Hidroelektrik, doğal nehirlerin su enerjisini insanların kullanabileceği elektriğe dönüştürmektir. Elektrik üretiminde güneş enerjisi, nehirlerdeki su gücü ve hava akımıyla üretilen rüzgar enerjisi gibi çeşitli enerji kaynakları kullanılmaktadır. Hidroelektrik enerjisi üretiminin maliyeti düşüktür ve hidroelektrik santrallerinin inşası diğer su koruma projeleriyle de birleştirilebilir. Ülkemiz hidroelektrik kaynakları açısından çok zengindir ve koşullar da çok iyidir. Hidroelektrik, ulusal ekonominin inşasında önemli bir rol oynamaktadır.
Bir nehrin yukarı havzasındaki su seviyesi, aşağı havzasındaki su seviyesinden daha yüksektir. Nehirdeki su seviyesi farkı nedeniyle su enerjisi üretilir. Bu enerjiye potansiyel enerji veya su seviyesi farkı denir. Nehir suyunun yüksekliği arasındaki farka düşüş, su seviyesi farkı veya su yüksekliği denir. Bu düşüş, hidrolik gücün oluşumu için temel bir koşuldur. Ayrıca, hidrolik gücün büyüklüğü, nehirdeki su akışının büyüklüğüne de bağlıdır; bu da düşüş kadar önemli bir diğer temel koşuldur. Hem düşüş hem de akış, hidrolik gücü doğrudan etkiler; düşüşün su hacmi ne kadar büyükse, hidrolik güç o kadar büyük olur; düşüş ve su hacmi nispeten küçükse, hidroelektrik santralinin çıktısı daha küçük olur.
Su seviyesi düşüşü genellikle metre cinsinden ifade edilir. Eğim, su seviyesi düşüşü ile mesafe arasındaki orandır ve düşüş yoğunluğunun derecesini gösterir. Düşüş ne kadar yoğunsa, hidrolik gücün kullanımı o kadar kolay olur. Bir hidroelektrik santralinin kullandığı su seviyesi düşüşü, hidroelektrik santralinin yukarı akış su yüzeyi ile türbinden geçtikten sonraki aşağı akış su yüzeyi arasındaki farktır.
Akış, bir nehirde birim zamanda akan su miktarıdır ve saniyede metreküp cinsinden ifade edilir. Bir metreküp su bir tona eşittir. Bir nehrin akışı her an değişir, bu nedenle akıştan bahsederken, aktığı belirli yerin zamanını da açıklamamız gerekir. Akış zaman içinde çok önemli ölçüde değişir. Ülkemizdeki nehirler genellikle yaz ve sonbahar aylarındaki yağmurlu mevsimde yüksek, kış ve ilkbaharda ise nispeten düşük akışa sahiptir. Genellikle nehrin akışı yukarı kısımlarda nispeten düşüktür; çünkü kolların birleşmesiyle aşağı kısımlarda akış giderek artar. Bu nedenle, yukarı kısımlarda düşüş yoğunlaşmış olsa da akış küçüktür; aşağı kısımlarda akış büyüktür, ancak düşüş nispeten dağınıktır. Bu nedenle, genellikle nehrin orta kısımlarında hidrolik güçten yararlanmak en ekonomiktir.
Bir hidroelektrik santralinin düşüş miktarı ve kullandığı debi bilindiğinde, aşağıdaki formül kullanılarak santralin çıkış gücü hesaplanabilir:
N= GQH
Formülde, kilovat cinsinden N çıkışı, aynı zamanda güç olarak da adlandırılabilir;
Q akışı, saniyede metreküp cinsinden;
H – düşüş, metre cinsinden;
G = 9.8, yerçekimi ivmesidir, birimi: Newton/kg
Yukarıdaki formüle göre, teorik güç herhangi bir kayıp düşülmeden hesaplanmıştır. Aslında, hidroelektrik enerji üretimi sürecinde türbinler, iletim ekipmanları, jeneratörler vb. hepsinde kaçınılmaz güç kayıpları vardır. Bu nedenle, teorik güçten kayıplar düşülmeli, yani kullanabileceğimiz gerçek güç, verimlilik katsayısı (sembol: K) ile çarpılmalıdır.
