۱. بررسی اجمالی تولید برق آبی
تولید برق آبی به معنای تبدیل انرژی آب رودخانههای طبیعی به انرژی الکتریکی برای استفاده مردم است. منابع انرژی مورد استفاده نیروگاهها متنوع هستند، مانند انرژی خورشیدی، انرژی آب رودخانهها و انرژی باد تولید شده توسط جریان هوا. هزینه تولید برق آبی با استفاده از برق آبی ارزان است و ساخت نیروگاههای برق آبی را میتوان با سایر اقدامات حفاظت از آب نیز ترکیب کرد. چین از نظر منابع آبی غنی است و شرایط بسیار خوبی دارد. برق آبی نقش مهمی در ساخت و ساز اقتصاد ملی ایفا میکند.
سطح آب بالادست یک رودخانه بالاتر از سطح آب پاییندست آن است. به دلیل اختلاف سطح آب رودخانه، انرژی آب تولید میشود. این انرژی، انرژی پتانسیل یا انرژی پتانسیل نامیده میشود. اختلاف ارتفاع سطح آب رودخانه، افت نامیده میشود که به آن اختلاف سطح آب یا هد نیز میگویند. این افت، شرط اساسی برای توان هیدرولیکی است. علاوه بر این، اندازه توان آبی به اندازه جریان آب در رودخانه نیز بستگی دارد که شرط اساسی دیگری به اندازه افت است. افت و دبی هر دو مستقیماً بر اندازه توان هیدرولیکی تأثیر میگذارند. هرچه افت آب بیشتر باشد، توان هیدرولیکی بیشتر است. اگر افت و حجم آب نسبتاً کوچک باشد، خروجی نیروگاه برق آبی کمتر خواهد بود.
افت سطح آب معمولاً بر حسب متر بیان میشود. شیب سطح آب، نسبت افت به فاصله است که میتواند میزان تمرکز افت را نشان دهد. اگر افت نسبتاً متمرکز باشد، استفاده از انرژی آب راحتتر است. افت مورد استفاده توسط یک نیروگاه برق آبی، اختلاف بین سطح آب بالادست نیروگاه برق آبی و سطح آب پاییندست پس از عبور از توربین هیدرولیکی است.
جریان، مقدار آبی است که در واحد زمان از یک رودخانه عبور میکند و با واحد متر مکعب در ثانیه بیان میشود. یک متر مکعب آب معادل یک تن است. جریان یک رودخانه در هر زمان و هر مکان تغییر میکند، بنابراین وقتی در مورد جریان صحبت میکنیم، باید زمان مکان خاصی را که در آن جریان دارد، توضیح دهیم. جریان به طور قابل توجهی در طول زمان تغییر میکند. به طور کلی، رودخانههای چین در تابستان، پاییز و فصل بارندگی جریان زیادی دارند، اما در زمستان و بهار جریان کمی دارند. جریان از ماهی به روز دیگر متفاوت است و حجم آب از سالی به سال دیگر تغییر میکند. جریان رودخانههای عمومی در بالادست نسبتاً کم است. با همگرایی شاخههای فرعی، جریان پاییندست به تدریج افزایش مییابد. بنابراین، اگرچه افت بالادست متمرکز است، اما جریان کم است. اگرچه جریان پاییندست بزرگ است، اما افت نسبتاً پراکنده است. بنابراین، اغلب استفاده از نیروی آب در قسمتهای میانی رودخانه اقتصادیترین است.
با دانستن افت و جریان مورد استفاده توسط یک نیروگاه برق آبی، میتوان خروجی آن را با فرمول زیر محاسبه کرد:
N= GQH
در فرمول، N - خروجی، واحد: کیلووات، که به آن توان نیز گفته میشود؛
Q — جریان، بر حسب متر مکعب در ثانیه؛
ح — افت، بر حسب متر؛
G=9.8، شتاب گرانش، بر حسب نیوتن بر کیلوگرم است
توان تئوری طبق فرمول بالا محاسبه میشود و هیچ تلفاتی کسر نمیشود. در واقع، در فرآیند تولید برق آبی، توربینهای آبی، تجهیزات انتقال، ژنراتورها و غیره تلفات اجتنابناپذیری در توان دارند. بنابراین، توان تئوری باید تخفیف داده شود، یعنی توان واقعی که میتوانیم استفاده کنیم باید در ضریب راندمان (نماد: K) ضرب شود.
