Maailman ensimmäinen vesivoimalaitos rakennettiin Ranskaan vuonna 1878, ja siinä käytettiin vesivoimageneraattoreita sähkön tuottamiseen. Tähän asti vesivoimalaitosten valmistusta on kutsuttu ranskalaisen teollisuuden "kruunuksi". Mutta jo vuonna 1878 vesivoimalaitoksella oli alustava suunnitelma. Vuonna 1856 markkinoille tuli Lianlian Alliance -merkkinen kaupallinen tasavirtageneraattori. Vuonna 1865 ranskalainen Casseven ja italialainen Marko suunnittelivat tasavirtageneraattorin ja vesiturbiinin yhdistämistä sähkön tuottamiseksi. Vuonna 1874 venäläinen Piroski ehdotti myös suunnitelmaa vesienergian muuttamiseksi sähköenergiaksi. Vuonna 1878 maailman ensimmäiset vesivoimalaitokset rakennettiin Gragside Manoriin Englantiin ja Sirmiteen Pariisin lähelle Ranskaan, ja ensimmäinen erä tasavirtavesivoimalaitoksia ilmestyi. Vuonna 1891 Ruitu Olican Companyssa syntyi ensimmäinen moderni vesivoimalaitos (Laufen Hydrogenater Hydrogenater). Vuodesta 1891 nykypäivään vesivoimageneraattoriteknologiassa on tapahtunut valtavaa edistystä yli 100 vuoden ajan.
Alkuvaihe (1891–1920)
Vesivoimalaitosten synnyn alkuvaiheessa ihmiset yhdistivät tavallisen tasavirtageneraattorin tai laturin vesiturbiiniin muodostaen vesivoimalaitosten sarjan. Tuolloin ei ollut olemassa erityisesti suunniteltua vesivoimalaitosta. Kun Lauffenin vesivoimalaitos rakennettiin vuonna 1891, ilmestyi erityisesti suunniteltu vesivoimalaitos. Koska varhaiset vesivoimalaitokset olivat pieniä, erillisiä voimalaitoksia, joilla oli pieni virransyöttöalue, generaattoreiden parametrit olivat hyvin kaoottisia, ja niiden jännitteet ja taajuudet vaihtelivat. Rakenteellisesti vesivoimalaitokset ovat enimmäkseen vaakasuoria. Lisäksi useimmat vesivoimalaitokset alkuvaiheessa ovat tasavirtageneraattoreita, ja myöhemmin ilmestyvät yksivaiheiset vaihtovirta-, kolmivaiheiset vaihtovirta- ja kaksivaiheiset vaihtovirtavesivoimalaitokset.
Tunnetuimpia vesivoimalaitosten valmistusyrityksiä alkuvaiheessa ovat BBC, Oelikon, Siemens, Westinghouse (WH), Edison ja General Motors (GE) jne., ja edustavia vesivoimaturbiinien tuotantolaitteita. Koneistoon kuuluvat Laufenin vesivoimalaitoksen 300 hv:n kolmivaiheinen vaihtovirtaturbiinigeneraattori (1891), Yhdysvalloissa sijaitsevan Folsomin vesivoimalaitoksen 750 kW:n kolmivaiheinen vaihtovirtageneraattori (GE Corporationin valmistama, 1893) ja Niagaran putousten Amerikan puolella sijaitsevan Adamsin vesivoimalaitoksen (Niagaran putoukset) 5000 hv:n kaksivaiheinen vaihtovirtavesivoimageneraattori (1894), Niagaran putousten Kanadan puolella sijaitsevan Ontarion voimalaitoksen 12MNV?A- ja 16MV?A-vaakasuuntaiset vesivoimageneraattorit (1904-1912) sekä GE:n vuonna 1920 valmistama 40 MV?A:n jalustatyyppinen vesivoimageneraattori. Ruotsissa sijaitseva Hellsjönin vesivoimalaitos rakennettiin vuonna 1893. Voimalaitos oli varustettu neljällä 344 kV?A kolmivaiheisella vaihtovirtageneraattorilla. Generaattorit valmisti ruotsalainen General Electric Company (ASEA).
Vuonna 1891 maailmannäyttely pidettiin Frankfurt am Mainissa, Saksassa. Vaihtovirran siirron ja käytön esittelemiseksi konferenssin järjestäjät asensivat sarjan vesiturbiinigeneraattoreita Portlandsementtitehtaalle Larffenissa, Saksassa, 175 km:n päähän. Näytöksen valaistusta ja 100 hv:n kolmivaiheisen induktiomoottorin käyttöä varten. Laufenin voimalaitoksen vesigeneraattorin suunnitteli Ruitu Oerlikon Companyn pääinsinööri Brown, ja Oerlikon Company valmisti sen. Generaattori on kolmivaiheinen vaakasuora tyyppi, 300 hv, 150 rpm, 32 napaa, 40 Hz ja vaihejännite 55–65 V. Generaattorin ulkohalkaisija on 1752 mm ja rautasydämen pituus 380 mm. Generaattorin staattoriurien lukumäärä on 96, suljettuja uria (joita tuolloin kutsuttiin reikiksi), jokainen napa ja jokainen vaihe on kuparitanko, valssilangan ura on eristetty 2 mm:n asbestilevyllä ja pää on paljas kuparitanko; roottori on upotettu rengasmainen osa kenttäkäämin kynsinapoja. Generaattoria käyttää pystysuora hydraulinen turbiini kartiopyöräparin kautta, ja sitä virittää toinen pieni tasavirtahydrauligeneraattori. Generaattorin hyötysuhde on 96,5 %.
Laufenin voimalan vesivoimalaitosten onnistunut käyttö ja sähkönsiirto Frankfurtiin on ihmiskunnan historian ensimmäinen teollinen kolmivaihevirran siirron testi. Se on läpimurto vaihtovirran, erityisesti kolmivaiheisen vaihtovirran, käytännön sovelluksissa. Generaattori on myös maailman ensimmäinen kolmivaiheinen vesivoimalaitos.
Yllä oleva kuvaa vesivoimageneraattoreiden suunnittelua ja kehitystä ensimmäisten 30 vuoden aikana. Itse asiassa vesivoimageneraattoriteknologian kehitysprosessia tarkasteltaessa vesivoimageneraattorit ovat yleensä kehitysvaihe 30 vuoden välein. Eli ajanjakso 1891–1920 oli alkuvaihe, ajanjakso 1921–1950 oli teknologisen kasvun vaihe, ajanjakso 1951–1984 oli nopean kehityksen vaihe ja ajanjakso 1985–2010 oli vakaan kehityksen vaihe.
Julkaisun aika: 09.09.2021