Hidroelektrik santralindeki jeneratörün tasarlanmış gücüne nominal güç, gerçek gücüne ise gerçek güç denir. Enerji dönüşümü sürecinde enerjinin bir kısmının kaybolması kaçınılmazdır. Hidroelektrik üretim sürecinde, esas olarak türbin ve jeneratör kayıpları (boru hatlarında da kayıplar vardır) söz konusudur. Kırsal mikro hidroelektrik santralindeki çeşitli kayıplar, toplam teorik gücün yaklaşık %40-50'sini oluşturmaktadır; bu nedenle hidroelektrik santralinin gerçek çıkışı teorik gücün yalnızca %50-60'ını kullanabilir, yani verimlilik yaklaşık 0,5-0,60'tır (türbin verimliliği 0,70-0,85, jeneratör verimliliği 0,85-0,90 ve boru hatları ve iletim ekipmanı verimliliği 0,80-0,85'tir). Bu nedenle, hidroelektrik santralinin gerçek gücü (çıkışı) aşağıdaki gibi hesaplanabilir:
K – hidroelektrik santralinin verimliliği (0,5～0,6), mikro hidroelektrik santralinin kaba hesaplamasında kullanılır; bu değer şu şekilde basitleştirilebilir:
N=(0,5～0,6)QHG Gerçek güç=verimlilik×akış×düşüş×9,8
Hidroelektrik enerjisi, su türbini adı verilen bir makineyi çalıştırmak için su gücünden yararlanmaktır. Örneğin, ülkemizdeki eski su çarkı çok basit bir su türbinidir. Günümüzde kullanılan çeşitli hidrolik türbinler, daha verimli dönebilmeleri ve su enerjisini mekanik enerjiye dönüştürebilmeleri için çeşitli özel hidrolik koşullara uyarlanmıştır. Bir diğer makine türü olan jeneratör, türbine bağlanır, böylece jeneratörün rotoru türbinle birlikte dönerek elektrik üretir. Jeneratör iki parçaya ayrılabilir: türbinle birlikte dönen kısım ve jeneratörün sabit kısmı. Türbine bağlı olan ve dönen kısma jeneratörün rotoru denir ve rotorun etrafında birçok manyetik kutup bulunur; rotorun etrafındaki daireye jeneratörün sabit kısmı, jeneratörün statoru denir ve stator birçok bakır bobinle sarılmıştır. Rotorun birçok manyetik kutbu statorun bakır bobinlerinin ortasında döndüğünde, bakır tellerde bir akım üretilir ve jeneratör mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür.
Santralde üretilen elektrik enerjisi, çeşitli elektrikli ekipmanlar vasıtasıyla mekanik enerjiye (elektrik motoru veya makine), ışık enerjisine (elektrik lambası), ısı enerjisine (elektrikli fırın) ve benzerlerine dönüştürülür.
hidroelektrik santralinin yapısı
Bir hidroelektrik santralinin bileşenleri şunlardır: hidrolik yapılar, mekanik ekipmanlar ve elektrik ekipmanları.
(1) Hidrolik yapılar
Barajlar, su giriş kapıları, kanallar (veya tüneller), basınç ön tankları (veya düzenleme tankları), basınç boruları, enerji santralleri ve su çıkış kanalları vb. içerir.
Nehir suyunu engellemek ve su yüzeyini yükselterek bir rezervuar oluşturmak için nehre bir bent (baraj) inşa edilir. Bu şekilde, bent (baraj) üzerindeki rezervuarın su yüzeyi ile barajın altındaki nehrin su yüzeyi arasında yoğun bir düşüş oluşur ve daha sonra su, su boruları veya tüneller kullanılarak hidroelektrik santraline verilir. Nispeten dik nehirlerde, yönlendirme kanalları kullanılarak da bir düşüş oluşturulabilir. Örneğin: Genellikle, doğal bir nehrin kilometre başına düşüşü 10 metredir. Bu nehir bölümünün üst ucunda nehir suyunu yönlendirmek için bir kanal açılırsa, kanal nehir boyunca kazılır ve kanalın eğimi daha düz olur. Kanalda kilometre başına sadece 1 metrelik bir düşüş yapılırsa, su kanalda 5 kilometre aktıktan sonra sadece 5 metre düşerken, doğal kanalda 5 kilometre yol kat ettikten sonra su 50 metre düşer. Bu aşamada, kanaldan gelen su, su borusu veya tünel vasıtasıyla nehir üzerinden enerji santraline geri yönlendirilir ve elektrik üretmek için kullanılabilecek 45 metrelik yoğun bir düşüş meydana gelir. Şekil 2
Yoğunlaştırılmış düşüşe sahip bir hidroelektrik santrali oluşturmak için yönlendirme kanalları, tüneller veya su borularının (plastik borular, çelik borular, beton borular vb.) kullanılmasına yönlendirme kanallı hidroelektrik santrali denir ve bu, hidroelektrik santrallerinin tipik bir yerleşim düzenidir.
(2) Mekanik ve elektrikli ekipman
Yukarıda belirtilen hidrolik yapılara (bentler, kanallar, ön avlular, basınç boruları, atölyeler) ek olarak, hidroelektrik santralinin aşağıdaki ekipmanlara da ihtiyacı vardır:
(1) Mekanik ekipman
Burada türbinler, regülatörler, sürgülü vanalar, iletim ekipmanları ve jeneratör dışı ekipmanlar bulunmaktadır.
(2) Elektrikli ekipman
Burada jeneratörler, dağıtım kontrol panelleri, transformatörler ve iletim hatları bulunmaktadır.
