Energia wodna ma na celu przekształcenie energii wodnej naturalnych rzek w energię elektryczną do użytku ludzi. Istnieją różne źródła energii wykorzystywane w wytwarzaniu energii, takie jak energia słoneczna, energia wodna w rzekach i energia wiatrowa generowana przez przepływ powietrza. Koszt wytwarzania energii wodnej przy użyciu energii wodnej jest niski, a budowa elektrowni wodnych może być również łączona z innymi projektami oszczędzania wody. Nasz kraj jest bardzo bogaty w zasoby energii wodnej, a warunki są również bardzo dobre. Energia wodna odgrywa ważną rolę w budowie gospodarki narodowej.
Poziom wody w górnym biegu rzeki jest wyższy niż poziom wody w dolnym biegu. Z powodu różnicy poziomów wody w rzece generowana jest energia wodna. Energia ta nazywana jest energią potencjalną lub energią potencjalną. Różnica między wysokością wody w rzece nazywana jest spadkiem, nazywana również różnicą poziomów wody lub wysokością wody. Spadek ten jest podstawowym warunkiem powstawania mocy hydraulicznej. Ponadto wielkość mocy hydraulicznej zależy również od wielkości przepływu wody w rzece, co jest kolejnym podstawowym warunkiem równie ważnym jak spadek. Zarówno spadek, jak i przepływ bezpośrednio wpływają na moc hydrauliczną; im większa objętość wody w spadku, tym większa moc hydrauliczna; jeśli spadek i objętość wody są stosunkowo małe, wydajność elektrowni wodnej będzie mniejsza.
Spadek jest zazwyczaj wyrażany w metrach. Gradient to stosunek spadku i odległości, który może wskazywać stopień koncentracji spadku. Spadek jest bardziej skoncentrowany, a wykorzystanie mocy hydraulicznej jest wygodniejsze. Spadek używany przez elektrownię wodną to różnica między powierzchnią wody w górę rzeki elektrowni wodnej a powierzchnią wody w dół rzeki po przejściu przez turbinę.
Przepływ to ilość wody płynącej w rzece w jednostce czasu i jest wyrażany w metrach sześciennych w ciągu jednej sekundy. Jeden metr sześcienny wody to jedna tona. Przepływ rzeki zmienia się w dowolnym momencie, więc kiedy mówimy o przepływie, musimy wyjaśnić czas konkretnego miejsca, w którym płynie. Przepływ zmienia się bardzo znacząco w czasie. Rzeki w naszym kraju mają zazwyczaj duży przepływ w porze deszczowej latem i jesienią, a stosunkowo mały zimą i wiosną. Zazwyczaj przepływ rzeki jest stosunkowo mały w górnym biegu; ponieważ dopływy się łączą, przepływ w dolnym biegu stopniowo wzrasta. Dlatego chociaż spadek w górnym biegu jest skoncentrowany, przepływ jest mały; przepływ w dolnym biegu jest duży, ale spadek jest stosunkowo rozproszony. Dlatego często najbardziej ekonomiczne jest wykorzystanie mocy hydraulicznej w środkowym biegu rzeki.
Znając spadek i przepływ wykorzystywane przez elektrownię wodną, można obliczyć jej moc wyjściową, korzystając z następującego wzoru:
N=GQH
We wzorze N–moc wyjściowa, wyrażona w kilowatach, może być również nazywana mocą;
Q–przepływ, w metrach sześciennych na sekundę;
H – spadek w metrach;
G = 9,8, jest przyspieszeniem grawitacyjnym, jednostka: Newton/kg
Zgodnie z powyższym wzorem, teoretyczną moc oblicza się bez odejmowania strat. W rzeczywistości, w procesie wytwarzania energii wodnej, turbiny, urządzenia transmisyjne, generatory itp. mają nieuniknione straty mocy. Dlatego teoretyczną moc należy zdyskontować, tj. rzeczywistą moc, którą możemy wykorzystać, należy pomnożyć przez współczynnik sprawności (symbol: K).
