L'energia idroelettrica consiste nel convertire l'energia idrica dei fiumi naturali in elettricità utilizzabile dalle persone. Esistono diverse fonti di energia per la produzione di energia, come l'energia solare, l'energia idrica dei fiumi e l'energia eolica generata dal flusso d'aria. Il costo della produzione di energia idroelettrica è basso e la costruzione di centrali idroelettriche può anche essere combinata con altri progetti di conservazione delle risorse idriche. Il nostro Paese è molto ricco di risorse idroelettriche e le condizioni sono anche molto buone. L'energia idroelettrica svolge un ruolo importante nella costruzione dell'economia nazionale.
Il livello dell'acqua a monte di un fiume è più alto del livello dell'acqua a valle. A causa della differenza di livello dell'acqua nel fiume, viene generata energia idrica. Questa energia è chiamata energia potenziale. La differenza tra i livelli dell'acqua del fiume è chiamata salto, chiamata anche differenza di livello dell'acqua o carico idroelettrico. Questo salto è una condizione fondamentale per la formazione di energia idraulica. Inoltre, l'entità dell'energia idraulica dipende anche dall'entità della portata d'acqua nel fiume, che è un'altra condizione fondamentale tanto importante quanto il salto. Sia il salto che la portata influenzano direttamente l'energia idraulica; maggiore è il volume d'acqua del salto, maggiore è l'energia idraulica; se il salto e il volume d'acqua sono relativamente piccoli, la potenza della centrale idroelettrica sarà inferiore.
Il dislivello è generalmente espresso in metri. Il gradiente è il rapporto tra dislivello e distanza, che può indicare il grado di concentrazione del dislivello. Il dislivello è più concentrato e l'uso dell'energia idraulica è più conveniente. Il dislivello utilizzato da una centrale idroelettrica è la differenza tra la superficie idrica a monte della centrale e quella a valle dopo il passaggio attraverso la turbina.
La portata è la quantità d'acqua che scorre in un fiume per unità di tempo ed è espressa in metri cubi al secondo. Un metro cubo d'acqua equivale a una tonnellata. La portata di un fiume cambia in qualsiasi momento, quindi quando parliamo di portata, dobbiamo specificare l'ora del luogo specifico in cui scorre. La portata varia in modo molto significativo nel tempo. I fiumi del nostro paese hanno generalmente una portata elevata nella stagione delle piogge, in estate e in autunno, e relativamente ridotta in inverno e in primavera. Generalmente, la portata del fiume è relativamente ridotta a monte; poiché gli affluenti si fondono, la portata a valle aumenta gradualmente. Pertanto, sebbene il salto a monte sia concentrato, la portata è ridotta; la portata a valle è elevata, ma il salto è relativamente sparso. Pertanto, spesso è più economico utilizzare l'energia idraulica nel tratto intermedio del fiume.
Conoscendo il salto e la portata utilizzati da una centrale idroelettrica, la sua produzione può essere calcolata utilizzando la seguente formula:
N= GQH
Nella formula, N–output, in kilowatt, può anche essere chiamato potenza;
Q–flusso, in metri cubi al secondo;
H – caduta, in metri;
G = 9,8, è l'accelerazione di gravità, unità: Newton/kg
Secondo la formula sopra riportata, la potenza teorica viene calcolata senza dedurre eventuali perdite. Infatti, nel processo di produzione di energia idroelettrica, turbine, apparecchiature di trasmissione, generatori, ecc. subiscono inevitabilmente perdite di potenza. Pertanto, la potenza teorica deve essere scontata, ovvero la potenza effettivamente utilizzabile deve essere moltiplicata per il coefficiente di efficienza (simbolo: K).
