Wasserkraft wandelt die Wasserenergie natürlicher Flüsse in Strom für die Bevölkerung um. Zur Stromerzeugung werden verschiedene Energiequellen genutzt, wie Solarenergie, Wasserkraft aus Flüssen und durch Luftströmungen erzeugte Windkraft. Die Kosten für die Stromerzeugung durch Wasserkraft sind gering, und der Bau von Wasserkraftwerken kann mit anderen Wasserschutzprojekten kombiniert werden. Unser Land verfügt über reichhaltige Wasserkraftressourcen und die Bedingungen sind sehr gut. Wasserkraft spielt eine wichtige Rolle beim Aufbau der Volkswirtschaft.
Der Oberlauf eines Flusses ist höher als der Unterlauf. Durch den unterschiedlichen Wasserstand des Flusses wird Wasserenergie erzeugt. Diese Energie wird als potentielle Energie oder potenzielle Energie bezeichnet. Der Höhenunterschied des Flusses wird als Gefälle bezeichnet, auch als Wasserstandsunterschied oder Wassersäule bezeichnet. Dieses Gefälle ist eine Grundvoraussetzung für die Entstehung von Wasserkraft. Darüber hinaus hängt die Stärke der Wasserkraft auch von der Strömungsstärke des Flusses ab, die eine weitere, ebenso wichtige Grundvoraussetzung wie das Gefälle darstellt. Sowohl das Gefälle als auch die Strömung wirken sich direkt auf die Wasserkraft aus. Je größer das Wasservolumen des Gefälles, desto größer die Wasserkraft. Sind Gefälle und Wasservolumen relativ gering, ist die Leistung des Wasserkraftwerks geringer.
Das Gefälle wird üblicherweise in Metern angegeben. Die Steigung ist das Verhältnis von Gefälle und Entfernung und kann den Grad der Gefällekonzentration angeben. Das Gefälle ist konzentrierter und die Nutzung hydraulischer Kraft ist bequemer. Das von einem Wasserkraftwerk genutzte Gefälle ist die Differenz zwischen der Wasseroberfläche stromaufwärts des Wasserkraftwerks und der Wasseroberfläche stromabwärts nach dem Passieren der Turbine.
Die Strömung ist die Wassermenge, die pro Zeiteinheit in einem Fluss fließt, und wird in Kubikmetern pro Sekunde angegeben. Ein Kubikmeter Wasser entspricht einer Tonne. Die Strömung eines Flusses ändert sich jederzeit. Wenn wir also über die Strömung sprechen, müssen wir die Zeit an dem bestimmten Ort erklären, an dem er fließt. Die Strömung ändert sich mit der Zeit sehr stark. Die Flüsse in unserem Land haben in der Regenzeit im Sommer und Herbst im Allgemeinen eine starke Strömung und sind im Winter und Frühling relativ schwach. Im Oberlauf ist die Strömung im Allgemeinen relativ schwach. Da die Nebenflüsse zusammenfließen, nimmt die Strömung flussabwärts allmählich zu. Daher ist die Strömung flussaufwärts zwar konzentriert, aber gering; flussabwärts ist sie groß, aber die Strömung flussabwärts ist relativ verstreut. Deshalb ist es oft am wirtschaftlichsten, die Wasserkraft im mittleren Flusslauf zu nutzen.
Kennt man die Fallhöhe und den Durchfluss eines Wasserkraftwerks, kann man seine Leistung mit der folgenden Formel berechnen:
N = GQH
In der Formel kann N–Leistung in Kilowatt auch als Leistung bezeichnet werden;
Q – Durchfluss in Kubikmetern pro Sekunde;
H – Gefälle in Metern;
G = 9,8 , ist die Erdbeschleunigung, Einheit: Newton/kg
Nach obiger Formel wird die theoretische Leistung ohne Abzug etwaiger Verluste berechnet. Tatsächlich kommt es bei der Wasserkrafterzeugung bei Turbinen, Getrieben, Generatoren usw. zwangsläufig zu Leistungsverlusten. Daher sollte die theoretische Leistung abgezogen werden, d. h. die tatsächlich nutzbare Leistung wird mit dem Wirkungsgrad (Symbol: K) multipliziert.
