Hidroenergia are rolul de a converti energia apei din râurile naturale în electricitate pentru utilizarea de către oameni. Există diverse surse de energie utilizate în generarea de energie, cum ar fi energia solară, energia apei din râuri și energia eoliană generată de fluxul de aer. Costul generării de hidroenergie folosind energia hidroelectrică este redus, iar construcția de centrale hidroelectrice poate fi combinată și cu alte proiecte de conservare a apei. Țara noastră este foarte bogată în resurse hidroenergetice, iar condițiile sunt, de asemenea, foarte bune. Hidroenergia joacă un rol important în construirea economiei naționale.
Nivelul apei în amonte al unui râu este mai mare decât nivelul apei în aval. Datorită diferenței de nivel al apei în râu, se generează energia apei. Această energie se numește energie potențială. Diferența dintre înălțimea apei râului se numește scădere de nivel, numită și diferență de nivel sau coloană de apă. Această scădere este o condiție de bază pentru formarea energiei hidraulice. În plus, magnitudinea puterii hidraulice depinde și de magnitudinea debitului de apă din râu, care este o altă condiție de bază la fel de importantă ca și scăderea de nivel. Atât scăderea de nivel, cât și debitul afectează direct puterea hidraulică; cu cât volumul de apă al căderii de nivel este mai mare, cu atât puterea hidraulică este mai mare; dacă scăderea de nivel și volumul de apă sunt relativ mici, producția centralei hidroelectrice va fi mai mică.
Căderea de nivel este în general exprimată în metri. Gradientul este raportul dintre cădere și distanță, care poate indica gradul de concentrare a căderii de nivel. Căderea de nivel este mai concentrată, iar utilizarea energiei hidraulice este mai convenabilă. Căderea de nivel utilizată de o centrală hidroelectrică este diferența dintre suprafața apei din amonte a centralei hidroelectrice și suprafața apei din aval, după trecerea prin turbină.
Debitul este cantitatea de apă care curge într-un râu pe unitatea de timp și se exprimă în metri cubi într-o secundă. Un metru cub de apă este egal cu o tonă. Debitul unui râu se schimbă în orice moment, așa că atunci când vorbim despre debit, trebuie să explicăm timpul specific locului în care curge. Debitul se schimbă foarte semnificativ în timp. Râurile din țara noastră au, în general, un debit mare în sezonul ploios, vara și toamna, și relativ mic iarna și primăvara. În general, debitul râului este relativ mic în amonte; deoarece afluenții se unesc, debitul din aval crește treptat. Prin urmare, deși scăderea în amonte este concentrată, debitul este mic; debitul din aval este mare, dar scăderea este relativ dispersată. Prin urmare, este adesea cel mai economic să se utilizeze energia hidraulică în cursul mijlociu al râului.
Cunoscând căderea de apă și debitul utilizat de o hidrocentrală, producția acesteia poate fi calculată folosind următoarea formulă:
N= GQH
În formulă, producția N, în kilowați, poate fi numită și putere;
Q–debit, în metri cubi pe secundă;
H – cădere, în metri;
G = 9,8, este accelerația gravitațională, unitate: Newton/kg
Conform formulei de mai sus, puterea teoretică se calculează fără a se deduce pierderile. De fapt, în procesul de generare a energiei hidroelectrice, turbinele, echipamentele de transmisie, generatoarele etc. au toate pierderi de putere inevitabile. Prin urmare, puterea teoretică ar trebui redusă, adică puterea reală pe care o putem utiliza ar trebui înmulțită cu coeficientul de eficiență (simbol: K).