La potenza nominale del generatore nella centrale idroelettrica è chiamata potenza nominale, mentre la potenza effettiva è chiamata potenza effettiva. Nel processo di trasformazione energetica, è inevitabile perdere una parte dell'energia. Nel processo di generazione idroelettrica, si verificano principalmente perdite di turbine e generatori (e perdite anche nelle condotte). Le varie perdite nella microcentrale idroelettrica rurale rappresentano circa il 40-50% della potenza teorica totale, quindi la produzione della centrale idroelettrica può effettivamente utilizzare solo il 50-60% della potenza teorica, ovvero l'efficienza è di circa 0,5-0,60 (di cui l'efficienza della turbina è 0,70-0,85, l'efficienza dei generatori è 0,85-0,90 e l'efficienza delle condotte e delle apparecchiature di trasmissione è 0,80-0,85). Pertanto, la potenza effettiva (uscita) della centrale idroelettrica può essere calcolata come segue:
K – l'efficienza della centrale idroelettrica, (0,5～0,6) viene utilizzata nel calcolo approssimativo della micro-centrale idroelettrica; questo valore può essere semplificato come:
N=(0,5～0,6)QHG Potenza effettiva=efficienza×flusso×caduta×9,8
L'energia idroelettrica consiste nell'utilizzare l'energia idrica per azionare una macchina, chiamata turbina idraulica. Ad esempio, l'antica ruota idraulica del nostro Paese è una turbina idraulica molto semplice. Le varie turbine idrauliche attualmente utilizzate sono adattate a diverse condizioni idrauliche specifiche, in modo da poter ruotare in modo più efficiente e convertire l'energia idrica in energia meccanica. Un altro tipo di macchina, un generatore, è collegato alla turbina, in modo che il rotore del generatore ruoti con la turbina per generare elettricità. Il generatore può essere diviso in due parti: la parte che ruota con la turbina e la parte fissa del generatore. La parte collegata alla turbina e che ruota è chiamata rotore del generatore, e attorno al rotore sono presenti molti poli magnetici; un cerchio attorno al rotore è la parte fissa del generatore, chiamata statore del generatore, e lo statore è avvolto da numerose bobine di rame. Quando molti poli magnetici del rotore ruotano al centro delle bobine di rame dello statore, si genera una corrente sui fili di rame e il generatore converte l'energia meccanica in energia elettrica.
L'energia elettrica generata dalla centrale elettrica viene trasformata in energia meccanica (motore elettrico o motore), energia luminosa (lampada elettrica), energia termica (forno elettrico) e così via da varie apparecchiature elettriche.
la composizione della centrale idroelettrica
La composizione di una centrale idroelettrica comprende: strutture idrauliche, apparecchiature meccaniche e apparecchiature elettriche.
(1) Strutture idrauliche
È dotato di dighe, paratoie di presa, canali (o gallerie), serbatoi di pressione anteriori (o serbatoi di regolazione), condotte di pressione, centrali elettriche e canali di scarico, ecc.
Una diga viene costruita nel fiume per bloccare l'acqua e sollevarne la superficie, formando un bacino artificiale. In questo modo, si forma un dislivello concentrato tra la superficie dell'acqua del bacino artificiale sulla diga e la superficie dell'acqua del fiume sottostante, che viene poi immessa nella centrale idroelettrica tramite condotte o gallerie. Nei fiumi relativamente ripidi, anche l'uso di canali di deviazione può creare un dislivello. Ad esempio: generalmente, il dislivello per chilometro di un fiume naturale è di 10 metri. Se si apre un canale all'estremità superiore di questo tratto di fiume per immettere l'acqua del fiume, il canale verrà scavato lungo il corso del fiume e la pendenza del canale sarà più piatta. Se il dislivello nel canale è di 1 metro per chilometro, l'acqua scorre per 5 chilometri nel canale e la superficie dell'acqua si abbassa di soli 5 metri, mentre l'acqua si abbassa di 50 metri dopo aver percorso 5 chilometri nel canale naturale. A questo punto, l'acqua del canale viene ricondotta alla centrale elettrica dal fiume tramite una condotta idrica o un tunnel, e si crea un dislivello concentrato di 45 metri che può essere utilizzato per generare elettricità. Figura 2
L'impiego di canali di deviazione, tunnel o condotte idriche (ad esempio tubi di plastica, tubi di acciaio, tubi di cemento, ecc.) per realizzare una centrale idroelettrica con un salto concentrato è definito centrale idroelettrica con canale di deviazione, che rappresenta una configurazione tipica delle centrali idroelettriche.
(2) Apparecchiature meccaniche ed elettriche
Oltre alle opere idrauliche sopra menzionate (dighe, canali, piazzali, condotte forzate, officine), la centrale idroelettrica necessita anche delle seguenti attrezzature:
(1) Attrezzature meccaniche
Ci sono turbine, regolatori, valvole a saracinesca, apparecchiature di trasmissione e apparecchiature non generatrici.
(2) Apparecchiature elettriche
Sono presenti generatori, quadri di controllo della distribuzione, trasformatori e linee di trasmissione.
Tuttavia, non tutte le piccole centrali idroelettriche dispongono delle strutture idrauliche e delle apparecchiature meccaniche ed elettriche sopra menzionate. Se il salto d'acqua nella centrale idroelettrica a basso salto è inferiore a 6 metri, vengono generalmente utilizzati il canale di guida e il canale di drenaggio a cielo aperto, e non sono presenti pozzi di alimentazione in pressione né condotte di acqua in pressione. Per le centrali con un piccolo raggio di alimentazione e una breve distanza di trasmissione, si adotta la trasmissione diretta dell'energia e non è necessario alcun trasformatore. Le centrali idroelettriche con bacini di raccolta non necessitano di dighe. L'utilizzo di prese profonde, condotte interne (o gallerie) e scarichi di superficie elimina la necessità di strutture idrauliche come briglie, paratoie di presa, canali e pozzi di alimentazione in pressione.