Die vorgesehene Leistung des Generators im Wasserkraftwerk wird als Nennleistung bezeichnet, die tatsächliche Leistung als tatsächliche Leistung. Bei der Energieumwandlung geht zwangsläufig ein Teil der Energie verloren. Bei der Wasserkrafterzeugung entstehen hauptsächlich Verluste an Turbinen und Generatoren (auch in Rohrleitungen). Die verschiedenen Verluste im ländlichen Kleinwasserkraftwerk machen etwa 40–50 % der gesamten theoretischen Leistung aus, sodass die Leistung des Wasserkraftwerks tatsächlich nur 50–60 % der theoretischen Leistung nutzen kann. Der Wirkungsgrad liegt also bei etwa 0,5–0,60 % (davon beträgt der Turbinenwirkungsgrad 0,70–0,85, der Generatorwirkungsgrad 0,85–0,90 und der Wirkungsgrad von Rohrleitungen und Übertragungsanlagen 0,80–0,85). Die tatsächliche Leistung (Ausgangsleistung) des Wasserkraftwerks lässt sich daher wie folgt berechnen:
K – der Wirkungsgrad des Wasserkraftwerks (0,5–0,6) wird bei der groben Berechnung des Kleinwasserkraftwerks verwendet; dieser Wert kann wie folgt vereinfacht werden:
N=(0,5～0,6)QHG Tatsächliche Leistung=Effizienz×Fluss×Abfall×9,8
Wasserkraft nutzt die Kraft des Wassers zum Antrieb einer Wasserturbine. Das antike Wasserrad in China ist beispielsweise eine sehr einfache Wasserturbine. Die verschiedenen heute verwendeten Hydraulikturbinen sind an unterschiedliche hydraulische Bedingungen angepasst, um effizienter zu rotieren und Wasserenergie in mechanische Energie umzuwandeln. Ein Generator ist mit der Turbine verbunden, sodass sich sein Rotor mit der Turbine dreht und so Strom erzeugt. Der Generator besteht aus zwei Teilen: dem mit der Turbine rotierenden Teil und dem feststehenden Teil. Der mit der Turbine verbundene und rotierende Teil wird als Rotor bezeichnet. Um den Rotor herum befinden sich viele Magnetpole. Der feststehende Teil, der Stator, umgibt den Rotor und ist mit zahlreichen Kupferspulen umwickelt. Wenn sich die Magnetpole des Rotors in der Mitte der Kupferspulen des Stators drehen, entsteht Strom in den Kupferdrähten, wodurch der Generator mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.
Die vom Kraftwerk erzeugte elektrische Energie wird durch verschiedene elektrische Geräte in mechanische Energie (Elektromotor oder Motor), Lichtenergie (elektrische Lampe), Wärmeenergie (Elektroofen) usw. umgewandelt.
Die Zusammensetzung des Wasserkraftwerks
Zur Zusammensetzung eines Wasserkraftwerks gehören: hydraulische Strukturen, mechanische Ausrüstung und elektrische Ausrüstung.
(1) Wasserbauwerke
Es verfügt über Wehre (Dämme), Einlauftore, Kanäle (oder Tunnel), Druckvorlaufbehälter (oder Regelbehälter), Druckrohre, Kraftwerke und Unterwasserkanäle usw.
