Hidroelektrik, doğal nehirlerin su enerjisini insanların kullanabileceği elektriğe dönüştürmektir. Güneş enerjisi, nehirlerdeki su gücü ve hava akışıyla üretilen rüzgar gücü gibi çeşitli enerji kaynakları elektrik üretiminde kullanılır. Hidroelektrik kullanılarak hidroelektrik üretiminin maliyeti ucuzdur ve hidroelektrik santrallerinin inşası diğer su koruma projeleriyle de birleştirilebilir. Ülkemiz hidroelektrik kaynakları açısından oldukça zengindir ve koşullar da oldukça iyidir. Hidroelektrik, ulusal ekonominin inşasında önemli bir rol oynar.
Bir nehrin yukarı akış su seviyesi, aşağı akış su seviyesinden daha yüksektir. Nehrin su seviyesi farkından dolayı su enerjisi üretilir. Bu enerjiye potansiyel enerji veya potansiyel enerji denir. Nehir suyunun yüksekliği arasındaki farka düşüş denir, ayrıca su seviyesi farkı veya su başı da denir. Bu düşüş, hidrolik gücün oluşumu için temel bir koşuldur. Ayrıca, hidrolik gücün büyüklüğü, düşüş kadar önemli bir diğer temel koşul olan nehirdeki su akışının büyüklüğüne de bağlıdır. Hem düşüş hem de akış hidrolik gücü doğrudan etkiler; düşüşün su hacmi ne kadar büyükse, hidrolik güç de o kadar büyük olur; düşüş ve su hacmi nispeten küçükse, hidroelektrik santralinin çıktısı daha küçük olacaktır.
Düşüş genellikle metre cinsinden ifade edilir. Eğim, düşüş ve mesafe oranıdır ve düşüş yoğunluğunun derecesini gösterebilir. Düşüş daha yoğundur ve hidrolik güç kullanımı daha uygundur. Bir hidroelektrik santrali tarafından kullanılan düşüş, hidroelektrik santralinin yukarı akış su yüzeyi ile türbinden geçtikten sonra aşağı akış su yüzeyi arasındaki farktır.
Debi, bir nehirde birim zamanda akan su miktarıdır ve bir saniyede metreküp olarak ifade edilir. Bir metreküp su bir tondur. Bir nehrin akışı her an değişir, bu yüzden akıştan bahsettiğimizde, aktığı belirli yerin zamanını açıklamalıyız. Akış, zamanla çok önemli ölçüde değişir. Ülkemizdeki nehirler genellikle yaz ve sonbahardaki yağışlı mevsimde büyük, kış ve ilkbaharda ise nispeten küçük bir akışa sahiptir. Genellikle, nehrin akışı yukarı akışta nispeten küçüktür; kollar birleştiği için, aşağı akış akışı giderek artar. Bu nedenle, yukarı akış düşüşü yoğunlaşmış olsa da akış küçüktür; aşağı akış akışı büyüktür, ancak düşüş nispeten dağınıktır. Bu nedenle, genellikle nehrin orta kesimlerinde hidrolik güç kullanmak en ekonomik olanıdır.
Bir hidroelektrik santralinin kullandığı düşüm ve debi bilindiğinde, çıkışı aşağıdaki formülle hesaplanabilir:
N= GQH
Formülde, N-çıktı, kilowatt cinsinden, güç olarak da adlandırılabilir;
Q-akış, saniyede metreküp cinsinden;
H – düşüş, metre cinsinden;
G = 9.8, yer çekimi ivmesidir, birimi: Newton/kg
Yukarıdaki formüle göre teorik güç, herhangi bir kayıp düşülmeden hesaplanır. Aslında, hidroelektrik üretim sürecinde türbinler, iletim ekipmanları, jeneratörler vb. kaçınılmaz güç kayıplarına sahiptir. Bu nedenle, teorik güç iskonto edilmelidir, yani kullanabileceğimiz gerçek güç, verimlilik katsayısıyla (sembol: K) çarpılmalıdır.
