Hidroenerģijas mērķis ir pārvērst dabisko upju ūdens enerģiju elektrībā, ko cilvēki var izmantot. Enerģijas ražošanā tiek izmantoti dažādi enerģijas avoti, piemēram, saules enerģija, upju ūdens enerģija un gaisa plūsmas radītā vēja enerģija. Hidroenerģijas ražošanas izmaksas, izmantojot hidroenerģiju, ir lētas, un hidroelektrostaciju būvniecību var apvienot arī ar citiem ūdens taupīšanas projektiem. Mūsu valsts ir ļoti bagāta ar hidroenerģijas resursiem, un arī apstākļi ir ļoti labi. Hidroenerģijai ir svarīga loma valsts ekonomikas veidošanā.
Upes augšteces ūdens līmenis ir augstāks nekā lejteces ūdens līmenis. Upes ūdens līmeņa starpības dēļ rodas ūdens enerģija. Šo enerģiju sauc par potenciālo enerģiju. Upes ūdens augstuma starpību sauc par kritumu, ko sauc arī par ūdens līmeņa starpību vai ūdens galvu. Šis kritums ir pamatnosacījums hidrauliskās jaudas veidošanai. Turklāt hidrauliskās jaudas lielums ir atkarīgs arī no ūdens plūsmas lieluma upē, kas ir vēl viens tikpat svarīgs pamatnosacījums kā kritums. Gan kritums, gan plūsma tieši ietekmē hidraulisko jaudu; jo lielāks ir krituma ūdens tilpums, jo lielāka ir hidrauliskā jauda; ja kritums un ūdens tilpums ir relatīvi mazi, hidroelektrostacijas jauda būs mazāka.
Kritumu parasti izsaka metros. Gradients ir krituma un attāluma attiecība, kas var norādīt krituma koncentrācijas pakāpi. Kritums ir koncentrētāks, un hidrauliskās enerģijas izmantošana ir ērtāka. Hidroelektrostacijas izmantotais kritums ir starpība starp hidroelektrostacijas augšteces ūdens virsmu un lejteces ūdens virsmu pēc turbīnas izplūšanas.
Plūsma ir ūdens daudzums, kas plūst upē laika vienībā, un to izsaka kubikmetros vienā sekundē. Viens kubikmetrs ūdens ir viena tonna. Upes plūsma mainās jebkurā laikā, tāpēc, runājot par plūsmu, mums ir jāpaskaidro konkrētās vietas laiks, kur tā plūst. Plūsma laika gaitā mainās ļoti būtiski. Mūsu valsts upēm parasti ir liela plūsma lietus sezonā vasarā un rudenī, bet relatīvi maza ziemā un pavasarī. Parasti upes plūsma augštecē ir relatīvi maza; tā kā pietekas saplūst, lejteces plūsma pakāpeniski palielinās. Tāpēc, lai gan augšteces kritums ir koncentrēts, plūsma ir maza; lejteces plūsma ir liela, bet kritums ir relatīvi izkliedēts. Tāpēc upes vidustecē bieži vien ir visekonomiskāk izmantot hidraulisko enerģiju.
Zinot hidroelektrostacijas izmantoto kritumu un plūsmu, tās jaudu var aprēķināt, izmantojot šādu formulu:
N= GQH
Formulā N–izeja, kilovatos, var tikt saukta arī par jaudu;
Q – plūsma, kubikmetros sekundē;
H – kritums metros;
G = 9,8 , ir brīvās krišanas paātrinājums, mērvienība: ņūtons/kg
Saskaņā ar iepriekš minēto formulu teorētiskā jauda tiek aprēķināta, neatņemot nekādus zudumus. Faktiski hidroenerģijas ražošanas procesā turbīnām, pārvades iekārtām, ģeneratoriem utt. ir neizbēgami jaudas zudumi. Tāpēc teorētiskā jauda ir jāatmet, tas ir, faktiski izmantojamā jauda ir jāreizina ar efektivitātes koeficientu (simbols: K).
