Wasserkraft wandelt die Wasserenergie natürlicher Flüsse in Strom um, der von den Menschen genutzt wird. Verschiedene Energiequellen werden zur Stromerzeugung eingesetzt, darunter Solarenergie, Wasserkraft aus Flüssen und Windkraft. Die Stromerzeugung aus Wasserkraft ist kostengünstig, und der Bau von Wasserkraftwerken lässt sich gut mit anderen Wasserbauprojekten kombinieren. Unser Land verfügt über sehr reiche Wasserkraftressourcen und günstige Bedingungen. Wasserkraft spielt eine wichtige Rolle für die nationale Wirtschaft.
Der Wasserstand eines Flusses oberhalb seines Oberlaufs ist höher als unterhalb. Aufgrund dieses Höhenunterschieds wird Wasserenergie erzeugt. Diese Energie wird als potenzielle Energie bezeichnet. Der Höhenunterschied des Flusswassers wird als Gefälle, auch Wasserspiegelhöhe oder Fallhöhe genannt, bezeichnet. Dieses Gefälle ist eine Grundvoraussetzung für die Erzeugung von Wasserkraft. Darüber hinaus hängt die Stärke der Wasserkraft auch von der Durchflussmenge im Fluss ab, die eine ebenso wichtige Grundvoraussetzung wie das Gefälle darstellt. Sowohl das Gefälle als auch die Durchflussmenge beeinflussen die Wasserkraft direkt: Je größer das Gefälle, desto größer die Wasserkraft; sind Gefälle und Durchflussmenge hingegen gering, ist die Leistung des Wasserkraftwerks geringer.
Der Höhenunterschied wird üblicherweise in Metern angegeben. Das Gefälle ist das Verhältnis von Höhenunterschied zu Entfernung und gibt den Grad der Höhendifferenz an. Je höher die Höhendifferenz, desto effizienter lässt sich die Wasserkraft nutzen. Der von einem Wasserkraftwerk genutzte Höhenunterschied entspricht der Differenz zwischen dem Wasserspiegel oberhalb des Kraftwerks und dem Wasserspiegel unterhalb des Kraftwerks nach dem Durchlaufen der Turbine.
Der Durchfluss bezeichnet die Wassermenge, die pro Zeiteinheit in einem Fluss fließt, und wird in Kubikmetern pro Sekunde angegeben. Ein Kubikmeter Wasser entspricht etwa einer Tonne. Da sich der Durchfluss eines Flusses ständig ändert, muss bei der Angabe des Durchflusses der Zeitpunkt des Fließens an der jeweiligen Stelle berücksichtigt werden. Der Durchfluss variiert im Laufe der Zeit erheblich. Die Flüsse in unserem Land führen im Allgemeinen während der Regenzeit im Sommer und Herbst viel Wasser und im Winter und Frühling weniger. Im Oberlauf ist der Durchfluss in der Regel geringer; durch den Zusammenfluss der Nebenflüsse nimmt der Durchfluss flussabwärts allmählich zu. Daher ist der Durchfluss flussaufwärts zwar konzentriert, aber gering; flussabwärts ist der Durchfluss zwar hoch, aber relativ weiträumig verteilt. Aus diesem Grund ist der Einsatz von Wasserkraft im mittleren Flussabschnitt oft am wirtschaftlichsten.
Kennt man das Gefälle und den Durchfluss eines Wasserkraftwerks, lässt sich dessen Leistung mit folgender Formel berechnen:
N= GQH
In der Formel kann N – Ausgangsleistung in Kilowatt – auch als Leistung bezeichnet werden;
Q – Durchfluss in Kubikmetern pro Sekunde;
H – Gefälle in Metern;
G = 9,8 m/s² ist die Erdbeschleunigung (Einheit: Newton/kg).
Gemäß der obigen Formel wird die theoretische Leistung ohne Abzug von Verlusten berechnet. Tatsächlich treten bei der Wasserkrafterzeugung jedoch unvermeidliche Leistungsverluste durch Turbinen, Übertragungsanlagen, Generatoren usw. auf. Daher muss die theoretische Leistung reduziert werden, d. h. die tatsächlich nutzbare Leistung muss mit dem Wirkungsgrad (Symbol: K) multipliziert werden.
