L'energia idroelettrica consiste nella conversione dell'energia idrica dei fiumi in elettricità utilizzabile dalle persone. Esistono diverse fonti di energia impiegate nella produzione di energia elettrica, 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 contenuto e la costruzione di centrali idroelettriche può essere integrata con altri progetti di ingegneria idraulica. Il nostro Paese è molto ricco di risorse idroelettriche e le condizioni sono ottimali. L'energia idroelettrica riveste un ruolo importante nello sviluppo dell'economia nazionale.
Il livello dell'acqua a monte di un fiume è più alto del suo livello a valle. A causa di questa differenza di livello dell'acqua, si genera energia idraulica. Questa energia è chiamata energia potenziale. La differenza di altezza tra i livelli dell'acqua del fiume è chiamata dislivello, o anche differenza di livello dell'acqua o carico idraulico. Questo dislivello è una condizione fondamentale per la generazione di energia idraulica. Inoltre, l'entità dell'energia idraulica dipende anche dall'entità della portata d'acqua del fiume, che è un'altra condizione fondamentale tanto quanto il dislivello. Sia il dislivello che la portata influenzano direttamente l'energia idraulica: maggiore è il dislivello, maggiore sarà l'energia idraulica; se il dislivello e la portata sono relativamente piccoli, la produzione della centrale idroelettrica sarà minore.
Il dislivello viene generalmente espresso in metri. La pendenza è il rapporto tra il dislivello e la distanza, e può indicare il grado di concentrazione del dislivello. Maggiore è la concentrazione del dislivello, più conveniente è l'utilizzo dell'energia idraulica. Il dislivello utilizzato da una centrale idroelettrica è la differenza tra il livello dell'acqua a monte della centrale e il livello dell'acqua 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 varia nel tempo, quindi quando si parla di portata è necessario indicare il momento specifico in cui scorre. La portata varia in modo significativo nel tempo. I fiumi del nostro paese hanno generalmente una portata elevata durante la stagione delle piogge in estate e autunno, e una portata relativamente bassa in inverno e primavera. In genere, la portata del fiume è relativamente bassa a monte; poiché gli affluenti si uniscono, la portata a valle aumenta gradualmente. Pertanto, sebbene la caduta d'acqua a monte sia concentrata, la portata è ridotta; la portata a valle è elevata, ma la caduta d'acqua è relativamente più dispersa. Di conseguenza, spesso è più economico utilizzare l'energia idroelettrica nel tratto medio del fiume.
Conoscendo il dislivello e la portata utilizzati da una centrale idroelettrica, è possibile calcolarne la potenza erogata utilizzando la seguente formula:
N= GGH
Nella formula, N – output, in kilowatt, può anche essere chiamato potenza;
Q – portata, in metri cubi al secondo;
H – dislivello, 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 alcuna perdita. In realtà, nel processo di generazione di energia idroelettrica, turbine, apparecchiature di trasmissione, generatori, ecc. presentano inevitabili perdite di potenza. Pertanto, la potenza teorica deve essere ridotta, ovvero la potenza effettivamente utilizzabile deve essere moltiplicata per il coefficiente di efficienza (simbolo: K).