Puterea proiectată a generatorului din centrala hidroelectrică se numește putere nominală, iar puterea reală se numește putere efectivă. În procesul de transformare a energiei, este inevitabil să se piardă o parte din energie. În procesul de generare a energiei hidroelectrice, există în principal pierderi la turbine și generatoare (există și pierderi la conducte). Diversele pierderi din micro-hidrocentrala rurală reprezintă aproximativ 40-50% din puterea teoretică totală, astfel încât producția centralei hidroelectrice poate utiliza de fapt doar 50-60% din puterea teoretică, adică randamentul este de aproximativ 0,5-0,60 (din care randamentul turbinei este de 0,70-0,85, randamentul generatoarelor este de 0,85 până la 0,90, iar randamentul conductelor și al echipamentelor de transmisie este de 0,80 până la 0,85). Prin urmare, puterea reală (de ieșire) a centralei hidroelectrice poate fi calculată după cum urmează:
K – randamentul hidrocentralei (0,5～0,6) este utilizat în calculul aproximativ al microhidrocentralei; această valoare poate fi simplificată astfel:
N=(0,5～0,6)QHG Putere reală=eficiență×debit×cădere×9,8
Utilizarea energiei hidroelectrice constă în utilizarea energiei apei pentru a propulsa o mașină, numită turbină hidraulică. De exemplu, roata hidraulică antică din țara noastră este o turbină hidraulică foarte simplă. Diversele turbine hidraulice utilizate în prezent sunt adaptate la diverse condiții hidraulice specifice, astfel încât să se poată roti mai eficient și să transforme energia apei în energie mecanică. Un alt tip de mașinărie, un generator, este conectat la turbină, astfel încât rotorul generatorului se rotește odată cu turbina pentru a genera electricitate. Generatorul poate fi împărțit în două părți: partea care se rotește odată cu turbina și partea fixă a generatorului. Partea care este conectată la turbină și se rotește se numește rotorul generatorului și există mulți poli magnetici în jurul rotorului; un cerc în jurul rotorului este partea fixă a generatorului, numită stator al generatorului, iar statorul este înfășurat cu multe bobine de cupru. Când mulți poli magnetici ai rotorului se rotesc în mijlocul bobinelor de cupru ale statorului, se generează un curent pe firele de cupru, iar generatorul transformă energia mecanică în energie electrică.
Energia electrică generată de centrala electrică este transformată în energie mecanică (motor electric sau motor electric), energie luminoasă (lampă electrică), energie termică (cuptor electric) și așa mai departe prin diverse echipamente electrice.
Compoziția hidrocentralei
Compoziția unei hidrocentrale include: structuri hidraulice, echipamente mecanice și echipamente electrice.
(1) Structuri hidraulice
Are baraje, porți de admisie, canale (sau tuneluri), rezervoare de presiune (sau rezervoare de reglare), conducte de presiune, centrale electrice și conducte de evacuare etc.
Un baraj (deversor) este construit în râu pentru a bloca apa și a ridica suprafața apei pentru a forma un rezervor. În acest fel, se formează o cădere concentrată între suprafața apei din rezervor pe baraj (deversor) și suprafața apei din râul de sub baraj, iar apoi apa este introdusă în centrala hidroelectrică prin utilizarea conductelor de apă sau a tunelurilor. În râurile relativ abrupte, se poate forma o cădere și prin utilizarea canalelor de deviere. De exemplu: În general, căderea pe kilometru a unui râu natural este de 10 metri. Dacă se deschide un canal la capătul superior al acestei secțiuni a râului pentru a introduce apa din râu, canalul va fi excavat de-a lungul râului, iar panta canalului va fi mai plată. Dacă se face o cădere în canal pe kilometru, aceasta a scăzut doar 1 metru, astfel încât apa a curs 5 kilometri în canal, iar suprafața apei a scăzut doar 5 metri, în timp ce apa a scăzut 50 de metri după ce a parcurs 5 kilometri în canalul natural. În acest moment, apa din canal este condusă înapoi la centrala electrică de către râu cu ajutorul unei conducte sau tuneluri, existând o cădere concentrată de apă de 45 de metri care poate fi folosită pentru generarea de electricitate. Figura 2
Utilizarea canalelor de deviere, a tunelurilor sau a conductelor de apă (cum ar fi conductele din plastic, conductele din oțel, conductele din beton etc.) pentru a forma o centrală hidroelectrică cu o cădere concentrată se numește centrală hidroelectrică cu canal de deviere, care este o configurație tipică a centralelor hidroelectrice.
(2) Echipamente mecanice și electrice
Pe lângă lucrările hidraulice menționate mai sus (baraje, canale, curți de apărare, conducte de presiune, ateliere), centrala hidroelectrică necesită și următoarele echipamente:
(1) Echipamente mecanice
Există turbine, regulatoare, vane cu poartă, echipamente de transmisie și echipamente negeneratoare.
(2) Echipamente electrice
Există generatoare, panouri de distribuție, transformatoare și linii de transmisie.
Însă nu toate hidrocentralele mici au structurile hidraulice și echipamentele mecanice și electrice menționate mai sus. Dacă în centrala hidroelectrică cu înălțime mică coloana de apă este mai mică de 6 metri, se utilizează în general canalul de ghidare a apei și canalul de apă cu canal deschis, neexistând bazin de presiune și conducte de apă sub presiune. Pentru centralele electrice cu rază mică de alimentare cu energie și distanță scurtă de transmisie, se adoptă transmisia directă a energiei și nu este necesar un transformator. Centralele hidroelectrice cu rezervoare nu necesită construirea de baraje. Utilizarea de prize adânci, conducte interioare (sau tuneluri) ale barajului și deversoare elimină necesitatea unor structuri hidraulice precum baraje, porți de admisie, canale și bazine de presiune.
