Гидроэнергетика - табиғи өзендердің су энергиясын адамдардың пайдалануы үшін электр энергиясына айналдыру. Электр энергиясын өндіруде күн энергиясы, өзендердегі су энергиясы және ауа ағынымен өндірілетін жел энергиясы сияқты әртүрлі энергия көздері қолданылады. Гидроэнергетиканы пайдаланып гидроэнергетика өндіру құны арзан, ал гидроэлектростанциялар салуды басқа суды үнемдеу жобаларымен біріктіруге болады. Біздің еліміз гидроэнергетика ресурстарына өте бай және жағдайлары да өте жақсы. Гидроэнергетика ұлттық экономиканы құруда маңызды рөл атқарады.
Өзеннің жоғарғы ағысындағы су деңгейі төменгі ағысындағы су деңгейінен жоғары. Өзеннің су деңгейінің айырмашылығына байланысты су энергиясы пайда болады. Бұл энергия потенциалдық энергия немесе потенциалдық энергия деп аталады. Өзен суының биіктігі арасындағы айырмашылық судың құлдырауы деп аталады, оны су деңгейінің айырмашылығы немесе судың басы деп те атайды. Бұл құлдырау гидравликалық қуаттың пайда болуының негізгі шарты болып табылады. Сонымен қатар, гидравликалық қуаттың шамасы өзендегі су ағынының шамасына да байланысты, бұл құлдырау сияқты маңызды тағы бір негізгі шарт. Құлдырау да, ағын да гидравликалық қуатқа тікелей әсер етеді; құлдыраудың су көлемі неғұрлым үлкен болса, гидравликалық қуат соғұрлым көп болады; егер құлдырау мен су көлемі салыстырмалы түрде аз болса, гидроэлектростанцияның қуаты аз болады.
Төмендеу әдетте метрмен көрсетіледі. Градиент - төмендеу мен қашықтықтың қатынасы, ол төмендеу концентрациясының дәрежесін көрсете алады. Төмендеу шоғырланған және гидравликалық қуатты пайдалану ыңғайлырақ. Гидроэлектростанция пайдаланатын төмендеу - бұл турбинадан өткеннен кейінгі гидроэлектростанцияның жоғарғы ағыстағы су беті мен төменгі ағыстағы су бетінің айырмашылығы.
Ағын - уақыт бірлігіне өзенде ағып жатқан су мөлшері және ол бір секундта текше метрмен көрсетіледі. Бір текше метр су - бір тонна. Өзен ағыны кез келген уақытта өзгереді, сондықтан ағын туралы айтқан кезде, оның ағып жатқан нақты жерінің уақытын түсіндіруіміз керек. Ағын уақыт өте келе өте айтарлықтай өзгереді. Біздің еліміздегі өзендердің ағыны әдетте жаз бен күзде жаңбырлы маусымда үлкен, ал қыс пен көктемде салыстырмалы түрде аз болады. Әдетте, өзеннің ағыны жоғарғы ағыста салыстырмалы түрде аз болады; салалар бірігетіндіктен, төменгі ағыс біртіндеп артады. Сондықтан, жоғарғы ағыстағы төмендеу шоғырланғанымен, ағын аз; төменгі ағыстағы ағын үлкен, бірақ төмендеу салыстырмалы түрде шашыраңқы. Сондықтан, өзеннің орта ағысында гидравликалық қуатты пайдалану көбінесе ең үнемді болып табылады.
Гидроэлектростанция пайдаланатын құлдырау мен ағынды біле отырып, оның өнімділігін келесі формула бойынша есептеуге болады:
N= GQH
Формулада N–шығысын киловаттпен өлшегенде қуат деп те атауға болады;
Q–ағын, секундына текше метрмен;
H – төмендеу, метрмен;
G = 9,8 , ауырлық күшінің үдеуін білдіреді, өлшем бірлігі: Ньютон/кг
Жоғарыда келтірілген формулаға сәйкес, теориялық қуат ешқандай шығындарды алып тастамай есептеледі. Шын мәнінде, су электр станцияларын өндіру процесінде турбиналар, электр беру жабдықтары, генераторлар және т.б. сөзсіз қуат шығындарына ұшырайды. Сондықтан теориялық қуатты алып тастау керек, яғни біз пайдалана алатын нақты қуатты тиімділік коэффициентіне көбейту керек (белгі: K).
