1) Hydraulické konstrukce
Zahrnuje jez, vstupní stavidlo, kanál (nebo tunel), předzásobovací nádrž (nebo regulační nádrž), přivaděč, strojovnu a odpadní náběh atd.
V řece se postaví jez (hráz), který řeku zablokuje, zvýší hladinu vody a vytvoří nádrž. Tímto způsobem se vytvoří koncentrovaný spád z hladiny nádrže na jezu (hrázi) k hladině řeky pod přehradou a poté se voda přivádí do vodní elektrárny vodovodním potrubím nebo tunely. Ve strmém korytě řeky lze spád vytvořit i pomocí odklonných kanálů. Například spád přirozené řeky je 10 metrů na kilometr. Pokud se na horním konci této části řeky otevře kanál pro přivádění vody, koryto se vyhloubí podél řeky a sklon koryta bude plochý. Pokud je spád v korytě pouze 1 metr na kilometr, voda v korytě poteče 5 kilometrů a klesne pouze 5 metrů, zatímco v přirozené řece klesne voda po 5 kilometrech 50 metrů. V tomto okamžiku je voda v korytě vedena řekou vodovodním potrubím nebo tunely zpět do elektrárny a vzniká koncentrovaný spád 45 m, který lze využít k výrobě elektřiny.
Vodní elektrárna, která využívá odklonové kanály, tunely nebo vodovodní potrubí (například plastové trubky, ocelové trubky, betonové trubky atd.) k vytvoření koncentrovaného spádu, se nazývá vodní elektrárna s odklonovým kanálem, což je typické uspořádání vodních elektráren.
(2) Mechanické a elektrické zařízení
Kromě výše uvedených hydraulických děl (jez, kanál, předhradí, přivaděč a strojovna) potřebuje vodní elektrárna také následující vybavení:
(1) Mechanické zařízení
Existují hydraulické turbíny, regulátory, šoupátka, převodová zařízení a zařízení neurčující výrobu energie.
(2) Elektrické zařízení
Jsou zde generátory, rozvodné panely, transformátory, přenosové vedení atd.
Ne všechny malé vodní elektrárny však mají výše uvedené hydraulické konstrukce a mechanické a elektrické vybavení. Pokud nízkotlaká vodní elektrárna s vodním spádem menším než 6 metrů obecně používá obtokový kanál a otevřenou obtokovou komoru, nebude mít žádný předvodní spád ani přívodní potrubí. Elektrárna s malým dosahem napájení a krátkou přenosovou vzdáleností používá přímý přenos bez transformátoru. Vodní elektrárny s nádržemi nemusí stavět přehrady. Používá se hluboký přívod vody a vnitřní potrubí (nebo tunel) a přeliv přehrady nemusí používat hydraulické konstrukce, jako jsou jez, vstupní stavidla, kanál a předvodní spád.
Pro stavbu vodní elektrárny je třeba nejprve provést pečlivý průzkum a návrh. Návrh má tři fáze: předběžný návrh, technický návrh a konstrukční detaily. Abychom odvedli dobrou práci při návrhu, musíme nejprve provést důkladný průzkum, tj. plně porozumět místním přírodním a ekonomickým podmínkám – tj. topografii, geologii, hydrologii, kapitálu atd. Správnost a spolehlivost návrhu lze zaručit pouze po zvládnutí těchto podmínek a jejich analýze.
Komponenty malých vodních elektráren mají různé podoby podle různých typů vodních elektráren.
3. Topografický průzkum
Kvalita topografického průzkumu má velký vliv na rozvržení projektu a odhad množství.
Geologický průzkum (pochopení geologických podmínek) vyžaduje nejen obecné znalosti a výzkum geologie pánve a geologie břehů řeky, ale také pochopení toho, 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 v oblasti po proudu. Proto se geologický výběr přední zátoky obecně klade na první místo.
4. Hydrometrie
Pro vodní elektrárny jsou nejdůležitějšími hydrologickými daty záznamy o hladině vody v řece, průtoku, koncentraci sedimentů, námraze, meteorologická data a data z průzkumu povodní. Velikost říčního průtoku ovlivňuje uspořádání přelivu vodní elektrárny a závažnost povodně je podceňována, což povede ke zničení přehrady. Sediment unášený řekou může v nejhorším případě nádrž rychle naplnit. Například přítok do koryta způsobí zanášení koryta a hrubý sediment projde hydraulickou turbínou a způsobí opotřebení hydraulické turbíny. Proto musí být pro výstavbu vodních elektráren k dispozici dostatek hydrologických dat.
Proto je před rozhodnutím o výstavbě vodní elektrárny nutné prozkoumat a prostudovat směr ekonomického rozvoje a budoucí poptávku po elektřině v dané oblasti. Zároveň je třeba odhadnout situaci s dalšími zdroji energie v dané oblasti. Teprve po prostudování a analýze výše uvedených podmínek můžeme rozhodnout, zda je nutné vodní elektrárnu postavit a jak velký by měl být rozsah výstavby.
Účelem hydroenergetického průzkumu je obecně poskytnout přesné a spolehlivé základní údaje nezbytné pro návrh a výstavbu vodních elektráren.
5. Obecné podmínky vybraného místa stanice
Obecné podmínky pro výběr místa stanice lze popsat v následujících čtyřech aspektech:
(1) Vybrané místo pro elektrárnu musí být schopno co nejúsporněji využívat vodní energii a splňovat princip úspory nákladů, tj. po dokončení elektrárny budou vynaloženy minimální náklady a vyrobeno maximální množství energie. Obecně lze odhadnout roční příjmy z výroby energie a investic do výstavby elektrárny, aby se zjistilo, za jak dlouho se investovaný kapitál může vrátit. Vzhledem k různým hydrologickým a topografickým podmínkám a různým požadavkům na energii by však náklady a investice neměly být omezeny určitými hodnotami.
(2) Vybrané místo pro elektrárnu by mělo mít vynikající topografické, geologické a hydrologické podmínky a mělo by být vhodné z hlediska návrhu i výstavby. Výstavba malých vodních elektráren by měla co nejvíce odpovídat zásadě „místních materiálů“, pokud jde o stavební materiály.
(3) Vybrané místo stanice musí být co nejblíže k oblasti napájení a zpracování, aby se snížily investice do přenosového zařízení a ztráty energie.
(4) Při výběru místa pro elektrárnu by měly být co nejvíce využity stávající hydraulické konstrukce. Například kapka vody může být použita k výstavbě vodních elektráren v zavlažovacích kanálech nebo vodní elektrárny mohou být postaveny v blízkosti zavlažovacích nádrží k výrobě elektřiny s využitím zavlažovacího průtoku atd. Protože tyto vodní elektrárny mohou splňovat princip výroby elektřiny, když je k dispozici voda, je jejich ekonomický význam zřejmější.
Čas zveřejnění: 25. října 2022
