סקירה כללית של ייצור חשמל הידרואלקטרי

אנרגיה הידרואלקטרית היא להמיר את אנרגיית המים של נהרות טבעיים לחשמל לשימוש האדם. ישנם מקורות אנרגיה שונים המשמשים לייצור חשמל, כגון אנרגיה סולארית, אנרגיית מים בנהרות ואנרגיית רוח המופקת מזרימת אוויר. עלות ייצור האנרגיה הידרואלקטרית באמצעות אנרגיה הידרואלקטרית היא זולה, וניתן לשלב בניית תחנות אנרגיה הידרואלקטריות עם פרויקטים אחרים לשימור מים. ארצנו עשירה מאוד במשאבי אנרגיה הידרואלקטרית והתנאים טובים מאוד. אנרגיה הידרואלקטרית ממלאת תפקיד חשוב בבניית הכלכלה הלאומית.
מפלס המים במעלה הנהר גבוה ממפלס המים במורד הזרם. בגלל ההבדל במפלס המים בנהר, נוצרת אנרגיית מים. אנרגיה זו נקראת אנרגיה פוטנציאלית או אנרגיה פוטנציאלית. ההבדל בין גובה מי הנהר נקרא מפלס, המכונה גם הפרש מפלס המים או ראש המים. מפלס זה הוא תנאי בסיסי להיווצרות כוח הידראולי. בנוסף, גודל הכוח ההידראולי תלוי גם בגודל זרימת המים בנהר, שהוא תנאי בסיסי נוסף וחשוב לא פחות מהמפלס. גם המפלס וגם הזרימה משפיעים ישירות על הכוח ההידראולי; ככל שנפח המים של המפלס גדול יותר, כך גדל הכוח ההידראולי; אם המפלס ונפח המים קטנים יחסית, תפוקת תחנת הכוח ההידרואלקטרית תהיה קטנה יותר.
הירידה מתבטאת בדרך כלל במטרים. שיפוע הוא היחס בין הירידה למרחק, שיכול להצביע על מידת ריכוז הירידה. הירידה מרוכזת יותר, והשימוש בכוח הידראולי נוח יותר. הירידה בה משתמשת תחנת כוח הידרואלקטרית היא ההפרש בין פני המים במעלה תחנת הכוח לבין פני המים במורד הזרם לאחר המעבר דרך הטורבינה.

זרימה היא כמות המים הזורמת בנהר ליחידת זמן, והיא מתבטאת במטרים מעוקבים בשנייה אחת. מטר מעוקב אחד של מים הוא טון אחד. זרימת הנהר משתנה בכל זמן, לכן כשאנחנו מדברים על הזרימה, עלינו להסביר את הזמן של המקום הספציפי בו הוא זורם. הזרימה משתנה באופן משמעותי מאוד בזמן. לנהרות בארצנו יש בדרך כלל זרימה גדולה בעונת הגשמים בקיץ ובסתיו, וקטנה יחסית בחורף ובאביב. באופן כללי, זרימת הנהר קטנה יחסית במעלה הזרם; מכיוון שהיובלים מתמזגים, הזרימה במורד הזרם עולה בהדרגה. לכן, למרות שהירידה במעלה הזרם מרוכזת, הזרימה קטנה; הזרימה במורד הזרם גדולה, אך הירידה מפוזרת יחסית. לכן, לעתים קרובות הכי חסכוני להשתמש בכוח הידראולי בחלקים האמצעיים של הנהר.
בהינתן גובה הירידה והזרימה בהן משתמשת תחנת כוח הידרואלקטרית, ניתן לחשב את תפוקתה באמצעות הנוסחה הבאה:
N= גובה-רוחב
בנוסחה, ניתן לכנות גם תפוקת חנקן (N–output), בקילוואט, כהספק;
Q-זרימה, במטרים מעוקבים לשנייה;
H – ירידה, במטרים;
G = 9.8, היא תאוצת הכבידה, יחידה: ניוטון/ק"ג
לפי הנוסחה לעיל, ההספק התיאורטי מחושב ללא ניכוי הפסדים. למעשה, בתהליך ייצור אנרגיה הידרואלקטרית, לטורבינות, ציוד הולכה, גנרטורים וכו' יש הפסדי הספק בלתי נמנעים. לכן, יש להוזיל את ההספק התיאורטי, כלומר, יש להכפיל את ההספק בפועל שאנו יכולים להשתמש בו במקדם היעילות (סמל: K).
