1. Hidroelektrik enerji üretimine genel bakış
Hidroelektrik enerji üretimi, doğal nehirlerin su enerjisini insanların kullanabileceği elektrik enerjisine dönüştürmektir. Santrallerin kullandığı enerji kaynakları çeşitlidir; güneş enerjisi, nehirlerin su gücü ve hava akımıyla üretilen rüzgar enerjisi bunlardan bazılarıdır. Hidroelektrik enerji üretiminin maliyeti düşüktür ve hidroelektrik santrallerinin inşası diğer su koruma projeleriyle de birleştirilebilir. Çin, su kaynakları bakımından zengin ve mükemmel koşullara sahiptir. Hidroelektrik enerji, ulusal ekonominin inşasında önemli bir rol oynamaktadır.
Bir nehrin yukarı havzasındaki su seviyesi, aşağı havzasındaki su seviyesinden daha yüksektir. Nehirdeki su seviyeleri arasındaki bu fark nedeniyle su enerjisi üretilir. Bu enerjiye potansiyel enerji veya su seviyesi farkı denir. Nehir su yüzeyinin yüksekliğindeki farka düşüş, su seviyesi farkı veya yükseklik farkı denir. Bu düşüş, hidrolik güç için temel bir koşuldur. Ayrıca, su gücünün büyüklüğü, nehirdeki su akışının büyüklüğüne de bağlıdır; bu da düşüş kadar önemli bir diğer temel koşuldur. Hem düşüş hem de debi, hidrolik gücün büyüklüğünü doğrudan etkiler; su düşüşü ne kadar büyükse, hidrolik güç de o kadar büyük olur; düşüş ve su hacmi nispeten küçükse, hidroelektrik santralinin çıktısı daha küçük olacaktır.
Su seviyesi düşüşü genellikle metre cinsinden ifade edilir. Su yüzeyi eğimi, düşüş ile mesafe arasındaki orandır ve düşüşün yoğunlaşma derecesini gösterir. Düşüş nispeten yoğunlaşmışsa, su gücünün kullanımı daha elverişlidir. Bir hidroelektrik santralinin kullandığı düşüş, hidroelektrik santralinin yukarı akış su yüzeyi ile hidrolik türbinden geçtikten sonraki aşağı akış su yüzeyi arasındaki farktır.
Akış, bir nehirden birim zamanda akan su miktarıdır ve saniyede metreküp cinsinden ifade edilir. Bir metreküp su bir tona eşittir. Bir nehrin akışı her zaman ve her yerde değişir, bu nedenle akıştan bahsederken, aktığı belirli yerin zamanını da açıklamamız gerekir. Akış zaman içinde önemli ölçüde değişir. Genel olarak, Çin'deki nehirlerin yaz, sonbahar ve yağmur mevsiminde akışı yüksektir, ancak kış ve ilkbaharda düşüktür. Akış aydan güne, su hacmi ise yıldan yıla değişir. Genel nehirlerin akışı yukarı havzada nispeten küçüktür; kolların birleşmesiyle aşağı havzadaki akış kademeli olarak artar. Bu nedenle, yukarı havzadaki düşüş yoğunlaşmış olsa da, akış küçüktür; aşağı havzadaki akış büyük olsa da, düşüş nispeten dağılmıştır. Bu nedenle, genellikle nehrin orta kesimlerinde su gücü kullanmak en ekonomiktir.
Bir hidroelektrik santralinin kullandığı düşüş ve debiyi bilerek, aşağıdaki formülle üretimi hesaplanabilir:
N= GQH
Formülde N – çıkış gücü, birimi: kW, diğer adıyla güç;
Q — akış hızı, saniyede metreküp cinsinden;
H — Düşüş, metre cinsinden;
G=9.8, yerçekimi ivmesidir ve Newton/kg cinsinden ifade edilir.
Teorik güç yukarıdaki formüle göre hesaplanır ve herhangi bir kayıp düşülmez. Aslında, hidroelektrik enerji üretimi sürecinde su türbinleri, iletim ekipmanları, jeneratörler vb. kaçınılmaz güç kayıplarına neden olur. Bu nedenle, teorik güçten bir miktar düşülmeli, yani kullanabileceğimiz gerçek güç, verimlilik katsayısı (sembol: K) ile çarpılmalıdır.