Die Nennleistung des Generators in einem Wasserkraftwerk wird als Nennleistung, die tatsächliche Leistung als Istleistung bezeichnet. Bei der Energieumwandlung treten zwangsläufig Energieverluste auf. Bei der Wasserkrafterzeugung entstehen diese hauptsächlich durch Turbinen und Generatoren (sowie durch Rohrleitungsverluste). Die verschiedenen Verluste in einem ländlichen Kleinwasserkraftwerk betragen etwa 40–50 % der theoretischen Gesamtleistung. Daher kann das Wasserkraftwerk tatsächlich nur 50–60 % der theoretischen Leistung nutzen, was einem Wirkungsgrad von etwa 0,5–0,60 entspricht (davon 0,70–0,85 für die Turbinen, 0,85–0,90 für die Generatoren und 0,80–0,85 für Rohrleitungen und Übertragungstechnik). Die Istleistung (Ausgangsleistung) des Wasserkraftwerks lässt sich daher wie folgt berechnen:
Der Wirkungsgrad K des Wasserkraftwerks (0,5–0,6) wird in der groben Berechnung des Mikro-Wasserkraftwerks verwendet; dieser Wert kann vereinfacht werden zu:
N=(0,5～0,6)QHG Tatsächliche Leistung=Wirkungsgrad×Durchfluss×Drop×9,8
Die Nutzung von Wasserkraft bedeutet, die Kraft des Wassers zum Antrieb einer Maschine, der sogenannten Wasserturbine, zu verwenden. Das historische Wasserrad in unserem Land ist beispielsweise eine sehr einfache Wasserturbine. Die verschiedenen heute verwendeten Wasserturbinen sind an unterschiedliche hydraulische Bedingungen angepasst, um eine effizientere Rotation und die Umwandlung von Wasserenergie in mechanische Energie zu gewährleisten. Eine weitere Maschinenart, der Generator, ist mit der Turbine verbunden. Der Rotor des Generators dreht sich mit der Turbine und erzeugt so Strom. Der Generator lässt sich in zwei Teile unterteilen: den mit der Turbine rotierenden Teil und den feststehenden Teil. Der mit der Turbine verbundene, rotierende Teil wird als Rotor bezeichnet und ist mit vielen Magnetpolen versehen. Der feststehende Teil, der Stator, ist ringförmig um den Rotor angeordnet und besteht aus vielen Kupferspulen. Wenn sich die Magnetpole des Rotors in den Kupferspulen des Stators drehen, wird in den Kupferdrähten ein Strom erzeugt, und der Generator wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um.
Die im Kraftwerk erzeugte elektrische Energie wird durch verschiedene elektrische Geräte in mechanische Energie (Elektromotor oder Verbrennungsmotor), Lichtenergie (elektrische Lampe), Wärmeenergie (elektrischer Ofen) usw. umgewandelt.
die Zusammensetzung des Wasserkraftwerks
Zur Zusammensetzung eines Wasserkraftwerks gehören: hydraulische Anlagen, mechanische Ausrüstung und elektrische Ausrüstung.
(1) Wasserbauwerke
Es verfügt über Wehre (Dämme), Einlaufschleusen, Kanäle (oder Tunnel), Druckbehälter (oder Ausgleichsbehälter), Druckleitungen, Kraftwerke und Unterwasserkanäle usw.