ההספק המתוכנן של הגנרטור בתחנת הכוח ההידרואלקטרית נקרא ההספק המדורג, וההספק בפועל נקרא ההספק בפועל. בתהליך שינוי האנרגיה, בלתי נמנע לאבד חלק מהאנרגיה. בתהליך ייצור האנרגיה ההידרואלקטרית, ישנם בעיקר הפסדים של טורבינות וגנרטורים (ישנם גם הפסדים בצנרת). ההפסדים השונים בתחנת הכוח ההידרואלקטרית הכפרית מהווים כ-40-50% מסך ההספק התיאורטי, כך שהתפוקה של תחנת הכוח ההידרואלקטרית יכולה להשתמש בפועל רק ב-50-60% מההספק התיאורטי, כלומר, היעילות היא כ-0.5-0.60 (מתוכם יעילות הטורבינה היא 0.70-0.85, יעילות הגנרטורים היא 0.85 עד 0.90, ויעילות הצנרת וציוד ההולכה היא 0.80 עד 0.85). לכן, ניתן לחשב את ההספק בפועל (תפוקה) של תחנת הכוח ההידרואלקטרית באופן הבא:
K – יעילות תחנת הכוח ההידרואלקטרית, (0.5～0.6) משמשת בחישוב הגס של תחנת הכוח ההידרואלקטרית המיקרו; ניתן לפשט ערך זה כך:
N=(0.5～0.6)QHG הספק בפועל = יעילות×זרימה×ירידה×9.8
השימוש באנרגיה הידרואלקטרית הוא שימוש בכוח מים כדי להניע מכונה, הנקראת טורבינת מים. לדוגמה, גלגל המים העתיק בארצנו הוא טורבינת מים פשוטה מאוד. הטורבינות ההידראוליות השונות הנמצאות כיום בשימוש מותאמות לתנאים הידראוליים ספציפיים שונים, כך שהן יכולות להסתובב בצורה יעילה יותר ולהמיר אנרגיית מים לאנרגיה מכנית. סוג אחר של מכונות, גנרטור, מחובר לטורבינה, כך שרוטור הגנרטור מסתובב עם הטורבינה כדי לייצר חשמל. ניתן לחלק את הגנרטור לשני חלקים: החלק שמסתובב עם הטורבינה והחלק הקבוע של הגנרטור. החלק המחובר לטורבינה ומסתובב נקרא רוטור הגנרטור, וישנם קטבים מגנטיים רבים סביב הרוטור; מעגל סביב הרוטור הוא החלק הקבוע של הגנרטור, הנקרא סטטור של הגנרטור, והסטטור עטוף בסלילי נחושת רבים. כאשר קטבים מגנטיים רבים של הרוטור מסתובבים באמצע סלילי הנחושת של הסטטור, נוצר זרם על חוטי הנחושת, והגנרטור ממיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית.
האנרגיה החשמלית הנוצרת על ידי תחנת הכוח מומרת לאנרגיה מכנית (מנוע חשמלי או מנוע), אנרגיית אור (מנורה חשמלית), אנרגיה תרמית (תנור חשמלי) וכן הלאה על ידי ציוד חשמלי שונה.
הרכב תחנת הכוח ההידרואלקטרית
הרכב תחנת כוח הידרואלקטרית כולל: מבנים הידראוליים, ציוד מכני וציוד חשמלי.
(1) מבנים הידראוליים
יש בו סכרים, שערי יניקה, תעלות (או מנהרות), מיכלי לחץ קדמיים (או מיכלי ויסות), צינורות לחץ, תחנות כוח ותעלות זנב וכו'.