توان طراحیشده ژنراتور در نیروگاه برق آبی، توان نامی و توان واقعی، توان واقعی نامیده میشود. در فرآیند تبدیل انرژی، از دست دادن مقداری انرژی اجتنابناپذیر است. در فرآیند تولید برق آبی، عمدتاً تلفات توربینها و ژنراتورهای هیدرولیکی (از جمله تلفات خطوط لوله) وجود دارد. در نیروگاههای برق آبی کوچک روستایی، تلفات مختلف ۴۰ تا ۵۰ درصد از کل توان نظری را تشکیل میدهند، بنابراین خروجی نیروگاههای برق آبی فقط میتواند از ۵۰ تا ۶۰ درصد از توان نظری استفاده کند، یعنی راندمان حدود ۰.۵ تا ۰.۶۰ است (شامل راندمان توربین ۰.۷۰ تا ۰.۸۵، راندمان ژنراتور ۰.۸۵ تا ۰.۹۰ و راندمان لوله و تجهیزات انتقال ۰.۸۰ تا ۰.۸۵). بنابراین، توان واقعی (خروجی) نیروگاه برق آبی را میتوان به صورت زیر محاسبه کرد:
K – راندمان نیروگاه برق آبی، (0.5 تا 0.6) برای محاسبه تقریبی نیروگاه برق آبی میکرو در نظر گرفته شده است؛ فرمول بالا را میتوان به صورت زیر ساده کرد:
N=(0.5 ~ 0.6) QHG توان واقعی = راندمان × جریان × افت × نه ممیز هشت
استفاده از نیروی برق آبی، استفاده از آب برای به حرکت درآوردن نوعی ماشینآلات است که توربین آبی نامیده میشود. به عنوان مثال، چرخ آبی باستانی در چین یک توربین آبی بسیار ساده است. توربینهای هیدرولیکی مختلفی که اکنون مورد استفاده قرار میگیرند، با شرایط هیدرولیکی خاص مختلف سازگار شدهاند تا بتوانند به طور مؤثرتری بچرخند و انرژی آب را به انرژی مکانیکی تبدیل کنند. دستگاه دیگری، ژنراتور، به توربین آبی متصل میشود تا روتور ژنراتور را با توربین آبی بچرخاند و سپس برق تولید شود. ژنراتور را میتوان به دو بخش تقسیم کرد: بخشی که همراه با توربین هیدرولیکی میچرخد و بخش ثابت ژنراتور. بخشی که همراه با توربین هیدرولیکی میچرخد، روتور ژنراتور نامیده میشود و قطبهای مغناطیسی زیادی در اطراف روتور وجود دارد. دایرهای در اطراف روتور، بخش ثابت ژنراتور است که استاتور ژنراتور نامیده میشود. استاتور با سیمپیچهای مسی زیادی پیچیده شده است. هنگامی که قطبهای مغناطیسی زیادی از روتور در وسط سیمپیچ مسی استاتور میچرخند، جریان روی سیم مسی تولید میشود و ژنراتور قرار است انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل کند.
انرژی الکتریکی تولید شده توسط نیروگاه از تجهیزات الکتریکی مختلف به انرژی مکانیکی (موتور یا موتور)، انرژی نور (لامپ الکتریکی)، انرژی گرمایی (کوره الکتریکی) و غیره تبدیل میشود.
۲، ترکیب نیروگاه برق آبی
نیروگاه برق آبی شامل سازههای هیدرولیکی، تجهیزات مکانیکی و تجهیزات الکتریکی است.
(1) سازههای هیدرولیکی
شامل سرریز (سد)، دریچه آبگیر، کانال (یا تونل)، دهانه ورودی (یا مخزن تنظیم)، آبگیر، موتورخانه و لوله خرطومی و غیره میشود.
