סקירה כללית של ייצור אנרגיה הידרואלקטרית, ציוד אנרגיה הידרואלקטרית ומבנים הידראוליים

1. סקירה כללית של ייצור אנרגיה הידרואלקטרית
ייצור אנרגיה הידרואלקטרית נועד להמיר את אנרגיית המים של נהרות טבעיים לאנרגיה חשמלית לשימוש האדם. מקורות האנרגיה המשמשים תחנות כוח מגוונים, כגון אנרגיה סולארית, אנרגיית מים של נהרות ואנרגיית רוח המופקת מזרימת אוויר. עלות ייצור אנרגיה הידרואלקטרית באמצעות אנרגיה הידרואלקטרית היא זולה, וניתן לשלב את בנייתן עם פרויקטים אחרים לשימור מים. סין עשירה במשאבי מים ובעלת תנאים מצוינים. אנרגיה הידרואלקטרית ממלאת תפקיד חשוב בבנייה הכלכלית הלאומית.
מפלס המים במעלה הנהר גבוה ממפלס המים במורד הזרם. בגלל ההבדל בין מפלס המים בנהר, נוצרת אנרגיית מים. אנרגיה זו נקראת אנרגיה פוטנציאלית או אנרגיה פוטנציאלית. ההבדל בין גובה פני המים בנהר נקרא מפלס, המכונה גם הפרש מפלס או גובה פני המים. מפלס זה הוא תנאי בסיסי לכוח הידראולי. בנוסף, גודל כוח המים תלוי גם בגודל זרימת המים בנהר, שהוא תנאי בסיסי נוסף וחשוב לא פחות ממפלס המפלס. גם המפלס וגם הזרימה משפיעים ישירות על גודל הכוח ההידראולי; ככל שמפלס המים 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 פני המים הוא היחס בין הירידה למרחק, שיכול להצביע על מידת ריכוז הירידה. אם הירידה מרוכזת יחסית, ניצול אנרגיית המים 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 ההידראולית.
זרימה היא כמות המים הזורמת דרך נהר ביחידת זמן, מבוטאת במטרים מעוקבים לשנייה. מטר מעוקב של מים הוא טון אחד. זרימת הנהר משתנה בכל זמן ובכל מקום, לכן כשאנחנו מדברים על הזרימה, עלינו להסביר את הזמן של המקום הספציפי שבו הוא זורם. הזרימה משתנה באופן משמעותי בזמן. באופן כללי, לנהרות בסין יש זרימה גדולה בקיץ, בסתיו ובעונת הגשמים, אך זרימה קטנה בחורף ובאביב. הזרימה משתנה מחודש ליום, ונפח המים משתנה משנה לשנה. הזרימה של נהרות כלליים קטנה יחסית במעלה הזרם; ככל שהיובלים מתכנסים, הזרימה במורד הזרם עולה בהדרגה. לכן, למרות שהירידה במעלה הזרם מרוכזת, הזרימה קטנה; למרות שהזרימה במורד הזרם גדולה, הירידה מפוזרת יחסית. לכן, לעתים קרובות הכי חסכוני להשתמש באנרגיה של מים בחלקים האמצעיים של הנהר.
בהינתן הירידה והזרימה המשמשות תחנת כוח הידרואלקטרית, ניתן לחשב את תפוקתה באמצעות הנוסחה הבאה:
N= גובה-רוחב
בנוסחה, N – תפוקה, יחידה: קילוואט, נקרא גם הספק;
Q - זרימה, במטרים מעוקבים לשנייה;
H - ירידה, במטרים;
G=9.8, היא תאוצת הכבידה, בניוטון/ק"ג
ההספק התיאורטי מחושב לפי הנוסחה לעיל, ואין מנוכה הפסד. למעשה, בתהליך ייצור אנרגיה הידרואלקטרית, טורבינות מים, ציוד הולכה, גנרטורים וכו' חווים הפסדי הספק בלתי נמנעים. לכן, יש לנכות את ההספק התיאורטי, כלומר, יש להכפיל את ההספק בפועל שאנו יכולים להשתמש בו במקדם היעילות (סמל: K).