La potenza nominale del generatore di una centrale idroelettrica è detta potenza nominale, mentre la potenza effettiva è detta potenza reale. Nel processo di trasformazione dell'energia, è inevitabile che una parte di essa venga persa. Nel processo di generazione di energia idroelettrica, le perdite principali sono dovute alle turbine e ai generatori (e anche alle condotte). Le varie perdite in una microcentrale idroelettrica rurale rappresentano circa il 40-50% della potenza teorica totale, quindi la potenza effettivamente erogata dalla centrale idroelettrica può 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 (in 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 microcentrale idroelettrica; questo valore può essere semplificato come:
N=(0,5～0,6)QHG Potenza effettiva=efficienza×flusso×caduta×9,8
L'utilizzo dell'energia idroelettrica consiste nell'impiegare la forza dell'acqua 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 in uso sono adattate a specifiche condizioni idrauliche, in modo da poter ruotare in modo più efficiente e convertire l'energia dell'acqua in energia meccanica. Un altro tipo di macchina, il generatore, è collegato alla turbina, in modo che il rotore del generatore ruoti con la turbina per produrre elettricità. Il generatore può essere suddiviso in due parti: la parte rotante e la parte fissa. La parte collegata alla turbina e rotante è chiamata rotore del generatore, ed è circondata da numerosi poli magnetici; la parte fissa del generatore, chiamata statore, è costituita da un anello attorno al rotore ed è avvolta da numerose bobine di rame. Quando i poli magnetici del rotore ruotano all'interno delle bobine di rame dello statore, si genera una corrente nei 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), 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
Presenta sbarramenti (dighe), paratoie di presa, canali (o gallerie), serbatoi di pressione (o serbatoi di regolazione), condotte in pressione, centrali elettriche e canali di scarico, ecc.
Una diga viene costruita sul fiume per bloccare il flusso dell'acqua e innalzarne il livello, formando un bacino artificiale. In questo modo, si crea un dislivello tra il livello dell'acqua del bacino sulla diga e quello del fiume a valle, e l'acqua viene poi convogliata alla centrale idroelettrica tramite condotte o gallerie. Nei fiumi con pendenza relativamente elevata, è possibile creare un dislivello anche tramite la realizzazione di canali di deviazione. Ad esempio: in genere, il dislivello per chilometro di un fiume naturale è di 10 metri. Se si scava un canale nella parte superiore di questo tratto di fiume per convogliare l'acqua, il canale verrà scavato lungo il corso del fiume e la sua pendenza sarà minore. Se il dislivello nel canale è di solo 1 metro per chilometro, l'acqua percorrendo 5 chilometri nel canale subirà un dislivello di soli 5 metri, mentre nel canale naturale il dislivello sarebbe di 50 metri. In questa fase, l'acqua del canale viene convogliata nuovamente alla centrale elettrica attraverso il fiume, tramite una condotta idrica o un tunnel, e si verifica un dislivello concentrato di 45 metri che può essere utilizzato per generare elettricità. Figura 2
L'utilizzo di canali di deviazione, gallerie o condotte idriche (come tubi in plastica, tubi in acciaio, tubi in cemento, ecc.) per realizzare una centrale idroelettrica con un dislivello concentrato è chiamato centrale idroelettrica a 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 di carico, condotte in pressione, officine), la centrale idroelettrica necessita anche delle seguenti attrezzature:
(1) Apparecchiature meccaniche
Sono presenti turbine, regolatori, valvole a saracinesca, apparecchiature di trasmissione e apparecchiature non di generazione.
(2) Apparecchiature elettriche
Sono presenti generatori, quadri di controllo della distribuzione, trasformatori e linee di trasmissione.
Non tutte le piccole centrali idroelettriche, tuttavia, dispongono delle suddette strutture idrauliche e apparecchiature meccaniche ed elettriche. Nelle centrali idroelettriche a basso salto, se il dislivello dell'acqua è inferiore a 6 metri, si utilizzano generalmente canali di guida e canali a cielo aperto, senza necessità di bacini di precompressione o condotte in pressione. Per le centrali con un'area di alimentazione limitata e brevi distanze di trasmissione, si adotta la trasmissione diretta dell'energia, eliminando la necessità di trasformatori. Le centrali idroelettriche con serbatoi non necessitano di dighe. L'utilizzo di prese profonde, condotte interne (o gallerie) e sfioratori elimina la necessità di strutture idrauliche come sbarramenti, paratoie, canali e bacini di precompressione.
