1. Überblick über die Wasserkrafterzeugung
Wasserkraft bedeutet, die Wasserenergie natürlicher Flüsse in elektrische Energie für die Bevölkerung umzuwandeln. Kraftwerke nutzen vielfältige Energiequellen wie Solarenergie, Flusswasserkraft und Windkraft. Die Kosten für die Stromerzeugung durch Wasserkraft sind gering, und der Bau von Wasserkraftwerken kann mit anderen Wasserschutzmaßnahmen kombiniert werden. China verfügt über reiche Wasserressourcen und hervorragende Bedingungen. Wasserkraft spielt eine wichtige Rolle für den Aufbau der Volkswirtschaft.
Der Oberlauf eines Flusses ist höher als der Unterlauf. Durch diesen Unterschied wird Wasserenergie freigesetzt, die sogenannte potentielle Energie. Der Höhenunterschied zwischen der Wasseroberfläche eines Flusses wird als Gefälle bezeichnet, auch Wasserstandsdifferenz oder Fallhöhe genannt. Dieses Gefälle ist eine Grundvoraussetzung für die Wasserkraft. Darüber hinaus hängt die Größe der Wasserkraft auch von der Stärke der Strömung ab, die ebenso wichtig ist wie das Gefälle. Sowohl das Gefälle als auch der Abfluss wirken sich direkt auf die Größe der Wasserkraft aus. Je höher das Gefälle, desto größer die Wasserkraft. Sind Gefälle und Wassermenge relativ gering, fällt die Leistung des Wasserkraftwerks geringer aus.
Das Gefälle wird üblicherweise in Metern angegeben. Das Gefälle der Wasseroberfläche ist das Verhältnis von Gefälle und Entfernung und kann den Grad der Gefällekonzentration angeben. Bei relativ konzentriertem Gefälle ist die Nutzung der Wasserkraft einfacher. Das von einem Wasserkraftwerk genutzte Gefälle ist die Differenz zwischen der Wasseroberfläche stromaufwärts des Wasserkraftwerks und der Wasseroberfläche stromabwärts nach dem Durchlaufen der Wasserturbine.
Die Strömung ist die Wassermenge, die pro Zeiteinheit durch einen Fluss fließt, ausgedrückt in Kubikmetern pro Sekunde. Ein Kubikmeter Wasser entspricht einer Tonne. Die Strömung eines Flusses ändert sich jederzeit und überall. Wenn wir also über die Strömung sprechen, müssen wir die Uhrzeit des spezifischen Fließorts erklären. Die Strömung ändert sich mit der Zeit erheblich. In der Regel führen Flüsse in China im Sommer, Herbst und in der Regenzeit viel, im Winter und Frühling jedoch wenig. Die Strömung schwankt von Monat zu Tag und die Wassermenge von Jahr zu Jahr. Die Strömung der meisten Flüsse ist flussaufwärts relativ gering. Wenn die Nebenflüsse zusammenfließen, nimmt die Strömung flussabwärts allmählich zu. Deshalb ist die Strömung flussaufwärts zwar konzentriert, aber gering. Obwohl die Strömung flussabwärts groß ist, ist das Gefälle relativ verteilt. 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 ist N die Leistung, Einheit: kW, auch Leistung genannt;
Q – Durchfluss in Kubikmetern pro Sekunde;
H – Gefälle in Metern;
G=9,8 ist die Erdbeschleunigung in Newton/kg
Die theoretische Leistung wird nach obiger Formel berechnet, wobei keine Verluste berücksichtigt werden. Tatsächlich kommt es bei der Wasserkrafterzeugung zu unvermeidlichen Leistungsverlusten bei Wasserturbinen, Getrieben, Generatoren usw. 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 in einem Wasserkraftwerk wird als Nennleistung bezeichnet, die tatsächliche Leistung als tatsächliche Leistung. Bei der Energieumwandlung sind Energieverluste unvermeidlich. Bei der Wasserkrafterzeugung entstehen hauptsächlich Verluste an hydraulischen Turbinen und Generatoren (einschließlich Rohrleitungsverlusten). In ländlichen Kleinwasserkraftwerken machen diese Verluste 40–50 % der gesamten theoretischen Leistung aus, sodass die Leistung des Wasserkraftwerks nur 50–60 % der theoretischen Leistung nutzen kann. Der Wirkungsgrad liegt somit bei etwa 0,5–0,60 % (einschließlich des Turbinenwirkungsgrads von 0,70–0,85, des Generatorwirkungsgrads von 0,85–0,90 und des Wirkungsgrads der Rohrleitungs- und Übertragungseinrichtungen von 0,80–0,85). Daher lässt sich die tatsächliche Leistung (Ausgangsleistung) des Wasserkraftwerks wie folgt berechnen:
K – Wirkungsgrad des Wasserkraftwerks (0,5–0,6) wird für die grobe Berechnung eines Kleinwasserkraftwerks verwendet. Die obige Formel kann wie folgt vereinfacht werden:
N = (0,5 ～ 0,6) QHG tatsächliche Leistung = Wirkungsgrad × Durchfluss × Abfall × neun Komma acht
Wasserkraft nutzt Wasser zum Antrieb einer Wasserturbine. Das antike Wasserrad in China beispielsweise ist eine sehr einfache Wasserturbine. Die heute verwendeten Hydraulikturbinen sind an unterschiedliche hydraulische Bedingungen angepasst, sodass sie effizienter rotieren und Wasserenergie in mechanische Energie umwandeln können. Ein weiterer Generator ist mit der Wasserturbine verbunden, um den Rotor des Generators mit der Wasserturbine rotieren zu lassen und so Strom zu erzeugen. Der Generator besteht aus zwei Teilen: dem mit der Wasserturbine rotierenden Teil und dem feststehenden Teil. Der mit der Wasserturbine rotierende Teil wird als Rotor bezeichnet. Um den Rotor herum befinden sich mehrere Magnetpole. Der feststehende Teil des Generators, der Stator, ist kreisförmig und mit mehreren Kupferspulen umwickelt. Wenn sich die Magnetpole des Rotors in der Mitte der Statorspule drehen, entsteht Strom im Kupferdraht. Der Generator wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um.
