Гидроэнергетика — это преобразование энергии воды природных рек в электроэнергию для потребления населением. Для выработки электроэнергии используются различные источники, такие как солнечная энергия, энергия рек и энергия ветра, генерируемая воздушным потоком. Стоимость производства электроэнергии с помощью гидроэлектростанций невысока, а строительство гидроэлектростанций может сочетаться с другими гидротехническими проектами. Наша страна обладает богатыми гидроэнергетическими ресурсами, и условия для их использования очень благоприятны. Гидроэнергетика играет важную роль в построении национальной экономики.
Уровень воды в верховьях реки выше, чем в низовьях. Из-за этой разницы уровней воды в реке генерируется энергия, которая называется потенциальной энергией. Разница высот уровня воды в реке называется перепадом, также называемым разницей уровней воды или напором. Этот перепад является основным условием для образования гидравлической энергии. Кроме того, величина гидравлической энергии также зависит от величины расхода воды в реке, что является еще одним основным условием, столь же важным, как и перепад. И перепад, и расход воды напрямую влияют на гидравлическую энергию; чем больше объем воды в перепаде, тем больше гидравлическая энергия; если перепад и объем воды относительно малы, выходная мощность гидроэлектростанции будет меньше.
Перепад высот обычно выражается в метрах. Градиент — это отношение перепада высот к расстоянию, которое может указывать на степень концентрации капель. Чем выше концентрация капель, тем удобнее использовать гидроэнергию. Перепад высот, используемый гидроэлектростанцией, — это разница между уровнем воды перед гидроэлектростанцией и уровнем воды после прохождения через турбину.
Расход воды — это количество воды, протекающее по реке за единицу времени, и выражается он в кубических метрах в секунду. Один кубический метр воды равен одной тонне. Расход воды в реке меняется в любой момент времени, поэтому, говоря о расходе, необходимо учитывать время в конкретном месте, где протекает река. Расход воды значительно меняется со временем. Реки в нашей стране, как правило, имеют большой расход в сезон дождей летом и осенью и относительно небольшой зимой и весной. Обычно расход воды в верховьях реки относительно невелик; поскольку притоки сливаются, расход в низовьях постепенно увеличивается. Поэтому, хотя перепад высот в верховьях сконцентрирован, расход невелик; расход в низовьях велик, но перепад высот относительно рассеян. Поэтому зачастую наиболее экономично использовать гидроэнергию в среднем течении реки.
Зная перепад высот и расход воды, используемые гидроэлектростанцией, ее выходную мощность можно рассчитать по следующей формуле:
N= GQH
В формуле N – выходная мощность в киловаттах, которую также можно назвать мощностью;
Q-поток, в кубических метрах в секунду;
H – перепад высот, в метрах;
G = 9,8, где G — ускорение свободного падения, единица измерения: Ньютон/кг.
Согласно приведенной выше формуле, теоретическая мощность рассчитывается без вычета каких-либо потерь. На самом деле, в процессе гидроэнергетики турбины, передающее оборудование, генераторы и т. д. неизбежно имеют потери мощности. Поэтому теоретическую мощность следует дисконтировать, то есть фактическую мощность, которую мы можем использовать, следует умножить на коэффициент эффективности (обозначение: K).
