1. Überblick über die Wasserkrafterzeugung
Die Wasserkraftnutzung wandelt die Wasserenergie natürlicher Flüsse in elektrische Energie um. Die Kraftwerke nutzen verschiedene Energiequellen, darunter Solarenergie, Flusswasserkraft und Windenergie. Die Stromerzeugung aus Wasserkraft ist kostengünstig, und der Bau von Wasserkraftwerken lässt sich gut mit anderen wasserwirtschaftlichen Projekten kombinieren. China verfügt über reiche Wasserressourcen und bietet hervorragende Voraussetzungen. Wasserkraft spielt daher eine wichtige Rolle für die nationale Wirtschaftsentwicklung.
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 der Wasseroberfläche wird als Gefälle oder Fallhöhe bezeichnet. Dieses Gefälle ist eine Grundvoraussetzung für die Wasserkraft. Darüber hinaus hängt die Größe der Wasserkraft auch von der Wassermenge im Fluss ab, die eine ebenso wichtige Grundvoraussetzung wie das Gefälle darstellt. Sowohl Gefälle als auch Wassermenge beeinflussen die Größe der Wasserkraft direkt: Je größer das Gefälle, desto größer die Wasserkraft; sind Gefälle und Wassermenge hingegen gering, ist die Leistung des Wasserkraftwerks geringer.
Der Höhenunterschied wird üblicherweise in Metern angegeben. Das Gefälle des Wasserspiegels ist das Verhältnis von Höhenunterschied zu zurückgelegter Strecke und gibt den Grad der Konzentration des Wasserspiegels an. Je höher die Konzentration des Wasserspiegels ist, 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 Durchlaufen der Turbine.
Der Durchfluss eines Flusses bezeichnet die Wassermenge, die pro Zeiteinheit durch ihn fließt, angegeben in Kubikmetern pro Sekunde. Ein Kubikmeter Wasser entspricht etwa einer Tonne. Der Durchfluss eines Flusses ändert sich ständig und überall. Daher muss bei der Angabe des Durchflusses der Zeitpunkt und der jeweilige Ort, an dem das Wasser fließt, berücksichtigt werden. Der Durchfluss variiert erheblich im Laufe der Zeit. Im Allgemeinen führen Flüsse in China im Sommer, Herbst und während der Regenzeit viel Wasser, im Winter und Frühling hingegen wenig. Der Durchfluss schwankt von Monat zu Tag, und die Wassermenge variiert von Jahr zu Jahr. Der Durchfluss von Flüssen ist im Oberlauf in der Regel relativ gering. Mit dem Zusammenfluss der Nebenflüsse nimmt der Durchfluss flussabwärts allmählich zu. Obwohl das Gefälle flussaufwärts konzentriert ist, ist der Durchfluss gering, während er flussabwärts zwar groß, aber relativ weiträumig verteilt ist. Daher ist die Nutzung 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: N – Leistung, Einheit: kW, auch Leistung genannt;
Q — Durchfluss in Kubikmetern pro Sekunde;
H — Fallhöhe in Metern;
G = 9,8 ist die Erdbeschleunigung in Newton/kg.
Die theoretische Leistung wird gemäß der obigen Formel berechnet, wobei keine Verluste abgezogen werden. Tatsächlich treten bei der Wasserkrafterzeugung durch Wasserturbinen, Übertragungsanlagen, Generatoren usw. jedoch unvermeidbare Leistungsverluste 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 die Wasserturbinen und Generatoren (einschließlich der Rohrleitungsverluste). In ländlichen Kleinwasserkraftwerken betragen die verschiedenen Verluste 40–50 % der theoretischen Gesamtleistung. Daher kann die tatsächliche Leistung der Wasserkraftwerke nur 50–60 % der theoretischen Leistung nutzen, was einem Wirkungsgrad von etwa 0,5–0,60 entspricht (einschließlich des Turbinenwirkungsgrades von 0,70–0,85, des Generatorwirkungsgrades von 0,85–0,90 und des Wirkungsgrades der Rohrleitungen und Übertragungseinrichtungen von 0,80–0,85). Die Istleistung (Ausgangsleistung) des Wasserkraftwerks kann daher wie folgt berechnet werden:
Für die grobe Berechnung von Kleinwasserkraftwerken wird der Wirkungsgrad K des Wasserkraftwerks (0,5–0,6) verwendet; die obige Formel kann wie folgt vereinfacht werden:
N=(0,5 ～ 0,6) QHG tatsächliche Leistung=Wirkungsgrad × Durchfluss × Druckverlust × 9,8
Die Nutzung von Wasserkraft beruht darauf, Wasser zum Antrieb einer Maschine, der sogenannten Wasserturbine, zu verwenden. Das alte Wasserrad in China ist beispielsweise eine sehr einfache Wasserturbine. Die heute verwendeten Wasserturbinen sind an verschiedene spezifische hydraulische Bedingungen angepasst, um eine effizientere Rotation zu gewährleisten und die Wasserenergie in mechanische Energie umzuwandeln. Eine weitere Maschine, der Generator, ist mit der Wasserturbine verbunden. Dadurch dreht sich der Generatorrotor mit der Turbine, und es wird Strom erzeugt. Der Generator besteht aus zwei Teilen: dem rotierenden Teil und dem feststehenden Teil. Der rotierende Teil ist der Generatorrotor, um den sich zahlreiche Magnetpole befinden. Der feststehende Teil, der Stator, ist kreisförmig um den Rotor angeordnet und besteht aus vielen Kupferspulen. Wenn sich die Magnetpole des Rotors um die Statorspulen drehen, wird Strom in den Spulen erzeugt. Der Generator wandelt so die mechanische Energie in elektrische Energie um.