Projektowana moc generatora w elektrowni wodnej nazywana jest mocą znamionową, a rzeczywista moc nazywana jest mocą rzeczywistą. W procesie transformacji energii nieuchronnie traci się część energii. W procesie wytwarzania energii wodnej występują głównie straty turbin i generatorów (są również straty w rurociągach). Różne straty w wiejskiej mikroelektrowni wodnej stanowią około 40-50% całkowitej mocy teoretycznej, więc moc wyjściowa elektrowni wodnej może w rzeczywistości wykorzystywać tylko 50-60% mocy teoretycznej, to znaczy, że sprawność wynosi około 0,5-0,60 (z czego sprawność turbiny wynosi 0,70-0,85, sprawność generatorów wynosi 0,85 do 0,90, a sprawność rurociągów i urządzeń przesyłowych wynosi 0,80 do 0,85). Dlatego rzeczywistą moc (moc wyjściową) elektrowni wodnej można obliczyć w następujący sposób:
K – sprawność elektrowni wodnej (0,5～0,6) jest używana w przybliżonych obliczeniach mikroelektrowni wodnej; wartość tę można uprościć do postaci:
N=(0,5～0,6)QHG Rzeczywista moc=sprawność×przepływ×spadek×9,8
Wykorzystanie energii wodnej polega na wykorzystaniu energii wodnej do napędzania maszyny, która nazywana jest turbiną wodną. Na przykład starożytne koło wodne w naszym kraju jest bardzo prostą turbiną wodną. Różne obecnie stosowane turbiny hydrauliczne są dostosowane do różnych specyficznych warunków hydraulicznych, dzięki czemu mogą obracać się wydajniej i zamieniać energię wody na energię mechaniczną. Inny rodzaj maszyny, generator, jest podłączony do turbiny, dzięki czemu wirnik generatora obraca się wraz z turbiną, aby generować energię elektryczną. Generator można podzielić na dwie części: część, która obraca się wraz z turbiną i stałą część generatora. Część, która jest podłączona do turbiny i obraca się, nazywa się wirnikiem generatora, a wokół wirnika znajduje się wiele biegunów magnetycznych; okrąg wokół wirnika to stała część generatora, zwana stojanem generatora, a stojan jest owinięty wieloma miedzianymi cewkami. Kiedy wiele biegunów magnetycznych wirnika obraca się w środku miedzianych cewek stojana, na miedzianych przewodach powstaje prąd, a generator zamienia energię mechaniczną na energię elektryczną.
Energia elektryczna wytwarzana przez elektrownię jest przekształcana na energię mechaniczną (silnik elektryczny lub motor), energię świetlną (lampa elektryczna), energię cieplną (piec elektryczny) i tak dalej za pomocą różnych urządzeń elektrycznych.
Skład elektrowni wodnej
W skład elektrowni wodnej wchodzą: budowle hydrotechniczne, urządzenia mechaniczne i urządzenia elektryczne.
(1) Konstrukcje hydrotechniczne
Znajdują się tamy (zapory), śluzy wlotowe, kanały (lub tunele), zbiorniki ciśnieniowe przednie (lub zbiorniki regulacyjne), rury ciśnieniowe, elektrownie i kanały wylotowe itp.
