1. Panoramica sulla produzione di energia idroelettrica
La produzione di energia idroelettrica consiste nel convertire l'energia idrica dei fiumi naturali in energia elettrica utilizzabile dalle persone. Le fonti energetiche utilizzate dalle centrali sono diverse, come l'energia solare, l'energia idrica dei fiumi e l'energia eolica generata dalle correnti d'aria. Il costo della produzione di energia idroelettrica è basso e la costruzione di centrali idroelettriche può anche essere combinata con altre iniziative di tutela delle risorse idriche. La Cina è ricca di risorse idriche e gode di condizioni eccellenti. L'energia idroelettrica svolge un ruolo importante nello sviluppo economico nazionale.
Il livello dell'acqua a monte di un fiume è più alto del livello dell'acqua a valle. A causa della differenza tra i livelli dell'acqua del fiume, viene generata energia idrica. Questa energia è chiamata energia potenziale. La differenza tra l'altezza della superficie dell'acqua del fiume è chiamata salto, detta anche differenza di livello o carico. Questo salto è una condizione fondamentale per la potenza idraulica. Inoltre, l'entità della potenza 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 influiscono direttamente sull'entità della potenza idraulica; maggiore è il salto, maggiore è la potenza 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 della superficie idrica è il rapporto tra il dislivello e la distanza, che può indicare il grado di concentrazione del dislivello. Se il dislivello è relativamente concentrato, l'utilizzo dell'energia idrica 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 idraulica.
La portata è la quantità d'acqua che scorre attraverso un fiume nell'unità di tempo, espressa in metri cubi al secondo. Un metro cubo d'acqua equivale a una tonnellata. La portata di un fiume cambia in qualsiasi momento e in qualsiasi luogo, quindi quando parliamo di portata, dobbiamo specificare l'ora del luogo specifico in cui scorre. La portata varia significativamente nel tempo. In generale, i fiumi in Cina hanno una portata elevata in estate, autunno e nella stagione delle piogge, ma una portata ridotta in inverno e primavera. La portata varia di mese in giorno e il volume d'acqua varia di anno in anno. La portata dei fiumi in generale è relativamente ridotta nel corso d'acqua a monte; con la convergenza degli affluenti, la portata a valle aumenta gradualmente. Pertanto, sebbene il salto a monte sia concentrato, la portata è ridotta; sebbene il flusso a valle sia elevato, il salto è relativamente disperso. Pertanto, spesso è più economico utilizzare l'energia idrica nel corso intermedio del fiume.
Conoscendo il salto e la portata utilizzati da una centrale idroelettrica, la sua produzione può essere calcolata con la seguente formula:
N= GQH
Nella formula, N – potenza, unità: kW, detta anche potenza;
Q — portata, in metri cubi al secondo;
H — Dislivello, in metri;
G=9,8, è l'accelerazione di gravità, in Newton/kg
La potenza teorica viene calcolata secondo la formula sopra riportata, senza dedurre alcuna perdita. Infatti, nel processo di produzione di energia idroelettrica, turbine idrauliche, 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 in una centrale idroelettrica è chiamata potenza nominale, mentre la potenza effettiva è chiamata potenza effettiva. Nel processo di trasformazione energetica, è inevitabile perdere una parte di energia. Nel processo di generazione idroelettrica, si verificano principalmente perdite di turbine idrauliche e generatori (incluse perdite nelle condotte). Nelle microcentrali idroelettriche rurali, varie perdite rappresentano il 40-50% della potenza teorica totale, quindi la produzione delle centrali idroelettriche può utilizzare solo il 50-60% della potenza teorica, ovvero l'efficienza è di circa 0,5-0,60 (inclusa l'efficienza della turbina di 0,70-0,85, l'efficienza del generatore di 0,85-0,90 e l'efficienza delle condotte e delle apparecchiature di trasmissione di 0,80-0,85). Pertanto, la potenza effettiva (in uscita) della centrale idroelettrica può essere calcolata come segue:
K – efficienza della centrale idroelettrica, (0,5~0,6) è adottata per un calcolo approssimativo della microcentrale idroelettrica; la formula sopra può essere semplificata come:
N=(0,5 ～ 0,6) QHG potenza effettiva=efficienza × flusso × caduta × nove virgola otto
L'energia idroelettrica consiste nell'utilizzare l'acqua per azionare un tipo di macchinario, chiamato turbina idraulica. Ad esempio, l'antica ruota idraulica cinese è una turbina idraulica molto semplice. Le varie turbine idrauliche utilizzate oggi sono adattate a diverse condizioni idrauliche specifiche, in modo da poter ruotare in modo più efficiente e trasformare l'energia idrica in energia meccanica. Un altro macchinario, il generatore, è collegato alla turbina idraulica per far ruotare il rotore del generatore insieme alla turbina idraulica, generando così elettricità. Il generatore può essere diviso in due parti: la parte che ruota insieme alla turbina idraulica e la parte fissa del generatore. La parte che ruota insieme alla turbina idraulica è chiamata rotore del generatore, attorno al quale sono presenti molti poli magnetici; un cerchio attorno al rotore è la parte fissa del generatore, chiamata statore. Lo statore è avvolto da numerose bobine di rame. Quando molti poli magnetici del rotore ruotano al centro della bobina di rame dello statore, si genera corrente sul filo di rame e il generatore converte l'energia meccanica in energia elettrica.
