ჰიდროელექტროენერგიის გენერაციის მიმოხილვა

ჰიდროენერგია ბუნებრივი მდინარეების წყლის ენერგიის ელექტროენერგიად გარდაქმნას გულისხმობს, რომელსაც ადამიანები გამოიყენებენ. ელექტროენერგიის გამომუშავებაში სხვადასხვა ენერგიის წყარო გამოიყენება, როგორიცაა მზის ენერგია, მდინარეებში წყლის ენერგია და ჰაერის ნაკადის მიერ გამომუშავებული ქარის ენერგია. ჰიდროენერგიის გამოყენებით ჰიდროენერგიის გამომუშავების ღირებულება იაფია და ჰიდროელექტროსადგურების მშენებლობა ასევე შეიძლება გაერთიანდეს სხვა წყლის კონსერვაციის პროექტებთან. ჩვენი ქვეყანა ძალიან მდიდარია ჰიდროენერგიის რესურსებით და პირობებიც ძალიან კარგია. ჰიდროენერგია მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ეროვნული ეკონომიკის მშენებლობაში.
მდინარის ზედა დინების წყლის დონე უფრო მაღალია, ვიდრე ქვედა დინების დონე. მდინარის წყლის დონის სხვაობის გამო წარმოიქმნება წყლის ენერგია. ამ ენერგიას პოტენციური ენერგია ან პოტენციური ენერგია ეწოდება. მდინარის წყლის სიმაღლეებს შორის სხვაობას ვარდნა, ასევე წყლის დონის სხვაობა ან წყლის დაწნევა ეწოდება. ეს ვარდნა ჰიდრავლიკური ენერგიის ფორმირების ძირითადი პირობაა. გარდა ამისა, ჰიდრავლიკური ენერგიის სიდიდე ასევე დამოკიდებულია მდინარეში წყლის ნაკადის სიდიდეზე, რაც კიდევ ერთი ძირითადი პირობაა, რომელიც ისეთივე მნიშვნელოვანია, როგორც ვარდნა. როგორც ვარდნა, ასევე ნაკადი პირდაპირ გავლენას ახდენს ჰიდრავლიკურ სიმძლავრეზე; რაც უფრო დიდია ვარდნის წყლის მოცულობა, მით უფრო დიდია ჰიდრავლიკური სიმძლავრე; თუ ვარდნა და წყლის მოცულობა შედარებით მცირეა, ჰიდროელექტროსადგურის გამომუშავება უფრო მცირე იქნება.
ვარდნა, როგორც წესი, მეტრებში გამოისახება. გრადიენტი არის ვარდნისა და მანძილის თანაფარდობა, რაც მიუთითებს წვეთების კონცენტრაციის ხარისხზე. წვეთი უფრო კონცენტრირებულია და ჰიდრავლიკური ენერგიის გამოყენება უფრო მოსახერხებელია. ჰიდროელექტროსადგურის მიერ გამოყენებული ვარდნა არის ჰიდროელექტროსადგურის ზედა დინების წყლის ზედაპირსა და ტურბინაში გავლის შემდეგ ქვედა დინების წყლის ზედაპირს შორის სხვაობა.

ნაკადი არის მდინარეში წყლის ნაკადის რაოდენობა დროის ერთეულში და ის გამოიხატება კუბურ მეტრებში ერთ წამში. წყლის ერთი კუბური მეტრი ერთი ტონაა. მდინარის ნაკადი ნებისმიერ დროს იცვლება, ამიტომ როდესაც ვსაუბრობთ ნაკადის შესახებ, უნდა ავხსნათ მისი კონკრეტული ადგილის დრო. ნაკადი დროში ძალიან მნიშვნელოვნად იცვლება. ჩვენს ქვეყანაში მდინარეებს, როგორც წესი, დიდი ნაკადი აქვთ წვიმიან სეზონზე, ზაფხულში და შემოდგომაზე, ხოლო შედარებით მცირე - ზამთარში და გაზაფხულზე. ზოგადად, მდინარის ნაკადი შედარებით მცირეა ზემო დინებაში; რადგან შენაკადები ერთმანეთს ერწყმის, ქვედა დინება თანდათან იზრდება. ამიტომ, მიუხედავად იმისა, რომ ზემო დინების ვარდნა კონცენტრირებულია, ნაკადი მცირეა; ქვედა დინება დიდია, მაგრამ ვარდნა შედარებით გაფანტულია. ამიტომ, ხშირად ყველაზე ეკონომიურია ჰიდრავლიკური ენერგიის გამოყენება მდინარის შუა დინებაში.