Jaz (tama) jest budowany w rzece, aby zablokować wodę rzeczną i podnieść powierzchnię wody, aby utworzyć zbiornik. W ten sposób powstaje skoncentrowany spadek między powierzchnią wody zbiornika na jazie (tamie) a powierzchnią wody rzeki poniżej tamy, a następnie woda jest wprowadzana do elektrowni wodnej za pomocą rur wodnych lub tuneli. W stosunkowo stromych rzekach użycie kanałów odwadniających może również utworzyć spadek. Na przykład: Ogólnie rzecz biorąc, spadek na kilometr naturalnej rzeki wynosi 10 metrów. Jeśli kanał zostanie otwarty na górnym końcu tego odcinka rzeki, aby wprowadzić wodę rzeczną, kanał zostanie wykopany wzdłuż rzeki, a nachylenie kanału będzie bardziej płaskie. Jeśli spadek w kanale jest wykonany na kilometr, spadł tylko o 1 metr, tak że woda przepłynęła 5 kilometrów w kanale, a powierzchnia wody spadła tylko o 5 metrów, podczas gdy woda spadła 50 metrów po przebyciu 5 kilometrów w naturalnym kanale. W tym czasie woda z kanału jest odprowadzana z powrotem do elektrowni przez rzekę za pomocą rury wodnej lub tunelu, a skoncentrowany spadek wynosi 45 metrów i może być wykorzystany do wytwarzania energii elektrycznej. Rysunek 2
Zastosowanie kanałów dywersyjnych, tuneli lub rur wodnych (takich jak rury plastikowe, stalowe, betonowe itp.) w celu utworzenia elektrowni wodnej o skoncentrowanym spadku nazywa się elektrownią wodną z kanałem dywersyjnym. Jest to typowy układ elektrowni wodnych.
(2) Sprzęt mechaniczny i elektryczny
Oprócz wyżej wymienionych prac hydrotechnicznych (jazy, kanały, place przedzalewowe, rurociągi tłoczne, warsztaty) elektrownia wodna potrzebuje również następującego sprzętu:
(1) Sprzęt mechaniczny
Znajdują się tam turbiny, regulatory, zasuwy, urządzenia przesyłowe i urządzenia niegenerujące.
(2) Sprzęt elektryczny
Znajdują się tam generatory, panele rozdzielcze, transformatory i linie przesyłowe.
Jednak nie wszystkie małe elektrownie wodne mają wyżej wymienione konstrukcje hydrauliczne oraz wyposażenie mechaniczne i elektryczne. Jeśli w elektrowni wodnej o niskim ciśnieniu ciśnienie wody jest mniejsze niż 6 metrów, zazwyczaj stosuje się kanał odprowadzający wodę i otwarty kanał wodny, a nie ma zbiornika wstępnego ciśnienia ani rury wodnej ciśnieniowej. W przypadku elektrowni o małym zasięgu zasilania i krótkiej odległości przesyłu przyjmuje się bezpośredni przesył mocy i nie jest wymagany transformator. Elektrownie wodne ze zbiornikami nie muszą budować tam. Zastosowanie głębokich wlotów, wewnętrznych rur zapór (lub tuneli) i przelewów eliminuje potrzebę stosowania konstrukcji hydraulicznych, takich jak tamy, śluzy wlotowe, kanały i zbiorniki wstępnego ciśnienia.
Aby zbudować elektrownię wodną, należy przede wszystkim przeprowadzić staranne prace geodezyjne i projektowe. W pracach projektowych występują trzy etapy projektowania: projekt wstępny, projekt techniczny i szczegółowe prace budowlane. Aby dobrze wykonać pracę projektową, najpierw należy przeprowadzić dokładne prace geodezyjne, czyli w pełni zrozumieć lokalne warunki naturalne i ekonomiczne – tj. topografię, geologię, hydrologię, kapitał itd. Poprawność i niezawodność projektu można zagwarantować dopiero po opanowaniu tych sytuacji i ich przeanalizowaniu.
Elementy małych elektrowni wodnych mają różną formę w zależności od rodzaju elektrowni wodnej.
3. Badania topograficzne
Jakość prac pomiarowych ma ogromny wpływ na układ inżynieryjny i oszacowanie ilości prac inżynieryjnych.