L'energia elettrica generata dalla centrale elettrica viene trasformata da varie apparecchiature elettriche in energia meccanica (motore), energia luminosa (lampada elettrica), energia termica (forno elettrico), ecc.
2、 Composizione della centrale idroelettrica
La centrale idroelettrica è costituita da strutture idrauliche, apparecchiature meccaniche e apparecchiature elettriche.
（1） Strutture idrauliche
Comprende la diga, la paratoia di presa, il canale (o tunnel), il bacino di alimentazione (o serbatoio di regolazione), la condotta forzata, la centrale elettrica e il canale di scarico, ecc.
Costruire una diga nel fiume per sbarrarlo, innalzare la superficie dell'acqua e formare un bacino idrico. In questo modo, si forma un dislivello concentrato dalla superficie dell'acqua del bacino idrico sulla diga alla superficie dell'acqua del fiume sottostante, che viene poi immessa nella centrale idroelettrica attraverso condotte o gallerie. In un alveo fluviale ripido, anche l'uso di canali di deviazione può creare un dislivello. Ad esempio, il dislivello di un fiume naturale è di 10 metri per chilometro. Se si apre un canale all'estremità superiore di questo tratto di fiume per immettere acqua, il canale verrà scavato lungo il corso del fiume e la pendenza del canale sarà uniforme. Se il dislivello nel canale è di solo 1 metro per chilometro, l'acqua scorrerà per 5 chilometri nel canale e il dislivello sarà di soli 5 metri, mentre il dislivello sarà di 50 metri dopo aver percorso 5 chilometri nel fiume naturale. A questo punto, l'acqua presente nel canale viene ricondotta alla centrale elettrica attraverso il fiume tramite tubature o tunnel, dove si crea un dislivello concentrato di 45 metri che può essere utilizzato per generare elettricità.
Una centrale idroelettrica che utilizza canali di deviazione, tunnel o condotte idriche (ad esempio tubi di plastica, tubi di acciaio, tubi di cemento, ecc.) per formare una goccia concentrata è chiamata centrale idroelettrica del tipo a canale di deviazione, che è una configurazione tipica delle centrali idroelettriche.
(2) Apparecchiature meccaniche ed elettriche
Oltre alle opere idrauliche sopra menzionate (diga, canale, vasca di carico, condotta forzata e centrale idroelettrica), la centrale idroelettrica necessita anche delle seguenti attrezzature:
(1) Attrezzature meccaniche
Sono presenti turbine idrauliche, regolatori, valvole a saracinesca, apparecchiature di trasmissione e apparecchiature non di generazione di energia.
(2) Apparecchiature elettriche
Ci sono generatori, quadri di controllo della distribuzione, trasformatori, linee di trasmissione, ecc.
Tuttavia, non tutte le piccole centrali idroelettriche dispongono delle strutture idrauliche e delle apparecchiature meccaniche ed elettriche sopra descritte. Se una centrale idroelettrica a basso salto d'acqua con un salto d'acqua inferiore a 6 metri adotta generalmente il sistema a canale di derivazione e camera di derivazione a canale aperto, non saranno presenti né camera di carico né condotta forzata. Le centrali con un piccolo raggio di alimentazione e una breve distanza di trasmissione adottano la trasmissione diretta senza trasformatore. Le centrali idroelettriche con bacini di raccolta non necessitano di costruire dighe. Viene adottata la presa d'acqua profonda e la condotta interna (o tunnel) e lo sfioratore della diga non richiedono l'utilizzo di strutture idrauliche come sbarramento, paratoia, canale e camera di carico.
