1. Panoramica sulla produzione di energia idroelettrica
La produzione di energia idroelettrica consiste nella conversione dell'energia idrica dei fiumi in energia elettrica utilizzabile dalle persone. Le fonti energetiche utilizzate dalle centrali idroelettriche sono diverse, tra cui l'energia solare, l'energia idrica dei fiumi e l'energia eolica. Il costo della produzione di energia idroelettrica è contenuto e la costruzione di centrali idroelettriche può essere integrata con altre opere idrauliche. La Cina è ricca di risorse idriche e possiede condizioni ottimali. L'energia idroelettrica riveste un ruolo importante nello sviluppo economico 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 differenza di livello dell'acqua, o carico idraulico. Questo dislivello è una condizione fondamentale per la produzione di energia idraulica. Inoltre, l'entità dell'energia idraulica dipende anche dalla portata del fiume, che è un'altra condizione fondamentale tanto quanto il dislivello. Sia il dislivello che la portata influenzano direttamente l'entità dell'energia idraulica: maggiore è il dislivello, maggiore è 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. Il gradiente della superficie dell'acqua è il rapporto tra il dislivello e la distanza, e può indicare il grado di concentrazione del dislivello. Se il dislivello è relativamente concentrato, l'utilizzo dell'energia idrica risulta più agevole. 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 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 varia in qualsiasi momento e luogo, quindi quando si parla di portata è necessario specificare il momento e il luogo in cui scorre. La portata varia significativamente nel tempo. In generale, i fiumi in Cina hanno una portata elevata in estate, autunno e durante la stagione delle piogge, ma una portata ridotta in inverno e primavera. La portata varia di mese in mese e di giorno in giorno, e il volume d'acqua varia di anno in anno. La portata dei fiumi in genere è relativamente bassa a monte; man mano che gli affluenti convergono, la portata a valle aumenta gradualmente. Pertanto, sebbene la caduta di pressione a monte sia concentrata, la portata è ridotta; sebbene la portata a valle sia elevata, la caduta di pressione è relativamente dispersa. Di conseguenza, spesso è più economico utilizzare l'energia idrica nel tratto medio del fiume.
Conoscendo il dislivello e la portata utilizzati da una centrale idroelettrica, è possibile calcolarne la potenza erogata con la seguente formula:
N= GGH
Nella formula, N – potenza in uscita, 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 alcuna detrazione per perdite. In realtà, nel processo di generazione di energia idroelettrica, le turbine idrauliche, le apparecchiature di trasmissione, i 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 di un generatore in una centrale idroelettrica è detta potenza nominale, mentre la potenza effettiva è detta potenza reale. Nel processo di trasformazione dell'energia, è inevitabile che si verifichino delle perdite. Nel processo di generazione di energia idroelettrica, le perdite principali sono dovute alle turbine idrauliche e ai generatori (incluse le perdite nelle condotte). Nelle microcentrali idroelettriche rurali, le varie perdite rappresentano il 40-50% della potenza teorica totale, quindi la potenza erogata dalle 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) viene adottato per il calcolo approssimativo della micro centrale idroelettrica; La formula di cui sopra può essere semplificata come:
N=(0,5 ～ 0,6) QHG potenza effettiva=efficienza × flusso × caduta × nove virgola otto
L'energia idroelettrica si basa sull'utilizzo dell'acqua per azionare un macchinario chiamato turbina idraulica. Ad esempio, l'antica ruota idraulica cinese è una turbina idraulica molto semplice. Le diverse turbine idrauliche utilizzate oggi 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'altra macchina, il generatore, è collegata alla turbina idraulica per far ruotare il rotore del generatore insieme alla turbina, generando così elettricità. Il generatore può essere suddiviso in due parti: la parte rotante e la parte fissa. La parte rotante è chiamata rotore del generatore ed è circondata da numerosi poli magnetici; la parte fissa, chiamata statore, è avvolta da numerose bobine di rame. Quando i poli magnetici del rotore ruotano attorno alle bobine di rame dello statore, si genera una corrente elettrica che scorre nei fili di rame, convertendo l'energia meccanica in energia elettrica.
L'energia elettrica generata dalla centrale elettrica viene trasformata da varie apparecchiature elettriche in energia meccanica (motore o generatore), energia luminosa (lampada elettrica), energia termica (forno elettrico), ecc.
2. Composizione della centrale idroelettrica
La centrale idroelettrica è composta da strutture idrauliche, apparecchiature meccaniche e apparecchiature elettriche.
(1) Strutture idrauliche
Comprende sbarramento (diga), paratoia di presa, canale (o galleria), bacino di accumulo (o vasca di regolazione), condotta forzata, centrale idroelettrica e canale di scarico, ecc.
Costruire una diga sul fiume per bloccarne il corso, innalzare il livello dell'acqua e formare un bacino artificiale crea un dislivello che si concentra tra il livello dell'acqua del bacino sulla diga e quello del fiume sottostante. L'acqua viene quindi convogliata alla centrale idroelettrica tramite condotte o gallerie. Nei tratti di fiume con forte pendenza, è possibile creare un dislivello anche attraverso canali di deviazione. Ad esempio, se il dislivello di un fiume naturale è di 10 metri per chilometro, scavando un canale nella parte superiore di questo tratto per convogliare l'acqua, il canale, scavato lungo il corso del fiume, avrà una pendenza ridotta. Se il dislivello del canale è di solo 1 metro per chilometro, l'acqua percorrerà 5 chilometri nel canale con un dislivello di soli 5 metri, mentre in un fiume naturale il dislivello sarebbe di 50 metri. In questa fase, l'acqua del canale viene convogliata verso la centrale idroelettrica attraverso il fiume, mediante tubature o gallerie, e si crea un dislivello concentrato di 45 metri che può essere sfruttato per generare elettricità.