Hidroelektrostacijas ģeneratora projektēto jaudu sauc par nominālo jaudu, bet faktisko jaudu - par faktisko jaudu. Enerģijas pārveidošanas procesā ir neizbēgami zaudēt daļu enerģijas. Hidroenerģijas ražošanas procesā galvenokārt rodas turbīnu un ģeneratoru zudumi (ir arī zudumi cauruļvados). Dažādie zudumi lauku mikrohidroelektrostacijā veido aptuveni 40-50% no kopējās teorētiskās jaudas, tāpēc hidroelektrostacijas jauda faktiski var izmantot tikai 50-60% no teorētiskās jaudas, tas ir, efektivitāte ir aptuveni 0,5-0,60 (no kuras turbīnu efektivitāte ir 0,70-0,85, ģeneratoru efektivitāte ir 0,85-0,90 un cauruļvadu un pārvades iekārtu efektivitāte ir 0,80-0,85). Tāpēc hidroelektrostacijas faktisko jaudu (ražu) var aprēķināt šādi:
Mikrohidroelektrostacijas aptuvenajā aprēķinā tiek izmantots hidroelektrostacijas efektivitātes koeficients K (0,5～0,6); šo vērtību var vienkāršot šādi:
N=(0,5～0,6)QHG Faktiskā jauda=efektivitāte×plūsma×kritums×9,8
Hidroenerģijas izmantošana ir ūdens enerģijas izmantošana mašīnas darbināšanai, ko sauc par ūdens turbīnu. Piemēram, senais ūdensrats mūsu valstī ir ļoti vienkārša ūdens turbīna. Dažādās pašlaik izmantotās hidrauliskās turbīnas ir pielāgotas dažādiem specifiskiem hidrauliskiem apstākļiem, lai tās varētu efektīvāk griezties un pārvērst ūdens enerģiju mehāniskajā enerģijā. Cits mašīnu veids, ģenerators, ir savienots ar turbīnu, lai ģeneratora rotors grieztos kopā ar turbīnu, radot elektrību. Ģeneratoru var iedalīt divās daļās: daļā, kas rotē kopā ar turbīnu, un ģeneratora fiksētajā daļā. Daļu, kas ir savienota ar turbīnu un rotē, sauc par ģeneratora rotoru, un ap rotoru ir daudz magnētisko polu; aplis ap rotoru ir ģeneratora fiksētā daļa, ko sauc par ģeneratora statoru, un stators ir aptīts ar daudzām vara spolēm. Kad daudzi rotora magnētiskie poli griežas statora vara spoļu vidū, uz vara vadiem rodas strāva, un ģenerators pārveido mehānisko enerģiju elektriskajā enerģijā.
Elektrostacijas saražotā elektriskā enerģija tiek pārveidota mehāniskajā enerģijā (elektromotors vai motors), gaismas enerģijā (elektriskā lampa), siltumenerģijā (elektriskā krāsns) utt., izmantojot dažādas elektriskās iekārtas.
hidroelektrostacijas sastāvs
Hidroelektrostacijas sastāvā ietilpst: hidrauliskās konstrukcijas, mehāniskās iekārtas un elektriskās iekārtas.
(1) Hidrauliskās būves
Tam ir dambji, ieplūdes vārti, kanāli (vai tuneļi), spiediena priekštvertnes (vai regulēšanas tvertnes), spiediena caurules, spēkstacijas un izplūdes caurules utt.
