Waterkracht is het omzetten van de waterenergie van natuurlijke rivieren in elektriciteit voor menselijk gebruik. Er zijn verschillende energiebronnen die gebruikt worden voor de opwekking van elektriciteit, zoals zonne-energie, waterkracht in rivieren en windenergie. De kosten voor het opwekken van elektriciteit met behulp van waterkracht zijn laag en de bouw van waterkrachtcentrales kan bovendien gecombineerd worden met andere waterbeheerprojecten. Ons land is zeer rijk aan waterkrachtbronnen en de omstandigheden zijn ook zeer gunstig. Waterkracht speelt een belangrijke rol in de ontwikkeling van de nationale economie.
Het waterpeil in een rivier is stroomopwaarts hoger dan stroomafwaarts. Door dit verschil in waterpeil wordt waterenergie opgewekt. Deze energie wordt potentiële energie genoemd. Het verschil in hoogte tussen de rivier en het wateroppervlak wordt het hoogteverschil genoemd, ook wel waterhoogteverschil of waterhoogteverschil. Dit hoogteverschil is een essentiële voorwaarde voor de opwekking van waterkracht. Daarnaast is de hoeveelheid waterkracht ook afhankelijk van de waterstroom in de rivier, wat een andere essentiële voorwaarde is die net zo belangrijk is als het hoogteverschil. Zowel het hoogteverschil als de waterstroom hebben een directe invloed op de waterkracht; hoe groter het hoogteverschil, hoe groter de waterkracht; als het hoogteverschil en de waterstroom relatief klein zijn, zal het vermogen van de waterkrachtcentrale lager zijn.
Het hoogteverschil wordt over het algemeen uitgedrukt in meters. De helling is de verhouding tussen het hoogteverschil en de afstand, wat de mate van concentratie van het hoogteverschil aangeeft. Hoe geconcentreerder het hoogteverschil, hoe efficiënter de benutting van de waterkracht. Het hoogteverschil dat door een waterkrachtcentrale wordt benut, is het verschil tussen het waterpeil stroomopwaarts van de centrale en het waterpeil stroomafwaarts na passage door de turbine.
Debiet is de hoeveelheid water die per tijdseenheid door een rivier stroomt en wordt uitgedrukt in kubieke meters per seconde. Eén kubieke meter water is gelijk aan één ton. Het debiet van een rivier verandert voortdurend, dus wanneer we het over debiet hebben, moeten we de specifieke omstandigheden op de betreffende plek vermelden. Het debiet varieert sterk in de tijd. De rivieren in ons land hebben over het algemeen een hoog debiet tijdens het regenseizoen in de zomer en de herfst, en een relatief laag debiet in de winter en de lente. Over het algemeen is het debiet van de rivier stroomopwaarts relatief laag; doordat de zijrivieren samenvloeien, neemt het debiet stroomafwaarts geleidelijk toe. Hoewel het debiet stroomopwaarts geconcentreerd is, is het dus laag; stroomafwaarts is het debiet hoog, maar relatief verspreid. Daarom is het vaak het meest economisch om waterkracht te gebruiken in het middengedeelte van de rivier.
Als het hoogteverschil en de waterstroom van een waterkrachtcentrale bekend zijn, kan het vermogen ervan worden berekend met de volgende formule:
N= GQH
In de formule kan N – het uitgangsvermogen, in kilowatt, ook wel vermogen genoemd worden;
Q – debiet, in kubieke meter per seconde;
H – hoogteverschil, in meters;
G = 9,8 is de zwaartekrachtversnelling, eenheid: Newton/kg
Volgens de bovenstaande formule wordt het theoretische vermogen berekend zonder rekening te houden met verliezen. In werkelijkheid hebben turbines, transmissieapparatuur, generatoren, enzovoort, bij de opwekking van waterkracht onvermijdelijke vermogensverliezen. Daarom moet het theoretische vermogen worden gecorrigeerd, oftewel het werkelijke bruikbare vermogen moet worden vermenigvuldigd met de rendementscoëfficiënt (symbool: K).
