Luonnonjoissa vesi virtaa ylävirrasta alavirtaan sekoittuneena sedimenttiin ja usein huuhtelee joenpohjaa ja rantojen rinteitä, mikä osoittaa, että vedessä on tietty määrä piilevää energiaa. Luonnollisissa olosuhteissa tämä potentiaalinen energia kuluu sedimentin huuhteluun, työntämiseen ja kitkavastuksen voittamiseen. Jos rakennamme rakennuksia ja asennamme tarvittavia laitteita tasaisen vesivirran aikaansaamiseksi vesiturbiinin läpi, vesiturbiinia pyörittää veden virtaus, kuten tuulimyllyä, joka voi pyöriä jatkuvasti, ja veden energia muuttuu mekaaniseksi energiaksi. Kun vesiturbiini pyörittää generaattoria, se voi tuottaa sähköä, ja veden energia muuttuu sähköenergiaksi. Tämä on vesivoiman tuotannon perusperiaate. Vesiturbiinit ja generaattorit ovat vesivoiman tuotannon peruslaitteita. Kerron lyhyesti vesivoiman tuotantoa koskevasta pienestä tiedosta.
1. Vesivoima ja veden virtausvoima
Vesivoimalaitoksen suunnittelussa on voimalaitoksen mittakaavan määrittämiseksi tiedettävä voimalaitoksen sähköntuotantokapasiteetti. Vesivoiman tuotannon perusperiaatteiden mukaan ei ole vaikea nähdä, että voimalaitoksen sähköntuotantokapasiteetti määräytyy virran tekemän työn määrän mukaan. Kutsumme veden tietyssä ajassa tekemää kokonaistyötä vesienergiaksi, ja aikayksikössä (sekunnissa) tehtävää työtä virtaustehoksi. On selvää, että mitä suurempi veden virtausteho on, sitä suurempi on voimalaitoksen sähköntuotantokapasiteetti. Siksi voimalaitoksen sähköntuotantokapasiteetin tuntemiseksi meidän on ensin laskettava veden virtausteho. Joen virtausteho voidaan laskea tällä tavalla olettaen, että vedenpinnan lasku tietyllä joen osuudella on H (metriä) ja joen poikkileikkauksen läpi kulkevan vesimäärän H määrä aikayksikössä (sekuntia) on Q (kuutiometriä/sekunti), jolloin virtausteho on yhtä suuri kuin veden painon ja pudotuksen tulo. On selvää, että mitä korkeampi vesipisara on, sitä suurempi on virtaus ja sitä suurempi on veden virtausvoima.
2. Vesivoimalaitosten tuotanto
Tietyllä paineella ja virtauksella vesivoimalaitoksen tuottamaa sähköä kutsutaan vesivoiman tehoksi. Teho riippuu luonnollisesti turbiinin läpi virtaavan veden tehosta. Muunnettaessa vesienergiaa sähköenergiaksi veden on voitettava jokien tai rakennusten vastus matkalla ylävirrasta alavirtaan. Myös vesiturbiinien, generaattoreiden ja siirtolaitteiden on työskennellessään voitettava monia vastuksia. Vastuksen voittamiseksi on tehtävä työtä, ja veden virtaustehoa kuluu, mikä on väistämätöntä. Siksi sähkön tuottamiseen käytettävä veden virtausteho on pienempi kuin kaavalla saatu arvo, eli vesivoimalaitoksen tehon tulisi olla yhtä suuri kuin veden virtausteho kerrottuna kertoimella, joka on pienempi kuin 1. Tätä kerrointa kutsutaan myös vesivoimalaitoksen hyötysuhteeksi.
Vesivoimalaitoksen hyötysuhteen ominaisarvo liittyy energiahäviöön, joka syntyy, kun vesi virtaa rakennuksen ja vesiturbiinin, siirtolaitteiden, generaattorin jne. läpi. Mitä suurempi häviö, sitä pienempi hyötysuhde. Pienessä vesivoimalaitoksessa näiden häviöiden summa muodostaa noin 25–40 % veden virtauksen tehosta. Toisin sanoen vesivirtaus, joka voi tuottaa 100 kilowattia sähköä, tulee vesivoimalaitokseen, ja generaattori voi tuottaa vain 60–75 kilowattia sähköä, joten vesivoimalaitoksen hyötysuhde vastaa 60–75 %.
Edellisestä johdannosta voidaan nähdä, että kun voimalaitoksen virtausnopeus ja vedenkorkeusero ovat vakioita, voimalaitoksen teho riippuu hyötysuhteesta. Käytäntö on osoittanut, että hydraulisten turbiinien, generaattoreiden ja siirtolaitteiden suorituskyvyn lisäksi muut vesivoimalaitosten hyötysuhteeseen vaikuttavat tekijät, kuten rakennusten ja laitteiden asennuksen laatu, käytön ja hallinnan laatu sekä vesivoimalaitoksen suunnittelun oikeellisuus, ovat kaikki tekijöitä, jotka vaikuttavat vesivoimalaitoksen hyötysuhteeseen. Jotkut näistä vaikuttavista tekijöistä ovat luonnollisesti ensisijaisia ja jotkut toissijaisia, ja tietyissä olosuhteissa ensisijaiset ja toissijaiset tekijät muuttuvat myös toisikseen.
Tekijästä riippumatta ratkaisevaa on kuitenkin se, että ihmiset eivät ole esineitä, ihmiset ohjaavat koneita ja ajatus ohjaa teknologiaa. Siksi vesivoimalaitosten suunnittelussa, rakentamisessa ja laitevalinnoissa on otettava täysimääräisesti huomioon ihmisen subjektiivinen rooli ja pyrittävä huippuosaamiseen teknologiassa, jotta veden virtauksen energiahävikki voidaan minimoida mahdollisimman paljon. Tämä pätee erityisesti joihinkin vesivoimalaitoksiin, joissa vedenkorkeus on suhteellisen alhainen. Samalla on tarpeen vahvistaa vesivoimalaitosten toimintaa ja hallintaa tehokkaasti, jotta voidaan parantaa voimalaitosten tehokkuutta, hyödyntää vesivaroja täysimääräisesti ja antaa pienille vesivoimalaitoksille suurempi rooli.
Julkaisun aika: 09.06.2021