Ein Wehr (Damm) wird in einem Fluss errichtet, um das Flusswasser zu stauen und den Wasserspiegel anzuheben, wodurch ein Stausee entsteht. So bildet sich ein starker Höhenunterschied zwischen dem Wasserspiegel des Stausees am Wehr und dem Wasserspiegel des Flusses unterhalb des Damms. Das Wasser wird dann über Rohrleitungen oder Tunnel zum Wasserkraftwerk geleitet. Bei relativ steilen Flüssen kann ein solcher Höhenunterschied auch durch Umleitungskanäle erzeugt werden. Beispiel: Ein natürlicher Fluss hat üblicherweise ein Gefälle von 10 Metern pro Kilometer. Wird am oberen Ende dieses Flussabschnitts ein Kanal angelegt, um Flusswasser einzuleiten, verläuft dieser entlang des Flusses und weist ein flacheres Gefälle auf. Beträgt das Gefälle im Kanal nur 1 Meter pro Kilometer, so fällt der Wasserspiegel nach 5 Kilometern im Kanal nur um 5 Meter, während er im natürlichen Flussbett nach 5 Kilometern 50 Meter beträgt. Das Wasser aus dem Kanal wird nun über eine Wasserleitung oder einen Tunnel flussabwärts zum Kraftwerk zurückgeführt. Dabei überwindet es einen Höhenunterschied von 45 Metern, der zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Abbildung 2
Die Verwendung von Umleitungskanälen, Tunneln oder Wasserleitungen (wie z. B. Kunststoffrohren, Stahlrohren, Betonrohren usw.) zur Bildung eines Wasserkraftwerks mit konzentriertem Gefälle wird als Umleitungskanal-Wasserkraftwerk bezeichnet und ist eine typische Bauweise von Wasserkraftwerken.
(2) Mechanische und elektrische Ausrüstung
Zusätzlich zu den oben genannten hydraulischen Anlagen (Wehre, Kanäle, Vorfelder, Druckleitungen, Werkstätten) benötigt das Wasserkraftwerk auch folgende Ausrüstung:
(1) Mechanische Ausrüstung
Es gibt Turbinen, Regler, Absperrventile, Übertragungseinrichtungen und nicht-generatorielle Anlagen.
(2) Elektrische Geräte
Es gibt Generatoren, Verteilerschalttafeln, Transformatoren und Übertragungsleitungen.
Nicht alle kleinen Wasserkraftwerke verfügen über die oben genannten hydraulischen Anlagen und die mechanische und elektrische Ausrüstung. Bei Niedrigwasserkraftwerken mit einer Fallhöhe von weniger als 6 Metern werden in der Regel Wasserleitkanäle und offene Kanäle genutzt, und es gibt kein Druckbecken und keine Druckwasserleitung. Kraftwerke mit geringem Versorgungsgebiet und kurzer Übertragungsdistanz nutzen die direkte Stromübertragung und benötigen keinen Transformator. Wasserkraftwerke mit Stauseen benötigen keine Dämme. Durch den Einsatz tiefer Einläufe, innerer Rohre (oder Tunnel) und Überläufe entfällt der Bedarf an hydraulischen Anlagen wie Wehren, Einlaufschützen, Kanälen und Druckbecken.
Für den Bau eines Wasserkraftwerks sind zunächst sorgfältige Vermessungs- und Planungsarbeiten unerlässlich. Die Planung gliedert sich in drei Phasen: Vorplanung, technische Planung und Ausführungsplanung. Um eine erfolgreiche Planung zu gewährleisten, ist eine gründliche Vermessung notwendig, um die lokalen natürlichen und wirtschaftlichen Gegebenheiten – also Topografie, Geologie, Hydrologie, Kapital usw. – vollständig zu erfassen. Nur durch die Kenntnis und Analyse dieser Gegebenheiten lassen sich die Korrektheit und Zuverlässigkeit der Planung sicherstellen.
Die Komponenten kleiner Wasserkraftwerke weisen je nach Art des Wasserkraftwerks unterschiedliche Formen auf.
3. Topographische Vermessung
Die Qualität der topografischen Vermessungsarbeiten hat einen großen Einfluss auf die technische Planung und die Abschätzung der Baumengen.
Neben der allgemeinen Erforschung der Geologie des Einzugsgebiets und des Flusslaufs ist für die geologische Erkundung (das Verständnis der geologischen Gegebenheiten) auch die Beurteilung der Stabilität des Fundaments des Maschinenraums unerlässlich, da dies die Sicherheit des Kraftwerks selbst unmittelbar beeinflusst. Ein Dammbruch mit einem bestimmten Stauvolumen würde nicht nur das Wasserkraftwerk selbst beschädigen, sondern auch flussabwärts zu erheblichen Verlusten an Menschenleben und Sachwerten führen.