Die vom Kraftwerk erzeugte elektrische Energie wird von verschiedenen elektrischen Geräten in mechanische Energie (Motor oder Motor), Lichtenergie (elektrische Lampe), Wärmeenergie (Elektroofen) usw. umgewandelt.
2. Zusammensetzung des Wasserkraftwerks
Das Wasserkraftwerk besteht aus hydraulischen Strukturen, mechanischen Geräten und elektrischen Geräten.
(1) Wasserbauwerke
Dazu gehören Wehr (Damm), Einlauftor, Kanal (oder Tunnel), Vorbecken (oder Regelbecken), Druckrohrleitung, Krafthaus und Unterwasserkanal usw.
Durch den Bau eines Wehrs (Damms) wird der Fluss blockiert, der Wasserspiegel angehoben und ein Stausee gebildet. Auf diese Weise entsteht ein konzentriertes Gefälle von der Wasseroberfläche des Stausees über dem Wehr (Damm) bis zur Wasseroberfläche des Flusses unter dem Damm. Anschließend wird das Wasser durch Wasserrohre oder Tunnel in das Wasserkraftwerk geleitet. In steilen Flussbetten kann durch den Einsatz von Umleitungskanälen ebenfalls ein Gefälle erzeugt werden. Beispielsweise beträgt das Gefälle eines natürlichen Flusses 10 Meter pro Kilometer. Wird am oberen Ende dieses Flussabschnitts ein Kanal zur Wasserzufuhr geöffnet, wird dieser entlang des Flusses ausgehoben und weist ein flaches Gefälle auf. Beträgt das Gefälle im Kanal nur 1 Meter pro Kilometer, fließt das Wasser 5 Kilometer weit durch den Kanal und fällt nur 5 Meter, während es in einem natürlichen Fluss nach 5 Kilometern 50 Meter fällt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Wasser im Kanal durch Wasserrohre oder Tunnel vom Fluss zurück zum Kraftwerk geleitet, und es entsteht ein 45 m hoher Gefällefall, der zur Stromerzeugung genutzt werden kann.
Ein Wasserkraftwerk, das Umleitungskanäle, Tunnel oder Wasserrohre (wie Kunststoffrohre, Stahlrohre, Betonrohre usw.) verwendet, um einen konzentrierten Tropfen zu bilden, wird als Wasserkraftwerk vom Umleitungskanaltyp bezeichnet. Dies ist eine typische Anordnung von Wasserkraftwerken.
(2) Mechanische und elektrische Ausrüstung
Zusätzlich zu den oben genannten hydraulischen Anlagen (Wehr, Kanal, Vorbecken, Druckrohrleitung und Krafthaus) benötigt das Wasserkraftwerk auch folgende Ausrüstung:
(1) Mechanische Ausrüstung
Es gibt hydraulische Turbinen, Regler, Absperrschieber, Übertragungsgeräte und Geräte, die nicht der Stromerzeugung dienen.
(2) Elektrische Ausrüstung
Es gibt Generatoren, Schalttafeln, Transformatoren, Übertragungsleitungen usw.
Allerdings verfügen nicht alle Kleinwasserkraftwerke über die oben genannten hydraulischen Strukturen sowie die mechanische und elektrische Ausrüstung. Niedrigwasserkraftwerke mit einer Fallhöhe von weniger als 6 Metern setzen in der Regel auf Umleitungskanäle und offene Kanalumleitungskammern, ohne Vorbecken und Druckrohrleitung. Kraftwerke mit geringer Reichweite und kurzer Übertragungsstrecke nutzen Direktübertragung ohne Transformator. Wasserkraftwerke mit Stauseen benötigen keine Dämme. Der tiefe Wassereinlass wird genutzt, und für das Innenrohr (oder den Tunnel) und den Überlauf des Damms sind hydraulische Strukturen wie Wehr, Einlauftor, Kanal und Vorbecken nicht erforderlich.