Het ontworpen vermogen van de generator in een waterkrachtcentrale wordt het nominale vermogen genoemd, en het werkelijke vermogen het werkelijke vermogen. Tijdens het energieomzettingsproces gaat er onvermijdelijk een deel van de energie verloren. Bij de opwekking van waterkracht zijn er voornamelijk verliezen in de turbines en generatoren (er zijn ook verliezen in de leidingen). De verschillende verliezen in een micro-waterkrachtcentrale op het platteland bedragen ongeveer 40-50% van het totale theoretische vermogen. De waterkrachtcentrale kan dus in de praktijk slechts 50-60% van het theoretische vermogen benutten, oftewel het rendement ligt tussen de 0,5 en 0,60 (waarvan het turbine-rendement 0,70-0,85 is, het generator-rendement 0,85-0,90 en het rendement van de leidingen en transmissieapparatuur 0,80-0,85). Het werkelijke vermogen (de output) van de waterkrachtcentrale kan daarom als volgt worden berekend:
K – het rendement van de waterkrachtcentrale (0,5 tot 0,6) – wordt gebruikt in de ruwe berekening van de micro-waterkrachtcentrale; deze waarde kan worden vereenvoudigd tot:
N=(0,5～0,6)QHG Werkelijk vermogen = rendement × debiet × valhoogte × 9,8
Bij waterkracht wordt de kracht van water gebruikt om een machine aan te drijven, een zogenaamde waterturbine. Het oude waterrad in ons land is bijvoorbeeld een heel eenvoudige waterturbine. De verschillende hydraulische turbines die tegenwoordig worden gebruikt, zijn aangepast aan specifieke hydraulische omstandigheden, zodat ze efficiënter kunnen draaien en waterenergie kunnen omzetten in mechanische energie. Een ander type machine, een generator, is verbonden met de turbine, waardoor de rotor van de generator met de turbine meedraait en elektriciteit opwekt. De generator kan worden opgedeeld in twee delen: het deel dat met de turbine meedraait en het vaste deel. Het deel dat met de turbine is verbonden en draait, wordt de rotor van de generator genoemd en heeft vele magnetische polen rond de rotor. De cirkel rond de rotor is het vaste deel van de generator, de stator van de generator, en de stator is omwikkeld met vele koperen spoelen. Wanneer de vele magnetische polen van de rotor in het midden van de koperen spoelen van de stator draaien, wordt er een stroom opgewekt in de koperdraden en zet de generator mechanische energie om in elektrische energie.
De elektrische energie die door de energiecentrale wordt opgewekt, wordt door diverse elektrische apparaten omgezet in mechanische energie (elektromotor), lichtenergie (elektrische lamp), warmte-energie (elektrische oven) enzovoort.
de samenstelling van de waterkrachtcentrale
Een waterkrachtcentrale bestaat uit: hydraulische constructies, mechanische apparatuur en elektrische apparatuur.
(1) Hydraulische constructies
Het omvat stuwen (dammen), inlaatpoorten, kanalen (of tunnels), drukvaten (of regelvaten), drukleidingen, energiecentrales en afvoerkanalen, enzovoort.
Een stuwdam wordt in een rivier gebouwd om het rivierwater tegen te houden en het waterpeil te verhogen, waardoor een reservoir ontstaat. Op deze manier ontstaat een aanzienlijk hoogteverschil tussen het waterpeil van het reservoir bij de stuwdam en het waterpeil van de rivier beneden de dam. Het water wordt vervolgens via waterleidingen of tunnels naar de waterkrachtcentrale geleid. In relatief steile rivieren kan ook een hoogteverschil worden gecreëerd door het gebruik van omleidingskanalen. Bijvoorbeeld: het hoogteverschil van een natuurlijke rivier bedraagt gemiddeld 10 meter per kilometer. Als aan het begin van dit riviergedeelte een kanaal wordt aangelegd om rivierwater aan te voeren, wordt het kanaal langs de rivier uitgegraven en is de helling van het kanaal vlakker. Als het hoogteverschil in het kanaal slechts 1 meter per kilometer bedraagt, daalt het waterpeil na 5 kilometer slechts 5 meter, terwijl het water in een natuurlijke rivierbedding na 5 kilometer 50 meter zou dalen. Op dit moment wordt het water uit het kanaal via een waterleiding of tunnel teruggeleid naar de energiecentrale, waar een hoogteverschil van 45 meter ontstaat dat gebruikt kan worden voor de opwekking van elektriciteit. Figuur 2
Het gebruik van omleidingskanalen, tunnels of waterleidingen (zoals kunststofbuizen, stalen buizen, betonnen buizen, enz.) om een waterkrachtcentrale met een geconcentreerd valhoogteverschil te creëren, wordt een omleidingskanaal-waterkrachtcentrale genoemd. Dit is een typische lay-out voor waterkrachtcentrales.
(2) Mechanische en elektrische apparatuur
Naast de bovengenoemde hydraulische werken (stuwen, kanalen, voorpleinen, drukleidingen, werkplaatsen) heeft de waterkrachtcentrale ook de volgende apparatuur nodig:
(1) Mechanische apparatuur
Er zijn turbines, regelaars, schuifafsluiters, transmissieapparatuur en niet-energieopwekkende apparatuur.
(2) Elektrische apparatuur
Er zijn generatoren, verdeelborden, transformatoren en transmissielijnen.
Maar niet alle kleine waterkrachtcentrales beschikken over de bovengenoemde hydraulische constructies en mechanische en elektrische apparatuur. Bij een waterkrachtcentrale met een lage valhoogte van minder dan 6 meter worden doorgaans geleidingskanalen en open kanalen gebruikt, zonder drukvat of drukleidingen. Voor centrales met een klein stroomleveringsgebied en een korte transportafstand wordt gebruikgemaakt van directe stroomoverdracht, waardoor geen transformator nodig is. Waterkrachtcentrales met reservoirs hoeven geen dammen te bouwen. Door gebruik te maken van diepe inlaatpunten, damdoorvoeren (of tunnels) en overlaten zijn hydraulische constructies zoals stuwen, inlaatpoorten, kanalen en drukvaten niet nodig.
