Hidroenergija je namenjena pretvorbi vodne energije naravnih rek v električno energijo za uporabo ljudi. Za proizvodnjo energije se uporabljajo različni viri energije, kot so sončna energija, energija vode v rekah in vetrna energija, ki jo ustvarja pretok zraka. Proizvodnja hidroenergije z uporabo hidroelektrarn je poceni, gradnjo hidroelektrarn pa je mogoče kombinirati tudi z drugimi projekti varstva vode. Naša država je zelo bogata s hidroenergetskimi viri in tudi razmere so zelo dobre. Hidroenergija igra pomembno vlogo pri izgradnji nacionalnega gospodarstva.
Gladina reke gorvodno je višja od gladine dolvodno. Zaradi razlike v gladini reke se ustvarja vodna energija. Ta energija se imenuje potencialna energija ali potencialna energija. Razlika med višino rečne vode se imenuje padec, imenovan tudi razlika gladine vode ali vodni stolpec. Ta padec je osnovni pogoj za nastanek hidravlične moči. Poleg tega je velikost hidravlične moči odvisna tudi od velikosti pretoka vode v reki, kar je še en osnovni pogoj, ki je prav tako pomemben kot padec. Tako padec kot pretok neposredno vplivata na hidravlično moč; večji kot je volumen padca, večja je hidravlična moč; če sta padec in volumen vode relativno majhna, bo izhodna moč hidroelektrarne manjša.
Padec se običajno izraža v metrih. Naklon je razmerje med padcem in razdaljo, ki lahko kaže na stopnjo koncentracije kapljic. Padec je bolj koncentriran in uporaba hidravlične energije je bolj priročna. Padec, ki ga uporablja hidroelektrarna, je razlika med gladino vode gorvodno od hidroelektrarne in gladino vode dolvodno po prehodu skozi turbino.
Pretok je količina vode, ki teče skozi reko na časovno enoto, in se izraža v kubičnih metrih v eni sekundi. En kubični meter vode je ena tona. Pretok reke se spreminja kadar koli, zato moramo, ko govorimo o pretoku, razložiti čas na določenem mestu, kjer teče. Pretok se sčasoma zelo bistveno spreminja. Reke v naši državi imajo v deževnem obdobju poleti in jeseni običajno velik pretok, pozimi in spomladi pa relativno majhen. Na splošno je pretok reke v zgornjem toku relativno majhen; ker se pritoki združijo, se pretok v spodnjem toku postopoma povečuje. Zato je pretok v zgornjem toku, čeprav je padec koncentriran, majhen; pretok v spodnjem toku je velik, vendar je padec relativno razpršen. Zato je pogosto najbolj ekonomično uporabiti hidravlično energijo v srednjem toku reke.
Če poznamo padec in pretok, ki ga uporablja hidroelektrarna, lahko njeno proizvodnjo izračunamo po naslednji formuli:
N = GQH
V formuli se N-izhodna moč v kilovatih imenuje tudi moč;
Q – pretok, v kubičnih metrih na sekundo;
H – padec, v metrih;
G = 9,8 je gravitacijski pospešek, enota: Newton/kg
V skladu z zgornjo formulo se teoretična moč izračuna brez odbitka izgub. Pravzaprav imajo turbine, prenosna oprema, generatorji itd. v procesu proizvodnje hidroelektrarn neizogibne izgube moči. Zato je treba teoretično moč odšteti, kar pomeni, da je treba dejansko moč, ki jo lahko uporabimo, pomnožiti s koeficientom izkoristka (simbol: K).
