Hüdroenergia eesmärk on muuta looduslike jõgede veeenergia inimeste poolt tarbitavaks elektriks. Elektrienergia tootmiseks kasutatakse mitmesuguseid energiaallikaid, näiteks päikeseenergiat, jõgede veeenergiat ja õhuvoolu abil toodetud tuuleenergiat. Hüdroenergia abil hüdroenergia tootmise maksumus on odav ning hüdroelektrijaamade ehitamist saab kombineerida ka teiste vee säästmise projektidega. Meie riik on hüdroenergia ressursside poolest väga rikas ja ka tingimused on väga head. Hüdroenergial on oluline roll riigi majanduse ülesehitamisel.
Jõe ülesvoolu veetase on kõrgem kui allavoolu veetase. Jõe veetaseme erinevuse tõttu tekib veeenergia. Seda energiat nimetatakse potentsiaalseks energiaks või potentsiaalseks energiaks. Jõe veetaseme kõrguste vahet nimetatakse languseks, mida nimetatakse ka veetaseme vaheks või veesambaks. See langus on hüdraulilise energia tekkimise põhitingimus. Lisaks sõltub hüdraulilise energia suurus ka jões oleva vee vooluhulga suurusest, mis on sama oluline põhitingimus kui langus. Nii langus kui ka vooluhulk mõjutavad otseselt hüdraulilist võimsust; mida suurem on languse veemaht, seda suurem on hüdrauliline võimsus; kui langus ja veemaht on suhteliselt väikesed, on hüdroelektrijaama toodang väiksem.
Langust väljendatakse tavaliselt meetrites. Gradient on languse ja kauguse suhe, mis võib näidata languse kontsentratsiooni astet. Langus on kontsentreeritum ja hüdraulilise energia kasutamine on mugavam. Hüdroelektrijaama kasutatav langus on hüdroelektrijaama ülesvoolu veepinna ja allavoolu veepinna vahe pärast turbiini läbimist.
Vooluhulk on jões ajaühikus voolava vee hulk ja seda väljendatakse kuupmeetrites ühes sekundis. Üks kuupmeeter vett on üks tonn. Jõe vooluhulk muutub igal ajahetkel, seega vooluhulgast rääkides peame selgitama konkreetse voolamiskoha aega. Vooluhulk muutub ajas väga oluliselt. Meie riigi jõgedel on üldiselt suur vooluhulk vihmaperioodil suvel ja sügisel ning suhteliselt väike talvel ja kevadel. Üldiselt on jõe vooluhulk ülesvoolus suhteliselt väike; kuna lisajõed ühinevad, suureneb allavoolu vooluhulk järk-järgult. Seega, kuigi ülesvoolu langus on kontsentreeritud, on vooluhulk väike; allavoolu vooluhulk on suur, kuid langus on suhteliselt hajutatud. Seetõttu on sageli kõige ökonoomsem kasutada hüdraulilist energiat jõe keskjooksul.
Teades hüdroelektrijaama kasutatavat langust ja vooluhulka, saab selle toodangu arvutada järgmise valemi abil:
N = GQH
Valemis võib N-väljundit kilovattides nimetada ka võimsuseks;
Q–vooluhulk, kuupmeetrites sekundis;
H – langus meetrites;
G = 9,8 , on raskuskiirendus, ühik: Newton/kg
Ülaltoodud valemi kohaselt arvutatakse teoreetiline võimsus kadusid maha arvamata. Tegelikult tekivad hüdroenergia tootmisel turbiinidel, ülekandeseadmetel, generaatoritel jne paratamatult võimsuskaod. Seetõttu tuleks teoreetiline võimsus maha arvata, st tegelikult kasutatav võimsus tuleks korrutada efektiivsuskordajaga (sümbol: K).