Расчетная мощность генератора на гидроэлектростанции называется номинальной мощностью, а фактическая мощность — фактической мощностью. В процессе преобразования энергии неизбежны потери части энергии. В процессе выработки гидроэнергии в основном возникают потери в турбинах и генераторах (также есть потери в трубопроводах). Различные потери на сельской микрогидроэлектростанции составляют около 40-50% от общей теоретической мощности, поэтому фактическая выходная мощность гидроэлектростанции может использовать только 50-60% от теоретической мощности, то есть КПД составляет около 0,5-0,60 (из которых КПД турбины составляет 0,70-0,85, КПД генераторов — 0,85-0,90, а КПД трубопроводов и передающего оборудования — 0,80-0,85). Следовательно, фактическую мощность (выходную мощность) гидроэлектростанции можно рассчитать следующим образом:
K – КПД гидроэлектростанции (0,5–0,6), который используется в приблизительном расчете микрогидроэлектростанции; это значение можно упростить следующим образом:
N = (0,5–0,6)QHG Фактическая мощность = КПД × расход × падение × 9,8
Использование гидроэнергии заключается в применении энергии воды для привода в движение машины, которая называется водяной турбиной. Например, древнее водяное колесо в нашей стране представляет собой очень простую водяную турбину. Различные гидравлические турбины, используемые в настоящее время, адаптированы к различным специфическим гидравлическим условиям, что позволяет им вращаться более эффективно и преобразовывать энергию воды в механическую энергию. Другой вид механизма, генератор, соединен с турбиной, так что ротор генератора вращается вместе с турбиной, вырабатывая электроэнергию. Генератор можно разделить на две части: вращающуюся вместе с турбиной и неподвижную часть генератора. Часть, соединенная с турбиной и вращающаяся, называется ротором генератора, и вокруг ротора расположено множество магнитных полюсов; неподвижная часть генератора, расположенная по окружности ротора, называется статором генератора, и статор обмотан множеством медных катушек. Когда множество магнитных полюсов ротора вращаются в середине медных катушек статора, по медным проводам генерируется ток, и генератор преобразует механическую энергию в электрическую.
Электрическая энергия, вырабатываемая электростанцией, преобразуется в механическую энергию (электродвигатель или мотор), световую энергию (электрическая лампа), тепловую энергию (электрическая печь) и так далее с помощью различного электрооборудования.
состав гидроэлектростанции
В состав гидроэлектростанции входят: гидротехнические сооружения, механическое оборудование и электрооборудование.
(1) Гидравлические сооружения
Она включает в себя водосливы (плотины), водозаборные затворы, каналы (или туннели), напорные резервуары (или регулирующие резервуары), напорные трубопроводы, машинные залы и отводные каналы и т. д.
Плотина (водохранилище) строится на реке для перекрытия потока воды и поднятия уровня воды с образованием водохранилища. Таким образом, между уровнем воды в водохранилище на плотине (водохранилище) и уровнем воды в реке ниже плотины образуется концентрированный перепад высот, после чего вода подается на гидроэлектростанцию по водопроводам или туннелям. На относительно крутых участках реки перепад высот также может быть создан за счет отводных каналов. Например: Обычно перепад высот на километр в естественной реке составляет 10 метров. Если в верхней части этого участка реки открыть канал для спуска воды, канал будет вырыт вдоль реки, и уклон канала станет более пологим. Если перепад высот в канале составит всего 1 метр на километр, то при прохождении 5 километров по каналу уровень воды упадет всего на 5 метров, тогда как в естественном русле вода упадет на 50 метров. В это время вода из канала отводится обратно на электростанцию по реке по водопроводу или туннелю, и образуется концентрированный перепад высот в 45 метров, который можно использовать для выработки электроэнергии. Рисунок 2
Использование отводных каналов, туннелей или водопроводов (таких как пластиковые трубы, стальные трубы, бетонные трубы и т. д.) для создания гидроэлектростанции с концентрированным перепадом высот называется гидроэлектростанцией с отводным каналом, что является типичной компоновкой гидроэлектростанций.
(2) Механическое и электрическое оборудование
Помимо вышеупомянутых гидротехнических сооружений (водосливы, каналы, форпосты, напорные трубы, цеха), гидроэлектростанция также нуждается в следующем оборудовании:
(1) Механическое оборудование
Здесь имеются турбины, регуляторы, задвижки, передающее оборудование и негенерирующее оборудование.
(2) Электрооборудование
Здесь имеются генераторы, распределительные щиты, трансформаторы и линии электропередачи.
Однако не все малые гидроэлектростанции имеют вышеупомянутые гидротехнические сооружения, а также механическое и электрическое оборудование. Если напор воды в низконапорной гидроэлектростанции составляет менее 6 метров, обычно используются водоотводные каналы и открытые водоотводные каналы, и отсутствуют напорные водосборные бассейны и напорные водопроводы. Для электростанций с небольшим диапазоном электроснабжения и коротким расстоянием передачи электроэнергии используется прямая передача электроэнергии, и трансформатор не требуется. Гидроэлектростанции с водохранилищами не нуждаются в строительстве плотин. Использование глубоких водозаборов, внутренних труб (или туннелей) плотины и водосбросов исключает необходимость в гидротехнических сооружениях, таких как водосливы, водозаборные затворы, каналы и напорные водосборные бассейны.