Eksploracja geologiczna (zrozumienie warunków geologicznych) oprócz ogólnego zrozumienia i badań nad geologią zlewni i wzdłuż rzeki, konieczne jest również zrozumienie, czy fundament maszynowni jest solidny, co bezpośrednio wpływa na bezpieczeństwo samej elektrowni. Gdy zapora o określonej objętości zbiornika zostanie zniszczona, nie tylko uszkodzi samą elektrownię wodną, ale także spowoduje ogromne straty w ludziach i mieniu w dół rzeki.
4. Badanie hydrologiczne
W przypadku elektrowni wodnych najważniejszymi danymi hydrologicznymi są zapisy poziomu wody w rzece, przepływu, zawartości osadów, warunków oblodzenia, dane meteorologiczne i dane z badania powodzi. Wielkość przepływu rzeki wpływa na układ przelewu elektrowni wodnej. Niedoszacowanie skali powodzi spowoduje uszkodzenie zapory; osad niesiony przez rzekę może w najgorszym przypadku szybko wypełnić zbiornik. Na przykład kanał dopływowy spowoduje zamulenie kanału, a gruboziarnisty osad przejdzie przez turbinę i spowoduje zużycie turbiny. Dlatego budowa elektrowni wodnych musi mieć wystarczające dane hydrologiczne.
Dlatego przed podjęciem decyzji o budowie elektrowni wodnej należy najpierw zbadać kierunek rozwoju gospodarczego w obszarze zasilania i przyszłe zapotrzebowanie na energię elektryczną. Jednocześnie oszacować sytuację innych źródeł energii w obszarze rozwoju. Dopiero po przeprowadzeniu badań i analizie powyższej sytuacji możemy zdecydować, czy elektrownia wodna musi zostać zbudowana i jak duża powinna być jej skala.
Zasadniczo celem prac geodezyjnych w zakresie energetyki wodnej jest dostarczenie dokładnych i wiarygodnych podstawowych informacji niezbędnych do projektowania i budowy elektrowni wodnych.
5. Ogólne warunki wyboru lokalizacji
Ogólne warunki wyboru lokalizacji można wyjaśnić, biorąc pod uwagę następujące cztery aspekty:
(1) Wybrana lokalizacja powinna być w stanie wykorzystać energię wodną w najbardziej ekonomiczny sposób i spełniać zasadę oszczędności kosztów, tj. po ukończeniu budowy elektrowni wydaje się najmniej pieniędzy i wytwarza najwięcej energii elektrycznej. Zwykle można to zmierzyć, szacując roczne przychody z wytwarzania energii i inwestycję w budowę elektrowni, aby zobaczyć, ile czasu można odzyskać zainwestowany kapitał. Jednak warunki hydrologiczne i topograficzne są różne w różnych miejscach, a zapotrzebowanie na energię elektryczną również jest różne, więc koszt budowy i inwestycja nie powinny być ograniczone pewnymi wartościami.
(2) Warunki topograficzne, geologiczne i hydrologiczne wybranego miejsca powinny być stosunkowo lepsze, a także powinny istnieć możliwości w zakresie projektowania i budowy. Przy budowie małych elektrowni wodnych wykorzystanie materiałów budowlanych powinno być zgodne z zasadą „materiałów lokalnych” w jak największym stopniu.
(3) Wybrana lokalizacja musi znajdować się w jak największej odległości od źródła zasilania i obszaru przetwarzania, aby ograniczyć inwestycje w urządzenia do przesyłu energii elektrycznej oraz straty energii.
(4) Wybierając lokalizację, należy w jak największym stopniu wykorzystać istniejące konstrukcje hydrotechniczne. Na przykład, spadek wody można wykorzystać do zbudowania elektrowni wodnej w kanale irygacyjnym lub elektrownię wodną można zbudować obok zbiornika irygacyjnego, aby wytwarzać energię elektryczną z przepływu wody irygacyjnej itd. Ponieważ te elektrownie wodne mogą spełniać zasadę wytwarzania energii elektrycznej, gdy jest woda, ich znaczenie ekonomiczne jest bardziej oczywiste.
Czas publikacji: 19-05-2022