Гидроэлектр станциясындағы генератордың жобаланған қуаты номиналды қуат деп аталады, ал нақты қуаты нақты қуат деп аталады. Энергияны түрлендіру процесінде энергияның бір бөлігін жоғалту сөзсіз. Гидроэнергетика өндірісі процесінде негізінен турбиналар мен генераторлардың шығындары болады (құбырларда да шығындар болады). Ауылдық шағын гидроэлектр станциясындағы әртүрлі шығындар жалпы теориялық қуаттың шамамен 40-50%-ын құрайды, сондықтан гидроэлектр станциясының қуаты теориялық қуаттың тек 50-60%-ын ғана пайдалана алады, яғни тиімділігі шамамен 0,5-0,60 құрайды (оның ішінде турбинаның тиімділігі 0,70-0,85, генераторлардың тиімділігі 0,85-тен 0,90-ға дейін, ал құбырлар мен беру жабдықтарының тиімділігі 0,80-нен 0,85-ке дейін). Сондықтан гидроэлектр станциясының нақты қуатын (шығымын) келесідей есептеуге болады:
K – су электр станциясының тиімділігі, (0,5～0,6) микро су электр станциясын шамамен есептеу кезінде қолданылады; бұл мәнді келесідей жеңілдетуге болады:
N=(0.5～0.6)QHG Нақты қуат=тиімділік×ағын×түсім×9.8
Гидроэнергетиканы пайдалану - су турбинасы деп аталатын машинаны қозғалысқа келтіру үшін су энергиясын пайдалану. Мысалы, біздің еліміздегі ежелгі су дөңгелегі - өте қарапайым су турбинасы. Қазіргі уақытта қолданылып жүрген әртүрлі гидравликалық турбиналар әртүрлі нақты гидравликалық жағдайларға бейімделген, сондықтан олар тиімдірек айнала алады және су энергиясын механикалық энергияға айналдыра алады. Генератор, генератор, турбинаға қосылған, сондықтан генератордың роторы турбинамен бірге айналады және электр энергиясын өндіреді. Генераторды екі бөлікке бөлуге болады: турбинамен бірге айналатын бөлік және генератордың бекітілген бөлігі. Турбинамен байланысқан және айналатын бөлік генератордың роторы деп аталады және ротордың айналасында көптеген магниттік полюстер бар; ротордың айналасындағы шеңбер - генератордың бекітілген бөлігі, ол генератордың статоры деп аталады, ал статор көптеген мыс катушкалармен оралған. Ротордың көптеген магниттік полюстері статордың мыс катушкаларының ортасында айналғанда, мыс сымдарда ток пайда болады және генератор механикалық энергияны электр энергиясына айналдырады.
Электр станциясы өндіретін электр энергиясы әртүрлі электр жабдықтары арқылы механикалық энергияға (электр қозғалтқышы немесе қозғалтқыш), жарық энергиясына (электр шамы), жылу энергиясына (электр пеші) және т.б. түрлендіріледі.
су электр станциясының құрамы
Гидроэлектростанцияның құрамына мыналар кіреді: гидравликалық құрылымдар, механикалық жабдықтар және электр жабдықтары.
(1) Гидравликалық құрылымдар
Оның бөгеттері (бөгеттері), су қабылдағыш қақпалары, каналдары (немесе туннельдері), қысымды алдыңғы бактары (немесе реттеуші бактары), қысым құбырлары, электр станциялары және құйрық жолдары және т.б. бар.