Per costruire una centrale idroelettrica, è innanzitutto necessario svolgere un accurato lavoro di rilievo e progettazione. La progettazione si compone di tre fasi: progettazione preliminare, progettazione tecnica e progettazione dei dettagli costruttivi. Per svolgere al meglio la progettazione, è innanzitutto necessario condurre un accurato lavoro di rilievo, ovvero comprendere appieno le condizioni naturali ed economiche locali, ovvero topografia, geologia, idrologia, capitale e così via. La correttezza e l'affidabilità della progettazione possono essere garantite solo dopo aver padroneggiato e analizzato tali situazioni.
I componenti delle piccole centrali idroelettriche presentano forme diverse a seconda del tipo di centrale idroelettrica.
3. Rilievo topografico
La qualità del lavoro di rilievo topografico ha una grande influenza sulla progettazione e sulla stima delle quantità ingegneristiche.
L'esplorazione geologica (comprensione delle condizioni geologiche), oltre alla conoscenza generale e alla ricerca sulla geologia del bacino idrografico e lungo il fiume, è anche necessaria per verificare la solidità delle fondamenta della sala macchine, il che influisce direttamente sulla sicurezza della centrale stessa. Una volta distrutto lo sbarramento con un certo volume di bacino, non solo danneggerà la centrale idroelettrica stessa, ma causerà anche ingenti perdite di vite umane e di beni a valle.
4. Test idrologico
Per le centrali idroelettriche, i dati idrologici più importanti sono le registrazioni del livello dell'acqua del fiume, della portata, del contenuto di sedimenti, delle condizioni di formazione di ghiaccio, dei dati meteorologici e dei dati dei rilievi delle piene. L'entità della portata del fiume influisce sulla configurazione dello sfioratore della centrale idroelettrica. Sottostimare la gravità della piena causerà il danneggiamento della diga; i sedimenti trasportati dal fiume possono rapidamente riempire il bacino nel peggiore dei casi. Ad esempio, il canale di afflusso causerà l'insabbiamento del canale e i sedimenti a grana grossa passeranno attraverso la turbina, causandone l'usura. Pertanto, la costruzione di centrali idroelettriche deve basarsi su dati idrologici sufficienti.
Pertanto, prima di decidere di costruire una centrale idroelettrica, è necessario valutare la direzione dello sviluppo economico nell'area di fornitura di energia e la futura domanda di elettricità. Allo stesso tempo, è necessario valutare la situazione delle altre fonti di energia nell'area di sviluppo. Solo dopo aver svolto ricerche e analizzato la situazione di cui sopra, si potrà decidere se la centrale idroelettrica debba essere costruita e quanto grande debba essere la sua scala.
In generale, lo scopo del lavoro di rilevamento idroelettrico è quello di fornire informazioni di base accurate e affidabili, necessarie per la progettazione e la costruzione di centrali idroelettriche.
5. Condizioni generali per la scelta del sito
Le condizioni generali per la scelta di un sito possono essere spiegate in base ai seguenti quattro aspetti:
(1) Il sito selezionato dovrebbe essere in grado di utilizzare l'energia idrica nel modo più economico e rispettare il principio del risparmio sui costi, ovvero, una volta completata la centrale elettrica, si spenda il minimo necessario e si generi la massima quantità di elettricità. Questo può essere solitamente misurato stimando il fatturato annuo derivante dalla produzione di energia e l'investimento nella costruzione della centrale, per verificare in quanto tempo il capitale investito potrà essere recuperato. Tuttavia, le condizioni idrologiche e topografiche variano da luogo a luogo, così come il fabbisogno elettrico, pertanto i costi di costruzione e gli investimenti non dovrebbero essere limitati da valori specifici.
(2) Le condizioni topografiche, geologiche e idrologiche del sito prescelto dovrebbero essere relativamente favorevoli e dovrebbero esserci possibilità di progettazione e costruzione. Nella costruzione di piccole centrali idroelettriche, l'uso di materiali da costruzione dovrebbe essere il più possibile in linea con il principio dei "materiali locali".
(3) Il sito selezionato deve essere il più vicino possibile all'area di alimentazione e di elaborazione per ridurre l'investimento in apparecchiature di trasmissione di energia e la perdita di energia.
(4) Nella scelta del sito, si dovrebbe sfruttare il più possibile le strutture idrauliche esistenti. Ad esempio, si può utilizzare l'acqua di caduta per costruire una centrale idroelettrica in un canale di irrigazione, oppure si può costruire una centrale idroelettrica accanto a un bacino di irrigazione per generare elettricità dal flusso di irrigazione, e così via. Poiché queste centrali idroelettriche possono soddisfare il principio di generare elettricità in presenza di acqua, la loro importanza economica è ancora più evidente.
Data di pubblicazione: 19 maggio 2022