Hidroelektrik santralindeki jeneratörün tasarım gücüne nominal güç, gerçek gücüne ise gerçek güç denir. Enerji dönüşümü sürecinde, bir miktar enerji kaybı kaçınılmazdır. Hidroelektrik enerji üretimi sürecinde, esas olarak hidrolik türbin ve jeneratör kayıpları (boru hatlarının kayıpları dahil) söz konusudur. Kırsal mikro hidroelektrik santrallerinde, çeşitli kayıplar toplam teorik gücün %40-50'sini oluşturur, bu nedenle hidroelektrik santrallerinin 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 ve iletim ekipmanı verimliliği 0,80-0,85 dahil). Bu nedenle, hidroelektrik santralinin gerçek gücü (çıkışı) aşağıdaki gibi hesaplanabilir:
K – hidroelektrik santralinin verimliliği, (0,5~0,6) mikro hidroelektrik santralinin kaba hesaplaması için kullanılır; Yukarıdaki formül şu şekilde basitleştirilebilir:
N=(0,5 ～ 0,6) QHG gerçek güç = verimlilik × akış × düşüş × dokuz nokta sekiz
Hidroelektrik enerjisinin kullanımı, su türbini adı verilen bir tür makineyi çalıştırmak için suyu kullanmaktır. Örneğin, Çin'deki eski su çarkı çok basit bir su türbinidir. Günümüzde kullanılan çeşitli hidrolik türbinler, daha etkili bir şekilde dönebilmeleri ve su enerjisini mekanik enerjiye dönüştürebilmeleri için çeşitli özel hidrolik koşullara uyarlanmıştır. Başka bir makine olan jeneratör, su türbinine bağlanarak jeneratörün rotorunun su türbiniyle birlikte dönmesini sağlar ve böylece elektrik üretilir. Jeneratör iki parçaya ayrılabilir: hidrolik türbinle birlikte dönen kısım ve jeneratörün sabit kısmı. Hidrolik türbinle birlikte dönen kısma jeneratörün rotoru denir ve rotorun etrafında birçok manyetik kutup bulunur; rotorun etrafındaki daire, jeneratörün sabit kısmıdır ve jeneratörün statoru olarak adlandırılır. Stator, birçok bakır bobinle sarılmıştır. Rotorun birçok manyetik kutbu stator bakır bobininin ortasında döndüğünde, bakır tel üzerinde akım üretilir ve jeneratör mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür.
Santral tarafından üretilen elektrik enerjisi, çeşitli elektrikli ekipmanlardan mekanik enerjiye (motor veya vinç), ışık enerjisine (elektrik lambası), ısı enerjisine (elektrikli fırın) vb. dönüştürülür.
2. Hidroelektrik santralinin yapısı
Hidroelektrik santrali hidrolik yapılar, mekanik ekipmanlar ve elektrik ekipmanlarından oluşmaktadır.
(1) Hidrolik yapılar
Bunlara bent (baraj), giriş kapısı, kanal (veya tünel), ön havuz (veya düzenleme tankı), su borusu, santral ve çıkış kanalı vb. dahildir.
Nehirde bir bent (baraj) inşa ederek nehrin akışını engelleyebilir, su yüzeyini yükseltebilir ve bir rezervuar oluşturabilirsiniz. Bu şekilde, bent (baraj) üzerindeki rezervuarın su yüzeyinden barajın altındaki nehrin su yüzeyine doğru yoğun bir düşüş oluşur ve daha sonra su, su boruları veya tüneller aracılığıyla hidroelektrik santraline verilir. Dik nehir yatağında, yönlendirme kanalları kullanılarak da bir düşüş oluşturulabilir. Örneğin, doğal bir nehrin düşüşü kilometre başına 10 metredir. Bu nehir bölümünün üst ucunda su vermek için bir kanal açılırsa, kanal nehir boyunca kazılır ve kanalın eğimi düz olur. Kanalda düşüş kilometre başına sadece 1 metre ise, su kanalda 5 kilometre akacak ve sadece 5 metre düşecektir; oysa doğal nehirde 5 kilometre yürüdükten sonra su 50 metre düşecektir. Şu anda, kanaldaki su, su boruları veya tüneller aracılığıyla nehir tarafından santrale geri yönlendiriliyor ve elektrik üretmek için kullanılabilecek 45 metrelik yoğun bir düşüş meydana geliyor.
Yoğunlaştırılmış bir düşüş oluşturmak için yönlendirme kanalları, tüneller veya su boruları (plastik borular, çelik borular, beton borular vb.) kullanan bir hidroelektrik santraline yönlendirme kanalı tipi hidroelektrik santrali denir ve bu, hidroelektrik santrallerinin tipik bir yerleşim düzenidir.
(2) Mekanik ve elektrikli ekipman
Yukarıda belirtilen hidrolik yapılara (bent, kanal, ön havza, su borusu ve santral binası) ek olarak, hidroelektrik santralinin aşağıdaki ekipmanlara da ihtiyacı vardır:
(1) Mekanik ekipman
Burada hidrolik türbinler, regülatörler, sürgülü vanalar, iletim ekipmanları ve enerji üretimi dışındaki ekipmanlar bulunmaktadır.
(2) Elektrikli ekipman
Jeneratörler, dağıtım kontrol panelleri, transformatörler, iletim hatları vb. bulunmaktadır.
Ancak, tüm küçük hidroelektrik santrallerinde yukarıda belirtilen hidrolik yapılar ve mekanik ve elektrik ekipmanları bulunmaz. Su yüksekliği 6 metreden az olan düşük düşüşlü hidroelektrik santrallerinde genellikle yönlendirme kanalı ve açık kanal yönlendirme odası kullanılır, ön havza ve su borusu bulunmaz. Küçük güç kaynağı aralığına ve kısa iletim mesafesine sahip santrallerde transformatörsüz doğrudan iletim kullanılır. Rezervuarlı hidroelektrik santrallerinde baraj inşa etmeye gerek yoktur. Derin su girişi kullanılır ve barajın iç borusu (veya tüneli) ve savaklarında savak, giriş kapısı, kanal ve ön havza gibi hidrolik yapılar kullanılması gerekmez.