Per costruire una centrale idroelettrica, è necessario innanzitutto effettuare un'accurata analisi e progettazione. La progettazione si articola in tre fasi: progettazione preliminare, progettazione tecnica e definizione dei dettagli costruttivi. Per svolgere un buon lavoro di progettazione, è necessario innanzitutto effettuare un'analisi approfondita, ovvero comprendere appieno le condizioni naturali ed economiche locali, ovvero topografia, geologia, idrologia, capitale, ecc. La correttezza e l'affidabilità della progettazione possono essere garantite solo dopo aver padroneggiato e analizzato tali condizioni.
I componenti delle piccole centrali idroelettriche presentano forme diverse a seconda della tipologia di centrale stessa.
3、 Rilievo topografico
La qualità del rilievo topografico ha una grande influenza sulla definizione del progetto e sulla stima delle quantità.
L'esplorazione geologica (comprensione delle condizioni geologiche) richiede non solo una conoscenza generale e una ricerca sulla geologia del bacino e delle rive del fiume, ma anche la verifica della solidità delle fondamenta della sala macchine, il che influisce direttamente sulla sicurezza della centrale stessa. Una volta distrutto uno 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. Pertanto, la scelta geologica del bacino di carico è generalmente considerata prioritaria.
4、 Idrometria
Per le centrali idroelettriche, i dati idrologici più importanti sono le registrazioni del livello dell'acqua del fiume, della portata, della concentrazione dei sedimenti, della formazione di ghiaccio, i dati meteorologici e i dati dei rilievi delle piene. L'entità della portata del fiume influisce sulla configurazione dello sfioratore della centrale idroelettrica e la gravità della piena viene sottostimata, il che porterà alla distruzione della diga. I sedimenti trasportati dal fiume possono riempire rapidamente il bacino nel peggiore dei casi. Ad esempio, l'afflusso nel canale causerà l'insabbiamento del canale e i sedimenti grossolani passeranno attraverso la turbina idraulica, causandone l'usura. Pertanto, la costruzione di centrali idroelettriche deve disporre di dati idrologici sufficienti.
Pertanto, prima di decidere di costruire una centrale idroelettrica, è necessario indagare e studiare la direzione dello sviluppo economico e la futura domanda di elettricità nell'area di fornitura. Allo stesso tempo, è necessario valutare la situazione delle altre fonti di energia nell'area di sviluppo. Solo dopo aver studiato e analizzato le condizioni di cui sopra, si potrà decidere se la centrale idroelettrica debba essere costruita e quanto debba essere ampia la scala di costruzione.
In generale, lo scopo delle indagini idroelettriche è quello di fornire dati di base accurati e affidabili, necessari per la progettazione e la costruzione di centrali idroelettriche.
5、 Condizioni generali del sito della stazione selezionata
Le condizioni generali per la scelta del sito della stazione possono essere descritte nei seguenti quattro aspetti:
(1) Il sito prescelto per la centrale dovrà essere in grado di sfruttare al meglio l'energia idrica e rispettare il principio di risparmio sui costi, ovvero, una volta completata la centrale, si dovrà minimizzare il costo e generare la massima energia. In generale, questo può essere misurato stimando il fatturato annuo derivante dalla produzione di energia e dagli investimenti nella costruzione della centrale per valutare in quanto tempo sarà possibile recuperare il capitale investito. Tuttavia, a causa delle diverse condizioni idrologiche e topografiche e delle diverse esigenze di energia, i costi e gli investimenti non dovrebbero essere limitati da valori specifici.
(2) Il sito prescelto per la stazione idroelettrica deve presentare condizioni topografiche, geologiche e idrologiche ottimali e deve essere progettato e costruito in modo adeguato. La costruzione di piccole centrali idroelettriche deve rispettare il principio dei "materiali locali", per quanto possibile, in termini di materiali da costruzione.
(3) Il sito della stazione prescelto dovrà essere il più vicino possibile all'area di alimentazione e di elaborazione, per ridurre gli investimenti in apparecchiature di trasmissione e le perdite di potenza.
(4) Nella scelta del sito della stazione, si dovrà sfruttare il più possibile le strutture idrauliche esistenti. Ad esempio, si può utilizzare l'acqua a goccia per costruire centrali idroelettriche nei canali di irrigazione, oppure si possono costruire centrali idroelettriche vicino ai bacini di irrigazione per generare elettricità sfruttando il flusso d'acqua, ecc. Poiché queste centrali idroelettriche possono rispettare il principio di generare elettricità in presenza di acqua, la loro importanza economica è ancora più evidente.
Data di pubblicazione: 25 ottobre 2022
