Energia wodna służy do przetwarzania energii wodnej naturalnych rzek na energię elektryczną, z której mogą korzystać ludzie. Do jej wytwarzania wykorzystuje się różne źródła energii, takie jak energia słoneczna, energia wodna rzek oraz energia wiatrowa generowana przez przepływ powietrza. Koszty wytwarzania energii wodnej z wykorzystaniem energii wodnej są niskie, a budowę elektrowni wodnych można również łączyć z innymi projektami oszczędzania wody. Nasz kraj jest bardzo bogaty w zasoby energii wodnej, a warunki do jej rozwoju są bardzo dobre. Energia wodna odgrywa ważną rolę w rozwoju 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, zwanym również różnicą poziomów wody lub wysokością wody. Ten spadek 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 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 do odległości, który może wskazywać stopień koncentracji spadku. Spadek jest bardziej skoncentrowany, a wykorzystanie energii hydraulicznej jest wygodniejsze. Spadek wykorzystywany przez elektrownię wodną to różnica między powierzchnią wody przed elektrownią a powierzchnią wody za turbiną.
Przepływ to ilość wody przepływającej przez rzekę w jednostce czasu i jest wyrażany w metrach sześciennych na sekundę. 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. Ogólnie rzecz biorąc, 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 energii 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: niuton/kg
Zgodnie z powyższym wzorem, moc teoretyczną oblicza się bez odejmowania strat. W rzeczywistości w procesie wytwarzania energii wodnej turbiny, urządzenia przesyłowe, generatory itp. ponoszą nieuniknione straty mocy. Dlatego moc teoretyczną należy zdyskontować, czyli pomnożyć rzeczywistą moc, jaką możemy wykorzystać, przez współczynnik sprawności (symbol: K).
Projektowana moc generatora w elektrowni wodnej nazywana jest mocą znamionową, a moc rzeczywista – mocą rzeczywistą. W procesie przetwarzania energii nieunikniona jest utrata części 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 faktycznie wykorzystać tylko 50–60% mocy teoretycznej, to znaczy sprawność wynosi około 0,5–0,60 (z czego sprawność turbiny wynosi 0,70–0,85, sprawność generatorów wynosi 0,85–0,90, a sprawność rurociągów i urządzeń przesyłowych wynosi 0,80–0,85). 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
Energia wodna wykorzystuje energię wody do napędzania maszyny zwanej 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 bardziej wydajnie i przekształcać energię wody w energię mechaniczną. Innym rodzajem maszyny jest generator, który jest połączony z turbiną, dzięki czemu wirnik generatora obraca się wraz z turbiną, wytwarzając energię elektryczną. Generator można podzielić na dwie części: część obracającą się wraz z turbiną i część stałą generatora. Część, która jest połączona z turbiną i obraca się, nazywa się wirnikiem generatora, a wokół wirnika znajduje się wiele biegunów magnetycznych; okrąg wokół wirnika to część stała generatora, zwana stojanem generatora, a stojan jest owinięty wieloma miedzianymi cewkami. Gdy wiele biegunów magnetycznych wirnika obraca się w środku miedzianych cewek stojana, na miedzianych przewodach wytwarzany jest prąd, a generator przekształca energię mechaniczną w energię elektryczną.
Energia elektryczna wytwarzana przez elektrownię jest przetwarzana na energię mechaniczną (silnik elektryczny), 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 (tamy), śluzy wlotowe, kanały (lub tunele), zbiorniki ciśnieniowe przednie (lub zbiorniki regulacyjne), rury ciśnieniowe, elektrownie i kanały wylotowe itp.
Jaza (tama) jest budowana w rzece, aby zablokować wodę rzeczną i podnieść jej powierzchnię, tworząc zbiornik. W ten sposób między powierzchnią wody zbiornika na jazie (tamie) a powierzchnią wody rzeki poniżej tamy tworzy się skoncentrowany spadek, a następnie woda jest wprowadzana do elektrowni wodnej za pomocą rur wodnych lub tuneli. W stosunkowo stromych rzekach, zastosowanie kanałów obejściowych może również utworzyć spadek. Na przykład: Ogólnie rzecz biorąc, spadek na kilometr naturalnej rzeki wynosi 10 metrów. Jeśli na górnym końcu tego odcinka rzeki zostanie otwarty kanał w celu wprowadzenia wody rzecznej, kanał zostanie wykopany wzdłuż rzeki, a nachylenie kanału będzie bardziej płaskie. Jeśli spadek w kanale jest robiony na kilometr, to spadł tylko 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 rzeką za pomocą wodociągu lub tunelu, a jej 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, podesty, rurociągi tłoczne, warsztaty) elektrownia wodna potrzebuje również następujących urządzeń:
(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 posiadają wyżej wymienione konstrukcje hydrotechniczne oraz wyposażenie mechaniczne i elektryczne. Jeżeli w elektrowni niskociśnieniowej ciśnienie wody jest mniejsze niż 6 metrów, zazwyczaj stosuje się kanał odprowadzający wodę i otwarty kanał wodny, a nie ma zbiornika wstępnego ciśnienia ani rurociągu ciśnieniowego. W elektrowniach o małym zasięgu zasilania i krótkiej odległości przesyłu energii elektrycznej stosuje się przesył bezpośredni i nie jest wymagany transformator. Elektrownie wodne ze zbiornikami retencyjnymi nie muszą budować zapór. Zastosowanie głębokich ujęć, rur wewnętrznych zapór (lub tuneli) i przelewów eliminuje potrzebę stosowania konstrukcji hydrotechnicznych, takich jak jazy, śluzy wlotowe, kanały i zbiorniki wstępnego ciśnienia.
