1. Hüdroenergia tootmise ülevaade
Hüdroenergia tootmine seisneb looduslike jõgede veeenergia muundamises inimeste poolt tarbitavaks elektrienergiaks. Elektrijaamades kasutatavad energiaallikad on mitmekesised, näiteks päikeseenergia, jõgede veeenergia ja õhuvoolu abil toodetud tuuleenergia. Hüdroenergia abil hüdroenergia tootmise maksumus on odav ja hüdroelektrijaamade ehitamist saab kombineerida ka teiste vee säästmise ettevõtmistega. Hiina on rikas veevarude poolest ja seal on suurepärased tingimused. Hüdroenergial on oluline roll riigi majandusstruktuuris.
Jõe ülesvoolu veetase on kõrgem kui allavoolu veetase. Jõe veetasemete erinevuse tõttu tekib veeenergiat. Seda energiat nimetatakse potentsiaalseks energiaks või potentsiaalseks energiaks. Jõe veepinna kõrguste erinevust nimetatakse alanguks, mida nimetatakse ka veetasemete erinevuseks või peaks. See langus on hüdraulilise energia põhitingimus. Lisaks sõltub veeenergia suurus ka jõe veevoolu suurusest, mis on sama oluline põhitingimus kui langus. Nii langus kui ka vooluhulk mõjutavad otseselt hüdraulilise energia suurust; mida suurem on veelangus, seda suurem on hüdrauliline võimsus; kui langus ja vee maht on suhteliselt väikesed, on hüdroelektrijaama toodang väiksem.
Langust väljendatakse üldiselt meetrites. Veepinna kalle on languse ja kauguse suhe, mis võib näidata languse kontsentratsiooni astet. Kui langus on suhteliselt kontsentreeritud, on veeenergia kasutamine mugavam. Hüdroelektrijaama kasutatav langus on vahe hüdroelektrijaama ülesvoolu veepinna ja allavoolu veepinna vahel pärast hüdraulilise turbiini läbimist.
Vooluhulk on jõest ajaühikus läbi voolava vee hulk, mida väljendatakse kuupmeetrites sekundis. Kuupmeeter vett on üks tonn. Jõe vooluhulk muutub igal ajal ja igal pool, seega vooluhulgast rääkides peame selgitama konkreetse koha aega, kus see voolab. Vooluhulk muutub ajas oluliselt. Üldiselt on Hiina jõgedel suvel, sügisel ja vihmaperioodil suur vooluhulk, kuid talvel ja kevadel väike. Vooluhulk varieerub kuude kaupa ja vee maht varieerub aastati. Üldjuhul on jõgede vooluhulk ülesvoolus suhteliselt väike; lisajõgede koondumisel suureneb allavoolu vooluhulk järk-järgult. Seega, kuigi ülesvoolu langus on kontsentreeritud, on vooluhulk väike; kuigi allavoolu vooluhulk on suur, on langus suhteliselt hajutatud. Seetõttu on jõe keskjooksul sageli kõige ökonoomsem kasutada veejõudu.
Teades hüdroelektrijaama poolt kasutatavat langust ja vooluhulka, saab selle toodangu arvutada järgmise valemi abil:
N = GQH
Valemis N – võimsus, ühik: kW, nimetatakse ka võimsuseks;
Q – vooluhulk kuupmeetrites sekundis;
H — langus meetrites;
G=9,8 on gravitatsioonikiirendus njuutonites/kg
Teoreetiline võimsus arvutatakse ülaltoodud valemi järgi ja kadusid ei lahutata. Tegelikult tekivad hüdroenergia tootmisel veeturbiinidel, ülekandeseadmetel, generaatoritel jne paratamatud 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 energia kadu vältimatu. Hüdroenergia tootmisel tekivad peamiselt hüdroturbiinide ja generaatorite kaod (sealhulgas torujuhtmete kaod). Maapiirkondade mikrohüdroelektrijaamades moodustavad mitmesugused kaod 40–50% kogu teoreetilisest võimsusest, seega saavad hüdroelektrijaamad kasutada vaid 50–60% teoreetilisest võimsusest, st efektiivsus on umbes 0,5–0,60 (sealhulgas turbiini efektiivsus 0,70–0,85, generaatori efektiivsus 0,85–0,90 ning torustiku ja ülekandeseadmete efektiivsus 0,80–0,85). Seega saab hüdroelektrijaama tegeliku võimsuse (väljundvõimsuse) arvutada järgmiselt:
K – hüdroelektrijaama efektiivsus, (0,5–0,6) kasutatakse mikrohüdroelektrijaama ligikaudseks arvutamiseks; ülaltoodud valemit saab lihtsustada järgmiselt:
N=(0,5 ～ 0,6) QHG tegelik võimsus=efektiivsus × vooluhulk × langus × üheksa, kaheksa
Hüdroenergia kasutamine seisneb vee kasutamises teatud masina, mida nimetatakse veeturbiiniks, käitamiseks. Näiteks Hiinas on iidne vesiratas väga lihtne veeturbiin. Tänapäeval kasutatavad mitmesugused hüdraulilised turbiinid on kohandatud erinevatele spetsiifilistele hüdraulilistele tingimustele, et need saaksid tõhusamalt pöörelda ja veeenergiat mehaaniliseks energiaks muuta. Teine masin, generaator, on ühendatud veeturbiiniga, et panna generaatori rootor koos veeturbiiniga pöörlema ja seejärel saab toota elektrit. Generaatori saab jagada kaheks osaks: osa, mis pöörleb koos hüdraulilise turbiiniga, ja generaatori fikseeritud osa. Osa, mis pöörleb koos hüdraulilise turbiiniga, nimetatakse generaatori rootoriks ja rootori ümber on palju magnetpooluseid; rootori ümber olev ring on generaatori fikseeritud osa, mida nimetatakse generaatori staatoriks. Staator on mähitud paljude vaskmähistega. Kui rootori paljud magnetpoolused pöörlevad staatori vaskmähise keskel, tekib vasktraadil vool ja generaator peab mehaanilise energia elektrienergiaks muutma.