ההספק המתוכנן של גנרטור בתחנת כוח הידרואלקטרית נקרא הספק מדורג, וההספק בפועל נקרא הספק בפועל. בתהליך של טרנספורמציה של אנרגיה, בלתי נמנע לאבד אנרגיה מסוימת. בתהליך ייצור אנרגיה הידרואלקטרית, ישנם בעיקר הפסדים של טורבינות הידראוליות וגנרטורים (כולל הפסדים של צינורות). בתחנות כוח הידרואלקטריות זעירות כפריות, הפסדים שונים מהווים 40~50% מסך ההספק התיאורטי, כך שהתפוקה של תחנות כוח הידרואלקטריות יכולה להשתמש רק ב-50~60% מההספק התיאורטי, כלומר, היעילות היא כ-0.5~0.60 (כולל יעילות טורבינה של 0.70~0.85, יעילות גנרטור של 0.85~0.90, ויעילות ציוד צינורות ותמסורת של 0.80~0.85). לכן, ניתן לחשב את ההספק בפועל (תפוקה) של תחנת כוח הידרואלקטרית באופן הבא:
K - יעילות תחנת כוח הידרואלקטרית, (0.5~0.6) מאומצת לחישוב גס של תחנת כוח הידרואלקטרית זעירה; ניתן לפשט את הנוסחה לעיל כך:
N=(0.5 ～ 0.6) הספק בפועל של QHG = יעילות × זרימה × ירידה × תשע נקודות שמונה
השימוש באנרגיה הידרואלקטרית הוא להשתמש במים כדי להניע סוג של מכונה, הנקראת טורבינת מים. לדוגמה, גלגל המים העתיק בסין הוא טורבינת מים פשוטה מאוד. הטורבינות ההידראוליות השונות המשמשות כיום מותאמות לתנאים הידראוליים ספציפיים שונים, כך שהן יכולות להסתובב בצורה יעילה יותר ולהפוך אנרגיית מים לאנרגיה מכנית. מכונה נוספת, הגנרטור, מחוברת לטורבינת המים כדי לגרום לרוטור של הגנרטור להסתובב יחד עם טורבינת המים, וכך ניתן לייצר חשמל. ניתן לחלק את הגנרטור לשני חלקים: החלק שמסתובב יחד עם הטורבינה ההידראולית והחלק הקבוע של הגנרטור. החלק שמסתובב יחד עם הטורבינה ההידראולית נקרא הרוטור של הגנרטור, וישנם קטבים מגנטיים רבים סביב הרוטור; עיגול סביב הרוטור הוא החלק הקבוע של הגנרטור, הנקרא סטטור של הגנרטור. הסטטור עטוף בסלילי נחושת רבים. כאשר קטבים מגנטיים רבים של הרוטור מסתובבים באמצע סליל הנחושת של הסטטור, ייווצר זרם על חוט הנחושת, והגנרטור אמור להמיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית.
האנרגיה החשמלית הנוצרת על ידי תחנת הכוח מומרת מציוד חשמלי שונה לאנרגיה מכנית (מנוע או מנוע), אנרגיית אור (מנורה חשמלית), אנרגיית חום (תנור חשמלי) וכו'.

2. הרכב תחנת כוח הידרואלקטרית
תחנת הכוח ההידרואלקטרית מורכבת ממבנים הידראוליים, ציוד מכני וציוד חשמלי.
(1) מבנים הידראוליים
זה כולל סכר, שער יניקה, תעלה (או מנהרה), מפרץ קדמי (או מיכל ויסות), צינור ניקוז, תחנת כוח וצינור אחורי וכו'.