Для строительства гидроэлектростанции, прежде всего, необходимо провести тщательные изыскания и проектные работы. Проектирование включает три этапа: предварительное проектирование, техническое проектирование и детальная разработка конструкции. Для качественного выполнения проектных работ необходимо сначала провести тщательные изыскания, то есть полностью понять местные природные и экономические условия – топографию, геологию, гидрологию, капитальные возможности и т.д. Правильность и надежность проекта могут быть гарантированы только после освоения и анализа этих условий.
Компоненты малых гидроэлектростанций имеют различную форму в зависимости от типа гидроэлектростанции.
3. Топографическая съемка
Качество топографической съемки оказывает большое влияние на инженерную планировку и оценку инженерных объемов работ.
Геологическая разведка (изучение геологических условий), помимо общего понимания и исследования геологии водосборного бассейна и вдоль реки, также необходима для понимания прочности фундамента машинного отделения, что напрямую влияет на безопасность самой электростанции. Разрушение плотины с определенным объемом водохранилища не только повредит саму гидроэлектростанцию, но и приведет к огромным человеческим жертвам и материальным потерям ниже по течению.
4. Гидрологические испытания
Для гидроэлектростанций наиболее важными гидрологическими данными являются записи уровня воды в реке, расхода, содержания наносов, условий обледенения, метеорологические данные и данные обследования паводков. Размер речного стока влияет на компоновку водосброса гидроэлектростанции. Недооценка масштабов наводнения может привести к повреждению плотины; в худшем случае наносы, переносимые рекой, могут быстро заполнить водохранилище. Например, приток воды может привести к заиливанию русла, а крупнозернистые наносы могут пройти через турбину и вызвать ее износ. Поэтому при строительстве гидроэлектростанций необходимо располагать достаточными гидрологическими данными.
Поэтому, прежде чем принимать решение о строительстве гидроэлектростанции, необходимо сначала изучить направление экономического развития в районе энергоснабжения и будущий спрос на электроэнергию. Одновременно следует оценить ситуацию с другими источниками энергии в районе развития. Только после исследования и анализа вышеуказанной ситуации можно будет решить, нужно ли строить гидроэлектростанцию и какого масштаба.
В целом, цель гидроэнергетических изысканий заключается в предоставлении точной и достоверной базовой информации, необходимой для проектирования и строительства гидроэлектростанций.
5. Общие условия выбора места.
Общие условия выбора участка можно объяснить с точки зрения следующих четырех аспектов:
(1) Выбранное место должно обеспечивать наиболее экономичное использование энергии воды и соответствовать принципу экономии затрат, то есть после завершения строительства электростанции должны быть затрачены минимальные средства и произведено максимальное количество электроэнергии. Обычно это можно измерить, оценив годовой доход от производства электроэнергии и инвестиции в строительство станции, чтобы определить, за какой срок окупятся вложенные средства. Однако гидрологические и топографические условия в разных местах различаются, а потребности в электроэнергии также различны, поэтому затраты на строительство и инвестиции не должны ограничиваться определенными значениями.
(2) Топографические, геологические и гидрологические условия выбранного участка должны быть относительно благоприятными, и должны быть возможности для проектирования и строительства. При строительстве малых гидроэлектростанций использование строительных материалов должно по возможности соответствовать принципу «местных материалов».
(3) Выбранный участок должен располагаться как можно ближе к зоне электроснабжения и обработки, чтобы сократить инвестиции в оборудование для передачи электроэнергии и потери электроэнергии.
(4) При выборе места следует максимально использовать существующие гидротехнические сооружения. Например, можно использовать перепад высот для строительства гидроэлектростанции в оросительном канале, или гидроэлектростанцию можно построить рядом с оросительным водохранилищем для выработки электроэнергии из оросительного потока и так далее. Поскольку такие гидроэлектростанции могут соответствовать принципу выработки электроэнергии при наличии воды, их экономическое значение становится более очевидным.
Дата публикации: 19 мая 2022 г.
