Vesivoimalla muunnetaan luonnon jokien vesienergiaa sähköksi ihmisten käyttöön. Sähköntuotannossa käytetään useita energialähteitä, kuten aurinkoenergiaa, jokien vesivoimaa ja ilmavirran tuottamaa tuulivoimaa. Vesivoimalla tuotettavan vesivoiman kustannukset ovat alhaiset, ja vesivoimalaitosten rakentaminen voidaan yhdistää myös muihin vesiensuojeluhankkeisiin. Maamme on erittäin rikas vesivoimavarojen suhteen ja olosuhteet ovat myös erittäin hyvät. Vesivoimalla on tärkeä rooli kansantalouden rakentamisessa.
Joen ylävirran vedenpinta on korkeampi kuin alavirran. Joen vedenpinnan eron vuoksi syntyy vesienergiaa. Tätä energiaa kutsutaan potentiaalienergiaksi tai potentiaalienergiaksi. Joen vedenpinnan korkeuseroa kutsutaan pudotukseksi, jota kutsutaan myös vedenpintaeroksi tai vesipatsasuudeksi. Tämä pudotus on hydraulisen voiman muodostumisen perusedellytys. Lisäksi hydraulisen voiman suuruus riippuu myös joen virtausnopeudesta, joka on toinen yhtä tärkeä perusedellytys kuin pudotus. Sekä pudotus että virtaus vaikuttavat suoraan hydrauliseen voimaan; mitä suurempi pudotuksen vesitilavuus on, sitä suurempi on hydraulinen teho; jos pudotus ja veden tilavuus ovat suhteellisen pieniä, vesivoimalaitoksen tuotanto on pienempi.
Pudotus ilmaistaan yleensä metreinä. Jyrkkyys on pudotuksen ja etäisyyden suhde, joka voi osoittaa pudotuksen keskittymisasteen. Pudotus on keskittyneempi ja hydraulisen voiman käyttö on kätevämpää. Vesivoimalaitoksen käyttämä pudotus on vesivoimalaitoksen ylävirran vedenpinnan ja alavirran vedenpinnan välinen erotus turbiinin läpi kulkemisen jälkeen.
Virtaama on joessa virtaavan veden määrä aikayksikköä kohden, ja se ilmaistaan kuutiometreinä sekunnissa. Yksi kuutiometri vettä on yksi tonni. Joen virtaama muuttuu milloin tahansa, joten kun puhumme virtaamasta, meidän on selitettävä aika, jolloin se virtaa tiettyyn paikkaan. Virtaama muuttuu erittäin merkittävästi ajan kuluessa. Maamme joissa on yleensä suuri virtaama sadekaudella kesällä ja syksyllä ja suhteellisen pieni talvella ja keväällä. Yleensä joen virtaama on suhteellisen pieni yläjuoksulla; koska sivujoet yhdistyvät, alajuoksun virtaus kasvaa vähitellen. Siksi, vaikka yläjuoksun pudotus on keskittynyt, virtaus on pieni; alajuoksun virtaus on suuri, mutta pudotus on suhteellisen hajaantunut. Siksi on usein taloudellisinta käyttää hydraulista voimaa joen keskiosissa.
Kun tiedetään vesivoimalaitoksen käyttämä pudotus ja virtaus, sen teho voidaan laskea seuraavalla kaavalla:
N = GQH
Kaavassa N-lähtöä, kilowatteina, voidaan kutsua myös tehoksi;
Q–virtaus, kuutiometreinä sekunnissa;
H – pudotus metreinä;
G = 9,8 , on painovoiman kiihtyvyys, yksikkö: Newton/kg
Yllä olevan kaavan mukaan teoreettinen teho lasketaan vähentämättä häviöitä. Itse asiassa vesivoiman tuotannossa turbiineilla, siirtolaitteilla, generaattoreilla jne. on väistämättömiä tehohäviöitä. Siksi teoreettinen teho tulisi vähentää eli todellinen käytettävissä oleva teho tulisi kertoa hyötysuhdekertoimella (symboli: K).