Voor de bouw van een waterkrachtcentrale is allereerst zorgvuldig onderzoek en ontwerpwerk vereist. Het ontwerpproces bestaat uit drie fasen: voorlopig ontwerp, technisch ontwerp en detaillering van de constructie. Om een goed ontwerp te kunnen maken, is het allereerst noodzakelijk om grondig onderzoek te doen, dat wil zeggen om de lokale natuurlijke en economische omstandigheden – zoals topografie, geologie, hydrologie, kapitaal, enzovoort – volledig in kaart te brengen. De juistheid en betrouwbaarheid van het ontwerp kunnen pas worden gegarandeerd na een grondige analyse en beheersing van deze omstandigheden.
De onderdelen van kleine waterkrachtcentrales hebben verschillende vormen, afhankelijk van het type waterkrachtcentrale.
3. Topografische meting
De kwaliteit van het topografisch onderzoek heeft een grote invloed op de technische lay-out en de inschatting van de benodigde hoeveelheden.
Geologisch onderzoek (het in kaart brengen van de geologische omstandigheden) vereist niet alleen een algemeen begrip van en onderzoek naar de geologie van het stroomgebied en de rivier, maar ook inzicht in de stevigheid van de fundering van de machinekamer. Dit heeft namelijk direct invloed op de veiligheid van de energiecentrale zelf. Als een stuwdam met een bepaald reservoirvolume bezwijkt, beschadigt dit niet alleen de waterkrachtcentrale zelf, maar veroorzaakt het ook enorm veel levens en materiële schade stroomafwaarts.
4. Hydrologische test
Voor waterkrachtcentrales zijn de belangrijkste hydrologische gegevens onder andere de waterstand, debiet, sedimentgehalte, ijsvorming, meteorologische gegevens en gegevens van overstromingen. De omvang van het rivierdebiet beïnvloedt de lay-out van de overlaat van de waterkrachtcentrale. Een onderschatting van de ernst van de overstroming kan schade aan de dam veroorzaken; in het ergste geval kan het sediment dat door de rivier wordt meegevoerd het reservoir snel vullen. Zo kan bijvoorbeeld het instroomkanaal dichtslibben, waarna het grofkorrelige sediment de turbine kan passeren en slijtage kan veroorzaken. Daarom is het bij de bouw van waterkrachtcentrales essentieel om over voldoende hydrologische gegevens te beschikken.
Voordat we besluiten een waterkrachtcentrale te bouwen, moeten we daarom eerst de economische ontwikkelingsrichting in het energieproductiegebied en de toekomstige vraag naar elektriciteit onderzoeken. Tegelijkertijd moeten we de situatie van andere energiebronnen in het ontwikkelingsgebied in kaart brengen. Pas na onderzoek en analyse van deze situatie kunnen we bepalen of de waterkrachtcentrale nodig is en hoe grootschalig deze moet zijn.
Het algemene doel van onderzoek naar waterkrachtcentrales is het leveren van nauwkeurige en betrouwbare basisinformatie die nodig is voor het ontwerp en de bouw van waterkrachtcentrales.
5. Algemene voorwaarden voor de locatiekeuze
De algemene voorwaarden voor het kiezen van een locatie kunnen worden toegelicht aan de hand van de volgende vier aspecten:
(1) De gekozen locatie moet in staat zijn om waterkracht op de meest economische manier te benutten en te voldoen aan het principe van kostenbesparing, dat wil zeggen dat na de voltooiing van de energiecentrale de kosten zo laag mogelijk zijn en de elektriciteitsproductie zo hoog mogelijk is. Dit kan doorgaans worden gemeten door de jaarlijkse inkomsten uit elektriciteitsopwekking en de investering in de bouw van de centrale te schatten, om te zien hoe snel het geïnvesteerde kapitaal kan worden terugverdiend. De hydrologische en topografische omstandigheden verschillen echter per locatie, en de elektriciteitsbehoefte is ook verschillend. Daarom mogen de bouwkosten en de investering niet worden beperkt tot bepaalde waarden.
(2) De topografische, geologische en hydrologische omstandigheden van de gekozen locatie moeten relatief gunstig zijn, en er moeten mogelijkheden zijn voor ontwerp en constructie. Bij de bouw van kleine waterkrachtcentrales moet het gebruik van bouwmaterialen zoveel mogelijk in overeenstemming zijn met het principe van “lokale materialen”.
(3) De gekozen locatie moet zo dicht mogelijk bij de stroomvoorziening en het verwerkingsgebied liggen om de investering in stroomtransmissieapparatuur en het stroomverlies te beperken.
(4) Bij de keuze van de locatie moet zoveel mogelijk gebruik worden gemaakt van de bestaande waterbouwkundige structuren. Zo kan bijvoorbeeld het waterpeil worden gebruikt om een waterkrachtcentrale in een irrigatiekanaal te bouwen, of kan een waterkrachtcentrale naast een irrigatiereservoir worden gebouwd om elektriciteit op te wekken uit het irrigatiewater, enzovoort. Omdat deze waterkrachtcentrales voldoen aan het principe van elektriciteitsopwekking wanneer er water is, is hun economische betekenis duidelijker.
Geplaatst op: 19 mei 2022