Pentru a construi o hidrocentrală, în primul rând, trebuie efectuate lucrări atente de studiu și proiectare. În lucrările de proiectare, există trei etape: proiectarea preliminară, proiectarea tehnică și detaliile de construcție. Pentru a realiza o treabă bună în lucrările de proiectare, este necesar mai întâi să se efectueze lucrări de studiu amănunțite, adică să se înțeleagă pe deplin condițiile naturale și economice locale - adică topografia, geologia, hidrologia, capitalul și așa mai departe. Corectitudinea și fiabilitatea proiectării pot fi garantate numai după stăpânirea acestor situații și analizarea lor.
Componentele hidrocentralelor mici au diverse forme în funcție de tipul de hidrocentrală.
3. Ridicare topografică
Calitatea lucrărilor de ridicare topografică are o mare influență asupra amplasării proiectului și asupra estimării cantității de lucrări inginerești.
Explorarea geologică (înțelegerea condițiilor geologice), pe lângă înțelegerea generală și cercetarea geologiei bazinului hidrografic și a de-a lungul râului, este necesar să se înțeleagă dacă fundația sălii mașinilor este solidă, ceea ce afectează în mod direct siguranța centralei electrice în sine. Odată ce barajul cu un anumit volum al rezervorului este distrus, nu numai că va deteriora centrala hidroelectrică în sine, dar va provoca și pierderi uriașe de vieți omenești și de bunuri în aval.
4. Test hidrologic
Pentru centralele hidroelectrice, cele mai importante date hidrologice sunt înregistrările nivelului apei râului, debitului, conținutului de sedimente, condițiilor de îngheț, datelor meteorologice și datelor privind inundațiile. Dimensiunea debitului râului afectează amplasamentul deversorului centralei hidroelectrice. Subestimarea gravității inundației va provoca deteriorarea barajului; sedimentele transportate de râu pot umple rapid rezervorul în cel mai rău caz. De exemplu, canalul de intrare va provoca colmatarea canalului, iar sedimentele cu granulație grosieră vor trece prin turbină și vor provoca uzura turbinei. Prin urmare, construcția centralelor hidroelectrice trebuie să aibă suficiente date hidrologice.
Prin urmare, înainte de a decide construirea unei hidrocentrale, trebuie mai întâi să investigăm direcția dezvoltării economice în zona de alimentare cu energie electrică și cererea viitoare de energie electrică. În același timp, să estimăm situația altor surse de energie din zona de dezvoltare. Numai după cercetarea și analiza situației de mai sus putem decide dacă este necesară construirea hidrocentralei și cât de mare ar trebui să fie scara acesteia.
În general, scopul lucrărilor de studii hidroenergetice este de a furniza informații de bază precise și fiabile necesare pentru proiectarea și construcția centralelor hidroelectrice.
5. Condiții generale pentru selecția amplasamentului
Condițiile generale pentru selectarea unui amplasament pot fi explicate din următoarele patru aspecte:
(1) Amplasamentul selectat ar trebui să poată utiliza energia apei în modul cel mai economic și să respecte principiul economisirii costurilor, adică, după finalizarea centralei electrice, se cheltuiește cea mai mică sumă de bani și se generează cea mai mare cantitate de energie electrică. Acest lucru poate fi de obicei măsurat prin estimarea veniturilor anuale din generarea de energie electrică și a investiției în construcția centralei pentru a vedea în cât timp se poate recupera capitalul investit. Cu toate acestea, condițiile hidrologice și topografice sunt diferite în locuri diferite, iar nevoile de energie electrică sunt, de asemenea, diferite, astfel încât costul construcției și investiția nu ar trebui să fie limitate de anumite valori.
(2) Condițiile topografice, geologice și hidrologice ale amplasamentului selectat ar trebui să fie relativ superioare și ar trebui să existe posibilități de proiectare și construcție. În construcția hidrocentralelor mici, utilizarea materialelor de construcție ar trebui să fie pe cât posibil în conformitate cu principiul „materialelor locale”.
(3) Amplasamentul selectat trebuie să fie cât mai aproape de sursa de energie electrică și de zona de procesare pentru a reduce investițiile în echipamente de transmisie a energiei electrice și pierderile de energie.
(4) La alegerea amplasamentului, structurile hidraulice existente ar trebui utilizate pe cât posibil. De exemplu, picătura de apă poate fi folosită pentru a construi o centrală hidroelectrică într-un canal de irigații sau o centrală hidroelectrică poate fi construită lângă un rezervor de irigații pentru a genera electricitate din debitul de irigații și așa mai departe. Deoarece aceste centrale hidroelectrice pot îndeplini principiul generării de electricitate atunci când există apă, importanța lor economică este mai evidentă.
Data publicării: 19 mai 2022