یک سرریز (سد) در رودخانه بسازید تا رودخانه را مسدود کنید، سطح آب را بالا بیاورید و یک مخزن تشکیل دهید. به این ترتیب، یک افت متمرکز از سطح آب مخزن روی سرریز (سد) تا سطح آب رودخانه زیر سد تشکیل میشود و سپس آب از طریق لولههای آب یا تونلها به نیروگاه برق آبی وارد میشود. در کانال رودخانه شیبدار، استفاده از کانالهای انحرافی نیز میتواند یک افت تشکیل دهد. به عنوان مثال، افت یک رودخانه طبیعی 10 متر در کیلومتر است. اگر کانالی در انتهای بالایی این بخش از رودخانه برای ورود آب باز شود، کانال در امتداد رودخانه حفر میشود و شیب کانال مسطح خواهد بود. اگر افت کانال فقط 1 متر در کیلومتر باشد، آب 5 کیلومتر در کانال جریان مییابد و آب فقط 5 متر سقوط میکند، در حالی که آب پس از طی 5 کیلومتر در رودخانه طبیعی 50 متر سقوط میکند. در این زمان، آب کانال توسط لولههای آب یا تونلها از طریق رودخانه به نیروگاه هدایت میشود و یک ریزشگاه متمرکز ۴۵ متری وجود دارد که میتواند برای تولید برق مورد استفاده قرار گیرد.
یک نیروگاه برق آبی که از کانالهای انحرافی، تونلها یا لولههای آب (مانند لولههای پلاستیکی، لولههای فولادی، لولههای بتنی و غیره) برای تشکیل یک قطره متمرکز استفاده میکند، نیروگاه برق آبی از نوع کانال انحرافی نامیده میشود که یک طرح معمول از نیروگاههای برق آبی است.
(2) تجهیزات مکانیکی و الکتریکی
علاوه بر کارهای هیدرولیکی فوق (سد، کانال، پیشبند، پنستاک و نیروگاه)، نیروگاه برق آبی به تجهیزات زیر نیز نیاز دارد:
(1) تجهیزات مکانیکی
توربینهای هیدرولیکی، گاورنر، شیرهای دروازهای، تجهیزات انتقال و تجهیزات غیرتولید برق وجود دارند.
(2) تجهیزات الکتریکی
ژنراتورها، تابلوهای کنترل توزیع، ترانسفورماتورها، خطوط انتقال و غیره وجود دارند.
با این حال، همه نیروگاههای برق آبی کوچک دارای سازههای هیدرولیکی و تجهیزات مکانیکی و الکتریکی فوق نیستند. اگر نیروگاه برق آبی با هد آب کمتر از 6 متر به طور کلی از روش کانال انحرافی و محفظه انحراف کانال باز استفاده کند، هیچ گونه پیش آبراه و دریچهای وجود نخواهد داشت. نیروگاه با برد منبع تغذیه کوچک و فاصله انتقال کوتاه، انتقال مستقیم بدون ترانسفورماتور را اتخاذ میکند. نیروگاههای برق آبی با مخازن نیازی به ساخت سد ندارند. ورودی آب عمیق در نظر گرفته شده است و لوله داخلی (یا تونل) و سرریز سد نیازی به استفاده از سازههای هیدرولیکی مانند سرریز، دریچه ورودی، کانال و پیش آبراه ندارند.
برای ساخت یک نیروگاه برق آبی، ابتدا باید بررسی و طراحی دقیقی انجام شود. سه مرحله طراحی در طراحی وجود دارد: طراحی اولیه، طراحی فنی و جزئیات ساخت. برای انجام یک کار خوب در طراحی، ابتدا باید بررسی کاملی انجام دهیم، یعنی شرایط طبیعی و اقتصادی محلی - یعنی توپوگرافی، زمین شناسی، هیدرولوژی، سرمایه و غیره - را به طور کامل درک کنیم. صحت و قابلیت اطمینان طراحی تنها پس از تسلط بر این شرایط و تجزیه و تحلیل آنها تضمین میشود.
اجزای نیروگاههای برق آبی کوچک بسته به انواع مختلف نیروگاههای برق آبی، اشکال مختلفی دارند.
۳. بررسی توپوگرافی
کیفیت نقشه برداری توپوگرافی تأثیر زیادی بر طرح پروژه و تخمین مقادیر دارد.
اکتشاف زمینشناسی (درک شرایط زمینشناسی) نه تنها نیازمند درک و تحقیق کلی در مورد زمینشناسی حوضه و زمینشناسی کنار رودخانه است، بلکه نیازمند درک این موضوع نیز میباشد که آیا فونداسیون موتورخانه محکم است یا خیر، که این امر مستقیماً بر ایمنی خود نیروگاه تأثیر میگذارد. هنگامی که سدی با حجم مخزن مشخص تخریب شود، نه تنها به خود نیروگاه برقآبی آسیب میرساند، بلکه باعث خسارات جانی و مالی زیادی در پاییندست نیز میشود. بنابراین، انتخاب زمینشناسی محل قرارگیری سد در وهله اول قرار میگیرد.