ჰიდროელექტროსადგურის მიერ გამოყენებული ვარდნისა და ნაკადის ცოდნით, მისი გამომუშავება შეიძლება გამოითვალოს შემდეგი ფორმულის გამოყენებით:
N= GQH
ფორმულაში, N–გამომავალ სიმძლავრეს, კილოვატებში, ასევე შეიძლება ეწოდოს სიმძლავრე;
Q – ნაკადი, კუბურ მეტრებში წამში;
H – ვარდნა, მეტრებში;
G = 9.8, არის გრავიტაციის აჩქარება, ერთეული: ნიუტონი/კგ
ზემოთ მოცემული ფორმულის მიხედვით, თეორიული სიმძლავრე გამოითვლება დანაკარგების გამოკლების გარეშე. სინამდვილეში, ჰიდროელექტროსადგურების გენერაციის პროცესში, ტურბინებს, გადამცემ დანადგარებს, გენერატორებს და ა.შ. გარდაუვალი სიმძლავრის დანაკარგები აქვთ. ამიტომ, თეორიული სიმძლავრე უნდა გამოიქვითოს, ანუ ჩვენთვის ხელმისაწვდომი ფაქტობრივი სიმძლავრე უნდა გამრავლდეს ეფექტურობის კოეფიციენტზე (სიმბოლო: K).
ჰიდროელექტროსადგურში გენერატორის დაპროექტებულ სიმძლავრეს ნომინალური სიმძლავრე ეწოდება, ხოლო ფაქტობრივ სიმძლავრეს - ფაქტობრივ სიმძლავრეს. ენერგიის გარდაქმნის პროცესში ენერგიის ნაწილის დაკარგვა გარდაუვალია. ჰიდროენერგიის გენერაციის პროცესში ძირითადად ტურბინებისა და გენერატორების დანაკარგებია (ასევე არის დანაკარგები მილსადენებში). სოფლის მიკროჰიდროელექტროსადგურში სხვადასხვა დანაკარგები მთლიანი თეორიული სიმძლავრის დაახლოებით 40-50%-ს შეადგენს, ამიტომ ჰიდროელექტროსადგურის გამომუშავებას რეალურად მხოლოდ თეორიული სიმძლავრის 50-60%-ის გამოყენება შეუძლია, ანუ ეფექტურობა დაახლოებით 0.5-0.60-ია (აქედან ტურბინის ეფექტურობაა 0.70-0.85, გენერატორების ეფექტურობა 0.85-დან 0.90-მდე, ხოლო მილსადენებისა და გადამცემი მოწყობილობების ეფექტურობა 0.80-დან 0.85-მდე). ამრიგად, ჰიდროელექტროსადგურის ფაქტობრივი სიმძლავრე (გამომუშავება) შეიძლება გამოითვალოს შემდეგნაირად:
მიკროჰიდროელექტროსადგურის უხეში გაანგარიშებისას გამოიყენება K – ჰიდროელექტროსადგურის ეფექტურობა (0.5~0.6); ეს მნიშვნელობა შეიძლება გამარტივდეს შემდეგნაირად:
N=(0.5~0.6)QHG ფაქტობრივი სიმძლავრე=ეფექტურობა × ნაკადი × ვარდნა × 9.8
ჰიდროენერგიის გამოყენება წყლის ენერგიის გამოყენებაა მანქანის, რომელსაც წყლის ტურბინა ეწოდება, ამოძრავებისთვის. მაგალითად, ჩვენს ქვეყანაში უძველესი წყლის ბორბალი ძალიან მარტივი წყლის ტურბინაა. ამჟამად გამოყენებული სხვადასხვა ჰიდრავლიკური ტურბინები ადაპტირებულია სხვადასხვა სპეციფიკურ ჰიდრავლიკურ პირობებთან, რათა მათ შეძლონ უფრო ეფექტურად ბრუნვა და წყლის ენერგია მექანიკურ ენერგიად გარდაქმნა. სხვა სახის მანქანა, გენერატორი, დაკავშირებულია ტურბინასთან ისე, რომ გენერატორის როტორი ბრუნავს ტურბინასთან ერთად ელექტროენერგიის გამოსამუშავებლად. გენერატორი შეიძლება დაიყოს ორ ნაწილად: ნაწილი, რომელიც ბრუნავს ტურბინასთან ერთად და გენერატორის ფიქსირებული ნაწილი. ნაწილი, რომელიც დაკავშირებულია ტურბინასთან და ბრუნავს, ეწოდება გენერატორის როტორი და როტორის გარშემო მრავალი მაგნიტური პოლუსია; როტორის გარშემო წრე არის გენერატორის ფიქსირებული ნაწილი, რომელსაც ეწოდება გენერატორის სტატორი და სტატორი შემოხვეულია მრავალი სპილენძის ხვეულით. როდესაც როტორის მრავალი მაგნიტური პოლუსი ბრუნავს სტატორის სპილენძის ხვეულების შუაში, სპილენძის მავთულებზე წარმოიქმნება დენი და გენერატორი მექანიკურ ენერგიას გარდაქმნის ელექტრო ენერგიად.