Una centrale idroelettrica che utilizza canali di deviazione, gallerie o condotte idriche (come tubi di plastica, tubi d'acciaio, tubi di cemento, ecc.) per creare una caduta concentrata è detta centrale idroelettrica a canale di deviazione, che rappresenta una configurazione tipica delle centrali idroelettriche.
(2) Apparecchiature meccaniche ed elettriche
Oltre alle opere idrauliche sopra descritte (diga, canale, bacino di accumulo, condotta forzata e centrale idroelettrica), la centrale idroelettrica necessita anche delle seguenti attrezzature:
(1) Apparecchiature meccaniche
Sono presenti turbine idrauliche, regolatori, valvole a saracinesca, apparecchiature di trasmissione e apparecchiature non destinate alla produzione di energia.
(2) Apparecchiature elettriche
Sono presenti generatori, quadri di controllo della distribuzione, trasformatori, linee di trasmissione, ecc.
Tuttavia, non tutte le piccole centrali idroelettriche dispongono delle suddette strutture idrauliche e apparecchiature meccaniche ed elettriche. Se la centrale idroelettrica a basso salto, con un dislivello inferiore a 6 metri, adotta generalmente il metodo del canale di deviazione e della camera di deviazione a cielo aperto, non saranno necessari bacini di accumulo e condotte forzate. La centrale elettrica con un'area di alimentazione limitata e una breve distanza di trasmissione adotta la trasmissione diretta senza trasformatore. Le centrali idroelettriche con serbatoi non necessitano della costruzione di dighe. Viene adottato l'ingresso dell'acqua in profondità e non è necessario utilizzare strutture idrauliche come sbarramenti, paratoie, canali e bacini di accumulo per la condotta interna (o il tunnel) e lo sfioratore della diga.
Per costruire una centrale idroelettrica, è necessario innanzitutto effettuare un'attenta progettazione e un'indagine preliminare. La 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 topografia, geologia, idrologia, disponibilità di capitali, ecc. La correttezza e l'affidabilità del progetto possono essere garantite solo dopo aver analizzato e compreso a fondo queste condizioni.
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 e sulla stima dei quantitativi.
L'esplorazione geologica (comprensione delle condizioni geologiche) richiede non solo una conoscenza generale e una ricerca sulla geologia del bacino e delle sponde del fiume, ma anche la verifica della solidità delle fondamenta della sala macchine, che influisce direttamente sulla sicurezza della centrale stessa. Il cedimento di una diga con un determinato volume di bacino idrico non solo danneggerebbe la centrale idroelettrica, ma causerebbe anche ingenti perdite di vite umane e danni materiali a valle. Pertanto, la valutazione 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 di sedimenti, della formazione di ghiaccio, i dati meteorologici e i dati relativi alle inondazioni. L'entità della portata del fiume influenza la progettazione dello sfioratore della centrale idroelettrica e una sottovalutazione della gravità dell'inondazione può portare al crollo della diga; inoltre, i sedimenti trasportati dal fiume possono riempire rapidamente il bacino idrico nei casi peggiori. Ad esempio, l'afflusso d'acqua nel canale provoca l'insabbiamento del canale stesso, e i sedimenti grossolani, passando attraverso la turbina idraulica, ne causano 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 studiare e analizzare l'andamento dello sviluppo economico e la futura domanda di energia elettrica nell'area di approvvigionamento. Allo stesso tempo, è opportuno valutare la situazione delle altre fonti energetiche presenti nella zona. Solo dopo aver studiato e analizzato le suddette condizioni si può decidere se la centrale idroelettrica debba essere costruita e di quale entità.
In generale, lo scopo di un'indagine idroelettrica 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 selezionato per la centrale deve consentire l'utilizzo più economico dell'energia idrica e rispettare il principio di risparmio sui costi, ovvero, una volta completata la centrale, si dovrà ridurre al minimo i costi e massimizzare la produzione di energia. Generalmente, questo può essere misurato stimando il ricavo annuo derivante dalla produzione di energia e l'investimento nella costruzione della centrale, per valutare in quanto tempo il capitale investito potrà essere recuperato. 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 predefiniti.
(2) Il sito della centrale scelto deve presentare condizioni topografiche, geologiche e idrologiche ottimali ed essere realizzabile in termini di progettazione e costruzione. La costruzione delle piccole centrali idroelettriche deve essere conforme, per quanto possibile, al principio dell'utilizzo di "materiali locali" in termini di materiali da costruzione.
(3) Il sito della stazione selezionata deve 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 centrale, è opportuno utilizzare il più possibile le strutture idrauliche esistenti. Ad esempio, è possibile sfruttare il dislivello dell'acqua per costruire centrali idroelettriche nei canali di irrigazione, oppure costruire centrali idroelettriche vicino ai bacini idrici per generare elettricità utilizzando il flusso di irrigazione, ecc. Poiché queste centrali idroelettriche possono rispettare il principio di generazione di elettricità in presenza di acqua, la loro importanza economica è più evidente.
Data di pubblicazione: 25 ottobre 2022
