Vatnsafl er notað til að breyta vatnsorku náttúrulegra áa í rafmagn sem fólk getur notað. Ýmsar orkugjafar eru notaðir við raforkuframleiðslu, svo sem sólarorka, vatnsorka í ám og vindorka sem myndast með loftstreymi. Kostnaðurinn við vatnsaflsframleiðslu með vatnsafli er ódýr og bygging vatnsaflsvirkjana er einnig hægt að sameina öðrum vatnsverndarverkefnum. Landið okkar er mjög ríkt af vatnsaflsauðlindum og aðstæður eru einnig mjög góðar. Vatnsafl gegnir mikilvægu hlutverki í uppbyggingu þjóðarbúsins.
Vatnsborð árinnar uppstreymis er hærra en vatnsborð hennar niðurstreymis. Vegna mismunar á vatnsborði árinnar myndast vatnsorka. Þessi orka kallast stöðuorka eða hugsanleg orka. Mismunurinn á hæð vatns árinnar kallast fall, einnig kallað vatnsborðsmunur eða vatnsþrýstingur. Þetta fall er grunnskilyrði fyrir myndun vatnsafls. Að auki er stærð vatnsaflsins einnig háð stærð vatnsrennslis í ánni, sem er annað grunnskilyrði jafn mikilvægt og fallið. Bæði fallið og rennslið hafa bein áhrif á vatnsafl; því stærra sem vatnsrúmmál dropans er, því meira er vatnsafl; ef fallið og vatnsrúmmálið eru tiltölulega lítil, verður afköst vatnsaflsvirkjunarinnar minni.
Fallið er almennt gefið upp í metrum. Halli er hlutfall falls og fjarlægðar, sem getur gefið til kynna styrk fallsins. Fallið er þéttara og notkun vökvaafls er þægilegri. Fallið sem vatnsaflsvirkjun notar er mismunurinn á vatnsyfirborði uppstreymis vatnsaflsvirkjunarinnar og vatnsyfirborði niðurstreymis eftir að hún hefur farið í gegnum túrbínuna.
Rennsli er magn vatns sem rennur í á á á hverri tímaeiningu og er það gefið upp í rúmmetrum á einni sekúndu. Einn rúmmetri af vatni er eitt tonn. Rennsli árinnar breytist hvenær sem er, svo þegar við tölum um rennsli verðum við að útskýra tímann á þeim tiltekna stað þar sem hún rennur. Rennslið breytist mjög verulega með tímanum. Árnar í okkar landi hafa almennt mikið rennsli á regntímanum á sumrin og haustin og tiltölulega lítið á veturna og vorin. Almennt er rennsli árinnar tiltölulega lítið í uppstreymi; vegna þess að þverárnar sameinast eykst rennslið niðurstreymis smám saman. Þess vegna, þó að fallið uppstreymis sé þétt, er rennslið lítið; rennslið niðurstreymis er mikið, en fallið er tiltölulega dreift. Þess vegna er oft hagkvæmast að nýta vatnsafl í miðhluta árinnar.
Þegar vitað er um fall og rennsli vatnsaflsvirkjunar er hægt að reikna út afköst hennar með eftirfarandi formúlu:
N= GQH
Í formúlunni má einnig kalla afl N-framleiðslu, í kílóvöttum;
Q–flæði, í rúmmetrum á sekúndu;
H – fall, í metrum;
G = 9,8, er þyngdarhröðunin, eining: Newton/kg
Samkvæmt ofangreindri formúlu er fræðilegt afl reiknað án þess að draga frá tap. Reyndar, í ferli vatnsaflsframleiðslu, verða óhjákvæmileg aflstap í túrbínum, flutningsbúnaði, rafstöðvum o.s.frv. Þess vegna ætti að afskrifa fræðilegt afl, það er að segja, margfalda raunverulegt afl sem við getum notað með nýtnistuðlinum (tákn: K).
