Hidroenergija – tai natūralių upių vandens energijos pavertimas elektra, kurią žmonės gali naudoti. Elektros energijos gamybai naudojami įvairūs energijos šaltiniai, pavyzdžiui, saulės energija, upių vandens energija ir oro srauto generuojama vėjo energija. Hidroenergijos gamyba naudojant hidroenergiją yra pigi, o hidroelektrinių statybą taip pat galima derinti su kitais vandens taupymo projektais. Mūsų šalis yra labai turtinga hidroenergijos išteklių, o sąlygos tam yra labai geros. Hidroenergija vaidina svarbų vaidmenį kuriant nacionalinę ekonomiką.
Upės vandens lygis aukštupyje yra aukštesnis nei žemupyje. Dėl upės vandens lygio skirtumo susidaro vandens energija. Ši energija vadinama potencialine energija arba potencialine energija. Upės vandens aukščio skirtumas vadinamas kritimu, dar vadinamu vandens lygio skirtumu arba vandens slėgiu. Šis kritimas yra pagrindinė hidraulinės energijos susidarymo sąlyga. Be to, hidraulinės energijos dydis taip pat priklauso nuo vandens srauto upėje dydžio, kuris yra kita tokia pat svarbi pagrindinė sąlyga kaip ir kritimas. Tiek kritimas, tiek srautas tiesiogiai veikia hidraulinę galią; kuo didesnis kritimo vandens tūris, tuo didesnė hidraulinė galia; jei kritimas ir vandens tūris yra santykinai maži, hidroelektrinės galia bus mažesnė.
Kritimas paprastai išreiškiamas metrais. Nuolydis yra kritimo ir atstumo santykis, kuris gali rodyti kritimo koncentracijos laipsnį. Kritimas yra labiau koncentruotas, todėl patogiau naudoti hidraulinę energiją. Hidroelektrinės naudojamas kritimas yra skirtumas tarp hidroelektrinės priešsrovio vandens paviršiaus ir pasroviui esančio vandens paviršiaus, pratekėjusio pro turbiną.
Srautas – tai vandens kiekis, pratekantis upe per laiko vienetą, ir jis išreiškiamas kubiniais metrais per vieną sekundę. Vienas kubinis metras vandens yra viena tona. Upės srautas keičiasi bet kuriuo metu, todėl kalbėdami apie srautą, turime paaiškinti konkrečios vietos, kurioje jis teka, laiką. Srautas laike labai kinta. Mūsų šalies upės paprastai turi didelį srautą lietinguoju sezonu vasarą ir rudenį, o žiemą ir pavasarį – santykinai mažą. Paprastai upės srautas aukštupyje yra santykinai mažas; dėl intakų susiliejimo, žemupio srautas palaipsniui didėja. Todėl, nors aukštupio kritimas yra koncentruotas, srautas yra mažas; žemupio srautas yra didelis, bet kritimas yra santykinai išsklaidytas. Todėl dažnai ekonomiškiausia naudoti hidraulinę energiją upės vidurupyje.
Žinant hidroelektrinės naudojamą nuolydį ir srautą, jos našumą galima apskaičiuoti pagal šią formulę:
N = GQH
Formulėje N – išvestis, kilovatais, taip pat gali būti vadinama galia;
Q – srautas, kubiniais metrais per sekundę;
H – kritimas metrais;
G = 9,8 , yra sunkio pagreitis, matavimo vienetas: niutonas/kg
Pagal aukščiau pateiktą formulę teorinė galia apskaičiuojama neatimant jokių nuostolių. Iš tiesų, hidroenergijos gamybos procese turbinos, perdavimo įranga, generatoriai ir kt. patiria neišvengiamų galios nuostolių. Todėl teorinę galią reikėtų atmesti, t. y. faktinę galią, kurią galime naudoti, reikėtų padauginti iš efektyvumo koeficiento (simbolis: K).
Hidroelektrinės generatoriaus projektinė galia vadinama nominalia galia, o faktinė galia – faktine galia. Energijos transformacijos procese neišvengiamai prarandama dalis energijos. Hidroenergijos gamybos procese daugiausia nuostoliai patiriami turbinose ir generatoriuose (taip pat yra nuostolių vamzdynuose). Įvairūs kaimo mikrohidroelektrinės nuostoliai sudaro apie 40–50 % visos teorinės galios, todėl hidroelektrinės našumas iš tikrųjų gali sunaudoti tik 50–60 % teorinės galios, t. y. efektyvumas yra apie 0,5–0,60 (iš kurių turbinos našumas yra 0,70–0,85, generatorių našumas – 0,85–0,90, o vamzdynų ir perdavimo įrangos našumas – 0,80–0,85). Todėl faktinę hidroelektrinės galią (našumą) galima apskaičiuoti taip:
K – hidroelektrinės efektyvumas (0,5～0,6) naudojamas apytiksliai skaičiuojant mikrohidroelektrinę; šią vertę galima supaprastinti taip:
N = (0,5～0,6) QHG Faktinė galia = efektyvumas × srautas × kritimas × 9,8
Hidroenergijos panaudojimas – tai vandens energijos panaudojimas mašinos, vadinamos vandens turbina, varymui. Pavyzdžiui, senovinis vandens ratas mūsų šalyje yra labai paprasta vandens turbina. Šiuo metu naudojamos įvairios hidraulinės turbinos yra pritaikytos įvairioms specifinėms hidraulinėms sąlygoms, kad jos galėtų efektyviau suktis ir vandens energiją paversti mechanine energija. Prie turbinos prijungtas kitas mechanizmas – generatorius, kad generatoriaus rotorius suktųsi kartu su turbina ir generuotų elektrą. Generatorių galima suskirstyti į dvi dalis: dalį, kuri sukasi kartu su turbina, ir fiksuotą generatoriaus dalį. Dalis, kuri yra prijungta prie turbina ir sukasi, vadinama generatoriaus rotoriumi, o aplink rotorių yra daug magnetinių polių; apskritimas aplink rotorių yra fiksuota generatoriaus dalis, vadinama generatoriaus statoriumi, o statorius yra apvyniotas daugybe varinių ričių. Kai daugelis rotoriaus magnetinių polių sukasi statoriaus varinių ričių viduryje, variniuose laiduose susidaro srovė, o generatorius mechaninę energiją paverčia elektros energija.