ელექტროსადგურის მიერ გამომუშავებული ელექტროენერგია სხვადასხვა ელექტრომოწყობილობის მეშვეობით გარდაიქმნება მექანიკურ ენერგიად (ელექტროძრავა ან ძრავა), სინათლის ენერგიად (ელექტრო ნათურა), თერმულ ენერგიად (ელექტრო ღუმელი) და ა.შ.
ჰიდროელექტროსადგურის შემადგენლობა
ჰიდროელექტროსადგურის შემადგენლობა მოიცავს: ჰიდრავლიკურ კონსტრუქციებს, მექანიკურ მოწყობილობებს და ელექტრო მოწყობილობებს.
(1) ჰიდრავლიკური ნაგებობები
მას აქვს კაშხლები (ჯებირები), წყალმიმღები კარიბჭეები, არხები (ან გვირაბები), წნევის წინა ავზები (ან მარეგულირებელი ავზები), წნევის მილები, ელექტროსადგურები და გამშვები მილები და ა.შ.
მდინარეში შენდება კაშხალი (ჯებირი), რათა დაიბლოკოს მდინარის წყალი და აწიოს წყლის ზედაპირი წყალსაცავის შესაქმნელად. ამ გზით, კაშხალზე (კაშხალზე) არსებული წყალსაცავის ზედაპირსა და კაშხლის ქვეშ მდებარე მდინარის წყლის ზედაპირს შორის წარმოიქმნება კონცენტრირებული წვეთი, შემდეგ კი წყალი წყლის მილების ან გვირაბების გამოყენებით ჰიდროელექტროსადგურში შედის. შედარებით ციცაბო მდინარეებში, წვეთების წარმოქმნა შესაძლებელია გადამისამართებელი არხების გამოყენებითაც. მაგალითად: ზოგადად, ბუნებრივი მდინარის კილომეტრზე ვარდნა 10 მეტრია. თუ მდინარის ამ მონაკვეთის ზედა ბოლოში გაიხსნება არხი მდინარის წყლის შესაყვანად, არხი მდინარის გასწვრივ გაითხრება და არხის დახრილობა უფრო ბრტყელი იქნება. თუ არხის ვარდნა კილომეტრზე მოხდება, ის მხოლოდ 1 მეტრით დაეცა, ამიტომ წყალი არხში 5 კილომეტრით გაედინა და წყლის ზედაპირი მხოლოდ 5 მეტრით დაეცა, ხოლო ბუნებრივ არხში 5 კილომეტრის გავლის შემდეგ წყალი 50 მეტრით დაეცა. ამ დროს, არხიდან წყალი მდინარის მეშვეობით წყლის მილით ან გვირაბით ელექტროსადგურში ბრუნდება და იქ 45 მეტრის სიმაღლის კონცენტრირებული ვარდნა წარმოიქმნება, რომლის გამოყენებაც ელექტროენერგიის გენერირებისთვისაა შესაძლებელი. სურათი 2

კონცენტრირებული ვარდნის მქონე ჰიდროელექტროსადგურის შესაქმნელად გადამისამართებელი არხების, გვირაბების ან წყლის მილების (როგორიცაა პლასტმასის მილები, ფოლადის მილები, ბეტონის მილები და ა.შ.) გამოყენებას გადამისამართებელი არხის ჰიდროელექტროსადგური ეწოდება და ჰიდროელექტროსადგურების ტიპურ განლაგებას წარმოადგენს.
(2) მექანიკური და ელექტრომოწყობილობები
ზემოთ ხსენებული ჰიდრავლიკური სამუშაოების (ჯებირები, არხები, წინა ეზოები, დაწნევის მილები, სახელოსნოები) გარდა, ჰიდროელექტროსადგურს ასევე სჭირდება შემდეგი აღჭურვილობა:
(1) მექანიკური აღჭურვილობა
არსებობს ტურბინები, რეგულატორები, სარქველები, გადამცემი მოწყობილობები და არაგენერაციული მოწყობილობები.