Hönnuð afl rafstöðvarinnar í vatnsaflsvirkjunum er kallað nafnafl og raunverulegt afl er kallað raunverulegt afl. Í orkuumbreytingarferlinu er óhjákvæmilegt að tapa hluta af orkunni. Í vatnsaflsframleiðslu eru aðallega tap í túrbínum og rafstöðvum (það eru einnig tap í leiðslum). Ýmis tap í örvatnsvirkjunum í dreifbýli nemur um 40-50% af heildar fræðilegu afli, þannig að afköst vatnsaflsvirkjanna geta í raun aðeins notað 50-60% af fræðilegu afli, það er að segja, nýtnin er um 0,5-0,60 (þar af er nýtnin í túrbínum 0,70-0,85, nýtnin í rafstöðvum er 0,85 til 0,90 og nýtnin í leiðslum og flutningsbúnaði er 0,80 til 0,85). Þess vegna er hægt að reikna út raunverulegt afl (framleiðslu) vatnsaflsvirkjanna á eftirfarandi hátt:
K – skilvirkni vatnsaflsvirkjunarinnar, (0,5～0,6) er notuð í grófum útreikningi á örvatnsvirkjun; þetta gildi má einfalda sem:
N = (0,5 ~ 0,6) QHG Raunveruleg afköst = skilvirkni × rennsli × fall × 9,8
Notkun vatnsafls er að nota vatnsafl til að knýja vél, sem kallast vatnstúrbína. Til dæmis er forn vatnshjól í okkar landi mjög einföld vatnstúrbína. Hinar ýmsu vökvatúrbínur sem nú eru notaðar eru aðlagaðar að ýmsum sérstökum vatnsfræðilegum aðstæðum, þannig að þær geti snúist skilvirkari og breytt vatnsorku í vélræna orku. Önnur tegund vélbúnaðar, rafall, er tengdur við túrbínuna, þannig að snúningshluti rafallsins snýst með túrbínunni til að framleiða rafmagn. Rafallinn má skipta í tvo hluta: þann hluta sem snýst með túrbínunni og fasta hluta rafallsins. Sá hluti sem er tengdur við túrbínuna og snýst kallast snúningshluti rafallsins, og það eru margir segulpólar í kringum snúningshlutann; hringur í kringum snúningshlutann er fasti hluti rafallsins, kallaður stator rafallsins, og statorinn er vafinn mörgum koparspólum. Þegar margir segulpólar snúningshlutans snúast í miðju koparspólanna í statornum myndast straumur á koparvírunum og rafallinn breytir vélrænni orku í raforku.
Rafmagnið sem myndast í virkjuninni er breytt í vélræna orku (rafmótor eða mótor), ljósorku (rafmagnslampa), varmaorku (rafmagnsofn) og svo framvegis með ýmsum rafbúnaði.
samsetning vatnsaflsvirkjunarinnar
Vatnsaflsvirkjun samanstendur af: vökvakerfi, vélbúnaði og rafbúnaði.
(1) Vatnsvirki
Það hefur stíflur, inntakshlið, rásir (eða göng), þrýstitanka fyrir framan (eða stjórntanka), þrýstirör, stöðvarhús og frárennslisrör o.s.frv.
