В естественных реках вода течет сверху вниз по течению, смешивая ее с наносами, и часто размывает русло и берега, что свидетельствует о наличии в воде определенного количества скрытой энергии. В естественных условиях эта потенциальная энергия расходуется на размывание, перемещение наносов и преодоление сопротивления трения. Если построить здания и установить необходимое оборудование для обеспечения постоянного потока воды через водяную турбину, то турбина будет приводиться в движение течением воды, подобно ветряной мельнице, которая может непрерывно вращаться, а энергия воды будет преобразовываться в механическую энергию. Когда водяная турбина приводит в движение генератор, он вырабатывает электроэнергию, а энергия воды преобразуется в электрическую энергию. Это основной принцип гидроэнергетики. Водяные турбины и генераторы являются наиболее базовым оборудованием для гидроэнергетики. Позвольте мне дать вам краткое введение в основы гидроэнергетики.
1. Гидроэнергетика и гидроэнергетика
При проектировании гидроэлектростанции для определения её масштабов необходимо знать её мощность. Исходя из основных принципов гидроэнергетики, нетрудно понять, что мощность электростанции определяется количеством работы, которую может совершить течение. Полную работу, которую вода может совершить за определённый промежуток времени, мы называем энергией воды, а работу, которая может быть совершена за единицу времени (секунду), — мощностью течения. Очевидно, что чем больше мощность водного потока, тем больше мощность электростанции. Поэтому, чтобы узнать мощность электростанции, необходимо сначала рассчитать мощность водного потока. Мощность водного потока в реке можно рассчитать следующим образом: предположим, что перепад высот на поверхности воды в определённом участке реки равен H (метров), а объём воды H, проходящий через поперечное сечение реки за единицу времени (секунду), равен Q (кубических метров/секунду), тогда мощность водного потока в поперечном сечении равна произведению веса воды и перепада высот. Очевидно, что чем выше капля воды, тем больше поток и тем больше мощность потока воды.
2. Выработка электроэнергии гидроэлектростанциями
При определённом напоре и расходе воды количество электроэнергии, которое может выработать гидроэлектростанция, называется выходной мощностью гидроэлектростанции. Очевидно, что выходная мощность зависит от мощности потока воды, проходящего через турбину. В процессе преобразования энергии воды в электрическую энергию вода должна преодолевать сопротивление русел рек или зданий на своём пути от верховья к низовью. Водяные турбины, генераторы и передающее оборудование также должны преодолевать множество сопротивлений во время работы. Для преодоления сопротивления необходимо совершать работу, и при этом будет расходоваться мощность потока воды, что неизбежно. Поэтому мощность потока воды, которая может быть использована для выработки электроэнергии, меньше значения, полученного по формуле, то есть выходная мощность гидроэлектростанции должна быть равна мощности потока воды, умноженной на коэффициент меньше 1. Этот коэффициент также называется КПД гидроэлектростанции.
Удельная эффективность гидроэлектростанции зависит от потерь энергии, происходящих при прохождении воды через здание, водяную турбину, передающее оборудование, генератор и т. д. Чем больше потери, тем ниже эффективность. В малой гидроэлектростанции сумма этих потерь составляет около 25-40% от мощности водного потока. Иными словами, на гидроэлектростанцию поступает поток воды, способный генерировать 100 киловатт электроэнергии, а генератор может выработать только 60-75 киловатт, поэтому эффективность гидроэлектростанции составляет 60-75%.
Как видно из предыдущего введения, при постоянном расходе воды и разнице уровней воды на электростанции выходная мощность зависит от КПД. Практика показала, что помимо характеристик гидравлических турбин, генераторов и передающего оборудования, на КПД гидроэлектростанций влияют и другие факторы, такие как качество строительства и монтажа оборудования, качество эксплуатации и управления, а также правильность проектирования гидроэлектростанции. Конечно, некоторые из этих факторов являются первичными, а некоторые – вторичными, и при определенных условиях первичные и вторичные факторы могут также переходить друг в друга.
Однако, независимо от фактора, решающим является то, что люди — не объекты, машинами управляют люди, а технологиями руководствуются мыслью. Поэтому при проектировании, строительстве и выборе оборудования гидроэлектростанций необходимо в полной мере учитывать субъективную роль человека и стремиться к совершенству в технологиях, чтобы максимально минимизировать потери энергии при водотоке. Это особенно важно для некоторых гидроэлектростанций, где перепад высот относительно невелик. В то же время необходимо эффективно усилить эксплуатацию и управление гидроэлектростанциями, чтобы повысить их эффективность, обеспечить полное использование водных ресурсов и позволить малым гидроэлектростанциям играть более значительную роль.
Дата публикации: 09.06.2021