Hüdroelektrijaama generaatori projekteeritud võimsust nimetatakse nimivõimsuseks ja tegelikku võimsust tegelikuks võimsuseks. Energia muundamise protsessis on osa energia kadu vältimatu. Hüdroenergia tootmisel tekivad peamiselt turbiinide ja generaatorite kaod (ka torujuhtmetes). Maapiirkonna mikrohüdroelektrijaamas moodustavad mitmesugused kaod umbes 40–50% kogu teoreetilisest võimsusest, seega saab hüdroelektrijaama toodang tegelikult kasutada vaid 50–60% teoreetilisest võimsusest, st efektiivsus on umbes 0,5–0,60 (millest turbiini efektiivsus on 0,70–0,85, generaatorite efektiivsus on 0,85–0,90 ja torujuhtmete ning ülekandeseadmete efektiivsus on 0,80–0,85). Seega saab hüdroelektrijaama tegeliku võimsuse (väljundvõimsuse) arvutada järgmiselt:
Mikrohüdroelektrijaama ligikaudses arvutamises kasutatakse hüdroelektrijaama efektiivsust K (0,5～0,6); seda väärtust saab lihtsustada järgmiselt:
N=(0,5～0,6)QHG Tegelik võimsus=efektiivsus×vooluhulk×langus×9,8
Hüdroenergia kasutamine seisneb veeenergia kasutamises masina, mida nimetatakse veeturbiiniks, käitamiseks. Näiteks meie riigis on iidne vesiratas väga lihtne veeturbiin. Praegu kasutatavad mitmesugused hüdraulilised turbiinid on kohandatud erinevatele spetsiifilistele hüdraulilistele tingimustele, et need saaksid tõhusamalt pöörelda ja veeenergiat mehaaniliseks energiaks muuta. Turbiiniga on ühendatud ka generaator, nii et generaatori rootor pöörleb koos turbiiniga, et toota elektrit. Generaatori saab jagada kaheks osaks: osa, mis pöörleb koos turbiiniga, ja generaatori fikseeritud osa. Turbiiniga ühendatud ja pöörlevat osa nimetatakse generaatori rootoriks ja rootori ümber on palju magnetpooluseid; rootori ümber olev ring on generaatori fikseeritud osa, mida nimetatakse generaatori staatoriks, ja staator on mähitud paljude vaskmähistega. Kui rootori paljud magnetpoolused pöörlevad staatori vaskmähiste keskel, tekib vaskjuhtmetel vool ja generaator muundab mehaanilise energia elektrienergiaks.
Elektrijaama toodetud elektrienergia muundatakse mitmesuguste elektriseadmete abil mehaaniliseks energiaks (elektrimootor või elektrimootor), valgusenergiaks (elektrilamp), soojusenergiaks (elektriahi) jne.
Hüdroelektrijaama koosseis
Hüdroelektrijaama koosseis hõlmab: hüdraulilisi konstruktsioone, mehaanilisi seadmeid ja elektriseadmeid.
(1) Hüdraulilised ehitised
Sellel on paisud (tammed), sisselaskeväravad, kanalid (või tunnelid), survepaagid (või reguleerpaagid), survetorud, jõujaamad ja tagaveekanalid jne.
Jõkke ehitatakse pais (tamm), et blokeerida jõevee liikumist ja tõsta veepinda, moodustades reservuaari. Sel viisil moodustub paisul (tammil) oleva reservuaari veepinna ja tammi all oleva jõe veepinna vahele kontsentreeritud langus, mis seejärel juhitakse veetorude või tunnelite kaudu hüdroelektrijaama. Suhteliselt järskude nõlvadega jõgedes võib languse moodustada ka ümbervoolukanalite abil. Näiteks: Loodusliku jõe langus kilomeetri kohta on üldiselt 10 meetrit. Kui jõe selle lõigu ülemises otsas avatakse jõevee juhtimiseks kanal, kaevatakse kanal mööda jõge ja kanali kalle on laugem. Kui kanali langus on kilomeetri kohta ainult 1 meeter, langeb see ainult 5 meetrit, nii et vesi voolas kanalis 5 kilomeetrit ja veepind langes vaid 5 meetrit, samas kui vesi langes looduslikus kanalis 5 kilomeetri läbimisel 50 meetrit. Sel ajal juhitakse kanali vesi jõe kaudu veetoru või tunneli kaudu tagasi elektrijaama ja seal on 45 meetri kõrgune kontsentreeritud langus, mida saab kasutada elektri tootmiseks. Joonis 2.
Suunakanalite, tunnelite või veetorude (näiteks plasttorude, terastorude, betoontorude jne) kasutamist kontsentreeritud langusega hüdroelektrijaama moodustamiseks nimetatakse suunakanaliga hüdroelektrijaamaks, mis on hüdroelektrijaamade tüüpiline paigutus.
(2) Mehaanilised ja elektrilised seadmed
Lisaks ülalmainitud hüdraulilistele töödele (paisud, kanalid, eesplatsid, survetorud, töökojad) vajab hüdroelektrijaam ka järgmist varustust:
(1) Mehaanilised seadmed
Seal on turbiine, regulaatoreid, siibriventiile, ülekandeseadmeid ja mittegeneraatorseid seadmeid.
(2) Elektriseadmed
Seal on generaatorid, jaotuskilbid, trafod ja ülekandeliinid.
Kuid mitte kõigil väikestel hüdroelektrijaamadel pole eespool nimetatud hüdraulilisi konstruktsioone ning mehaanilisi ja elektrilisi seadmeid. Kui veesammas on madala rõhuga hüdroelektrijaamas alla 6 meetri, kasutatakse üldiselt veejuhtkanalit ja avatud kanaliga veekanalit ning surveeelbasseini ja surveveetoru pole olemas. Väikese toiteulatuse ja lühikese ülekandekaugusega elektrijaamades kasutatakse otsest jõuülekannet ja trafot pole vaja. Veehoidlaga hüdroelektrijaamad ei pea tamme ehitama. Sügavate sisselaskeavade, tammi sisetorude (või tunnelite) ja ülevoolukanalite kasutamine välistab vajaduse selliste hüdrauliliste konstruktsioonide järele nagu paisud, sisselaskeväravad, kanalid ja surveeelbasseinid.