Stífla er byggð í ánni til að loka fyrir vatnið og hækka vatnsyfirborðið til að mynda lón. Þannig myndast einbeittur dropi milli vatnsyfirborðs lónsins á stíflunni og vatnsyfirborðs árinnar fyrir neðan hana, og síðan er vatnið leitt inn í vatnsaflsvirkjunina með því að nota vatnspípur eða jarðgöng. Í tiltölulega bröttum ám getur notkun fráveiturása einnig myndað dropa. Til dæmis: Almennt er fallið á kílómetra í náttúrulegri á 10 metrar. Ef rás er opnuð efst í þessum hluta árinnar til að leiða vatnið inn í ána, verður rásin grafin meðfram ánni og halli rásins verður flatari. Ef fallið í rásinni er gert á kílómetra lækkar það aðeins um 1 metra, þannig að vatnið rann 5 kílómetra í rásinni og vatnsyfirborðið lækkar aðeins 5 metra, en vatnið lækkar 50 metra eftir að hafa ferðast 5 kílómetra í náttúrulega rásinni. Á þessum tíma er vatnið úr rásinni leitt aftur að virkjuninni með ánni í vatnspípu eða göngum og þar myndast 45 metra djúpt fall sem hægt er að nota til að framleiða rafmagn. Mynd 2
Notkun fráveiturása, jarðganga eða vatnspípa (eins og plastpípa, stálpípa, steypupípa o.s.frv.) til að mynda vatnsaflsvirkjun með þéttu falli kallast fráveiturásarvatnsaflsvirkjun, sem er dæmigerð fyrirkomulag vatnsaflsvirkjana.
(2) Vélrænn og rafbúnaður
Auk ofangreindra vatnslagna (stíflur, rásir, forgarðar, þrýstirör, verkstæði) þarf vatnsaflsvirkjunin einnig eftirfarandi búnað:
(1) Vélbúnaður
Þar eru túrbínur, stjórntæki, hliðarlokar, flutningsbúnaður og búnaður sem ekki er rafstöð.
(2) Rafmagnsbúnaður
Þar eru rafalar, stjórnborð fyrir dreifingu, spennubreytar og flutningslínur.
En ekki allar litlar vatnsaflsvirkjanir eru með ofangreindar vökvakerfismannvirki og vélrænan og rafmagnsbúnað. Ef vatnshæðin er minni en 6 metrar í lágvatnsvirkjuninni eru vatnsleiðarrásir og opnar vatnsrásir almennt notaðar og þrýstiforlaugar og þrýstivatnspípur eru ekki til staðar. Fyrir virkjanir með lítið aflgjafasvið og stutta flutningsfjarlægð er beinn aflflutningur notaður og engin spenni er nauðsynleg. Vatnsaflsvirkjanir með lónum þurfa ekki að byggja stíflur. Notkun djúpra inntaka, innri stíflupípa (eða jarðganga) og yfirfalls útrýmir þörfinni fyrir vökvakerfismannvirki eins og stíflur, inntakshlið, rásir og þrýstiforlaugar.
Til að byggja vatnsaflsvirkjun þarf fyrst að framkvæma vandlega könnun og hönnun. Í hönnunarvinnunni eru þrjú hönnunarstig: forhönnun, tæknileg hönnun og smíðasniðmát. Til að vinna vel í hönnunarvinnunni er fyrst nauðsynlegt að framkvæma ítarlega könnun, það er að segja að skilja til fulls náttúrulegar og efnahagslegar aðstæður á staðnum - þ.e. landslag, jarðfræði, vatnafræði, fjármagn og svo framvegis. Réttmæti og áreiðanleiki hönnunarinnar er aðeins tryggður eftir að hafa náð tökum á þessum aðstæðum og greint þær.
Íhlutir lítilla vatnsaflsvirkjana eru mismunandi eftir gerð vatnsaflsvirkjunar.
3. Landfræðileg könnun
Gæði landfræðilegra landmælinga hafa mikil áhrif á verkfræðilega uppsetningu og mat á verkfræðilegu magni.
Jarðfræðilegar rannsóknir (skilningur á jarðfræðilegum aðstæðum) auk almennrar skilnings og rannsókna á jarðfræði vatnasviðsins og meðfram ánni, er einnig nauðsynlegt að skilja hvort grunnur vélageymslunnar sé traustur, sem hefur bein áhrif á öryggi virkjunarinnar sjálfrar. Þegar stífla með ákveðnu lónrúmmáli eyðileggst mun það ekki aðeins skaða vatnsaflsvirkjunina sjálfa, heldur einnig valda miklu manntjóni og eignatjóni neðar.