Per costruire una centrale idroelettrica, è innanzitutto necessario svolgere un accurato lavoro di progettazione e rilevamento. La fase di progettazione si articola in tre fasi: progettazione preliminare, progettazione esecutiva e progettazione di dettaglio. Per una progettazione efficace, è fondamentale condurre un'indagine approfondita, ovvero comprendere appieno le condizioni naturali ed economiche locali, come la topografia, la geologia, l'idrologia, le risorse finanziarie e così via. La correttezza e l'affidabilità del progetto possono essere garantite solo dopo aver analizzato e compreso a fondo queste situazioni.
I componenti delle piccole centrali idroelettriche assumono forme diverse a seconda della tipologia di centrale.
3. Rilievo topografico
La qualità del rilievo topografico ha una grande influenza sulla progettazione ingegneristica e sulla stima dei costi delle opere.
Oltre alla comprensione generale e alla ricerca sulla geologia del bacino idrografico e del corso del fiume, è fondamentale effettuare un'indagine geologica (comprensione delle condizioni geologiche) per accertare la solidità delle fondamenta della sala macchine, aspetto che incide direttamente sulla sicurezza della centrale stessa. Un eventuale cedimento della diga, in presenza di un determinato volume di bacino, non solo danneggerebbe la centrale idroelettrica, ma causerebbe anche ingenti perdite di vite umane e danni materiali 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 relativi alle piene. L'entità della portata del fiume influenza la configurazione dello sfioratore della centrale idroelettrica. Sottovalutare la gravità di una piena può causare danni alla diga; nel peggiore dei casi, i sedimenti trasportati dal fiume possono riempire rapidamente il bacino. Ad esempio, il canale di afflusso può essere insabbiato e i sedimenti a grana grossa possono passare attraverso le turbine, causandone l'usura. Pertanto, la costruzione di centrali idroelettriche deve basarsi su dati idrologici sufficienti.
Pertanto, prima di decidere di costruire una centrale idroelettrica, dobbiamo innanzitutto analizzare l'andamento dello sviluppo economico nell'area di approvvigionamento energetico e la futura domanda di elettricità. Allo stesso tempo, è necessario valutare la situazione delle altre fonti energetiche presenti nella zona. Solo dopo aver studiato e analizzato la situazione sopra descritta si potrà decidere se la centrale idroelettrica debba essere costruita e di quale dimensione.
In generale, lo scopo dei rilievi idroelettrici è quello di fornire informazioni di base accurate e affidabili, necessarie per la progettazione e la costruzione delle centrali idroelettriche.
5. Condizioni generali per la scelta del sito
Le condizioni generali per la scelta di un sito possono essere spiegate attraverso i seguenti quattro aspetti:
(1) Il sito selezionato dovrebbe essere in grado di utilizzare l'energia idrica nel modo più economico e rispettare il principio di risparmio dei costi, ovvero, una volta completata la centrale elettrica, si dovrebbe spendere il meno possibile e produrre la massima quantità di elettricità. Questo può essere generalmente misurato stimando il ricavo annuo derivante dalla produzione di energia e l'investimento nella costruzione della centrale, per capire in quanto tempo il capitale investito può essere recuperato. Tuttavia, le condizioni idrologiche e topografiche variano da luogo a luogo, e anche il fabbisogno di elettricità è diverso, quindi i costi di costruzione e l'investimento non dovrebbero essere limitati da valori specifici.
(2) Le condizioni topografiche, geologiche e idrologiche del sito selezionato dovrebbero essere relativamente favorevoli e dovrebbero esserci possibilità di progettazione e costruzione. Nella costruzione di piccole centrali idroelettriche, l'uso di materiali edili dovrebbe essere, per quanto possibile, conforme al 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 dell'energia e la perdita di energia.
(4) Nella scelta del sito, si dovrebbero utilizzare il più possibile le strutture idrauliche esistenti. Ad esempio, il dislivello dell'acqua può essere utilizzato per costruire una centrale idroelettrica in un canale di irrigazione, oppure una centrale idroelettrica può essere costruita 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 generazione di elettricità quando c'è acqua, la loro importanza economica è più evidente.
Data di pubblicazione: 19 maggio 2022