Vesivoimalaitoksen generaattorin suunniteltua tehoa kutsutaan nimellistehoksi ja todellista tehoa todelliseksi tehoksi. Energian muuntamisen prosessissa on väistämätöntä menettää osa energiasta. Vesivoiman tuotannossa häviöitä syntyy pääasiassa turbiineissa ja generaattoreissa (myös putkistoissa). Maaseudun mikrovesivoimalaitoksen erilaiset häviöt muodostavat noin 40–50 % teoreettisesta kokonaistehosta, joten vesivoimalaitoksen teho voi todellisuudessa käyttää vain 50–60 % teoreettisesta tehosta, eli hyötysuhde on noin 0,5–0,60 (josta turbiinin hyötysuhde on 0,70–0,85, generaattoreiden hyötysuhde on 0,85–0,90 ja putkistojen ja siirtolaitteiden hyötysuhde on 0,80–0,85). Siksi vesivoimalaitoksen todellinen teho (tuotos) voidaan laskea seuraavasti:
K – vesivoimalaitoksen hyötysuhdetta (0,5～0,6) käytetään mikrovesivoimalaitoksen karkeassa laskennassa; tätä arvoa voidaan yksinkertaistaa seuraavasti:
N=(0,5～0,6)QHG Todellinen teho=hyötysuhde×virtaus×häviö×9,8
Vesivoiman käyttö tarkoittaa vesivoiman käyttämistä koneen, jota kutsutaan vesiturbiiniksi, liikuttamiseen. Esimerkiksi maassamme käytetty muinainen vesiratas on hyvin yksinkertainen vesiturbiini. Nykyään käytössä olevat erilaiset hydrauliset turbiinit on mukautettu erilaisiin hydraulisiin olosuhteisiin, jotta ne voivat pyöriä tehokkaammin ja muuntaa vesienergian mekaaniseksi energiaksi. Toinen koneisto, generaattori, on kytketty turbiiniin, jolloin generaattorin roottori pyörii turbiinin mukana sähkön tuottamiseksi. Generaattori voidaan jakaa kahteen osaan: turbiinin mukana pyörivään osaan ja generaattorin kiinteään osaan. Turbiiniin kytkettyä ja pyörivää osaa kutsutaan generaattorin roottoriksi, ja roottorin ympärillä on useita magneettisia napoja; roottorin ympärillä oleva ympyrä on generaattorin kiinteä osa, jota kutsutaan generaattorin staattoriksi, ja staattori on kiedottu moniin kuparikäämeihin. Kun roottorin monet magneettiset navat pyörivät staattorin kuparikäämien keskellä, kuparijohtimiin syntyy virta, ja generaattori muuntaa mekaanisen energian sähköenergiaksi.
Voimalaitoksen tuottama sähköenergia muunnetaan mekaaniseksi energiaksi (sähkömoottori tai sähkömoottori), valoenergiaksi (sähkölamppu), lämpöenergiaksi (sähköuuni) ja niin edelleen erilaisten sähkölaitteiden avulla.
vesivoimalaitoksen kokoonpano
Vesivoimalaitoksen kokoonpanoon kuuluvat: hydrauliset rakenteet, mekaaniset laitteet ja sähkölaitteet.
(1) Hydrauliset rakenteet
Siinä on patoja, imuportteja, kanavia (tai tunneleita), painesäiliöitä (tai säätösäiliöitä), paineputkia, voimalaitoksia ja alakanavia jne.
