Vodná energia slúži na premenu vodnej energie prírodných riek na elektrinu, ktorú môžu ľudia využívať. Na výrobu energie sa používajú rôzne zdroje energie, ako napríklad slnečná energia, vodná energia v riekach a veterná energia generovaná prúdením vzduchu. Výroba vodnej energie pomocou vodnej energie je lacná a výstavba vodných elektrární sa dá kombinovať aj s inými projektmi na ochranu vody. Naša krajina je veľmi bohatá na vodné zdroje a podmienky sú tiež veľmi dobré. Vodná energia zohráva dôležitú úlohu pri budovaní národného hospodárstva.
Hladina vody v rieke proti prúdu je vyššia ako hladina vody po prúde. V dôsledku rozdielu v hladine vody v rieke sa generuje vodná energia. Táto energia sa nazýva potenciálna energia alebo potenciálna energia. Rozdiel medzi výškou riečnej vody sa nazýva pokles, tiež nazývaný rozdiel hladín vody alebo spád vody. Tento pokles je základnou podmienkou pre vznik hydraulického výkonu. Okrem toho veľkosť hydraulického výkonu závisí aj od veľkosti prietoku vody v rieke, čo je ďalšia základná podmienka rovnako dôležitá ako pokles. Pokles aj prietok priamo ovplyvňujú hydraulický výkon; čím väčší je objem vody v poklese, tým väčší je hydraulický výkon; ak sú pokles a objem vody relatívne malé, výkon vodnej elektrárne bude menší.
Pokles sa vo všeobecnosti vyjadruje v metroch. Gradient je pomer poklesu a vzdialenosti, ktorý môže naznačovať stupeň koncentrácie kvapiek. Pokles je koncentrovanejší a využitie hydraulickej energie je pohodlnejšie. Pokles využívaný vodnou elektrárňou je rozdiel medzi hladinou vody proti prúdu vodnej elektrárne a hladinou vody po prúde po prechode turbínou.
Prietok je množstvo vody pretekajúcej riekou za jednotku času a vyjadruje sa v kubických metroch za jednu sekundu. Jeden kubický meter vody je jedna tona. Prietok rieky sa mení kedykoľvek, takže keď hovoríme o prietoku, musíme vysvetliť čas konkrétneho miesta, kde rieka tečie. Prietok sa v čase veľmi výrazne mení. Rieky v našej krajine majú vo všeobecnosti veľký prietok v období dažďov v lete a na jeseň a relatívne malý v zime a na jar. Vo všeobecnosti je prietok rieky v hornom toku relatívne malý; pretože prítoky sa spájajú, prietok po prúde sa postupne zvyšuje. Preto je síce pokles proti prúdu sústredený, ale prietok je malý; prietok po prúde je veľký, ale pokles je relatívne rozptýlený. Preto je často najekonomickejšie využívať hydraulickú energiu v strednom toku rieky.
Ak poznáme pokles a prietok využívaný vodnou elektrárňou, jej výkon možno vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca:
N= GQH
Vo vzorci sa N-výstup v kilowattoch môže nazývať aj výkon;
Q – prietok v metroch kubických za sekundu;
H – pokles v metroch;
G = 9,8 je gravitačné zrýchlenie, jednotka: Newton/kg
Podľa vyššie uvedeného vzorca sa teoretický výkon vypočíta bez odpočítania akýchkoľvek strát. V skutočnosti pri výrobe vodnej energie dochádza k nevyhnutným stratám výkonu v turbínach, prenosových zariadeniach, generátoroch atď. Preto by sa mal teoretický výkon odpočítať, t. j. skutočný výkon, ktorý môžeme použiť, by sa mal vynásobiť koeficientom účinnosti (symbol: K).