Die im Kraftwerk erzeugte elektrische Energie wird von verschiedenen elektrischen Geräten in mechanische Energie (Motor oder Heizmaschine), Lichtenergie (elektrische Lampe), Wärmeenergie (elektrischer Ofen) usw. umgewandelt.
2. Zusammensetzung des Wasserkraftwerks
Das Wasserkraftwerk besteht aus hydraulischen Anlagen, mechanischen und elektrischen Anlagen.
(1) Wasserbauwerke
Dazu gehören Wehr (Damm), Einlaufschacht, Kanal (oder Tunnel), Vorbecken (oder Regulierungsbecken), Druckrohrleitung, Kraftwerk und Unterwasserkanal usw.
Um den Flusslauf zu stauen, den Wasserspiegel anzuheben und einen Stausee zu bilden, wird ein Wehr (Damm) errichtet. Dadurch entsteht ein konzentrierter 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. In steilen Flussläufen kann ein solcher Höhenunterschied auch durch Umleitungskanäle erzeugt werden. Beispielsweise beträgt das natürliche Gefälle eines Flusses 10 Meter pro Kilometer. Wird am oberen Ende dieses Flussabschnitts ein Kanal zur Wasserzufuhr angelegt, verläuft dieser entlang des Flusses und weist ein flaches Gefälle auf. Beträgt das Gefälle im Kanal nur 1 Meter pro Kilometer, so legt das Wasser im Kanal nach 5 Kilometern nur einen Höhenunterschied von 5 Metern zurück, während es im natürlichen Flusslauf auf dieser Strecke 50 Meter Höhenunterschied beträgt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Wasser im Kanal über Wasserleitungen oder Tunnel vom Fluss zurück zum Kraftwerk geleitet, wobei ein 45 m hoher Höhenunterschied zur Stromerzeugung genutzt werden kann.
Ein Wasserkraftwerk, das Umleitungskanäle, Tunnel oder Wasserleitungen (wie z. B. Kunststoffrohre, Stahlrohre, Betonrohre usw.) nutzt, um einen konzentrierten Fall zu erzeugen, wird als Umleitungskanal-Wasserkraftwerk bezeichnet. Dies ist eine typische Bauweise von Wasserkraftwerken.
(2) Mechanische und elektrische Ausrüstung
Zusätzlich zu den oben genannten hydraulischen Anlagen (Wehr, Kanal, Vorbecken, Druckrohrleitung und Kraftwerk) benötigt das Wasserkraftwerk auch folgende Ausrüstung:
(1) Mechanische Ausrüstung
Es gibt hydraulische Turbinen, Regler, Absperrventile, Übertragungseinrichtungen und Anlagen zur Nicht-Stromerzeugung.
(2) Elektrische Geräte
Es gibt Generatoren, Verteilerschalttafeln, Transformatoren, Übertragungsleitungen usw.
Allerdings verfügen nicht alle kleinen Wasserkraftwerke über die oben genannten hydraulischen Anlagen und mechanischen und elektrischen Ausrüstungen. Niedrigwasserkraftwerke mit einer Fallhöhe von weniger als 6 Metern nutzen in der Regel Umleitungskanäle und offene Umleitungskammern; Vorbecken und Druckrohrleitungen sind nicht erforderlich. Kraftwerke mit geringem Versorgungsgebiet und kurzer Übertragungsdistanz arbeiten mit Direktübertragung ohne Transformator. Wasserkraftwerke mit Stauseen benötigen keine Dämme. Hier kommt der Tiefwassereinlauf zum Einsatz, und die inneren Rohrleitungen (oder Tunnel) sowie der Überlauf des Damms benötigen keine hydraulischen Anlagen wie Wehre, Einlaufschütze, Kanäle oder Vorbecken.