סכר נבנה בנהר כדי לחסום את מי הנהר ולהרים את פני המים ליצירת מאגר. בדרך זו, נוצרת ירידה מרוכזת בין פני המים של המאגר שעל הסכר לבין פני המים של הנהר שמתחת לסכר, ולאחר מכן המים מוכנסים לתחנת הכוח ההידרואלקטרית באמצעות צינורות מים או מנהרות. בנהרות תלולים יחסית, שימוש בתעלות הטיה יכול גם ליצור ירידה. לדוגמה: בדרך כלל, הירידה לקילומטר של נהר טבעי היא 10 מטרים. אם פותחים תעלה בקצה העליון של קטע זה של הנהר כדי להכניס מי נהר, התעלה תיחפר לאורך הנהר, ושיפוע התעלה יהיה שטוח יותר. אם הירידה בתעלה נעשית לקילומטר, היא תרד רק מטר אחד, כך שהמים זרמו 5 קילומטרים בתעלה, ופני המים ירדו רק 5 מטרים, בעוד שהמים ירדו 50 מטרים לאחר שעברו 5 קילומטרים בתעלה הטבעית. בשלב זה, המים מהתעלה מובלים חזרה לתחנת הכוח על ידי הנהר באמצעות צינור מים או מנהרה, ויש נפילה מרוכזת של 45 מטרים שניתן להשתמש בה לייצור חשמל. איור 2

השימוש בתעלות הטיה, מנהרות או צינורות מים (כגון צינורות פלסטיק, צינורות פלדה, צינורות בטון וכו') ליצירת תחנת כוח הידרואלקטרית עם ירידה מרוכזת נקראת תחנת כוח הידרואלקטרית בתעלות הטיה, שהיא פריסה אופיינית של תחנות כוח הידרואלקטריות.
(2) ציוד מכני וחשמלי
בנוסף לעבודות ההידראוליות שהוזכרו לעיל (סכרים, תעלות, חצרות קדמיות, צינורות לחץ, בתי מלאכה), תחנת הכוח ההידרואלקטרית זקוקה גם לציוד הבא:
(1) ציוד מכני
ישנן טורבינות, וסתים, שסתומי שער, ציוד תמסורת וציוד שאינו ייצור.
(2) ציוד חשמלי
ישנם גנרטורים, לוחות בקרה לחלוקה, שנאים וקווי תמסורת.
אבל לא לכל תחנות הכוח ההידרואלקטריות הקטנות יש את המבנים ההידראוליים והציוד המכני והחשמלי שהוזכרו לעיל. אם ראש המים קטן מ-6 מטרים בתחנת הכוח ההידרואלקטרית בעלת ראש המים הנמוך, בדרך כלל משתמשים בתעלת הובלת המים ובתעלת המים הפתוחה, ואין בריכת לחץ קדמית וצינור מים בלחץ. עבור תחנות כוח עם טווח אספקת חשמל קטן ומרחק הולכה קצר, מאומצת העברת חשמל ישירה ואין צורך בשנאי. תחנות כוח הידרואלקטריות עם מאגרים אינן צריכות לבנות סכרים. השימוש בפתחי יניקה עמוקים, צינורות פנימיים של סכרים (או מנהרות) ושפכים מבטל את הצורך במבנים הידראוליים כגון סכרים, שערי יניקה, תעלות ובריכות לחץ קדמיות.
כדי לבנות תחנת כוח הידרואלקטרית, ראשית כל, יש לבצע עבודת סקר ותכנון מדוקדקת. בעבודת התכנון ישנם שלושה שלבי תכנון: תכנון ראשוני, תכנון טכני ופרטי בנייה. על מנת לבצע עבודה טובה בעבודת התכנון, ראשית יש צורך לבצע עבודת סקר יסודית, כלומר, להבין באופן מלא את התנאים הטבעיים והכלכליים המקומיים - כלומר, טופוגרפיה, גיאולוגיה, הידרולוגיה, הון וכן הלאה. ניתן להבטיח את נכונות ואמינות התכנון רק לאחר שליטה במצבים אלה וניתוחם.
למרכיבים של תחנות כוח הידרואלקטריות קטנות יש צורות שונות בהתאם לסוג תחנת הכוח.
3. סקר טופוגרפי
לאיכות עבודת הסקר הטופוגרפי יש השפעה רבה על המתווה ההנדסי ועל הערכת כמות ההנדסה.
