In natuurlijke rivieren stroomt water stroomopwaarts naar stroomafwaarts, vermengd met sediment. Het erodeert vaak de rivierbodem en de oevers, wat aantoont dat er een zekere hoeveelheid energie in het water verborgen zit. Onder natuurlijke omstandigheden wordt deze potentiële energie verbruikt door erosie, het verplaatsen van sediment en het overwinnen van wrijvingsweerstand. Als we gebouwen bouwen en de nodige apparatuur installeren om een constante waterstroom door een waterturbine te creëren, zal de waterturbine, net als een windmolen, door de waterstroom worden aangedreven en continu kunnen draaien. De waterenergie wordt zo omgezet in mechanische energie. Wanneer de waterturbine de generator aandrijft, kan er elektriciteit worden opgewekt. Dit is het basisprincipe van waterkrachtcentrales. Waterturbines en generatoren zijn de meest basale onderdelen voor de opwekking van waterkracht. Hieronder volgt een korte introductie tot de basisprincipes van waterkrachtcentrales.
1. Waterkracht en waterstroomenergie
Bij het ontwerpen van een waterkrachtcentrale is het, om de schaal van de centrale te bepalen, noodzakelijk om het opwekkingsvermogen van de centrale te kennen. Volgens de basisprincipes van waterkrachtopwekking is het niet moeilijk in te zien dat het opwekkingsvermogen van een centrale wordt bepaald door de hoeveelheid arbeid die door de stroming kan worden verricht. We noemen de totale arbeid die water in een bepaalde tijdsperiode kan verrichten waterenergie, en de arbeid die per tijdseenheid (seconde) kan worden verricht, noemen we stroomvermogen. Hoe groter het vermogen van de waterstroom, hoe groter het opwekkingsvermogen van de centrale. Om het opwekkingsvermogen van de centrale te bepalen, moeten we daarom eerst het vermogen van de waterstroom berekenen. Het vermogen van de waterstroom in een rivier kan als volgt worden berekend: ervan uitgaande dat het hoogteverschil van het water in een bepaald riviergedeelte H (meter) is, en dat het watervolume H dat per tijdseenheid (seconde) door de dwarsdoorsnede van de rivier stroomt Q (kubieke meter/seconde) is, dan is het vermogen van de waterstroom in dat gedeelte gelijk aan het product van het gewicht van het water en het hoogteverschil. Hoe hoger de waterdruppel, hoe groter de waterstroom en hoe groter de waterkracht.
2. De output van waterkrachtcentrales
Bij een bepaalde valhoogte en debiet kan een waterkrachtcentrale elektriciteit opwekken, wat waterkrachtvermogen wordt genoemd. Het vermogen is uiteraard afhankelijk van de hoeveelheid water die door de turbine stroomt. Tijdens het omzetten van waterenergie in elektrische energie moet het water de weerstand van rivierbeddingen of gebouwen langs de route van stroomopwaarts naar stroomafwaarts overwinnen. Ook waterturbines, generatoren en transmissieapparatuur moeten tijdens hun werking veel weerstand overwinnen. Om deze weerstand te overwinnen, moet er arbeid worden verricht, waarbij energie uit de waterstroom wordt verbruikt. Dit is onvermijdelijk. Daarom is de hoeveelheid waterstroom die kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken kleiner dan de waarde die met de formule wordt verkregen. Met andere woorden, het vermogen van de waterkrachtcentrale moet gelijk zijn aan de hoeveelheid waterstroom vermenigvuldigd met een factor kleiner dan 1. Deze factor wordt ook wel het rendement van een waterkrachtcentrale genoemd.
De specifieke waarde van het rendement van een waterkrachtcentrale hangt samen met de hoeveelheid energieverlies die optreedt wanneer het water door het gebouw en de turbine, transmissieapparatuur, generator, enz. stroomt. Hoe groter het verlies, hoe lager het rendement. In een kleine waterkrachtcentrale bedraagt het totaal van deze verliezen ongeveer 25-40% van het vermogen van de waterstroom. Dat wil zeggen dat als de waterstroom die 100 kilowatt elektriciteit kan opwekken de waterkrachtcentrale binnenkomt, de generator slechts 60 tot 75 kilowatt elektriciteit kan genereren, het rendement van de waterkrachtcentrale dus 60-75% bedraagt.
Uit de voorgaande inleiding blijkt dat, wanneer de waterstroom en het waterpeilverschil van de waterkrachtcentrale constant zijn, het vermogen van de centrale afhangt van het rendement. De praktijk heeft echter aangetoond dat, naast de prestaties van de turbines, generatoren en transmissieapparatuur, ook andere factoren van invloed zijn op het rendement van waterkrachtcentrales. Denk hierbij aan de kwaliteit van de bouw en de installatie van de apparatuur, de kwaliteit van de exploitatie en het beheer, en de correctheid van het ontwerp van de centrale. Sommige van deze factoren zijn primair en andere secundair, en onder bepaalde omstandigheden kunnen ze in elkaar overgaan.
Ongeacht de factor, de doorslaggevende factor is dat mensen geen objecten zijn, machines door mensen worden bestuurd en technologie door denken wordt gestuurd. Daarom is het bij het ontwerp, de bouw en de materiaalkeuze van waterkrachtcentrales noodzakelijk om de subjectieve rol van de mens volledig te erkennen en te streven naar technologische excellentie om het energieverlies van de waterstroom zoveel mogelijk te minimaliseren. Dit is met name belangrijk voor waterkrachtcentrales waar het waterverlies relatief laag is. Tegelijkertijd is het essentieel om de exploitatie en het beheer van waterkrachtcentrales effectief te versterken, om de efficiëntie te verbeteren, de waterbronnen optimaal te benutten en kleinere waterkrachtcentrales een grotere rol te laten spelen.
Geplaatst op: 9 juni 2021