Elektrijaama toodetud elektrienergia muundatakse erinevatest elektriseadmetest mehaaniliseks energiaks (mootor või mootor), valgusenergiaks (elektrilamp), soojusenergiaks (elektriahi) jne.
2. Hüdroelektrijaama koostis
Hüdroelektrijaam koosneb hüdraulilistest konstruktsioonidest, mehaanilistest seadmetest ja elektriseadmetest.
(1) Hüdraulilised ehitised
See hõlmab paisu, sisselaskeväravat, kanalit (või tunnelit), eelveekogu (või reguleerpaaki), survetoru, elektrijaama ja tagaveekanalit jne.
Jõkke tuleb ehitada pais (tamm), et jõgi tõkestada, veepinda tõsta ja moodustada veehoidla. Sel viisil moodustub paisul oleva veehoidla veepinnalt tammi all oleva jõe veepinnale kontsentreeritud langus, millest alates juhitakse vesi veetorude või tunnelite kaudu hüdroelektrijaama. Järsus jõesängis saab languse moodustada ka ümbervoolukanalite abil. Näiteks on loodusliku jõe langus 10 meetrit kilomeetri kohta. Kui selle jõelõigu ülemises otsas avatakse vee sissejuhtimiseks kanal, kaevatakse see mööda jõge ja kanali kalle on lauge. Kui kanali langus on vaid 1 meeter kilomeetri kohta, voolab vesi kanalis 5 kilomeetrit ja langeb vaid 5 meetrit, samas kui looduslikus jões 5 kilomeetri läbimisel langeb vesi 50 meetrit. Sel ajal juhitakse kanali vesi jõe kaudu veetorude või tunnelite kaudu tagasi elektrijaama ning seal on 45 m kõrgune kontsentreeritud langus, mida saab kasutada elektri tootmiseks.
Hüdroelektrijaama, mis kasutab kontsentreeritud tilga moodustamiseks ümbersuunamiskanaleid, tunneleid või veetorusid (näiteks plasttorusid, terastorusid, betoontorusid jne), nimetatakse ümbersuunamiskanali tüüpi hüdroelektrijaamaks, mis on hüdroelektrijaamade tüüpiline paigutus.
(2) Mehaanilised ja elektrilised seadmed
Lisaks ülalmainitud hüdraulilistele töödele (pais, kanal, eellaht, survepais ja elektrijaam) vajab hüdroelektrijaam ka järgmisi seadmeid:
(1) Mehaanilised seadmed
Seal on hüdraulilised turbiinid, regulaatorid, sulgeventiilid, ülekandeseadmed ja mitteelektrilised seadmed.
(2) Elektriseadmed
Seal on generaatorid, jaotuskilbid, trafod, ülekandeliinid jne.
Kuid mitte kõigil väikestel hüdroelektrijaamadel pole ülaltoodud hüdraulilisi konstruktsioone ning mehaanilisi ja elektrilisi seadmeid. Kui madala veesurvega hüdroelektrijaam, mille veesurve on alla 6 meetri, kasutab üldiselt ümbervoolukanalit ja avatud kanaliga ümbervoolukambrit, siis eelveekogu ja survetoru puuduvad. Väikese toiteallika ulatuse ja lühikese ülekandekaugusega elektrijaamad kasutavad otseülekannet ilma trafota. Veehoidlaga hüdroelektrijaamad ei pea tamme ehitama. Kasutatakse sügavat vee sisselaskeava ning tammi sisemise toru (või tunneli) ja ülevoolutoru jaoks ei ole vaja kasutada hüdraulilisi konstruktsioone, nagu pais, sisselaskevärav, kanal ja eelveekogu.