Өзенде өзен суын бөгеп, су бетін көтеріп, су қоймасын қалыптастыру үшін бөгет (бөгет) салынады. Осылайша, бөгеттегі (бөгеттегі) су қоймасының су беті мен бөгеттің астындағы өзеннің су беті арасында шоғырланған тамшы пайда болады, содан кейін су құбырлары немесе туннельдер арқылы су электр станциясына енгізіледі. Салыстырмалы түрде тік өзендерде бұру арналарын пайдалану да тамшы пайда болуы мүмкін. Мысалы: Әдетте, табиғи өзеннің бір километріне түсу 10 метрді құрайды. Егер өзеннің осы бөлігінің жоғарғы шетінде өзен суын енгізу үшін арна ашылса, арна өзен бойымен қазылады және арнаның көлбеуі тегіс болады. Егер арнадағы түсу километріне жасалса, ол тек 1 метрге төмендеді, сондықтан су арнада 5 шақырым ағып, су беті тек 5 метрге төмендеді, ал табиғи арнада 5 шақырым жүргеннен кейін су 50 метрге төмендеді. Бұл кезде каналдан су өзен арқылы су құбыры немесе туннель арқылы электр станциясына қайтарылады, ал электр энергиясын өндіру үшін пайдалануға болатын 45 метрлік шоғырланған тамшы пайда болады. 2-сурет
Шоғырланған құлауы бар гидроэлектростанцияны құру үшін бұру арналарын, туннельдерді немесе су құбырларын (мысалы, пластикалық құбырлар, болат құбырлар, бетон құбырлар және т.б.) пайдалану гидроэлектростанциялардың типтік орналасуы болып табылатын бұру арнасы бар гидроэлектростанция деп аталады.
(2) Механикалық және электрлік жабдықтар
Жоғарыда аталған гидравликалық жұмыстардан (бөгендер, каналдар, аллеялар, қысым құбырлары, шеберханалар) басқа, су электр станциясына келесі жабдықтар қажет:
(1) Механикалық жабдық
Турбиналар, реттегіштер, қақпақ клапандары, беріліс жабдықтары және генерацияламайтын жабдықтар бар.
(2) Электр жабдықтары
Генераторлар, тарату басқару панельдері, трансформаторлар және электр беру желілері бар.
Бірақ барлық шағын су электр станцияларында жоғарыда аталған гидравликалық құрылымдар мен механикалық және электрлік жабдықтар жоқ. Егер төмен қысымды су электр станциясында су деңгейі 6 метрден аз болса, әдетте су бағыттаушы арна және ашық арналы су арнасы қолданылады, ал қысымды алдыңғы бассейн және қысымды су құбыры болмайды. Электрмен жабдықтау диапазоны аз және беру қашықтығы қысқа электр станциялары үшін тікелей қуат беру қолданылады және трансформатор қажет емес. Су қоймалары бар су электр станцияларына бөгеттер салудың қажеті жоқ. Терең су қабылдағыштарды, бөгеттің ішкі құбырларын (немесе туннельдерін) және су төгетін жолдарды пайдалану бөгеттер, су қабылдағыш қақпалар, каналдар және қысымды алдыңғы бассейндер сияқты гидравликалық құрылымдардың қажеттілігін жояды.
Гидроэлектр станциясын салу үшін, ең алдымен, мұқият зерттеу және жобалау жұмыстары жүргізілуі керек. Жобалау жұмыстарында үш жобалау кезеңі бар: алдын ала жобалау, техникалық жобалау және құрылыстың егжей-тегжейлі сипаттамасы. Жобалау жұмыстарында жақсы жұмыс істеу үшін алдымен мұқият зерттеу жұмыстарын жүргізу, яғни жергілікті табиғи және экономикалық жағдайларды – яғни топографияны, геологияны, гидрологияны, капиталды және т.б. толық түсіну қажет. Жобаның дұрыстығы мен сенімділігіне тек осы жағдайларды меңгеріп, оларды талдағаннан кейін ғана кепілдік беруге болады.
Шағын су электр станцияларының компоненттері су электр станциясының түріне байланысты әртүрлі формада болады.
3. Топографиялық зерттеу
Топографиялық түсірілім жұмыстарының сапасы инженерлік орналасуға және инженерлік көлемді бағалауға үлкен әсер етеді.
Геологиялық барлау (геологиялық жағдайларды түсіну) суайрықтың және өзен бойындағы геологияны жалпы түсіну мен зерттеуден басқа, машина бөлмесінің іргетасының берік екенін де түсіну қажет, бұл электр станциясының қауіпсіздігіне тікелей әсер етеді. Белгілі бір су қоймасының көлемі бар бөгет қирағаннан кейін, ол тек су электр станциясының өзіне ғана зиян келтіріп қоймай, сонымен қатар ағынның төменгі жағында үлкен өмір мен мүлік шығындарына әкеледі.