(2) ელექტრომოწყობილობა
აქ არის გენერატორები, განაწილების მართვის პანელები, ტრანსფორმატორები და გადამცემი ხაზები.
თუმცა, ყველა მცირე ჰიდროელექტროსადგურს არ აქვს ზემოთ ხსენებული ჰიდრავლიკური ნაგებობები და მექანიკური და ელექტრო მოწყობილობები. თუ დაბალი წნევის ჰიდროელექტროსადგურში წყლის დაწნევა 6 მეტრზე ნაკლებია, როგორც წესი, გამოიყენება წყლის გამტარი არხი და ღია არხის წყლის არხი და არ არის წნევის წინა აუზი და წნევის წყლის მილი. მცირე სიმძლავრის მიწოდების დიაპაზონისა და მოკლე გადაცემის მანძილის მქონე ელექტროსადგურებისთვის გამოიყენება პირდაპირი სიმძლავრის გადაცემა და ტრანსფორმატორი არ არის საჭირო. წყალსაცავის მქონე ჰიდროელექტროსადგურებს არ სჭირდებათ კაშხლების აშენება. ღრმა წყალმიმღებების, კაშხლის შიდა მილების (ან გვირაბების) და წყალსაგდების გამოყენება გამორიცხავს ჰიდრავლიკური ნაგებობების, როგორიცაა კაშხლები, წყალმიმღები კარიბჭეები, არხები და წნევის წინა აუზი, საჭიროებას.
ჰიდროელექტროსადგურის ასაშენებლად, უპირველეს ყოვლისა, საჭიროა საფუძვლიანი აზომვითი და საპროექტო სამუშაოების ჩატარება. საპროექტო სამუშაოებში სამი საპროექტო ეტაპია: წინასწარი დიზაინი, ტექნიკური დიზაინი და სამშენებლო დეტალების დამუშავება. საპროექტო სამუშაოებში კარგი სამუშაოს შესასრულებლად, პირველ რიგში, აუცილებელია საფუძვლიანი აზომვითი სამუშაოების ჩატარება, ანუ ადგილობრივი ბუნებრივი და ეკონომიკური პირობების - მაგალითად, ტოპოგრაფიის, გეოლოგიის, ჰიდროლოგიის, კაპიტალის და ა.შ. - სრულად გააზრება. პროექტის სისწორე და სანდოობა გარანტირებულია მხოლოდ ამ სიტუაციების ათვისებისა და ანალიზის შემდეგ.
მცირე ჰიდროელექტროსადგურების კომპონენტებს სხვადასხვა ფორმა აქვთ ჰიდროელექტროსადგურის ტიპის მიხედვით.
3. ტოპოგრაფიული კვლევა
ტოპოგრაფიული აზომვითი სამუშაოების ხარისხი დიდ გავლენას ახდენს საინჟინრო განლაგებასა და საინჟინრო რაოდენობის შეფასებაზე.
გეოლოგიური კვლევა (გეოლოგიური პირობების გაგება) წყალშემკრები აუზისა და მდინარის გასწვრივ გეოლოგიის ზოგადი გაგებისა და კვლევის გარდა, აუცილებელია იმის გაგება, არის თუ არა სამანქანო ოთახის საძირკველი მყარი, რაც პირდაპირ გავლენას ახდენს თავად ელექტროსადგურის უსაფრთხოებაზე. გარკვეული მოცულობის წყალსაცავის მქონე კაშხლის განადგურების შემდეგ, ის არა მხოლოდ თავად ჰიდროელექტროსადგურს დააზიანებს, არამედ გამოიწვევს უზარმაზარ დანაკარგს ადამიანებისა და ქონების დაკარგვის რისკს მდინარის ქვედა ნაწილში.
4. ჰიდროლოგიური ტესტი
ჰიდროელექტროსადგურებისთვის ყველაზე მნიშვნელოვანი ჰიდროლოგიური მონაცემებია მდინარის წყლის დონის, ნაკადის, ნალექის შემცველობის, გაყინვის პირობების ჩანაწერები, მეტეოროლოგიური მონაცემები და წყალდიდობის კვლევის მონაცემები. მდინარის ნაკადის ზომა გავლენას ახდენს ჰიდროელექტროსადგურის წყალსაგდების განლაგებაზე. წყალდიდობის სიმძიმის არასაკმარისი შეფასება გამოიწვევს კაშხლის დაზიანებას; უარეს შემთხვევაში, მდინარის მიერ გადატანილმა ნალექმა შეიძლება სწრაფად შეავსოს წყალსაცავი. მაგალითად, შემოდინების არხი გამოიწვევს არხის დაშლას, ხოლო მსხვილმარცვლოვანი ნალექი გაივლის ტურბინას და გამოიწვევს ტურბინის ცვეთას. ამიტომ, ჰიდროელექტროსადგურების მშენებლობას უნდა ჰქონდეს საკმარისი ჰიდროლოგიური მონაცემები.