Der Bau eines Wasserkraftwerks erfordert zunächst eine sorgfältige Vermessung und Planung. Die Planung umfasst drei Phasen: Vorentwurf, technische Planung und Konstruktionsdetails. Für eine gute Planung ist zunächst eine gründliche Vermessung erforderlich, d. h. ein umfassendes Verständnis der lokalen natürlichen und wirtschaftlichen Bedingungen – Topografie, Geologie, Hydrologie, Kapital usw. – erforderlich. Erst nach der Beherrschung und Analyse dieser Bedingungen kann die Richtigkeit und Zuverlässigkeit der Planung gewährleistet werden.
Die Komponenten von Kleinwasserkraftwerken sind je nach Wasserkraftwerkstyp unterschiedlich ausgestaltet.
3. Topografische Vermessung
Die Qualität der topografischen Vermessung hat großen Einfluss auf die Projektplanung und Mengenabschätzung.
Geologische Erkundungen (Verständnis der geologischen Bedingungen) erfordern nicht nur ein allgemeines Verständnis und die Erforschung der Becken- und Flussufergeologie, sondern auch die Kenntnis der Stabilität des Maschinenraumfundaments, was sich direkt auf die Sicherheit des Kraftwerks selbst auswirkt. Sobald ein Staudamm mit einem bestimmten Reservoirvolumen zerstört wird, wird nicht nur das Wasserkraftwerk selbst beschädigt, sondern es kommt auch zu erheblichen Verlusten an Menschenleben und Eigentum im flussabwärts gelegenen Bereich. Daher steht die geologische Auswahl des Vorbeckens in der Regel an erster Stelle.
4. Hydrometrie
Die wichtigsten hydrologischen Daten für Wasserkraftwerke sind Aufzeichnungen über Flusswasserstand, Durchfluss, Sedimentkonzentration, Vereisung, meteorologische Daten und Hochwasserdaten. Die Stärke des Flusses beeinflusst die Gestaltung des Überlaufs des Wasserkraftwerks, und die Schwere des Hochwassers wird unterschätzt, was zur Zerstörung des Damms führen kann. Die vom Fluss mitgeführten Sedimente können im schlimmsten Fall den Stausee schnell füllen. Beispielsweise führt der Zufluss in den Kanal zu Kanalversandung, und grobe Sedimente gelangen durch die Wasserturbine und verursachen deren Verschleiß. Daher müssen für den Bau von Wasserkraftwerken ausreichende hydrologische Daten vorliegen.
Bevor man sich für den Bau eines Wasserkraftwerks entscheidet, muss man daher die wirtschaftliche Entwicklung und den zukünftigen Strombedarf im Energieversorgungsgebiet untersuchen. Gleichzeitig muss die Situation anderer Energiequellen im Entwicklungsgebiet eingeschätzt werden. Erst nach Untersuchung und Analyse dieser Bedingungen kann entschieden werden, ob das Wasserkraftwerk gebaut werden muss und wie groß der Bauumfang sein sollte.
Im Allgemeinen besteht der Zweck einer Wasserkraftuntersuchung darin, genaue und zuverlässige Basisdaten bereitzustellen, die für die Planung und den Bau von Wasserkraftwerken erforderlich sind.
5. Allgemeine Bedingungen des ausgewählten Stationsstandorts
Die Rahmenbedingungen für die Standortwahl lassen sich anhand der folgenden vier Aspekte beschreiben:
(1) Der ausgewählte Kraftwerksstandort soll die Wasserenergie möglichst wirtschaftlich nutzen und dem Kostensparprinzip entsprechen, d. h. nach Fertigstellung des Kraftwerks sollen die Kosten minimal gehalten und die maximale Leistung erzeugt werden. Die Amortisierungszeit lässt sich im Allgemeinen anhand der jährlichen Einnahmen aus der Stromerzeugung und der Investitionen in den Kraftwerksbau ermitteln. Aufgrund unterschiedlicher hydrologischer und topografischer Bedingungen und des unterschiedlichen Energiebedarfs sollten Kosten und Investitionen jedoch nicht durch bestimmte Werte begrenzt werden.
(2) Der ausgewählte Standort sollte über optimale topografische, geologische und hydrologische Bedingungen verfügen und hinsichtlich Planung und Bau möglich sein. Beim Bau kleiner Wasserkraftwerke sollte soweit wie möglich der Grundsatz „lokaler Materialien“ hinsichtlich der Baumaterialien eingehalten werden.
(3) Der ausgewählte Stationsstandort muss so nah wie möglich am Stromversorgungs- und -verarbeitungsbereich liegen, um die Investitionen in Übertragungsgeräte und den Stromverlust zu verringern.
(4) Bei der Standortwahl sollten vorhandene Wasserbauwerke möglichst weitgehend genutzt werden. Beispielsweise können Wasserfälle in Bewässerungskanälen zum Bau von Wasserkraftwerken genutzt werden oder Wasserkraftwerke in der Nähe von Bewässerungsreservoirs zur Stromerzeugung durch Bewässerungsströmungen usw. errichtet werden. Da diese Wasserkraftwerke dem Prinzip der Stromerzeugung bei vorhandenem Wasser entsprechen, ist ihre wirtschaftliche Bedeutung deutlich höher.
Veröffentlichungszeit: 25. Oktober 2022