Upē tiek uzbūvēts aizsprosts (dambis), lai bloķētu upes ūdeni un paaugstinātu ūdens virsmu, veidojot rezervuāru. Tādā veidā starp rezervuāra ūdens virsmu uz aizsprosta (dambja) un upes ūdens virsmu zem aizsprosta veidojas koncentrēts kritums, un pēc tam ūdens tiek ievadīts hidroelektrostacijā, izmantojot ūdensvadus vai tuneļus. Relatīvi stāvās upēs kritumu var veidot arī novirzīšanas kanālu izmantošana. Piemēram: Parasti dabiskās upes kritums uz kilometru ir 10 metri. Ja šī upes posma augšgalā tiek atvērts kanāls upes ūdens ievadīšanai, kanāls tiks izrakts gar upi, un kanāla slīpums būs lēzenāks. Ja kanāla kritums tiek veikts uz kilometru, tas kritās tikai par 1 metru, tātad ūdens kanālā plūda 5 kilometrus, un ūdens virsma kritās tikai par 5 metriem, savukārt ūdens pēc 5 kilometru garuma dabiskajā kanālā krita 50 metrus. Šajā laikā ūdens no kanāla pa upi pa ūdensvadu vai tuneli tiek novadīts atpakaļ uz elektrostaciju, un tur ir koncentrēts 45 metru kritums, ko var izmantot elektroenerģijas ražošanai. 2. attēls.
Novirzes kanālu hidroelektrostacijas izveide ar koncentrētu kritumu, izmantojot novirzes kanālus, tuneļus vai ūdensvadus (piemēram, plastmasas caurules, tērauda caurules, betona caurules utt.), kas ir tipisks hidroelektrostaciju izkārtojums.
(2) Mehāniskās un elektriskās iekārtas
Papildus iepriekšminētajiem hidrotehniskajiem darbiem (dambjiem, kanāliem, priekšlaukumiem, spiedvadiem, darbnīcām) hidroelektrostacijai ir nepieciešams arī šāds aprīkojums:
(1) Mehāniskās iekārtas
Ir turbīnas, regulatori, vārstu vārsti, pārvades iekārtas un neģenerējošas iekārtas.
(2) Elektroiekārtas
Ir ģeneratori, sadales vadības paneļi, transformatori un pārvades līnijas.
Taču ne visām mazajām hidroelektrostacijām ir iepriekšminētās hidrauliskās būves un mehāniskais un elektriskais aprīkojums. Ja ūdens spiediens zemspiediena hidroelektrostacijā ir mazāks par 6 metriem, parasti tiek izmantots ūdensvada kanāls un atvērta kanāla ūdens kanāls, un nav spiediena priekšbaseina un spiediena ūdensvada. Elektrostacijām ar nelielu enerģijas padeves diapazonu un īsu pārvades attālumu tiek izmantota tieša enerģijas pārvade, un transformators nav nepieciešams. Hidroelektrostacijām ar rezervuāriem nav nepieciešams būvēt dambjus. Dziļu ūdens ieplūdes atveru, dambju iekšējo cauruļu (vai tuneļu) un pārplūdes kanālu izmantošana novērš nepieciešamību pēc hidrauliskām konstrukcijām, piemēram, dambjiem, ūdens ieplūdes vārtiem, kanāliem un spiediena priekšbaseiniem.
Lai uzbūvētu hidroelektrostaciju, vispirms jāveic rūpīga apsekošana un projektēšana. Projektēšanas darbos ir trīs projektēšanas posmi: sākotnējais projekts, tehniskais projekts un būvniecības detalizācija. Lai projektēšanas darbi būtu kvalitatīvi, vispirms jāveic rūpīga apsekošana, tas ir, pilnībā jāizprot vietējie dabas un ekonomiskie apstākļi, piemēram, topogrāfiju, ģeoloģiju, hidroloģiju, kapitālu utt. Projektēšanas pareizību un ticamību var garantēt tikai pēc šo situāciju apgūšanas un analīzes.
Mazo hidroelektrostaciju komponentiem ir dažādas formas atkarībā no hidroelektrostacijas veida.
3. Topogrāfiskā uzmērīšana
Topogrāfiskās uzmērīšanas darba kvalitātei ir liela ietekme uz inženiertehnisko izkārtojumu un inženiertehniskā daudzuma novērtējumu.
Ģeoloģiskā izpēte (ģeoloģisko apstākļu izpratne) papildus vispārējai izpratnei un pētījumiem par ūdensšķirtnes un upes ģeoloģiju ir nepieciešams arī saprast, vai mašīntelpas pamati ir stabili, kas tieši ietekmē pašas elektrostacijas drošību. Kad aizsprosts ar noteiktu rezervuāra tilpumu tiks iznīcināts, tas ne tikai sabojās pašu hidroelektrostaciju, bet arī izraisīs milzīgus cilvēku dzīvības un īpašumu zaudējumus lejpus upes.