ამიტომ, ჰიდროელექტროსადგურის მშენებლობის გადაწყვეტილების მიღებამდე, ჯერ უნდა გამოვიკვლიოთ ეკონომიკური განვითარების მიმართულება ენერგომომარაგების სფეროში და ელექტროენერგიაზე სამომავლო მოთხოვნა. ამავდროულად, შევაფასოთ განვითარების არეალში არსებული სხვა ენერგორესურსების მდგომარეობა. მხოლოდ ზემოაღნიშნული სიტუაციის კვლევისა და ანალიზის შემდეგ შეგვიძლია გადავწყვიტოთ, საჭიროა თუ არა ჰიდროელექტროსადგურის მშენებლობა და რა მასშტაბის უნდა იყოს ის.
ზოგადად, ჰიდროენერგეტიკული კვლევის მიზანია ჰიდროელექტროსადგურების პროექტირებისა და მშენებლობისთვის აუცილებელი ზუსტი და სანდო ძირითადი ინფორმაციის მიწოდება.
5. ადგილმდებარეობის შერჩევის ზოგადი პირობები
საიტის შერჩევის ზოგადი პირობები შეიძლება აიხსნას შემდეგი ოთხი ასპექტით:
(1) შერჩეულ ადგილს უნდა შეეძლოს წყლის ენერგიის ყველაზე ეკონომიური გზით გამოყენება და ხარჯების დაზოგვის პრინციპის დაცვა, რაც იმას ნიშნავს, რომ ელექტროსადგურის დასრულების შემდეგ, ყველაზე ნაკლები თანხა დაიხარჯება და ყველაზე მეტი ელექტროენერგია გამოიმუშავება. ეს, როგორც წესი, შეიძლება გაიზომოს ელექტროენერგიის წარმოების წლიური შემოსავლისა და ელექტროსადგურის მშენებლობაში ჩადებული ინვესტიციის შეფასებით, რათა დადგინდეს, რამდენ ხანში შეიძლება ინვესტირებული კაპიტალის ამოღება. თუმცა, ჰიდროლოგიური და ტოპოგრაფიული პირობები განსხვავებულია სხვადასხვა ადგილას და ელექტროენერგიის საჭიროებებიც განსხვავებულია, ამიტომ მშენებლობის ღირებულება და ინვესტიცია არ უნდა შემოიფარგლოს გარკვეული მნიშვნელობებით.
(2) შერჩეული ადგილის ტოპოგრაფიული, გეოლოგიური და ჰიდროლოგიური პირობები შედარებით უკეთესი უნდა იყოს და უნდა არსებობდეს შესაძლებლობები პროექტირებისა და მშენებლობის მხრივ. მცირე ჰიდროელექტროსადგურების მშენებლობისას სამშენებლო მასალების გამოყენება მაქსიმალურად უნდა შეესაბამებოდეს „ადგილობრივი მასალების“ პრინციპს.
(3) შერჩეული ადგილი უნდა იყოს მაქსიმალურად ახლოს ელექტროენერგიის მიწოდებასთან და დამუშავების არეალთან, რათა შემცირდეს ელექტროენერგიის გადაცემის აღჭურვილობის ინვესტიცია და ელექტროენერგიის დანაკარგები.
(4) ადგილმდებარეობის შერჩევისას, მაქსიმალურად უნდა იქნას გამოყენებული არსებული ჰიდრავლიკური ნაგებობები. მაგალითად, წყლის წვეთიდან შეიძლება აშენდეს ჰიდროელექტროსადგური სარწყავ არხში, ან ჰიდროელექტროსადგური შეიძლება აშენდეს სარწყავი წყალსაცავის გვერდით სარწყავი ნაკადიდან ელექტროენერგიის გამოსამუშავებლად და ა.შ. რადგან ამ ჰიდროელექტროსადგურებს შეუძლიათ დააკმაყოფილონ ელექტროენერგიის გამომუშავების პრინციპი წყლის არსებობისას, მათი ეკონომიკური მნიშვნელობა უფრო აშკარაა.