Projektovaný výkon generátora vo vodnej elektrárni sa nazýva menovitý výkon a skutočný výkon sa nazýva skutočný výkon. V procese transformácie energie je nevyhnutné stratiť časť energie. Pri výrobe vodnej energie dochádza najmä k stratám v turbínach a generátoroch (dochádza aj k stratám v potrubiach). Rôzne straty vo vidieckych mikrovodných elektrárňach predstavujú približne 40 – 50 % celkového teoretického výkonu, takže výkon vodnej elektrárne môže v skutočnosti využiť iba 50 – 60 % teoretického výkonu, t. j. účinnosť je približne 0,5 – 0,60 (z toho účinnosť turbíny je 0,70 – 0,85, účinnosť generátorov je 0,85 až 0,90 a účinnosť potrubí a prenosových zariadení je 0,80 až 0,85). Skutočný výkon (výstup) vodnej elektrárne sa preto môže vypočítať takto:
K – účinnosť vodnej elektrárne, (0,5～0,6) sa používa pri hrubom výpočte mikro-vodnej elektrárne; túto hodnotu možno zjednodušene vyjadriť ako:
N=(0,5～0,6)QHG Skutočný výkon=účinnosť×prietok×pokles×9,8
Využitie vodnej energie spočíva vo využití vodnej energie na pohon stroja, ktorý sa nazýva vodná turbína. Napríklad staroveké vodné koleso v našej krajine je veľmi jednoduchá vodná turbína. Rôzne hydraulické turbíny, ktoré sa v súčasnosti používajú, sú prispôsobené rôznym špecifickým hydraulickým podmienkam, aby sa mohli efektívnejšie otáčať a premieňať energiu vody na mechanickú energiu. Ďalší druh stroja, generátor, je pripojený k turbíne, takže rotor generátora sa otáča s turbínou a vyrába elektrinu. Generátor možno rozdeliť na dve časti: časť, ktorá sa otáča s turbínou, a pevnú časť generátora. Časť, ktorá je pripojená k turbíne a otáča sa, sa nazýva rotor generátora a okolo rotora je veľa magnetických pólov; kruh okolo rotora je pevná časť generátora, nazývaná stator generátora, a stator je obalený mnohými medenými cievkami. Keď sa v strede medených cievok statora otáča veľa magnetických pólov rotora, na medených drôtoch sa generuje prúd a generátor premieňa mechanickú energiu na elektrickú energiu.
Elektrická energia generovaná elektrárňou sa pomocou rôznych elektrických zariadení transformuje na mechanickú energiu (elektromotor alebo motor), svetelnú energiu (elektrická lampa), tepelnú energiu (elektrická pec) atď.
Zloženie vodnej elektrárne
Zloženie vodnej elektrárne zahŕňa: hydraulické konštrukcie, mechanické zariadenia a elektrické zariadenia.
(1) Hydraulické konštrukcie
Má hate, vstupné stavidlá, kanály (alebo tunely), predtlakové nádrže (alebo regulačné nádrže), tlakové potrubia, elektrárne a odpadové kanály atď.
V rieke sa buduje hať (priehrada), ktorá zadržiava riečnu vodu a zvyšuje hladinu vody, čím vytvára nádrž. Týmto spôsobom sa vytvorí koncentrovaný spád medzi hladinou vody v nádrži na hati (priehrade) a hladinou vody v rieke pod priehradou, a potom sa voda privádza do vodnej elektrárne pomocou vodovodných potrubí alebo tunelov. V relatívne strmých riekach môže spád vytvoriť aj použitie odklonených kanálov. Napríklad: Spád na kilometer prirodzenej rieky je vo všeobecnosti 10 metrov. Ak sa na hornom konci tejto časti rieky otvorí kanál na privádzanie riečnej vody, kanál sa vykope pozdĺž rieky a sklon kanála bude plochejší. Ak sa spád v kanáli vytvorí na kilometer, klesne iba o 1 meter, takže voda v kanáli tiekla 5 kilometrov a hladina vody klesla iba o 5 metrov, zatiaľ čo v prirodzenom kanáli voda klesla 50 metrov po prejdení 5 kilometrov. V tomto čase je voda z kanála vedená späť do elektrárne riekou pomocou vodovodného potrubia alebo tunela a existuje sústredený spád 45 metrov, ktorý možno využiť na výrobu elektriny. Obrázok 2
Použitie obtokových kanálov, tunelov alebo vodovodných potrubí (ako sú plastové rúry, oceľové rúry, betónové rúry atď.) na vytvorenie vodnej elektrárne s koncentrovaným poklesom sa nazýva vodná elektráreň s obtokovým kanálom a predstavuje typické usporiadanie vodných elektrární.
(2) Mechanické a elektrické zariadenia
Okrem vyššie uvedených hydraulických prác (hate, kanály, predhradia, tlakové potrubia, dielne) potrebuje vodná elektráreň aj toto vybavenie:
(1) Mechanické zariadenia
Existujú turbíny, regulátory, uzatváracie ventily, prenosové zariadenia a nevýrobné zariadenia.
(2) Elektrické zariadenia
Nachádzajú sa tam generátory, rozvodné panely, transformátory a prenosové vedenia.
Nie všetky malé vodné elektrárne však majú vyššie uvedené hydraulické konštrukcie a mechanické a elektrické zariadenia. Ak je hladina vody v nízkotlakových vodných elektrárňach menšia ako 6 metrov, zvyčajne sa používa rozvádzací kanál a otvorený vodný kanál bez tlakového predzásobníka a tlakového vodovodného potrubia. Pre elektrárne s malým dosahom napájania a krátkou prenosovou vzdialenosťou sa používa priamy prenos energie a nie je potrebný transformátor. Vodné elektrárne s nádržami nemusia stavať priehrady. Použitie hlbokých prívodov, vnútorných potrubí (alebo tunelov) priehrad a prepadov eliminuje potrebu hydraulických konštrukcií, ako sú hate, prívodné stavidlá, kanály a tlakové predzásobníky.