Hidroelektrik santralindeki jeneratörün tasarlanmış gücüne anma gücü, gerçek güce ise gerçek güç denir. Enerji dönüşümü sürecinde enerjinin bir kısmının kaybedilmesi kaçınılmazdır. Hidroelektrik üretim sürecinde esas olarak türbin ve jeneratör kayıpları vardır (boru hatlarında da kayıplar vardır). Kırsal mikro hidroelektrik santralindeki çeşitli kayıplar toplam teorik gücün yaklaşık %40-50'sini oluşturur, bu nedenle hidroelektrik santralinin çıktısı aslında teorik gücün yalnızca %50-60'ını kullanabilir, yani verimlilik yaklaşık 0,5-0,60'tır (bunun türbin verimliliği 0,70-0,85'tir, jeneratörlerin verimliliği 0,85 ila 0,90'dır ve boru hatları ve iletim ekipmanlarının verimliliği 0,80 ila 0,85'tir). Bu nedenle, hidroelektrik santralinin gerçek gücü (çıktısı) aşağıdaki gibi hesaplanabilir:
Mikro hidroelektrik santralinin kabaca hesaplanmasında hidroelektrik santralinin verimi olan K (0,5～0,6) kullanılır; bu değer aşağıdaki şekilde basitleştirilebilir:
N=(0,5～0,6)QHG Gerçek güç=verimlilik×akış×düşüş×9,8
Hidroelektrik enerjisinin kullanımı, su türbini adı verilen bir makineyi itmek için su gücünü kullanmaktır. Örneğin, ülkemizdeki eski su çarkı çok basit bir su türbinidir. Günümüzde kullanılan çeşitli hidrolik türbinler, daha verimli bir şekilde dönebilmeleri ve su enerjisini mekanik enerjiye dönüştürebilmeleri için çeşitli özel hidrolik koşullara uyarlanmıştır. Başka bir makine türü olan jeneratör, türbine bağlanır, böylece jeneratörün rotoru elektrik üretmek için türbinle birlikte döner. Jeneratör iki parçaya ayrılabilir: türbinle birlikte dönen parça ve jeneratörün sabit parçası. Türbine bağlı olan ve dönen parçaya jeneratörün rotoru denir ve rotorun etrafında birçok manyetik kutup vardır; rotorun etrafındaki bir daire, jeneratörün sabit parçası olan jeneratörün statoru olarak adlandırılır ve stator birçok bakır bobinle sarılmıştır. Rotorun birçok manyetik kutbu, statorun bakır bobinlerinin ortasında döndüğünde, bakır tellerde bir akım oluşur ve jeneratör mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür.
Elektrik santralinde üretilen elektrik enerjisi çeşitli elektrikli ekipmanlar vasıtasıyla mekanik enerjiye (elektrik motoru veya motoru), ışık enerjisine (elektrik lambası), ısı enerjisine (elektrikli fırın) vb. dönüştürülür.
Hidroelektrik santralinin yapısı
Bir hidroelektrik santralinin yapısı; hidrolik yapılar, mekanik ekipmanlar ve elektrik ekipmanlarından oluşur.
(1) Hidrolik yapılar
Barajlar, su alma kapakları, kanallar (veya tüneller), basınçlı ön tanklar (veya ayar tankları), basınçlı borular, santraller ve kuyruk su yolları vb. içerir.