בניית סכר בנהר כדי לחסום את הנהר, להעלות את פני המים וליצור מאגר. בדרך זו, נוצרת ירידה מרוכזת מפני המים של המאגר על הסכר אל פני המים של הנהר שמתחת לסכר, ולאחר מכן מים מוכנסים לתחנת הכוח ההידרואלקטרית דרך צינורות מים או מנהרות. בערוץ הנהר התלול, שימוש בתעלות הטיה יכול גם ליצור ירידה. לדוגמה, ירידה של נהר טבעי היא 10 מטרים לקילומטר. אם פותחים תעלה בקצה העליון של קטע נהר זה כדי להכניס מים, התעלה תיחפר לאורך הנהר, ושיפוע התעלה יהיה שטוח. אם הירידה בתעלה היא רק מטר אחד לקילומטר, המים יזרמו 5 קילומטרים בתעלה, והמים ירדו רק 5 מטרים, בעוד שהמים ירדו 50 מטרים לאחר הליכה של 5 קילומטרים בנהר הטבעי. בשלב זה, המים בתעלה מובלים חזרה לתחנה על ידי הנהר באמצעות צינורות מים או מנהרות, ויש ירידה מרוכזת של 45 מטר שניתן להשתמש בה לייצור חשמל.
תחנת כוח הידרואלקטרית המשתמשת בתעלות הטיה, מנהרות או צינורות מים (כגון צינורות פלסטיק, צינורות פלדה, צינורות בטון וכו') ליצירת טיפה מרוכזת נקראת תחנת כוח הידרואלקטרית מסוג תעלת הטיה, שהיא פריסה אופיינית של תחנות כוח הידרואלקטריות.
(2) ציוד מכני וחשמלי
בנוסף לעבודות ההידראוליות הנ"ל (סכר, תעלה, מפרץ קדמי, צינור ותחנת כוח), תחנת הכוח ההידרואלקטרית זקוקה גם לציוד הבא:
(1) ציוד מכני
ישנן טורבינות הידראוליות, מווסתים, שסתומי שער, ציוד תמסורת וציוד שאינו לייצור חשמל.
(2) ציוד חשמלי
ישנם גנרטורים, לוחות בקרה לחלוקה, שנאים, קווי תמסורת וכו'.
עם זאת, לא לכל תחנות הכוח ההידרואלקטריות הקטנות יש את המבנים ההידראוליים והציוד המכני והחשמלי הנ"ל. אם תחנת כוח הידרואלקטרית בעלת גובה מים נמוך וגובה מים נמוך מ-6 מטרים בדרך כלל מאמצת את שיטת תעלת ההטיה ותא ההטיה של התעלה הפתוחה, לא יהיו פתחי ניקוז ומחסן. תחנת כוח עם טווח אספקת חשמל קטן ומרחק הולכה קצר מאמצת הולכה ישירה ללא שנאי. תחנות כוח הידרואלקטריות עם מאגרים אינן צריכות לבנות סכרים. יש לאמץ כניסת מים עמוקה, והצינור הפנימי (או המנהרה) והשפכים של הסכר אינם נדרשים להשתמש במבנים הידראוליים כגון סכר, שער יניקה, תעלה ומחסן קדמי.
כדי לבנות תחנת כוח הידרואלקטרית, יש לבצע תחילה סקר ותכנון מדוקדקים. ישנם שלושה שלבי תכנון בתכנון: תכנון ראשוני, תכנון טכני ופרטי בנייה. על מנת לבצע עבודה טובה בתכנון, עלינו תחילה לבצע סקר יסודי, כלומר, להבין באופן מלא את התנאים הטבעיים והכלכליים המקומיים - כלומר, טופוגרפיה, גיאולוגיה, הידרולוגיה, הון וכו'. ניתן להבטיח את נכונותו ואמינותו של התכנון רק לאחר שליטה בתנאים אלה וניתוחם.
למרכיבים של תחנות כוח הידרואלקטריות קטנות יש צורות שונות בהתאם לסוגים שונים של תחנות כוח הידרואלקטריות.

3、סקר טופוגרפי
לאיכות הסקר הטופוגרפי יש השפעה רבה על מתווה הפרויקט והערכת הכמויות.
חקר גיאולוגי (הבנת התנאים הגיאולוגיים) דורש לא רק הבנה כללית ומחקר על הגיאולוגיה של האגן וגיאולוגיה של גדות הנהר, אלא גם הבנה של האם יסודות חדר המכונות יציבים, דבר המשפיע ישירות על בטיחות תחנת הכוח עצמה. ברגע שהמטח בעל נפח מאגר מסוים נהרס, הדבר לא רק יגרום נזק לתחנת הכוח עצמה, אלא גם יגרום לאובדן חיים ורכוש עצומים במורד הזרם. לכן, הבחירה הגיאולוגית של המפרץ הקדמי ניצבת בדרך כלל במקום הראשון.