4. Hydrologische Prüfung
Für Wasserkraftwerke sind die wichtigsten hydrologischen Daten Aufzeichnungen über Flusswasserstand, Durchfluss, Sedimentgehalt, Vereisungsbedingungen, meteorologische Daten und Hochwassererhebungen. Die Größe des Flussdurchflusses beeinflusst die Auslegung des Überlaufs des Wasserkraftwerks. Eine Unterschätzung der Hochwasserstärke kann zu Schäden am Damm führen; im schlimmsten Fall kann der vom Fluss mitgeführte Sediment den Stausee schnell füllen. Beispielsweise kann der Zulaufkanal versanden, und das grobkörnige Sediment gelangt durch die Turbine und verursacht deren Verschleiß. Daher ist für den Bau von Wasserkraftwerken eine ausreichende hydrologische Datengrundlage unerlässlich.
Bevor wir uns für den Bau eines Wasserkraftwerks entscheiden, müssen wir daher zunächst die wirtschaftliche Entwicklung im Versorgungsgebiet und den zukünftigen Strombedarf untersuchen. Gleichzeitig ist die Situation anderer Energiequellen im Entwicklungsgebiet zu bewerten. Erst nach dieser Untersuchung und Analyse lässt sich entscheiden, ob und in welcher Größe das Wasserkraftwerk gebaut werden soll.
Im Allgemeinen besteht der Zweck von Vermessungsarbeiten im Bereich der Wasserkraft darin, genaue und zuverlässige Basisinformationen bereitzustellen, die für die Planung und den Bau von Wasserkraftwerken erforderlich sind.
5. Allgemeine Bedingungen für die Standortwahl
Die allgemeinen Bedingungen für die Standortwahl lassen sich anhand der folgenden vier Aspekte erläutern:
(1) Der gewählte Standort sollte die Wasserkraftnutzung auf wirtschaftlichste Weise ermöglichen und dem Prinzip der Kosteneinsparung entsprechen. Das heißt, nach Fertigstellung des Kraftwerks sollen die Kosten so gering wie möglich sein und der größtmögliche Stromertrag erzielt werden. Dies lässt sich üblicherweise anhand der geschätzten jährlichen Stromerzeugungserlöse und der Investitionen in den Kraftwerksbau messen, um die Amortisationszeit des investierten Kapitals zu ermitteln. Da jedoch die hydrologischen und topografischen Gegebenheiten sowie der Strombedarf von Standort zu Standort variieren, sollten die Baukosten und Investitionen nicht durch feste Werte begrenzt werden.
(2) Die topografischen, geologischen und hydrologischen Bedingungen des gewählten Standorts sollten vergleichsweise günstig sein und entsprechende Planungs- und Baumöglichkeiten bieten. Beim Bau von Kleinwasserkraftwerken sollte der Einsatz von Baumaterialien weitestgehend dem Prinzip „lokale Materialien“ entsprechen.
(3) Der gewählte Standort muss möglichst nahe am Stromversorgungs- und Verarbeitungsbereich liegen, um den Investitionsaufwand für die Stromübertragungsausrüstung und die Stromverluste zu reduzieren.
(4) Bei der Standortwahl sollten die bestehenden Wasserbauwerke weitestgehend genutzt werden. Beispielsweise kann das Gefälle eines Bewässerungskanals zum Bau eines Wasserkraftwerks genutzt werden, oder ein Wasserkraftwerk kann neben einem Bewässerungsreservoir errichtet werden, um aus dem Bewässerungswasser Strom zu erzeugen. Da diese Wasserkraftwerke das Prinzip der Stromerzeugung bei vorhandenem Wasser erfüllen, ist ihre wirtschaftliche Bedeutung besonders groß.
Veröffentlichungsdatum: 19. Mai 2022