Hüdroelektrijaama ehitamiseks tuleks kõigepealt läbi viia hoolikas mõõdistamine ja projekteerimine. Projekteerimisel on kolm etappi: eelprojekt, tehniline projekt ja ehitusdetailid. Hea projekteerimistöö tegemiseks peame kõigepealt läbi viima põhjaliku uuringu ehk täielikult mõistma kohalikke looduslikke ja majanduslikke tingimusi – topograafiat, geoloogiat, hüdroloogiat, kapitali jne. Projekteerimise õigsust ja usaldusväärsust saab tagada alles pärast nende tingimuste valdamist ja analüüsimist.
Väikeste hüdroelektrijaamade komponendid on eri tüüpi hüdroelektrijaamade puhul erineva kujuga.
3. Topograafiline uuring
Topograafilise mõõdistamise kvaliteedil on suur mõju projekti paigutusele ja koguste hindamisele.
Geoloogiline uuring (geoloogiliste tingimuste mõistmine) nõuab lisaks üldisele arusaamisele ja uurimistööle vesikonna ja jõekalda geoloogiast ka masinaruumi vundamendi tugevuse mõistmist, 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 allavoolus. Seetõttu seatakse jõesuudme geoloogiline valik üldiselt esikohale.
4. Hüdromeetria
Hüdroelektrijaamade puhul on kõige olulisemad hüdroloogilised andmed jõe veetaseme, vooluhulga, sette kontsentratsiooni, jäätumise, meteoroloogiliste andmete ja üleujutusuuringute andmed. Jõe vooluhulga suurus mõjutab hüdroelektrijaama ülevoolutee paigutust ning üleujutuse raskusastet alahinnatakse, mis viib tammi hävimiseni. Jõe kantav sete võib halvimal juhul veehoidla kiiresti täita. Näiteks põhjustab kanalisse sissevool kanali mudastumist ning jämedad setted läbivad hüdroturbiini ja põhjustavad hüdroturbiini kulumist. Seetõttu peavad hüdroelektrijaamade ehitamiseks olema piisavad hüdroloogilised andmed.
Seega enne hüdroelektrijaama ehitamise otsustamist on vaja uurida ja analüüsida majandusarengu suunda ja tulevast elektrienergia nõudlust elektrivarustuspiirkonnas. Samal ajal hinnata ka teiste energiaallikate olukorda arenduspiirkonnas. Alles pärast ülaltoodud tingimuste uurimist ja analüüsimist saame otsustada, kas hüdroelektrijaama on vaja ehitada ja kui suur peaks olema ehitusmaht.
Üldiselt on hüdroenergia uuringu eesmärk anda täpseid ja usaldusväärseid põhiandmeid, mis on vajalikud hüdroelektrijaamade projekteerimiseks ja ehitamiseks.
5. Valitud jaama asukoha üldised tingimused
Jaama asukoha valimise üldtingimusi saab kirjeldada järgmiste nelja aspekti abil:
(1) Valitud jaama asukoht peaks võimaldama veeenergiat kõige ökonoomsemalt kasutada ja vastama kulude kokkuhoiu põhimõttele, st pärast elektrijaama valmimist kulutatakse minimaalselt ja toodetakse maksimaalselt energiat. Üldiselt saab seda mõõta elektrienergia tootmisest saadava aasta tulu ja jaama ehitusse tehtud investeeringute hindamise teel, et näha, kui kaua investeeritud kapital tagasi teenib. Erinevate hüdroloogiliste ja topograafiliste tingimuste ning erineva energiavajaduse tõttu ei tohiks kulusid ja investeeringuid teatud väärtustega piirata.
(2) Valitud jaama asukohal peaksid olema suurepärased topograafilised, geoloogilised ja hüdroloogilised tingimused ning see peaks olema projekteerimisel ja ehitamisel teostatav. Väikeste hüdroelektrijaamade ehitamisel tuleb ehitusmaterjalide osas võimalikult palju järgida kohalike materjalide põhimõtet.
(3) Valitud jaama asukoht peaks olema võimalikult lähedal toiteallikale ja töötlemispiirkonnale, et vähendada investeeringuid ülekandeseadmetesse ja energiakadu.
(4) Jaama asukoha valimisel tuleks võimalikult palju ära kasutada olemasolevaid hüdraulilisi konstruktsioone. Näiteks saab niisutuskanalitesse ehitada veesambaid hüdroelektrijaamade ehitamiseks või niisutusreservuaaride lähedale ehitada hüdroelektrijaamasid niisutusvoolu abil elektri tootmiseks jne. Kuna need hüdroelektrijaamad suudavad järgida põhimõtet toota elektrit siis, kui on olemas vesi, on nende majanduslik tähtsus ilmsem.
Postituse aeg: 25. okt 2022