חקר גיאולוגי (הבנת התנאים הגיאולוגיים) בנוסף להבנה כללית ומחקר על הגיאולוגיה של אגן הניקוז ולאורך הנהר, יש צורך גם להבין האם יסודות חדר המכונות יציבים, דבר המשפיע ישירות על בטיחות תחנת הכוח עצמה. ברגע שהמטח בעל נפח מאגר מסוים יושמד, הדבר לא רק יגרום נזק לתחנת הכוח עצמה, אלא גם יגרום לאובדן עצום של חיים ורכוש במורד הזרם.
4. בדיקה הידרולוגית
עבור תחנות כוח הידרואלקטריות, הנתונים ההידרולוגיים החשובים ביותר הם רישומי מפלס מי הנהר, זרימה, תכולת משקעים, תנאי קרח, נתונים מטאורולוגיים ונתוני סקרי שיטפונות. גודל זרימת הנהר משפיע על מתווה השפך של תחנת הכוח הידרואלקטרית. הערכת חסר של חומרת השיטפון תגרום נזק לסכר; המשקעים הנישאים על ידי הנהר עלולים למלא במהירות את המאגר במקרה הגרוע ביותר. לדוגמה, תעלת הזרימה תגרום לסחף בתעלה, והמשקעים הגסים יעברו דרך הטורבינה ויגרום לבלאי של הטורבינה. ​​לכן, בניית תחנות כוח הידרואלקטריות חייבת להיות בעלת נתונים הידרולוגיים מספיקים.
לכן, לפני שמחליטים על בניית תחנת כוח הידרואלקטרית, עלינו תחילה לבחון את כיוון הפיתוח הכלכלי באזור אספקת החשמל ואת הביקוש העתידי לחשמל. במקביל, יש להעריך את מצבם של מקורות חשמל אחרים באזור הפיתוח. רק לאחר מחקר וניתוח של המצב הנ"ל נוכל להחליט האם יש צורך לבנות את תחנת הכוח הידרואלקטרית ומה גודל הפרויקט.
באופן כללי, מטרת עבודות סקר אנרגיה הידרואלקטרית היא לספק מידע בסיסי מדויק ואמין הנחוץ לתכנון ובנייה של תחנות כוח הידרואלקטריות.
5. תנאים כלליים לבחירת אתר
ניתן להסביר את התנאים הכלליים לבחירת אתר מארבעת ההיבטים הבאים:
(1) האתר הנבחר צריך להיות מסוגל לנצל את אנרגיית המים בצורה החסכונית ביותר ולעמוד בעקרון החיסכון בעלויות, כלומר, לאחר השלמת תחנת הכוח, מושקעת הכמות המינימלית של כסף ומיוצרת הכמות הגדולה ביותר של חשמל. בדרך כלל ניתן למדוד זאת על ידי הערכת ההכנסות השנתיות מייצור חשמל וההשקעה בבניית התחנה כדי לראות כמה זמן ניתן להחזיר את ההון המושקע. עם זאת, התנאים ההידרולוגיים והטופוגרפיים שונים במקומות שונים, וגם צורכי החשמל שונים, ולכן עלות הבנייה וההשקעה לא צריכים להיות מוגבלים לערכים מסוימים.
(2) התנאים הטופוגרפיים, הגיאולוגיים וההידרולוגיים של האתר הנבחר צריכים להיות טובים יחסית, וצריכות להיות אפשרויות בתכנון ובבנייה. בבניית תחנות כוח הידרואלקטריות קטנות, השימוש בחומרי בניין צריך להיות בהתאם לעקרון "החומרים המקומיים" ככל האפשר.
(3) האתר הנבחר נדרש להיות קרוב ככל האפשר לאספקת החשמל ולאזור העיבוד כדי להפחית את ההשקעה בציוד העברת החשמל ואת אובדן החשמל.
(4) בעת בחירת האתר, יש להשתמש ככל האפשר במבנים הידראוליים קיימים. לדוגמה, ניתן להשתמש בטיפת המים לבניית תחנת כוח הידרואלקטרית בתעלת השקיה, או שניתן לבנות תחנת כוח הידרואלקטרית ליד מאגר השקיה כדי לייצר חשמל מזרימת ההשקיה, וכן הלאה. מכיוון שתחנות כוח הידרואלקטריות אלו יכולות לעמוד בעיקרון ייצור החשמל כאשר יש מים, משמעותן הכלכלית ברורה יותר.