4. Vatnsfræðileg prófun
Fyrir vatnsaflsvirkjanir eru mikilvægustu vatnafræðilegu gögnin skrár um vatnsborð árinnar, rennsli, setmagn, ísingu, veðurfræðilegar upplýsingar og flóðakönnunargögn. Stærð rennslis árinnar hefur áhrif á skipulag yfirfalls vatnsaflsvirkjunarinnar. Vanmat á alvarleika flóðsins mun valda skemmdum á stíflunni; setið sem áin ber með sér getur í versta falli fyllt lónið hratt. Til dæmis mun innrennslisrásin valda því að farvegurinn seytlar og gróft set mun fara í gegnum túrbínuna og valda sliti á túrbínunni. Þess vegna verða nægileg vatnafræðileg gögn að vera til staðar við byggingu vatnsaflsvirkjana.
Þess vegna, áður en ákveðið er að byggja vatnsaflsvirkjun, verðum við fyrst að kanna stefnu efnahagsþróunar á orkuveitusvæðinu og framtíðarþörf eftir rafmagni. Á sama tíma meta stöðu annarra orkugjafa á þróunarsvæðinu. Aðeins eftir rannsóknir og greiningu á ofangreindum aðstæðum getum við ákveðið hvort þörf sé á að byggja vatnsaflsvirkjunina og hversu stór hún ætti að vera.
Almennt séð er tilgangur könnunarvinnu á vatnsaflsvirkjunum að veita nákvæmar og áreiðanlegar grunnupplýsingar sem nauðsynlegar eru fyrir hönnun og byggingu vatnsaflsvirkjana.
5. Almenn skilyrði fyrir staðarvali
Almenn skilyrði fyrir vali á staðsetningu má útskýra út frá eftirfarandi fjórum þáttum:
(1) Valinn staður ætti að geta nýtt vatnsorku á sem hagkvæmastan hátt og fylgja meginreglunni um kostnaðarsparnað, þ.e. eftir að virkjun er fullgerð er sem minnstum peningum eytt og mest rafmagni framleitt. Þetta er venjulega hægt að mæla með því að áætla árlegar tekjur af raforkuframleiðslu og fjárfestingu í byggingu virkjunarinnar til að sjá hversu langan tíma fjárfestingarféð getur endurheimt. Hins vegar eru vatnsfræðilegar og landfræðilegar aðstæður mismunandi eftir stöðum, og rafmagnsþörfin er einnig mismunandi, þannig að byggingarkostnaður og fjárfesting ætti ekki að vera takmarkaður af ákveðnum gildum.
(2) Landfræðilegar, jarðfræðilegar og vatnafræðilegar aðstæður á völdum stað ættu að vera tiltölulega betri og möguleikar ættu að vera fyrir hendi í hönnun og byggingu. Við byggingu lítilla vatnsaflsvirkjana ætti notkun byggingarefna að vera í samræmi við meginregluna um „staðbundið efni“ eins mikið og mögulegt er.
(3) Nauðsynlegt er að valinn staður sé eins nálægt aflgjafa og vinnslusvæði og mögulegt er til að draga úr fjárfestingu í aflgjafabúnaði og afltapi.
(4) Þegar staðsetning er valin ætti að nota núverandi vatnsvirkjanir eins mikið og mögulegt er. Til dæmis er hægt að nota vatnsdropana til að byggja vatnsaflsvirkjun í áveiturás, eða vatnsaflsvirkjun er hægt að byggja við hliðina á áveitulóni til að framleiða rafmagn úr áveituvatninu, og svo framvegis. Þar sem þessar vatnsaflsvirkjanir geta uppfyllt meginregluna um raforkuframleiðslu þegar vatn er til staðar, er efnahagsleg þýðing þeirra augljósari.
Birtingartími: 19. maí 2022