Projektirana moč generatorja v hidroelektrarni se imenuje nazivna moč, dejanska moč pa dejanska moč. Med transformacijo energije se del energije neizogibno izgubi. Med proizvodnjo hidroelektrarne prihaja predvsem do izgub v turbinah in generatorjih (prisotne so tudi izgube v cevovodih). Različne izgube v podeželski mikro hidroelektrarni predstavljajo približno 40–50 % celotne teoretične moči, zato lahko hidroelektrarna dejansko porabi le 50–60 % teoretične moči, kar pomeni, da je izkoristek približno 0,5–0,60 (od tega je izkoristek turbine 0,70–0,85, izkoristek generatorja 0,85 do 0,90, izkoristek cevovodov in prenosne opreme pa 0,80 do 0,85). Zato se dejanska moč (izhod) hidroelektrarne lahko izračuna na naslednji način:
K – izkoristek hidroelektrarne, (0,5～0,6) se uporablja pri grobem izračunu mikro hidroelektrarne; to vrednost lahko poenostavimo kot:
N=(0,5～0,6)QHG Dejanska moč=izkoristek×pretok×padec×9,8
Uporaba hidroenergije je uporaba vodne energije za pogon stroja, ki se imenuje vodna turbina. Na primer, starodavno vodno kolo v naši državi je zelo preprosta vodna turbina. Različne hidravlične turbine, ki se trenutno uporabljajo, so prilagojene različnim specifičnim hidravličnim pogojem, tako da se lahko učinkoviteje vrtijo in pretvarjajo energijo vode v mehansko energijo. Druga vrsta stroja, generator, je priključen na turbino, tako da se rotor generatorja vrti skupaj s turbino za proizvodnjo električne energije. Generator lahko razdelimo na dva dela: del, ki se vrti skupaj s turbino, in fiksni del generatorja. Del, ki je priključen na turbino in se vrti, se imenuje rotor generatorja, okoli rotorja pa je veliko magnetnih polov; krog okoli rotorja je fiksni del generatorja, imenovan stator generatorja, stator pa je ovit s številnimi bakrenimi tuljavami. Ko se na sredini bakrenih tuljav statorja vrti veliko magnetnih polov rotorja, se na bakrenih žicah ustvari tok in generator pretvori mehansko energijo v električno energijo.
Električna energija, ki jo proizvaja elektrarna, se s pomočjo različnih električnih naprav pretvori v mehansko energijo (elektromotor ali motor), svetlobno energijo (električna svetilka), toplotno energijo (električna peč) in tako naprej.
Sestava hidroelektrarne
Sestava hidroelektrarne vključuje: hidravlične konstrukcije, strojno opremo in električno opremo.
(1) Hidravlične konstrukcije
Ima jezove, dovodna vrata, kanale (ali predore), tlačne predrezervoarje (ali regulacijske rezervoarje), tlačne cevi, strojnice in odvodne kanale itd.
V reki se zgradi jez (pregrada), ki blokira rečno vodo in dvigne vodno gladino ter tako tvori rezervoar. Na ta način se med vodno gladino rezervoarja na jezu (pregradi) in vodno gladino reke pod jezom oblikuje koncentriran padec, nato pa se voda s pomočjo vodovodnih cevi ali predorov dovaja v hidroelektrarno. V relativno strmih rekah lahko padec tvorijo tudi preusmeritveni kanali. Na primer: Na splošno je padec na kilometer naravne reke 10 metrov. Če se na zgornjem koncu tega dela reke odpre kanal za dovajanje rečne vode, se kanal izkoplje vzdolž reke in naklon kanala bo bolj raven. Če se padec v kanalu naredi na kilometer, se bo padec spustil le za 1 meter, tako da bo voda v kanalu tekla 5 kilometrov, vodna gladina pa se bo spustila le za 5 metrov, medtem ko bo voda v naravnem kanalu po 5 kilometrih prepotovanja padla 50 metrov. V tem času se voda iz kanala po reki s pomočjo vodovodne cevi ali predora odvaja nazaj v elektrarno, pri čemer je koncentriran padec 45 metrov, ki ga je mogoče uporabiti za proizvodnjo električne energije. Slika 2
Uporaba preusmeritvenih kanalov, predorov ali vodovodnih cevi (kot so plastične cevi, jeklene cevi, betonske cevi itd.) za oblikovanje hidroelektrarne s koncentriranim padcem se imenuje hidroelektrarna z preusmeritvenim kanalom in je tipična postavitev hidroelektrarn.
(2) Mehanska in električna oprema
Poleg zgoraj omenjenih hidravličnih objektov (pregrade, kanali, preddvorja, tlačne cevi, delavnice) hidroelektrarna potrebuje tudi naslednjo opremo:
(1) Mehanska oprema
Obstajajo turbine, regulatorji, zaporni ventili, prenosna oprema in oprema, ki ni namenjena proizvodnji energije.
(2) Električna oprema
Obstajajo generatorji, distribucijske krmilne plošče, transformatorji in daljnovodi.
Vendar pa vse male hidroelektrarne nimajo zgoraj omenjenih hidravličnih struktur ter mehanske in električne opreme. Če je vodni stolpec v nizkovodni hidroelektrarni manjši od 6 metrov, se običajno uporabljata vodni kanal in odprt vodni kanal, brez tlačnega predbazena in tlačne vodovodne cevi. Za elektrarne z majhnim dosegom napajanja in kratko prenosno razdaljo se uporablja neposreden prenos energije in transformator ni potreben. Hidroelektrarne z rezervoarji ne potrebujejo gradnje jezov. Uporaba globokih dovodov, notranjih cevi (ali predorov) jezu in prelivnih polj odpravlja potrebo po hidravličnih strukturah, kot so jezovi, dovodna vrata, kanali in tlačni predbazeni.