Nehir suyunu engellemek ve su yüzeyini yükselterek bir rezervuar oluşturmak için nehre bir baraj (bent) yapılır. Bu şekilde, baraj (bent) üzerindeki rezervuarın su yüzeyi ile barajın altındaki nehrin su yüzeyi arasında yoğun bir düşüş oluşturulur ve daha sonra su boruları veya tüneller kullanılarak su, hidroelektrik santraline verilir. Nispeten dik nehirlerde, derivasyon kanallarının kullanılması da bir düşüş oluşturabilir. Örneğin: Genellikle, doğal bir nehrin kilometre başına düşüşü 10 metredir. Nehrin bu bölümünün üst ucuna nehir suyunu sokmak için bir kanal açılırsa, kanal nehir boyunca kazılmış olacak ve kanalın eğimi daha düz olacaktır. Kanaldaki düşüş kilometre başına yapılırsa Sadece 1 metre düştü, böylece su kanalda 5 kilometre aktı ve su yüzeyi sadece 5 metre düştü, oysa su doğal kanalda 5 kilometre yol kat ettikten sonra 50 metre düştü. Bu sırada kanaldan gelen su, bir su borusu veya tüneli ile nehir yoluyla santrale geri getirilir ve elektrik üretmek için kullanılabilecek 45 metrelik yoğun bir düşüş olur. Şekil 2
Yoğun düşüşlü bir hidroelektrik santrali oluşturmak için derivasyon kanalları, tüneller veya su boruları (plastik borular, çelik borular, beton borular vb.) kullanılmasına derivasyon kanalı hidroelektrik santrali denir ve hidroelektrik santrallerinin tipik bir yerleşim düzenidir.
(2) Mekanik ve elektrikli ekipman
Yukarıda belirtilen hidrolik yapıların (barajlar, kanallar, ön avlular, basınçlı borular, atölyeler) yanı sıra hidroelektrik santralinde ayrıca aşağıdaki ekipmanlara da ihtiyaç vardır:
(1) Mekanik ekipman
Türbinler, regülatörler, sürgülü vanalar, iletim ekipmanları ve jeneratör dışı ekipmanlar bulunmaktadır.
(2) Elektrikli ekipman
Jeneratörler, dağıtım kontrol panoları, trafolar ve iletim hatları bulunmaktadır.
Ancak tüm küçük hidroelektrik santrallerinde yukarıda belirtilen hidrolik yapılar ve mekanik ve elektrik ekipmanları yoktur. Alçak başlı hidroelektrik santrallerinde su başı 6 metreden azsa, genellikle su kılavuz kanalı ve açık kanal su kanalı kullanılır ve basınçlı ön havuz ve basınçlı su borusu yoktur. Küçük güç tedarik aralığına ve kısa iletim mesafesine sahip santrallerde doğrudan güç iletimi benimsenir ve trafo gerekmez. Rezervuarlı hidroelektrik santrallerinde baraj inşa edilmesine gerek yoktur. Derin su alma ağızları, baraj iç boruları (veya tüneller) ve savakların kullanılması, barajlar, su alma kapakları, kanallar ve basınçlı ön havuzlar gibi hidrolik yapılara olan ihtiyacı ortadan kaldırır.
Bir hidroelektrik santrali inşa etmek için öncelikle dikkatli bir araştırma ve tasarım çalışması yapılmalıdır. Tasarım çalışmasında üç tasarım aşaması vardır: ön tasarım, teknik tasarım ve inşaat detaylandırması. Tasarım çalışmasında iyi bir iş çıkarmak için öncelikle kapsamlı bir araştırma çalışması yapmak, yani yerel doğal ve ekonomik koşulları - yani topografya, jeoloji, hidroloji, sermaye vb. - tam olarak anlamak gerekir. Tasarımın doğruluğu ve güvenilirliği ancak bu durumlara hakim olunduktan ve analiz edildikten sonra garanti edilebilir.
Küçük HES'lerin bileşenleri HES türüne göre farklı biçimlerde olabilmektedir.
3. Topoğrafik Araştırma
Topoğrafik etüt çalışmalarının kalitesi, mühendislik yerleşiminin belirlenmesinde ve mühendislik niceliğinin tahmininde büyük etkiye sahiptir.