Na výstavbu vodnej elektrárne je potrebné v prvom rade vykonať dôkladný prieskum a projektové práce. Projektové práce pozostávajú z troch fáz: predbežný návrh, technický návrh a stavebné detaily. Pre dobrú prácu v projektových prácach je potrebné najprv vykonať dôkladný prieskum, teda plne pochopiť miestne prírodné a ekonomické podmienky – t. j. topografiu, geológiu, hydrológiu, kapitál atď. Správnosť a spoľahlivosť návrhu možno zaručiť až po zvládnutí týchto situácií a ich analýze.
Komponenty malých vodných elektrární majú rôzne formy v závislosti od typu vodnej elektrárne.
3. Topografický prieskum
Kvalita topografického prieskumu má veľký vplyv na inžinierske usporiadanie a odhad množstva inžinierskych prác.
Geologický prieskum (pochopenie geologických podmienok) je okrem všeobecného pochopenia a výskumu geológie povodia a pozdĺž rieky potrebné pochopiť aj to, či sú základy strojovne pevné, čo priamo ovplyvňuje bezpečnosť samotnej elektrárne. Zničenie priehrady s určitým objemom nádrže nielenže poškodí samotnú vodnú elektráreň, ale spôsobí aj obrovské straty na životoch a majetku po prúde.
4. Hydrologický test
Pre vodné elektrárne sú najdôležitejšie hydrologické údaje záznamy o hladine riečnej vody, prietoku, obsahu sedimentov, podmienkach námrazy, meteorologické údaje a údaje z prieskumu povodní. Veľkosť prietoku rieky ovplyvňuje usporiadanie prepadového kanála vodnej elektrárne. Podcenenie závažnosti povodne spôsobí poškodenie priehrady; sedimenty unášané riekou môžu v najhoršom prípade rýchlo zaplniť nádrž. Napríklad prítokový kanál spôsobí zanášanie kanála a hrubozrnné sedimenty prejdú cez turbínu a spôsobia opotrebovanie turbíny. Preto je potrebné pri výstavbe vodných elektrární zabezpečiť dostatočné hydrologické údaje.
Preto pred rozhodnutím o výstavbe vodnej elektrárne musíme najprv preskúmať smer hospodárskeho rozvoja v oblasti dodávok energie a budúci dopyt po elektrine. Zároveň musíme odhadnúť situáciu s ďalšími zdrojmi energie v rozvojovej oblasti. Až po preskúmaní a analýze vyššie uvedenej situácie môžeme rozhodnúť, či je potrebné vodnú elektráreň postaviť a aký veľký by mal byť jej rozsah.
Vo všeobecnosti je účelom prieskumu hydroelektrární poskytnúť presné a spoľahlivé základné informácie potrebné na projektovanie a výstavbu vodných elektrární.
5. Všeobecné podmienky pre výber lokality
Všeobecné podmienky pre výber lokality možno vysvetliť z týchto štyroch hľadísk:
(1) Vybrané miesto by malo byť schopné využívať vodnú energiu najhospodárnejším spôsobom a spĺňať princíp úspory nákladov, to znamená, že po dokončení elektrárne sa minie najmenej peňazí a vyrobí sa najviac elektriny. Zvyčajne sa to dá merať odhadom ročných príjmov z výroby energie a investícií do výstavby elektrárne, aby sa zistilo, za aký čas sa investovaný kapitál môže vrátiť. Hydrologické a topografické podmienky sa však na rôznych miestach líšia a líšia sa aj potreby elektriny, takže náklady na výstavbu a investície by nemali byť obmedzené určitými hodnotami.
(2) Topografické, geologické a hydrologické podmienky vybraného miesta by mali byť relatívne priaznivé a mali by existovať možnosti v oblasti projektovania a výstavby. Pri výstavbe malých vodných elektrární by sa malo používanie stavebných materiálov čo najviac riadiť zásadou „miestnych materiálov“.
(3) Vybrané miesto musí byť čo najbližšie k zdroju energie a oblasti spracovania, aby sa znížili investície do zariadení na prenos energie a straty energie.
(4) Pri výbere lokality by sa mali čo najviac využiť existujúce hydraulické stavby. Napríklad, vodná kvapka sa môže použiť na vybudovanie vodnej elektrárne v zavlažovacom kanáli alebo vodná elektráreň sa môže postaviť vedľa zavlažovacej nádrže na výrobu elektriny zo zavlažovacieho toku atď. Keďže tieto vodné elektrárne dokážu splniť princíp výroby elektriny, keď je k dispozícii voda, ich ekonomický význam je zrejmejší.
Čas uverejnenia: 19. mája 2022