Ancak tüm küçük hidroelektrik santrallerinde yukarıda belirtilen hidrolik yapılar, mekanik ve elektrik ekipmanları bulunmaz. Düşük düşüşlü hidroelektrik santrallerinde su yüksekliği 6 metreden az ise, genellikle su yönlendirme kanalı ve açık kanal su kanalı kullanılır ve basınçlı ön havuz ve basınçlı su borusu bulunmaz. Küçük güç kaynağı aralığına ve kısa iletim mesafesine sahip santrallerde doğrudan güç iletimi kullanılır ve transformatör gerekmez. Rezervuarlı hidroelektrik santrallerinde baraj inşa etmeye gerek yoktur. Derin su girişleri, baraj iç boruları (veya tüneller) ve savakların kullanımı, bentler, giriş kapıları, 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 aşama vardır: ön tasarım, teknik tasarım ve inşaat detaylandırması. Tasarım çalışmasında başarılı olmak için öncelikle kapsamlı bir araştırma yapılması, yani yerel doğal ve ekonomik koşulların –topografya, jeoloji, hidroloji, sermaye vb.– tam olarak anlaşılması gerekir. Tasarımın doğruluğu ve güvenilirliği ancak bu durumlar kavranıp analiz edildikten sonra garanti edilebilir.
Küçük hidroelektrik santrallerinin bileşenleri, santralin türüne bağlı olarak çeşitli şekillerde olabilir.
3. Topografik Araştırma
Topografik ölçüm çalışmalarının kalitesi, mühendislik yerleşim planı ve mühendislik maliyet tahmini üzerinde büyük etkiye sahiptir.
Jeolojik araştırma (jeolojik koşulların anlaşılması), havza ve nehir boyunca jeolojiye ilişkin genel anlayış ve araştırmanın yanı sıra, makine dairesinin temelinin sağlam olup olmadığını anlamak için de gereklidir; bu da doğrudan santralin güvenliğini etkiler. Belirli bir rezervuar hacmine sahip barajın yıkılması, yalnızca hidroelektrik santraline zarar vermekle kalmaz, aynı zamanda aşağı havzada büyük can ve mal kaybına da neden olur.
4. Hidrolojik test
Hidroelektrik santralleri için en önemli hidrolojik veriler, nehir su seviyesi, akış, sediment içeriği, buzlanma koşulları, meteorolojik veriler ve taşkın ölçüm verileridir. Nehir akışının büyüklüğü, hidroelektrik santralinin savak düzenini etkiler. Taşkının şiddetinin hafife alınması barajın hasar görmesine neden olur; en kötü durumda, nehir tarafından taşınan sediment rezervuarı hızla doldurabilir. Örneğin, giriş kanalında çamur birikmesi meydana gelebilir ve iri taneli sediment türbinden geçerek türbin aşınmasına neden olabilir. Bu nedenle, hidroelektrik santrallerinin inşasında yeterli hidrolojik veriye sahip olunması şarttır.
Bu nedenle, bir hidroelektrik santrali inşa etmeye karar vermeden önce, öncelikle enerji tedarik bölgesindeki ekonomik kalkınma yönünü ve gelecekteki elektrik talebini araştırmamız gerekir. Aynı zamanda, kalkınma bölgesindeki diğer enerji kaynaklarının durumunu da değerlendirmeliyiz. 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 araştırmalarının amacı, hidroelektrik santrallerinin tasarımı ve inşası için gerekli olan doğru ve güvenilir temel bilgileri sağlamaktır.
5. Yer seçimi için genel koşullar
Bir yer seçimi için genel koşullar aşağıdaki dört açıdan açıklanabilir:
(1) Seçilen yer, su enerjisini en ekonomik şekilde kullanabilecek ve maliyet tasarrufu ilkesine uygun olmalıdır; yani, santral tamamlandıktan sonra en az para harcanmalı ve en fazla elektrik üretilmelidir. Genellikle, yıllık elektrik üretim gelirini ve santralin inşasına yapılan yatırımı tahmin ederek, yatırılan sermayenin ne kadar sürede geri kazanılabileceği ölçülebilir. Bununla birlikte, farklı yerlerdeki hidrolojik ve topografik koşullar farklıdır ve elektrik ihtiyaçları da farklıdır, bu nedenle inşaat maliyeti ve yatırım belirli değerlerle sınırlı olmamalıdır.
(2) Seçilen yerin topografik, jeolojik ve hidrolojik koşulları nispeten üstün olmalı ve tasarım ve yapımda olanaklar bulunmalıdır. Küçük hidroelektrik santrallerinin yapımında, yapı malzemelerinin kullanımı mümkün olduğunca “yerel malzemeler” ilkesine uygun olmalıdır.
(3) Seçilen yerin, güç iletim ekipmanına yapılan yatırımı ve güç kaybını azaltmak için mümkün olduğunca güç kaynağına ve işleme alanına yakın olması gerekmektedir.
(4) Yer seçimi yapılırken, mevcut hidrolik yapıların mümkün olduğunca kullanılması gerekir. Örneğin, bir sulama kanalında su düşüşünden yararlanılarak bir hidroelektrik santrali inşa edilebilir veya sulama akışından elektrik üretmek için bir sulama rezervuarının yanına bir hidroelektrik santrali inşa edilebilir, vb. Bu hidroelektrik santralleri, su varken elektrik üretme prensibini karşılayabildiğinden, ekonomik önemi daha belirgindir.
Yayın tarihi: 19 Mayıs 2022