Jeolojik keşif (jeolojik koşulların anlaşılması) Havzanın ve nehrin jeolojisi hakkında genel anlayış ve araştırmaya ek olarak, makine dairesinin temelinin sağlam olup olmadığını anlamak da gereklidir, bu da doğrudan santralin güvenliğini etkiler. Belirli bir rezervuar hacmine sahip baraj yıkıldığında, sadece hidroelektrik santralinin kendisine zarar vermekle kalmayacak, aynı zamanda aşağı akışta büyük can ve mal kaybına da neden olacaktır.
4. Hidrolojik test
Hidroelektrik santralleri için en önemli hidrolojik veriler, nehir su seviyesi, akış, tortu içeriği, buzlanma koşulları, meteorolojik veriler ve taşkın araştırma verileri kayıtlarıdır. Nehir akışının büyüklüğü, hidroelektrik santralinin savak düzenini etkiler. Taşkının şiddetini hafife almak barajın hasar görmesine neden olur; nehrin taşıdığı tortu en kötü durumda rezervuarı hızla doldurabilir. Örneğin, giriş kanalı kanalın siltlenmesine neden olur ve iri taneli tortu türbinden geçerek türbinin aşınmasına neden olur. Bu nedenle, hidroelektrik santrallerinin inşasında yeterli hidrolojik veri bulunmalıdır.
Bu nedenle, bir hidroelektrik santrali inşa etmeye karar vermeden önce, öncelikle güç tedarik alanındaki ekonomik gelişmenin yönünü ve gelecekteki elektrik talebini araştırmalıyız. Aynı zamanda, geliştirme alanındaki diğer güç kaynaklarının durumunu tahmin etmeliyiz. Ancak yukarıdaki durumun araştırılması ve analizinden sonra hidroelektrik santralinin inşa edilmesi gerekip gerekmediğine ve ölçeğinin ne kadar büyük olması gerektiğine karar verebiliriz.
Genel olarak hidroelektrik santral etüt çalışmalarının amacı, hidroelektrik santrallerin tasarımı ve inşası için gerekli olan temel bilgilerin doğru ve güvenilir bir şekilde elde edilmesidir.
5. Yer seçimi için genel koşullar
Bir yerin seçilmesine ilişkin genel koşulları aşağıdaki dört açıdan açıklamak mümkündür:
(1) Seçilen yer, su enerjisini en ekonomik şekilde kullanabilmeli ve maliyet tasarrufu ilkesine uymalıdır, yani santral tamamlandıktan sonra en az miktarda para harcanmalı ve en fazla elektrik üretilmelidir. Genellikle yıllık elektrik üretim geliri ve santralin inşasına yapılan yatırım tahmin edilerek yatırılan sermayenin ne kadar sürede geri kazanılabileceği ölçülebilir. Ancak farklı yerlerde hidrolojik ve topoğrafik koşullar farklıdır ve elektrik ihtiyaçları da farklıdır, bu nedenle inşaat maliyeti ve yatırım belirli değerlerle sınırlandırılmamalıdır.
(2) Seçilen sahanın topoğrafik, jeolojik ve hidrolojik koşulları nispeten üstün olmalı ve tasarım ve inşaatta olanaklar bulunmalıdır. Küçük hidroelektrik santrallerinin yapımında yapı malzemelerinin kullanımı mümkün olduğunca “yerel malzeme” ilkesine uygun olmalıdır.
(3) Seçilen sahanın, güç iletim ekipmanı yatırımını ve güç kaybını azaltmak için mümkün olduğunca güç kaynağına ve işleme alanına yakın olması gerekmektedir.
(4) Yer seçimi yapılırken, mümkün olduğunca mevcut hidrolik yapılar kullanılmalıdır. Örneğin, su damlası bir sulama kanalına bir hidroelektrik santrali inşa etmek için kullanılabilir veya bir sulama rezervuarının yanına sulama akışından elektrik üretmek için bir hidroelektrik santrali inşa edilebilir, vb. Bu hidroelektrik santralleri su olduğunda elektrik üretme ilkesini karşılayabildiğinden, ekonomik önemleri daha açıktır.
Yayınlanma zamanı: 19-Mayıs-2022