Jokeen rakennetaan pato, joka estää jokiveden virtauksen ja nostaa vedenpintaa muodostaen tekojärven. Tällä tavoin patojärven vesipinnan ja padon alapuolella olevan joen vedenpinnan väliin muodostuu tiivistynyt pudotus, ja vesi johdetaan sitten vesivoimalaitokseen vesiputkien tai tunnelien kautta. Suhteellisen jyrkissä joissa pudotuksen voi myös muodostaa ohjauskanavien avulla. Esimerkiksi: Luonnonjoen pudotus kilometriä kohden on yleensä 10 metriä. Jos joen tämän osan yläpäähän avataan kanava jokiveden johtamiseksi, kanava kaivetaan jokea pitkin, jolloin kanavan kaltevuus on loivempi. Jos kanavan pudotus tehdään kilometriä kohden, se laskee vain 1 metrin, jolloin vesi virtasi kanavassa 5 kilometriä ja vedenpinta laski vain 5 metriä, kun taas vesi laski 50 metriä 5 kilometrin matkan jälkeen luonnollisessa uomassa. Tällöin kanavasta tuleva vesi johdetaan jokea pitkin takaisin voimalaitokselle vesiputkea tai tunnelia pitkin, ja siellä on 45 metrin tiivis pudotus, jota voidaan käyttää sähkön tuotantoon. Kuva 2.
Vesivoimalaitoksen muodostamista ohjautumiskanavien, tunnelien tai vesiputkien (kuten muoviputkien, teräsputkien, betoniputkien jne.) avulla, jossa on tiivis pudotus, kutsutaan ohjautumiskanavavesivoimalaitokseksi, mikä on tyypillinen vesivoimalaitosten asettelu.
(2) Mekaaniset ja sähkölaitteet
Edellä mainittujen hydraulisten töiden (padot, kanavat, esipihat, paineputket, työpajat) lisäksi vesivoimalaitos tarvitsee myös seuraavat laitteet:
(1) Mekaaniset laitteet
On olemassa turbiineja, säätölaitteita, sulkuventtiilejä, siirtolaitteita ja ei-generatiivisia laitteita.
(2) Sähkölaitteet
On generaattoreita, jakelukeskuksia, muuntajia ja siirtolinjoja.
Kaikissa pienissä vesivoimalaitoksissa ei kuitenkaan ole edellä mainittuja hydraulisia rakenteita sekä mekaanisia ja sähköisiä laitteita. Jos vedenkorkeus on matalapaineisessa vesivoimalaitoksessa alle 6 metriä, käytetään yleensä vedenohjauskanavaa ja avovesikanavaa, eikä paineallasta tai painevesiputkea ole. Voimalaitoksissa, joilla on pieni sähkönsyöttöalue ja lyhyt siirtomatka, käytetään suoraa sähkönsiirtoa, eikä muuntajaa tarvita. Vesivoimalaitoksissa, joissa on tekoaltaita, ei tarvitse rakentaa patoja. Syvien ottoaukkojen, padon sisäputkien (tai tunnelien) ja tulvavesikanavien käyttö poistaa tarpeen hydraulisille rakenteille, kuten padoille, ottoporteille, kanaville ja painealtaille.
Vesivoimalaitoksen rakentamiseksi on ensin tehtävä huolellinen kartoitus- ja suunnittelutyö. Suunnittelutyössä on kolme vaihetta: alustava suunnittelu, tekninen suunnittelu ja rakennusdetailien suunnittelu. Jotta suunnittelutyö onnistuisi hyvin, on ensin tehtävä perusteellinen kartoitustyö eli ymmärrettävä täysin paikalliset luonnonolosuhteet ja taloudelliset olosuhteet – kuten topografia, geologia, hydrologia, pääoma jne. Suunnittelun oikeellisuus ja luotettavuus voidaan taata vasta näiden tilanteiden hallinnan ja analysoinnin jälkeen.
Pienten vesivoimalaitosten komponentit ovat erilaisia muotoja vesivoimalaitoksen tyypistä riippuen.
3. Topografinen kartoitus
Topografisen mittaustyön laadulla on suuri vaikutus suunnitteluun ja suunnittelumäärän arviointiin.
Geologinen tutkimus (geologisten olosuhteiden ymmärtäminen) Valuma-alueen ja joen varrella olevan geologian yleisen ymmärtämisen ja tutkimuksen lisäksi on myös ymmärrettävä, onko konehuoneen perustus tukeva, mikä vaikuttaa suoraan itse voimalaitoksen turvallisuuteen. Kun tietyn tilavuuden omaava pato tuhoutuu, se ei ainoastaan vahingoita itse vesivoimalaitosta, vaan aiheuttaa myös valtavia ihmishenkien menetyksiä ja omaisuusvahinkoja alajuoksulla.