4. Гидрологиялық сынақ
Гидроэлектр станциялары үшін ең маңызды гидрологиялық деректер - өзен суының деңгейі, ағыны, шөгінді мөлшері, мұздану жағдайлары, метеорологиялық деректер және су тасқынын зерттеу деректері. Өзен ағынының мөлшері гидроэлектростанцияның төгілетін су жолының орналасуына әсер етеді. Су тасқынының ауырлығын бағаламау бөгеттің зақымдалуына әкеледі; өзенмен тасымалданатын шөгінді ең нашар жағдайда су қоймасын тез толтыруы мүмкін. Мысалы, ағынды канал арнаның лайлануына әкеледі, ал ірі түйіршікті шөгінді турбина арқылы өтіп, турбинаның тозуына әкеледі. Сондықтан, гидроэлектростанцияларды салу үшін жеткілікті гидрологиялық деректер болуы керек.
Сондықтан, су электр станциясын салу туралы шешім қабылдамас бұрын, алдымен электрмен жабдықтау аймағындағы экономикалық даму бағытын және электр энергиясына деген болашақ сұранысты зерттеуіміз керек. Сонымен қатар, даму аймағындағы басқа энергия көздерінің жағдайын бағалаңыз. Жоғарыда аталған жағдайды зерттеп, талдағаннан кейін ғана су электр станциясын салу қажет пе және оның көлемі қаншалықты болуы керек екенін шеше аламыз.
Жалпы, гидроэнергетикалық зерттеу жұмыстарының мақсаты - гидроэлектростанцияларды жобалау және салу үшін қажетті дәл және сенімді негізгі ақпаратты беру.
5. Орынды таңдаудың жалпы шарттары
Орынды таңдаудың жалпы шарттарын келесі төрт аспектіден түсіндіруге болады:
(1) Таңдалған учаске су энергиясын ең үнемді түрде пайдалана алуы және шығындарды үнемдеу қағидатына сәйкес келуі керек, яғни электр станциясы салынғаннан кейін ең аз ақша жұмсалып, ең көп электр энергиясы өндірілуі керек. Әдетте оны жылдық электр энергиясын өндіруден түсетін кірісті және станция құрылысына салынған инвестицияны бағалау арқылы өлшеуге болады, бұл инвестицияланған капиталды қанша уақыт ішінде қалпына келтіруге болатынын көрсетеді. Дегенмен, әр жерде гидрологиялық және топографиялық жағдайлар әртүрлі, ал электр энергиясына деген қажеттілік те әртүрлі, сондықтан құрылыс құны мен инвестиция белгілі бір мәндермен шектелмеуі керек.
(2) Таңдалған учаскенің топографиялық, геологиялық және гидрологиялық жағдайлары салыстырмалы түрде жақсы болуы керек, жобалау мен құрылыста мүмкіндіктер болуы керек. Шағын су электр станцияларын салу кезінде құрылыс материалдарын пайдалану мүмкіндігінше «жергілікті материалдар» қағидатына сәйкес болуы керек.
(3) Таңдалған учаске электр қуатын беру жабдықтарына инвестиция салуды және электр қуатының жоғалуын азайту үшін электр қуатымен жабдықтау және өңдеу аймағына мүмкіндігінше жақын орналасуы керек.
(4) Алаңды таңдаған кезде қолданыстағы гидротехникалық құрылыстарды мүмкіндігінше пайдалану керек. Мысалы, су тамшысын суару арнасында гидроэлектростанция салу үшін пайдалануға болады немесе суару су қоймасының жанына суару ағынынан электр энергиясын өндіру үшін гидроэлектростанция салуға болады және т.б. Бұл гидроэлектростанциялар су болған кезде электр энергиясын өндіру принципіне сәйкес келетіндіктен, олардың экономикалық маңызы айқынырақ.
Жарияланған уақыты: 19 мамыр 2022 ж.