Für den Bau eines Wasserkraftwerks sind sorgfältige Erkundung und Planung unerlässlich. Der Planungsprozess gliedert sich in drei Phasen: Vorplanung, technische Planung und Ausführungsplanung. Um eine erfolgreiche Planung zu gewährleisten, ist eine gründliche Erkundung notwendig, d. h. ein umfassendes Verständnis der lokalen natürlichen und wirtschaftlichen Gegebenheiten – Topografie, Geologie, Hydrologie, Kapital etc. – ist unerlässlich. 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. Topografische Vermessung
Die Qualität der topografischen Vermessung hat einen großen Einfluss auf die Projektplanung und die Mengenermittlung.
Die geologische Erkundung (das Verständnis der geologischen Gegebenheiten) erfordert nicht nur ein allgemeines Verständnis und die Erforschung der Becken- und Ufergeologie, sondern auch die Beurteilung der Stabilität des Maschinenraumfundaments, da dies die Sicherheit des Kraftwerks selbst unmittelbar beeinflusst. Die Zerstörung eines Stauwehrs mit einem bestimmten Speichervolumen würde nicht nur das Wasserkraftwerk selbst beschädigen, sondern auch flussabwärts zu erheblichen Verlusten an Menschenleben und Sachwerten führen. Daher hat die geologische Auswahl des Vorbeckens in der Regel höchste Priorität.
4. Hydrometrie
Für Wasserkraftwerke sind die wichtigsten hydrologischen Daten Aufzeichnungen über Flusswasserstand, Durchfluss, Sedimentkonzentration, Vereisung, meteorologische Daten und Hochwassererhebungen. Die Größe des Flussdurchflusses beeinflusst die Auslegung des Überlaufs des Wasserkraftwerks, und eine Unterschätzung der Hochwasserstärke kann zur Zerstörung des Damms führen. Im schlimmsten Fall kann der vom Fluss transportierte Sediment den Stausee schnell füllen. Beispielsweise verursacht der Zufluss in den Kanal Versandung, und grobes Sediment gelangt durch die Wasserturbine und verursacht deren Verschleiß. Daher ist für den Bau von Wasserkraftwerken eine ausreichende hydrologische Datengrundlage unerlässlich.
Bevor man sich für den Bau eines Wasserkraftwerks entscheidet, muss man daher die wirtschaftliche Entwicklung und den zukünftigen Strombedarf im Versorgungsgebiet untersuchen. Gleichzeitig muss die Situation anderer Energiequellen im Entwicklungsgebiet bewertet werden. Erst nach dieser Analyse kann entschieden werden, ob und in welcher Größe das Wasserkraftwerk gebaut werden soll.
Im Allgemeinen besteht der Zweck von Wasserkraftvermessungen darin, genaue und zuverlässige Basisdaten zu liefern, die für die Planung und den Bau von Wasserkraftwerken erforderlich sind.
5. Allgemeine Bedingungen des ausgewählten Bahnhofsstandorts
Die allgemeinen Bedingungen für die Auswahl des Stationsstandorts lassen sich in folgenden vier Aspekten beschreiben:
(1) Der gewählte Standort des Kraftwerks muss eine möglichst wirtschaftliche Nutzung der Wasserkraft ermöglichen und dem Prinzip der Kosteneinsparung entsprechen. Das heißt, nach Fertigstellung des Kraftwerks sollen die Kosten minimiert und die erzeugte Leistung maximiert werden. Im Allgemeinen lässt sich dies anhand der geschätzten jährlichen Einnahmen aus der Stromerzeugung und der Investitionen in den Kraftwerksbau messen, um zu ermitteln, wie lange sich das investierte Kapital amortisiert. Aufgrund unterschiedlicher hydrologischer und topografischer Gegebenheiten sowie unterschiedlicher Stromnachfrage sollten die Kosten und Investitionen jedoch nicht durch feste Werte begrenzt sein.
(2) Der gewählte Standort für die Station sollte optimale topografische, geologische und hydrologische Bedingungen aufweisen und in Planung und Bau realisierbar sein. Beim Bau von Kleinwasserkraftwerken ist, soweit möglich, auf lokale Baumaterialien zurückzugreifen.
(3) Der gewählte Standort der Station sollte so nah wie möglich am Stromversorgungs- und Verarbeitungsbereich liegen, um die Investitionen in Übertragungsanlagen und die Leistungsverluste zu reduzieren.
(4) Bei der Standortwahl für das Kraftwerk sollten bestehende Wasserbauwerke so weit wie möglich genutzt werden. Beispielsweise kann das Fallwasser in Bewässerungskanälen zum Bau von Wasserkraftwerken genutzt werden, oder es können Wasserkraftwerke in der Nähe von Bewässerungsreservoirs errichtet werden, um mithilfe des Bewässerungswassers Strom zu erzeugen. Da diese Wasserkraftwerke dem Prinzip der Stromerzeugung bei vorhandenem Wasser entsprechen, ist ihre wirtschaftliche Bedeutung besonders groß.
Veröffentlichungsdatum: 25. Oktober 2022