Elektros stoties pagaminta elektros energija įvairia elektros įranga paverčiama mechanine energija (elektros variklis arba variklis), šviesos energija (elektros lempa), šilumine energija (elektrinė krosnis) ir pan.
hidroelektrinės sudėtis
Hidroelektrinės sudėtį sudaro: hidraulinės konstrukcijos, mechaninė įranga ir elektros įranga.
(1) Hidraulinės konstrukcijos
Jame yra užtvankos, įleidimo vartai, kanalai (arba tuneliai), slėginiai rezervuarai (arba reguliavimo rezervuarai), slėginiai vamzdžiai, elektrinės ir uodegos ir kt.
Upėje statoma užtvanka (užtvanka), kad užblokuotų upės vandenį ir pakeltų vandens paviršių, suformuojant rezervuarą. Tokiu būdu tarp rezervuaro vandens paviršiaus ant užtvankos (užtvankos) ir upės vandens paviršiaus žemiau užtvankos susidaro koncentruotas lašas, o tada vanduo vandens vamzdžiais arba tuneliais įleidžiamas į hidroelektrinę. Santykinai stačiose upėse lašą taip pat galima suformuoti naudojant nukreipiamuosius kanalus. Pavyzdžiui: Paprastai natūralios upės kritimas viename kilometre yra 10 metrų. Jei šios upės atkarpos viršutinėje dalyje atidaromas kanalas upės vandeniui įleisti, kanalas iškasamas palei upę, o vagos nuolydis bus plokštesnis. Jei kanalo kritimas atliekamas kiekvienam kilometrui, jis krinta tik 1 metru, taigi vanduo kanale tekėjo 5 kilometrus, o vandens paviršius nukrito tik 5 metrus, o vanduo natūralia vaga nuplaukęs 5 kilometrus nukrito 50 metrų. Šiuo metu vanduo iš kanalo upe vandens vamzdžiu arba tuneliu grąžinamas į elektrinę, ir susidaro 45 metrų koncentruotas kritimas, kurį galima panaudoti elektros energijos gamybai. 2 pav.
Nukreipimo kanalų, tunelių ar vandens vamzdžių (pvz., plastikinių vamzdžių, plieninių vamzdžių, betoninių vamzdžių ir kt.) naudojimas hidroelektrinei su koncentruotu kritimu suformuoti vadinamas nukreipimo kanalo hidroelektrine, kuri yra tipiškas hidroelektrinių išdėstymas.
(2) Mechaninė ir elektrinė įranga
Be minėtų hidrotechnikos darbų (užtvankų, kanalų, aikštelių, slėginių vamzdžių, dirbtuvių), hidroelektrinei taip pat reikalinga ši įranga:
(1) Mechaninė įranga
Yra turbinos, reguliatoriai, sklendės, perdavimo įranga ir negeneruojanti įranga.
(2) Elektros įranga
Yra generatoriai, skirstomieji valdymo skydai, transformatoriai ir perdavimo linijos.
Tačiau ne visos mažosios hidroelektrinės turi minėtas hidraulines konstrukcijas ir mechaninę bei elektrinę įrangą. Jei vandens slėgis žemo slėgio hidroelektrinėje yra mažesnis nei 6 metrai, paprastai naudojamas vandens kreipiamasis kanalas ir atvirojo kanalo vandens kanalas, o nėra slėgio priešvandens telkinio ir slėgio vandens vamzdžio. Elektrinėms, kurių energijos tiekimo diapazonas mažas ir perdavimo atstumas trumpas, taikomas tiesioginis energijos perdavimas ir transformatoriaus nereikia. Hidroelektrinėms su rezervuarais nereikia statyti užtvankų. Gilių vandens įleidimo angų, užtvankų vidinių vamzdžių (arba tunelių) ir slenksčių naudojimas panaikina tokių hidraulinių konstrukcijų kaip slenksčiai, įleidimo vartai, kanalai ir slėgio priešvandens telkiniai poreikį.