۴. هیدرومتری
برای نیروگاههای برق آبی، مهمترین دادههای هیدرولوژیکی، سوابق سطح آب رودخانه، جریان، غلظت رسوب، یخزدگی، دادههای هواشناسی و دادههای بررسی سیل هستند. اندازه جریان رودخانه بر طرح سرریز نیروگاه برق آبی تأثیر میگذارد و شدت سیل کمتر از حد واقعی تخمین زده میشود که منجر به تخریب سد خواهد شد. رسوب حمل شده توسط رودخانه میتواند در بدترین حالت به سرعت مخزن را پر کند. به عنوان مثال، جریان ورودی به کانال باعث گل و لای شدن کانال میشود و رسوبات درشت از توربین هیدرولیکی عبور کرده و باعث فرسودگی توربین هیدرولیکی میشوند. بنابراین، ساخت نیروگاههای برق آبی باید دادههای هیدرولوژیکی کافی داشته باشد.
بنابراین، قبل از تصمیمگیری برای ساخت یک نیروگاه برق آبی، لازم است جهت توسعه اقتصادی و تقاضای آینده برق در منطقه تأمین برق بررسی و مطالعه شود. در عین حال، وضعیت سایر منابع برق در منطقه توسعه نیز تخمین زده شود. تنها پس از مطالعه و تحلیل شرایط فوق میتوانیم تصمیم بگیریم که آیا نیروگاه برق آبی نیاز به ساخت دارد و مقیاس ساخت آن چقدر باید باشد.
به طور کلی، هدف از بررسی نیروگاههای برق آبی، ارائه دادههای اولیه دقیق و قابل اعتماد لازم برای طراحی و ساخت نیروگاههای برق آبی است.
۵، شرایط عمومی محل ایستگاه انتخاب شده
شرایط کلی برای انتخاب محل ایستگاه را میتوان در چهار جنبه زیر شرح داد:
(1) محل انتخاب شده برای نیروگاه باید بتواند اقتصادیترین استفاده را از انرژی آب داشته باشد و با اصل صرفهجویی در هزینه مطابقت داشته باشد، یعنی پس از تکمیل نیروگاه، حداقل هزینه صرف شده و حداکثر توان تولید شود. به طور کلی، میتوان با تخمین درآمد سالانه حاصل از تولید برق و سرمایهگذاری در ساخت نیروگاه، میزان بازگشت سرمایه سرمایهگذاری شده را اندازهگیری کرد. با این حال، به دلیل شرایط مختلف هیدرولوژیکی و توپوگرافی و تقاضاهای مختلف برای برق، هزینه و سرمایهگذاری نباید محدود به مقادیر خاصی باشد.
(2) محل انتخاب شده برای ایستگاه باید از شرایط توپوگرافی، زمینشناسی و هیدرولوژیکی ممتازی برخوردار باشد و از نظر طراحی و ساخت نیز امکان پذیر باشد. ساخت ایستگاههای برق آبی کوچک باید تا حد امکان از نظر مصالح ساختمانی با اصل «مصالح محلی» مطابقت داشته باشد.
(3) محل انتخاب شده برای ایستگاه باید تا حد امکان به منطقه تامین برق و پردازش نزدیک باشد تا سرمایهگذاری در تجهیزات انتقال و تلفات برق کاهش یابد.
(4) هنگام انتخاب محل ایستگاه، باید تا حد امکان از سازههای هیدرولیکی موجود استفاده شود. به عنوان مثال، میتوان از قطره آب برای ساخت نیروگاههای برق آبی در کانالهای آبیاری استفاده کرد، یا میتوان نیروگاههای برق آبی را در نزدیکی مخازن آبیاری ساخت تا با استفاده از جریان آبیاری، برق تولید کنند و غیره. از آنجا که این نیروگاههای برق آبی میتوانند با اصل تولید برق در صورت وجود آب مطابقت داشته باشند، اهمیت اقتصادی آنها آشکارتر است.
زمان ارسال: ۲۵ اکتبر ۲۰۲۲