4. Hidroloģiskā pārbaude
Hidroelektrostacijām vissvarīgākie hidroloģiskie dati ir upes ūdens līmeņa, plūsmas, nogulumu satura, apledojuma apstākļu, meteoroloģisko datu un plūdu apsekojuma dati. Upes plūsmas lielums ietekmē hidroelektrostacijas pārplūdes vietas izkārtojumu. Plūdu smaguma nenovērtēšana izraisīs dambja bojājumus; upes nestie nogulumi sliktākajā gadījumā var ātri piepildīt rezervuāru. Piemēram, ieplūdes kanāls izraisīs kanāla aizsērēšanu, un rupjgraudainie nogulumi izkļūs cauri turbīnai un izraisīs turbīnas nodilumu. Tāpēc hidroelektrostaciju būvniecībai ir jābūt pietiekamiem hidroloģiskajiem datiem.
Tāpēc, pirms pieņemt lēmumu par hidroelektrostacijas būvniecību, vispirms ir jāizpēta ekonomiskās attīstības virziens energoapgādes reģionā un nākotnes pieprasījums pēc elektroenerģijas. Vienlaikus jānovērtē citu enerģijas avotu situācija attīstības reģionā. Tikai pēc iepriekš minētās situācijas izpētes un analīzes mēs varam izlemt, vai hidroelektrostacija ir jābūvē un cik lielam jābūt tās mērogam.
Kopumā hidroenerģijas apsekošanas darba mērķis ir sniegt precīzu un ticamu pamatinformāciju, kas nepieciešama hidroelektrostaciju projektēšanai un būvniecībai.
5. Vispārīgie vietas izvēles nosacījumi
Vietnes izvēles vispārīgos nosacījumus var izskaidrot no šādiem četriem aspektiem:
(1) Izvēlētajai vietai jāspēj visekonomiskāk izmantot ūdens enerģiju un jāievēro izmaksu ietaupījuma princips, tas ir, pēc elektrostacijas pabeigšanas jāiztērē vismazāk naudas un saražot visvairāk elektroenerģijas. To parasti var izmērīt, aplēšot gada elektroenerģijas ražošanas ieņēmumus un ieguldījumus elektrostacijas būvniecībā, lai redzētu, cik ilgā laikā var atgūt ieguldīto kapitālu. Tomēr dažādās vietās hidroloģiskie un topogrāfiskie apstākļi atšķiras, un arī elektroenerģijas vajadzības ir atšķirīgas, tāpēc būvniecības izmaksas un ieguldījumus nevajadzētu ierobežot ar noteiktām vērtībām.
(2) Izvēlētās vietas topogrāfiskajiem, ģeoloģiskajiem un hidroloģiskajiem apstākļiem jābūt relatīvi pārākiem, un tām jābūt pieejamām projektēšanas un būvniecības iespējām. Mazo hidroelektrostaciju būvniecībā būvmateriālu izmantošanai pēc iespējas jāatbilst "vietējo materiālu" principam.
(3) Izvēlētajai vietai jāatrodas pēc iespējas tuvāk barošanas avotam un pārstrādes zonai, lai samazinātu elektroenerģijas pārvades iekārtu ieguldījumus un jaudas zudumus.
(4) Izvēloties vietu, pēc iespējas jāizmanto esošās hidrotehniskās būves. Piemēram, ūdens pilienu var izmantot hidroelektrostacijas būvniecībai apūdeņošanas kanālā, vai arī hidroelektrostaciju var uzbūvēt blakus apūdeņošanas rezervuāram, lai ražotu elektroenerģiju no apūdeņošanas plūsmas utt. Tā kā šīs hidroelektrostacijas var atbilst principam par elektroenerģijas ražošanu, kad ir ūdens, to ekonomiskā nozīme ir acīmredzamāka.
Publicēšanas laiks: 2022. gada 19. maijs