Aby zbudować elektrownię wodną, należy przede wszystkim przeprowadzić dokładne badania geodezyjne i projektowe. Prace projektowe składają się z trzech etapów: projektu wstępnego, projektu technicznego i szczegółowych ustaleń wykonawczych. Aby projekt przebiegał sprawnie, konieczne jest przeprowadzenie dokładnych badań geodezyjnych, czyli pełne zrozumienie lokalnych warunków naturalnych i ekonomicznych – tj. topografii, geologii, hydrologii, kapitału itd. Poprawność i wiarygodność projektu można zagwarantować jedynie po zapoznaniu się z tymi uwarunkowaniami i ich analizie.
Elementy małych elektrowni wodnych mają różną formę w zależności od rodzaju elektrowni wodnej.
3. Pomiar topograficzny
Jakość prac pomiarowych ma duży wpływ na układ inżynieryjny i oszacowanie ilości prac inżynieryjnych.
Badania geologiczne (zrozumienie warunków geologicznych) oprócz ogólnego zrozumienia i badań geologii zlewni i wzdłuż rzeki, konieczne jest również sprawdzenie, czy fundamenty maszynowni są solidne, co bezpośrednio wpływa na bezpieczeństwo samej elektrowni. Zniszczenie zapory o określonej pojemności zbiornika nie tylko uszkodzi samą elektrownię wodną, ale także spowoduje ogromne straty w ludziach i mieniu w dolnym biegu rzeki.
4. Badanie hydrologiczne
W przypadku elektrowni wodnych najważniejszymi danymi hydrologicznymi są dane dotyczące poziomu wody w rzece, przepływu, zawartości osadów, warunków zlodzenia, dane meteorologiczne oraz dane z pomiarów powodzi. Wielkość przepływu w rzece wpływa na układ przelewu elektrowni wodnej. Niedoszacowanie skali powodzi spowoduje uszkodzenie zapory; w najgorszym przypadku osad niesiony przez rzekę może szybko wypełnić zbiornik. Na przykład, kanał dopływowy spowoduje jego zamulenie, a gruboziarnisty osad przedostanie się do turbiny i spowoduje jej zużycie. Dlatego budowa elektrowni wodnych musi opierać się na wystarczających danych hydrologicznych.
Dlatego przed podjęciem decyzji o budowie elektrowni wodnej należy najpierw zbadać kierunek rozwoju gospodarczego w obszarze energetycznym oraz przyszłe zapotrzebowanie na energię elektryczną. Jednocześnie należy oszacować sytuację innych źródeł energii na obszarze objętym planem budowy. Dopiero po przeprowadzeniu badań i analizy powyższej sytuacji można podjąć decyzję o potrzebie budowy elektrowni wodnej i jej skali.
Zasadniczo celem prac pomiarowych 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 umożliwiać wykorzystanie energii wodnej w najbardziej ekonomiczny sposób i spełniać zasadę oszczędności kosztów, tj. po ukończeniu budowy elektrowni należy wydać jak najmniej pieniędzy i wytworzyć jak najwięcej energii elektrycznej. Zazwyczaj można to zmierzyć, szacując roczne przychody z wytwarzania energii elektrycznej i nakłady inwestycyjne na budowę elektrowni, aby określić czas zwrotu zainwestowanego kapitału. Jednak warunki hydrologiczne i topograficzne różnią się w zależności od lokalizacji, a zapotrzebowanie na energię elektryczną również, dlatego koszt budowy i inwestycji nie powinny być ograniczone określonymi wartościami.
(2) Warunki topograficzne, geologiczne i hydrologiczne wybranego miejsca powinny być stosunkowo korzystne, a także powinny istnieć możliwości w zakresie projektowania i budowy. Przy budowie małych elektrowni wodnych materiały budowlane powinny być w jak największym stopniu zgodne z zasadą „materiałów lokalnych”.
(3) Wybrana lokalizacja musi znajdować się jak najbliżej źródła zasilania i obszaru przetwarzania, aby ograniczyć inwestycje w urządzenia do przesyłu energii elektrycznej i straty energii.
(4) Wybierając lokalizację, należy w jak największym stopniu wykorzystać istniejące obiekty hydrotechniczne. Na przykład, spadek wody można wykorzystać do budowy elektrowni wodnej w kanale irygacyjnym lub elektrownię wodną obok zbiornika irygacyjnego, aby wytwarzać energię elektryczną z przepływu wody irygacyjnej itd. Ponieważ te elektrownie wodne mogą spełniać zasadę wytwarzania energii elektrycznej w obecności wody, ich znaczenie ekonomiczne jest bardziej oczywiste.
Czas publikacji: 19 maja 2022 r.