Za izgradnjo hidroelektrarne je treba najprej opraviti skrbne geodetske in projektne naloge. Pri projektiranju obstajajo tri faze: predhodna zasnova, tehnična zasnova in gradbeni detajli. Za dobro opravljeno projektiranje je najprej treba opraviti temeljito geodetsko delo, torej v celoti razumeti lokalne naravne in gospodarske razmere – tj. topografijo, geologijo, hidrologijo, kapital itd. Pravilnost in zanesljivost zasnove je mogoče zagotoviti šele po obvladovanju teh situacij in njihovi analizi.
Komponente malih hidroelektrarn imajo različne oblike, odvisno od vrste hidroelektrarne.
3. Topografska raziskava
Kakovost topografskih geodetskih del ima velik vpliv na inženirsko zasnovo in oceno količine inženirskih del.
Geološko raziskovanje (razumevanje geoloških razmer) je poleg splošnega razumevanja in raziskav geologije porečja in vzdolž reke potrebno tudi razumeti, ali so temelji strojnice trdni, kar neposredno vpliva na varnost same elektrarne. Ko je jez z določeno prostornino rezervoarja uničen, ne bo le poškodoval same hidroelektrarne, temveč bo povzročil tudi veliko izgubo življenj in premoženja dolvodno.
4. Hidrološki preizkus
Za hidroelektrarne so najpomembnejši hidrološki podatki zapisi o gladini reke, pretoku, vsebnosti sedimentov, stanju zaledenitve, meteorološki podatki in podatki o poplavah. Velikost rečnega toka vpliva na postavitev prelivnega polja hidroelektrarne. Podcenjevanje resnosti poplave bo povzročilo poškodbo jezu; sedimenti, ki jih nosi reka, lahko v najslabšem primeru hitro napolnijo akumulacijsko jezero. Na primer, dovodni kanal bo povzročil zamuljevanje kanala, grobozrnati sedimenti pa bodo prešli skozi turbino in povzročili obrabo turbine. Zato je treba pri gradnji hidroelektrarn imeti zadostne hidrološke podatke.
Zato moramo pred odločitvijo o gradnji hidroelektrarne najprej raziskati smer gospodarskega razvoja na območju oskrbe z električno energijo in prihodnje povpraševanje po električni energiji. Hkrati oceniti stanje drugih virov energije na območju razvoja. Šele po raziskavi in analizi zgoraj navedenega stanja se lahko odločimo, ali je hidroelektrarno treba zgraditi in kako velika naj bo.
Na splošno je namen hidroenergetskih raziskav zagotoviti natančne in zanesljive osnovne informacije, potrebne za načrtovanje in gradnjo hidroelektrarn.
5. Splošni pogoji za izbiro lokacije
Splošne pogoje za izbiro lokacije je mogoče razložiti z naslednjih štirih vidikov:
(1) Izbrana lokacija mora omogočati najbolj ekonomično izkoriščanje vodne energije in upoštevati načelo varčevanja s stroški, kar pomeni, da se po dokončanju elektrarne porabi najmanj denarja in proizvede največ električne energije. To se običajno lahko izmeri z oceno letnih prihodkov od proizvodnje električne energije in naložbe v gradnjo elektrarne, da se ugotovi, v kolikšnem času se lahko povrne vloženi kapital. Vendar pa se hidrološke in topografske razmere na različnih lokacijah razlikujejo, prav tako pa se razlikujejo tudi potrebe po električni energiji, zato stroški gradnje in naložbe ne smejo biti omejeni z določenimi vrednostmi.
(2) Topografske, geološke in hidrološke razmere izbrane lokacije morajo biti relativno ugodne, obstajati pa morajo tudi možnosti pri načrtovanju in gradnji. Pri gradnji malih hidroelektrarn mora biti uporaba gradbenih materialov čim bolj v skladu z načelom "lokalnih materialov".
(3) Izbrana lokacija mora biti čim bližje območju oskrbe z električno energijo in predelave, da se zmanjšajo naložbe v opremo za prenos energije in izgube energije.
(4) Pri izbiri lokacije je treba čim bolj izkoristiti obstoječe hidravlične objekte. Na primer, vodni padec se lahko uporabi za izgradnjo hidroelektrarne v namakalnem kanalu ali pa se hidroelektrarna lahko zgradi ob namakalnem rezervoarju za proizvodnjo električne energije iz namakalnega toka in tako naprej. Ker te hidroelektrarne izpolnjujejo načelo proizvodnje električne energije, ko je prisotna voda, je njihov gospodarski pomen še bolj očiten.
Čas objave: 19. maj 2022