Norint pastatyti hidroelektrinę, pirmiausia reikia atlikti kruopščius tyrimų ir projektavimo darbus. Projektavimo darbai suskirstyti į tris etapus: preliminarus projektavimas, techninis projektavimas ir statybos detalizavimas. Norint gerai atlikti projektavimo darbus, pirmiausia reikia atlikti išsamius tyrimų darbus, t. y. visapusiškai suprasti vietos gamtines ir ekonomines sąlygas, t. y. topografiją, geologiją, hidrologiją, kapitalą ir kt. Projekto teisingumas ir patikimumas gali būti garantuoti tik įvaldžius šias situacijas ir jas išanalizavus.
Mažųjų hidroelektrinių komponentai yra įvairių formų, priklausomai nuo hidroelektrinės tipo.
3. Topografinis tyrimas
Topografinių tyrimų darbų kokybė turi didelę įtaką inžineriniam išplanavimui ir inžinerinio kiekio įvertinimui.
Geologiniai tyrinėjimai (geologinių sąlygų supratimas) – be bendro supratimo ir tyrimų apie baseino ir upės geologiją, taip pat būtina suprasti, ar mašinų skyriaus pamatai yra tvirti, o tai tiesiogiai veikia pačios elektrinės saugumą. Sunaikinus užtvanką su tam tikru rezervuaro tūriu, bus pažeista ne tik pati hidroelektrinė, bet ir padaryta didelė žala žmonių gyvybėms bei turtui pasroviui.
4. Hidrologinis tyrimas
Hidroelektrinėms svarbiausi hidrologiniai duomenys yra upės vandens lygio, debito, nuosėdų kiekio, apledėjimo sąlygų, meteorologiniai duomenys ir potvynių tyrimų duomenys. Upės debito dydis turi įtakos hidroelektrinės išsiliejimo kanalo išdėstymui. Potvynio stiprumo nepakankamas įvertinimas gali pažeisti užtvanką; blogiausiu atveju upės nešamos nuosėdos gali greitai užpildyti rezervuarą. Pavyzdžiui, įtekėjimo kanalas sukels kanalo uždumblėjimą, o stambiagrūdės nuosėdos praeis pro turbiną ir sukels turbinos susidėvėjimą. Todėl statant hidroelektrines būtina turėti pakankamai hidrologinių duomenų.
Todėl prieš nuspręsdami statyti hidroelektrinę, pirmiausia turime ištirti ekonominės plėtros kryptį elektros energijos tiekimo zonoje ir būsimą elektros energijos paklausą. Tuo pačiu metu įvertinti kitų energijos šaltinių situaciją plėtros zonoje. Tik ištyrus ir išanalizavus minėtą situaciją, galime nuspręsti, ar reikia statyti hidroelektrinę ir kokio dydžio ji turėtų būti.
Apskritai hidroenergetikos tyrimų tikslas yra pateikti tikslią ir patikimą pagrindinę informaciją, reikalingą hidroelektrinių projektavimui ir statybai.
5. Bendrosios vietos parinkimo sąlygos
Bendrąsias vietos pasirinkimo sąlygas galima paaiškinti šiais keturiais aspektais:
(1) Pasirinkta vieta turėtų būti pajėgi ekonomiškiausiai naudoti vandens energiją ir atitikti sąnaudų taupymo principą, t. y., pastačius elektrinę, išleidžiama mažiausiai pinigų ir pagaminama daugiausia elektros energijos. Paprastai tai galima išmatuoti įvertinant metines elektros energijos gamybos pajamas ir investicijas į elektrinės statybą, kad būtų galima pamatyti, per kiek laiko galima atgauti investuotą kapitalą. Tačiau skirtingose vietose hidrologinės ir topografinės sąlygos skiriasi, taip pat skiriasi ir elektros energijos poreikiai, todėl statybos kaina ir investicijos neturėtų būti ribojamos tam tikromis vertėmis.
(2) Pasirinktos vietos topografinės, geologinės ir hidrologinės sąlygos turėtų būti santykinai geresnės, o projektavimo ir statybos galimybės turėtų būti įvairios. Statant mažas hidroelektrines, statybinės medžiagos turėtų būti naudojamos kuo labiau laikantis „vietinių medžiagų“ principo.
(3) Pasirinkta vieta turi būti kuo arčiau elektros energijos tiekimo ir perdirbimo zonos, kad būtų sumažintos investicijos į elektros energijos perdavimo įrangą ir energijos nuostoliai.
(4) Renkantis vietą, reikėtų kuo labiau išnaudoti esamas hidroelektrines. Pavyzdžiui, vandens lašą galima panaudoti hidroelektrinei statyti drėkinimo kanale arba hidroelektrinę galima statyti šalia drėkinimo rezervuaro, kad būtų gaminama elektra iš drėkinimo vandens srauto ir pan. Kadangi šios hidroelektrinės gali atitikti principą gaminti elektrą esant vandeniui, jų ekonominė reikšmė yra akivaizdesnė.
Įrašo laikas: 2022 m. gegužės 19 d.