Ein Wehr (Damm) wird in den Fluss gebaut, um das Flusswasser zu stauen und den Wasserspiegel anzuheben, sodass ein Stausee entsteht. Auf diese Weise entsteht zwischen dem Wasserspiegel des Stausees über dem Wehr (Damm) und dem Fluss unterhalb des Damms ein konzentriertes Gefälle, und das Wasser wird dann durch Wasserrohre oder Tunnel in das Wasserkraftwerk eingeleitet. Bei relativ steilen Flüssen kann auch durch den Einsatz von Umleitungskanälen ein Gefälle erzeugt werden. Beispiel: Im Allgemeinen beträgt das Gefälle pro Kilometer eines natürlichen Flusses 10 Meter. Wird am oberen Ende dieses Flussabschnitts ein Kanal geöffnet, um Flusswasser einzuleiten, wird der Kanal entlang des Flusses ausgehoben, und das Gefälle des Kanals wird flacher. Beträgt das Gefälle im Kanal nur 1 Meter pro Kilometer, so fließt das Wasser 5 Kilometer durch den Kanal, und der Wasserspiegel fällt nur 5 Meter ab, während das Wasser nach 5 Kilometern im natürlichen Kanal 50 Meter abfällt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Wasser aus dem Kanal über eine Wasserleitung oder einen Tunnel durch den Fluss zurück zum Kraftwerk geleitet, und es entsteht ein konzentrierter Fall von 45 Metern, der zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Abbildung 2
Die Verwendung von Umleitungskanälen, Tunneln oder Wasserrohren (wie Kunststoffrohren, Stahlrohren, Betonrohren usw.) zur Bildung eines Wasserkraftwerks mit konzentriertem Gefälle wird als Umleitungskanal-Wasserkraftwerk bezeichnet und ist ein typisches Layout für Wasserkraftwerke.
(2) Mechanische und elektrische Ausrüstung
Neben den oben genannten hydraulischen Anlagen (Wehre, Kanäle, Vorplätze, Druckleitungen, Werkstätten) benötigt das Wasserkraftwerk noch folgende Ausrüstung:
(1) Mechanische Ausrüstung
Es gibt Turbinen, Regler, Absperrschieber, Übertragungsgeräte und nicht zur Stromerzeugung genutzte Geräte.
(2) Elektrische Ausrüstung
Es gibt Generatoren, Schalttafeln, Transformatoren und Übertragungsleitungen.
Allerdings verfügen nicht alle Kleinwasserkraftwerke über die oben genannten hydraulischen Strukturen sowie die mechanische und elektrische Ausrüstung. Bei Niederdruckwasserkraftwerken mit einer Fallhöhe von weniger als 6 Metern werden in der Regel Wasserführungskanäle und offene Wasserkanäle verwendet, ohne dass Druckvorbecken und Druckwasserleitungen vorhanden sind. Kraftwerke mit geringer Stromversorgung und kurzen Übertragungsdistanzen nutzen direkte Stromübertragung, sodass kein Transformator erforderlich ist. Wasserkraftwerke mit Stauseen benötigen keine Dämme. Durch den Einsatz von tiefen Einlauföffnungen, Damminnenrohren (oder Tunneln) und Überläufen entfallen hydraulische Strukturen wie Wehre, Einlaufschütze, Kanäle und Druckvorbecken.
Für den Bau eines Wasserkraftwerks sind zunächst sorgfältige Vermessungs- und Planungsarbeiten erforderlich. Die Planung umfasst drei Phasen: Vorentwurf, technische Planung und Konstruktionsplanung. Für eine erfolgreiche Planung ist zunächst eine gründliche Vermessung erforderlich, um die lokalen natürlichen und wirtschaftlichen Bedingungen – Topografie, Geologie, Hydrologie, Kapital usw. – genau zu verstehen. Erst nach der Beherrschung und Analyse dieser Gegebenheiten kann die Richtigkeit und Zuverlässigkeit der Planung gewährleistet werden.
Die Komponenten von Kleinwasserkraftwerken weisen je nach Kraftwerkstyp unterschiedliche Formen auf.
3. Topografische Vermessung
Die Qualität der topografischen Vermessungsarbeiten hat großen Einfluss auf die technische Planung und die Abschätzung des technischen Aufwands.
Geologische Erkundung (Verständnis der geologischen Bedingungen) Neben dem allgemeinen Verständnis und der Erforschung der Geologie des Einzugsgebiets und des Flusses ist es auch notwendig zu verstehen, ob das Fundament des Maschinenraums solide ist, was sich direkt auf die Sicherheit des Kraftwerks selbst auswirkt. Sobald das Staudamm mit einem bestimmten Reservoirvolumen zerstört wird, wird nicht nur das Wasserkraftwerk selbst beschädigt, sondern es kommt auch zu enormen Verlusten an Menschenleben und Eigentum flussabwärts.