4. הידרומטריה
עבור תחנות כוח הידרואלקטריות, הנתונים ההידרולוגיים החשובים ביותר הם רישומי מפלס מי הנהר, זרימה, ריכוז משקעים, קרח, נתונים מטאורולוגיים ונתוני סקר שיטפונות. גודל זרימת הנהר משפיע על מתווה השפך של תחנת הכוח הידרואלקטרית, וחומרת השיטפון אינה מוערכת כראוי, מה שיוביל להרס הסכר; המשקעים הנישאים על ידי הנהר יכולים למלא את המאגר במהירות במקרה הגרוע ביותר. לדוגמה, זרימה לתעלה תגרום לסחיפה של התעלה, ומשקעים גסים יעברו דרך הטורבינה ההידראולית ויגרמו לבלאי של הטורבינה ההידראולית. לכן, בניית תחנות כוח הידרואלקטריות חייבת להיות בעלת נתונים הידרולוגיים מספיקים.
לכן, לפני שמחליטים על בניית תחנת כוח הידרואלקטרית, יש צורך לחקור וללמוד את כיוון הפיתוח הכלכלי ואת הביקוש העתידי לחשמל באזור אספקת החשמל. במקביל, יש להעריך את מצבם של מקורות חשמל אחרים באזור הפיתוח. רק לאחר לימוד וניתוח התנאים הנ"ל נוכל להחליט האם יש צורך לבנות את תחנת הכוח הידרואלקטרית ומה צריך להיות היקף הבנייה.
באופן כללי, מטרת סקר אנרגיה הידרואלקטרית היא לספק נתונים בסיסיים מדויקים ואמינים הנחוצים לתכנון ובנייה של תחנות כוח הידרואלקטריות.

5、תנאים כלליים של אתר התחנה הנבחר
ניתן לתאר את התנאים הכלליים לבחירת אתר התחנה בארבעה היבטים הבאים:
(1) אתר התחנה הנבחר יוכל לעשות את השימוש החסכוני ביותר באנרגיית המים ולעמוד בעקרון החיסכון בעלויות, כלומר, לאחר השלמת תחנת הכוח, תוצא העלות המינימלית ויופק החשמל המרבי. באופן כללי, ניתן למדוד זאת על ידי הערכת ההכנסה השנתית מייצור חשמל וההשקעה בבניית התחנה כדי לראות כמה זמן ניתן להחזיר את ההון המושקע. עם זאת, עקב תנאים הידרולוגיים וטופוגרפיים שונים ודרישות שונות לחשמל, אין להגביל את העלות וההשקעה לערכים מסוימים.
(2) אתר התחנה הנבחר צריך להיות בעל תנאים טופוגרפיים, גיאולוגיים והידרולוגיים מעולים, ויהיה אפשרי מבחינת תכנון ובנייה. בניית תחנות כוח הידרואלקטריות קטנות צריכה להתאים ככל האפשר לעקרון "חומרים מקומיים" מבחינת חומרי בנייה.
(3) אתר התחנה הנבחר יהיה קרוב ככל האפשר לאספקת החשמל ולאזור העיבוד כדי להפחית את ההשקעה בציוד תמסורת ואת אובדן החשמל.
(4) בעת בחירת אתר התחנה, יש להשתמש ככל האפשר במבנים הידראוליים קיימים. לדוגמה, ניתן להשתמש בטיפות מים לבניית תחנות כוח הידרואלקטריות בתעלות השקיה, או שניתן לבנות תחנות כוח הידרואלקטריות ליד מאגרי השקיה כדי לייצר חשמל באמצעות זרימת השקיה וכו'. מכיוון שתחנות כוח הידרואלקטריות אלו יכולות לעמוד בעקרון ייצור החשמל כאשר יש מים, משמעותן הכלכלית ברורה יותר.