Hüdroelektrijaama ehitamiseks tuleb kõigepealt läbi viia hoolikas mõõdistus- ja projekteerimistöö. Projekteerimistöös on kolm projekteerimisetappi: eelprojekt, tehniline projekt ja ehitusdetailide väljatöötamine. Projekteerimistöö edukaks tegemiseks on kõigepealt vaja läbi viia põhjalikud mõõdistustööd, st täielikult mõista kohalikke looduslikke ja majanduslikke tingimusi – st topograafiat, geoloogiat, hüdroloogiat, kapitali jne. Projekteerimise õigsust ja usaldusväärsust saab tagada alles pärast nende olukordade valdamist ja analüüsimist.
Väikeste hüdroelektrijaamade komponendid on olenevalt hüdroelektrijaama tüübist erineva kujuga.
3. Topograafiline uuring
Topograafilise mõõdistamise töö kvaliteedil on suur mõju insenertehnilisele paigutusele ja insenertehniliste andmete mahu hindamisele.
Geoloogiline uuring (geoloogiliste tingimuste mõistmine) Lisaks üldisele arusaamisele ja uuringutele valgala ja jõeäärse geoloogia kohta on vaja mõista ka masinaruumi vundamendi tugevust, mis mõjutab otseselt elektrijaama enda ohutust. Kui teatud mahutavusega pais hävib, kahjustab see mitte ainult hüdroelektrijaama ennast, vaid põhjustab ka suuri inimelude ja vara kaotusi allavoolu.
4. Hüdroloogiline test
Hüdroelektrijaamade puhul on kõige olulisemad hüdroloogilised andmed jõe veetaseme, vooluhulga, settesisalduse, jäätumistingimuste, meteoroloogiliste andmete ja üleujutusuuringute andmed. Jõe vooluhulga suurus mõjutab hüdroelektrijaama ülevoolukanali paigutust. Üleujutuse raskusastme alahindamine kahjustab tammi; jõe kantav sete võib halvimal juhul veehoidla kiiresti täita. Näiteks põhjustab sissevoolukanal kanali mudastumist ning jämedateraline sete läbib turbiini ja põhjustab turbiini kulumist. Seetõttu peavad hüdroelektrijaamade ehitamiseks olema piisavad hüdroloogilised andmed.
Seega enne hüdroelektrijaama ehitamise otsuse langetamist tuleb kõigepealt uurida elektrienergia pakkumise piirkonna majandusliku arengu suunda ja tulevast elektrienergia nõudlust. Samal ajal hinnata ka teiste energiaallikate olukorda arenduspiirkonnas. Alles pärast ülaltoodud olukorra uurimist ja analüüsi saame otsustada, kas hüdroelektrijaama on vaja ehitada ja kui suur peaks olema selle ulatus.
Üldiselt on hüdroenergia mõõdistustööde eesmärk anda täpset ja usaldusväärset põhiteavet, mis on vajalik hüdroelektrijaamade projekteerimiseks ja ehitamiseks.
5. Asukoha valiku üldtingimused
Asukoha valimise üldtingimusi saab selgitada järgmiste nelja aspekti põhjal:
(1) Valitud asukoht peaks suutma veeenergiat kõige ökonoomsemal viisil kasutada ja järgima kulude kokkuhoiu põhimõtet, st pärast elektrijaama valmimist kulutatakse kõige vähem raha ja toodetakse kõige rohkem elektrit. Tavaliselt saab seda mõõta, hinnates aastast elektrienergia tootmistulu ja jaama ehitamisse tehtud investeeringuid, et näha, kui kaua aega investeeritud kapital tagasi saab. Hüdroloogilised ja topograafilised tingimused on aga eri kohtades erinevad ning ka elektrienergia vajadus on erinev, seega ei tohiks ehituskulusid ja investeeringuid teatud väärtustega piirata.
(2) Valitud asukoha topograafilised, geoloogilised ja hüdroloogilised tingimused peaksid olema suhteliselt head ning projekteerimisel ja ehitamisel peaksid olema võimalused. Väikeste hüdroelektrijaamade ehitamisel peaks ehitusmaterjalide kasutamine olema võimalikult kooskõlas „kohalike materjalide“ põhimõttega.
(3) Valitud asukoht peab olema võimalikult lähedal toiteallikale ja töötlemispiirkonnale, et vähendada energiaülekandeseadmete investeeringuid ja energiakadu.
(4) Asukoha valikul tuleks võimalikult palju ära kasutada olemasolevaid hüdraulilisi konstruktsioone. Näiteks saab veetilka kasutada hüdroelektrijaama ehitamiseks niisutuskanalisse või niisutusreservuaari kõrvale ehitada hüdroelektrijaama, et niisutusvoolust elektrit toota jne. Kuna need hüdroelektrijaamad suudavad täita elektri tootmise põhimõtet siis, kui vesi on olemas, on nende majanduslik tähtsus ilmsem.
Postituse aeg: 19. mai 2022