4. Hydrologinen testi
Vesivoimalaitosten kannalta tärkeimmät hydrologiset tiedot ovat tiedot jokien vedenkorkeudesta, virtaamasta, sedimenttipitoisuudesta, jäätymisolosuhteista, meteorologisista tiedoista ja tulvakartoitustiedoista. Joen virtaaman suuruus vaikuttaa vesivoimalaitoksen tulvauran suunnitteluun. Tulvan vakavuuden aliarviointi vahingoittaa patoa; joen kuljettama sedimentti voi pahimmassa tapauksessa täyttää tekojärven nopeasti. Esimerkiksi sisäänvirtauskanava aiheuttaa uoman liettymistä, ja karkearakeinen sedimentti kulkeutuu turbiinin läpi ja aiheuttaa turbiinin kulumista. Siksi vesivoimalaitosten rakentamisessa on oltava riittävät hydrologiset tiedot.
Siksi ennen vesivoimalan rakentamista koskevan päätöksen tekemistä on ensin selvitettävä energiantuotantoalueen taloudellisen kehityksen suunta ja tuleva sähkön kysyntä. Samalla on arvioitava muiden energialähteiden tilanne kehitysalueella. Vasta edellä mainitun tilanteen tutkimuksen ja analyysin jälkeen voimme päättää, onko vesivoimala tarpeen rakentaa ja kuinka suuri sen tulisi olla.
Yleisesti ottaen vesivoimatutkimusten tarkoituksena on tarjota tarkkaa ja luotettavaa perustietoa, jota tarvitaan vesivoimalaitosten suunnitteluun ja rakentamiseen.
5. Yleiset paikan valintaehdot
Paikan valinnan yleiset ehdot voidaan selittää seuraavien neljän näkökohdan perusteella:
(1) Valitun paikan tulisi pystyä hyödyntämään vesienergiaa taloudellisimmalla tavalla ja noudattamaan kustannussäästöperiaatetta, eli voimalaitoksen valmistuttua kulutetaan vähiten rahaa ja tuotetaan eniten sähköä. Tämä voidaan yleensä mitata arvioimalla vuotuinen sähköntuotantotulo ja voimalan rakentamiseen tarvittavat investoinnit, jotta nähdään, kuinka kauan sijoitettu pääoma saadaan takaisin. Hydrologiset ja topografiset olosuhteet vaihtelevat kuitenkin eri paikoissa, ja myös sähkön tarve on erilainen, joten rakennuskustannuksia ja investointeja ei pitäisi rajoittaa tiettyihin arvoihin.
(2) Valitun paikan topografisten, geologisten ja hydrologisten olosuhteiden tulee olla suhteellisesti erinomaiset, ja suunnittelussa ja rakentamisessa tulee olla mahdollisuuksia. Pienten vesivoimalaitosten rakentamisessa rakennusmateriaalien käytön tulisi olla mahdollisimman pitkälle "paikallisten materiaalien" periaatteen mukaista.
(3) Valitun paikan on oltava mahdollisimman lähellä sähkönsyöttö- ja käsittelyaluetta, jotta sähkönsiirtolaitteiden investoinnit ja tehohäviöt vähenevät.
(4) Paikkaa valittaessa on hyödynnettävä mahdollisimman paljon olemassa olevia hydraulisia rakenteita. Esimerkiksi vesipisteestä voidaan rakentaa vesivoimalaitos kastelukanavaan tai vesivoimalaitos voidaan rakentaa kastelualtaan viereen sähkön tuottamiseksi kasteluvedestä jne. Koska nämä vesivoimalaitokset voivat täyttää periaatteen, jonka mukaan sähköä tuotetaan veden läsnä ollessa, niiden taloudellinen merkitys on ilmeisempi.
Julkaisun aika: 19.5.2022
