W rzekach naturalnych woda przepływa z góry do dołu, mieszając się z osadami, i często obmywa dno rzeki oraz zbocza brzegów, co wskazuje na ukrytą w wodzie pewną ilość energii. W warunkach naturalnych ta energia potencjalna jest zużywana na rozmywanie, wypychanie osadów i pokonywanie oporu tarcia. Jeśli zbudujemy kilka budynków i zainstalujemy niezbędne urządzenia, aby zapewnić stały przepływ wody przez turbinę wodną, turbina wodna będzie napędzana prądem wody, podobnie jak wiatrak, który może się obracać w sposób ciągły, a energia wody zostanie przekształcona w energię mechaniczną. Gdy turbina wodna napędza generator, może on wytwarzać energię elektryczną, a energia wody zostanie przekształcona w energię elektryczną. Jest to podstawowa zasada wytwarzania energii wodnej. Turbiny wodne i generatory to najbardziej podstawowe urządzenia do wytwarzania energii wodnej. Pozwólcie, że przedstawię krótkie wprowadzenie do podstawowej wiedzy na temat wytwarzania energii wodnej.
1. Energia wodna i energia przepływu wody
Aby określić skalę elektrowni wodnej, konieczne jest poznanie jej zdolności wytwórczej. Zgodnie z podstawowymi zasadami wytwarzania energii wodnej, nietrudno zauważyć, że zdolność wytwórcza elektrowni zależy od ilości pracy, jaką może wykonać prąd. Całkowitą pracę, jaką woda może wykonać w danym okresie czasu, nazywamy energią wody, a pracę, którą można wykonać w jednostce czasu (sekundzie), nazywamy mocą prądu. Oczywiście, im większa moc przepływu wody, tym większa zdolność wytwórcza elektrowni. Dlatego, aby poznać zdolność wytwórczą elektrowni, musimy najpierw obliczyć moc przepływu wody. Moc przepływu wody w rzece można obliczyć w następujący sposób, zakładając, że spadek powierzchni wody na danym odcinku rzeki wynosi H (w metrach), a objętość wody H przepływającej przez przekrój poprzeczny rzeki w jednostce czasu (w sekundach) wynosi Q (w metrach sześciennych na sekundę), wówczas przepływ w przekroju jest równy iloczynowi ciężaru wody i spadku. Oczywiste jest, że im wyższy spadek wody, tym większy przepływ, a co za tym idzie, większa moc przepływu wody.
2. Wydajność elektrowni wodnych
Przy określonym ciśnieniu i przepływie, energia elektryczna, którą elektrownia wodna może wytworzyć, nazywana jest mocą wyjściową hydroenergii. Oczywiście, moc wyjściowa zależy od mocy przepływu wody przez turbinę. W procesie przetwarzania energii wody w energię elektryczną, woda musi pokonać opór koryt rzek lub budynków na drodze od góry do dołu rzeki. Turbiny wodne, generatory i urządzenia przesyłowe również muszą pokonywać wiele oporów podczas pracy. Aby pokonać opór, należy wykonać pracę, a moc przepływu wody zostanie zużyta, co jest nieuniknione. Dlatego moc przepływu wody, którą można wykorzystać do wytworzenia energii elektrycznej, jest mniejsza niż wartość uzyskana ze wzoru, to znaczy, że moc wyjściowa elektrowni wodnej powinna być równa mocy przepływu wody pomnożonej przez współczynnik mniejszy niż 1. Współczynnik ten nazywany jest również sprawnością elektrowni wodnej.
Konkretna wartość sprawności elektrowni wodnej jest związana z ilością strat energii, która występuje, gdy woda przepływa przez budynek i turbinę wodną, urządzenia przesyłowe, generator itp., im większa strata, tym niższa sprawność. W małej elektrowni wodnej suma tych strat stanowi około 25-40% mocy przepływu wody. Oznacza to, że przepływ wody, który może wygenerować 100 kilowatów energii elektrycznej, wpływa do elektrowni wodnej, a generator może wygenerować tylko 60 do 75 kilowatów energii elektrycznej, więc sprawność elektrowni wodnej wynosi 60~75%.
Z poprzedniego wprowadzenia wynika, że przy stałym natężeniu przepływu i różnicy poziomów wody w elektrowni, moc wyjściowa elektrowni zależy od sprawności. Praktyka dowiodła, że oprócz wydajności turbin hydraulicznych, generatorów i urządzeń przesyłowych, na sprawność elektrowni wodnych wpływają również inne czynniki, takie jak jakość konstrukcji budynku i instalacji urządzeń, jakość eksploatacji i zarządzania oraz poprawność projektu elektrowni. Oczywiście, niektóre z tych czynników mają charakter pierwotny, a niektóre wtórny, a w pewnych warunkach czynniki pierwotne i wtórne również się wzajemnie przekształcą.
Jednak niezależnie od czynnika, decydującym jest fakt, że ludzie nie są przedmiotami, maszyny są kontrolowane przez ludzi, a technologia jest rządzona przez myśl. Dlatego przy projektowaniu, budowie i doborze sprzętu do elektrowni wodnych konieczne jest pełne uwzględnienie subiektywnej roli człowieka i dążenie do doskonałości technologicznej, aby zminimalizować straty energii związane z przepływem wody w jak największym stopniu. Dotyczy to niektórych elektrowni wodnych, w których sam spadek wody jest stosunkowo niski. Jest to szczególnie ważne. Jednocześnie konieczne jest skuteczne usprawnienie eksploatacji i zarządzania elektrowniami wodnymi, aby poprawić ich wydajność, w pełni wykorzystać zasoby wodne i umożliwić małym elektrowniom wodnym odgrywanie większej roli.
Czas publikacji: 09-06-2021