4. Hydrologische Prüfung
Für Wasserkraftwerke sind Aufzeichnungen über Flusspegel, Durchfluss, Sedimentgehalt, Vereisungsbedingungen, meteorologische Daten und Hochwasserdaten die wichtigsten hydrologischen Daten. Die Stärke des Flussdurchflusses beeinflusst die Auslegung des Überlaufs des Wasserkraftwerks. Wird das Ausmaß des Hochwassers unterschätzt, kann dies zu Schäden am Damm führen; die vom Fluss mitgeführten Sedimente können im schlimmsten Fall den Stausee schnell füllen. Beispielsweise führt der Zuflusskanal zur Versandung des Kanals, und das grobkörnige Sediment gelangt durch die Turbine und verursacht deren Verschleiß. Daher sind für den Bau von Wasserkraftwerken ausreichende hydrologische Daten erforderlich.
Bevor wir uns für den Bau eines Wasserkraftwerks entscheiden, müssen wir daher zunächst die wirtschaftliche Entwicklung im Energieversorgungsbereich und den zukünftigen Strombedarf untersuchen. Gleichzeitig müssen wir die Situation anderer Energiequellen im Entwicklungsgebiet einschätzen. Erst nach Untersuchung und Analyse der oben genannten Situation können wir entscheiden, ob das Wasserkraftwerk gebaut werden muss und wie groß es sein soll.
Im Allgemeinen besteht der Zweck von Vermessungsarbeiten im Bereich Wasserkraft darin, genaue und zuverlässige Basisinformationen bereitzustellen, die für die Planung und den Bau von Wasserkraftwerken erforderlich sind.
5. Rahmenbedingungen für die Standortwahl
Die Rahmenbedingungen für die Standortwahl lassen sich anhand der folgenden vier Aspekte erläutern:
(1) Der ausgewählte Standort sollte die Wasserenergie möglichst wirtschaftlich nutzen und dem Kostenersparnisprinzip entsprechen, d. h. nach Fertigstellung des Kraftwerks möglichst wenig Geld ausgeben und möglichst viel Strom erzeugen. Die Amortisierung des investierten Kapitals lässt sich üblicherweise anhand der jährlichen Einnahmen aus der Stromerzeugung und der Investitionen in den Bau des Kraftwerks ermitteln. Da jedoch die hydrologischen und topografischen Bedingungen an verschiedenen Orten unterschiedlich sind und auch der Strombedarf unterschiedlich ist, sollten Baukosten und Investitionen nicht durch bestimmte Werte begrenzt werden.
(2) Die topografischen, geologischen und hydrologischen Bedingungen des ausgewählten Standorts sollten vergleichsweise günstig sein und es sollten Möglichkeiten bei der Planung und Konstruktion bestehen. Beim Bau kleiner Wasserkraftwerke sollte die Verwendung von Baumaterialien so weit wie möglich dem Prinzip „lokaler Materialien“ entsprechen.
(3) Der ausgewählte Standort muss möglichst nahe am Stromversorgungs- und -verarbeitungsbereich liegen, um die Investition in Stromübertragungsanlagen und den Stromverlust zu verringern.
(4) Bei der Standortwahl sollten die vorhandenen Wasserbauwerke möglichst weitgehend genutzt werden. Beispielsweise kann der Wasserabfall genutzt werden, um ein Wasserkraftwerk in einem Bewässerungskanal zu errichten, oder ein Wasserkraftwerk neben einem Bewässerungsreservoir, um aus dem Bewässerungsfluss Strom zu erzeugen usw. Da diese Wasserkraftwerke das Prinzip der Stromerzeugung bei vorhandenem Wasser erfüllen können, ist ihre wirtschaftliche Bedeutung deutlicher.
Veröffentlichungszeit: 19. Mai 2022