Bir hidroelektrik santrali inşa etmek için öncelikle dikkatli bir araştırma ve tasarım çalışması yapılmalıdır. Tasarımda üç aşama vardır: ön tasarım, teknik tasarım ve inşaat detayları. Tasarımda başarılı olmak için öncelikle kapsamlı bir araştırma yapılmalı, yani yerel doğal ve ekonomik koşullar –topografya, jeoloji, hidroloji, sermaye vb.– tam olarak anlaşılmalıdır. Tasarımın doğruluğu ve güvenilirliği ancak bu koşullara hakim olduktan ve bunları analiz ettikten sonra garanti edilebilir.
Küçük hidroelektrik santrallerinin bileşenleri, farklı hidroelektrik santrali türlerine göre çeşitli şekillerde olabilir.
3. Topografik ölçüm
Topografik ölçümün kalitesi, proje yerleşimi ve miktar tahminleri üzerinde büyük etkiye sahiptir.
Jeolojik araştırma (jeolojik koşulların anlaşılması), havza jeolojisi ve nehir kıyısı jeolojisi hakkında genel bir anlayış ve araştırma gerektirmenin yanı sıra, makine dairesi temelinin sağlam olup olmadığını anlamayı da gerektirir; 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 kayıplarına da neden olur. Bu nedenle, ön havzanın jeolojik seçimi genellikle ilk sırada yer alır.
4. Hidrometri
Hidroelektrik santralleri için en önemli hidrolojik veriler, nehir su seviyesi, akış, sediment konsantrasyonu, buzlanma, meteorolojik veriler ve taşkın ölçüm verileridir. Nehir akışının büyüklüğü, hidroelektrik santralinin savak yerleşimini etkiler ve taşkının şiddeti hafife alınırsa barajın yıkılmasına yol açabilir; en kötü durumda, nehir tarafından taşınan sediment rezervuarı hızla doldurabilir. Örneğin, kanala giren su, kanalın çamurlanmasına neden olur ve iri taneli sediment hidrolik türbinden geçerek türbinin aşınmasına yol açar. Bu nedenle, hidroelektrik santrallerinin inşasında yeterli hidrolojik veriye sahip olunması şarttır.
Bu nedenle, bir hidroelektrik santrali inşa etme kararı almadan önce, enerji arz bölgesindeki ekonomik kalkınma yönünü ve gelecekteki elektrik talebini araştırmak ve incelemek gereklidir. Aynı zamanda, geliştirme bölgesindeki diğer enerji kaynaklarının durumunu da değerlendirmek gerekir. Ancak yukarıdaki koşullar incelendikten ve analiz edildikten sonra, hidroelektrik santralinin inşa edilmesi gerekip gerekmediğine ve inşaat ölçeğinin ne kadar büyük olması gerektiğine karar verilebilir.
Genel olarak, hidroelektrik santral araştırmasının amacı, hidroelektrik santrallerinin tasarımı ve inşası için gerekli olan doğru ve güvenilir temel verileri sağlamaktır.
5. Seçilen istasyon sahasının genel koşulları
İstasyon yeri seçiminin genel koşulları aşağıdaki dört açıdan açıklanabilir:
(1) Seçilen santral yeri, su enerjisinden en ekonomik şekilde yararlanabilecek ve maliyet tasarrufu ilkesine uygun olmalıdır; yani, santralin tamamlanmasından sonra minimum maliyetle maksimum güç üretilecektir. Genellikle, yıllık enerji üretiminden elde edilecek gelir ve santral inşaatına yapılan yatırım tahmin edilerek, yatırılan sermayenin ne kadar sürede geri kazanılabileceği ölçülebilir. Bununla birlikte, farklı hidrolojik ve topografik koşullar ve farklı enerji talepleri nedeniyle, maliyet ve yatırım belirli değerlerle sınırlı olmamalıdır.
(2) Seçilen istasyon yeri, üstün topografik, jeolojik ve hidrolojik koşullara sahip olmalı ve tasarım ve yapım açısından mümkün olmalıdır. Küçük hidroelektrik santrallerinin yapımında, yapı malzemeleri açısından mümkün olduğunca “yerel malzemeler” ilkesine uygun hareket edilmelidir.
(3) Seçilen istasyon yeri, iletim ekipmanına yapılan yatırımı ve güç kaybını azaltmak için mümkün olduğunca güç kaynağına ve işleme alanına yakın olmalıdır.
(4) Santral yeri seçilirken, mevcut hidrolik yapılardan mümkün olduğunca yararlanılmalıdır. Örneğin, sulama kanallarında su düşüşünden yararlanılarak hidroelektrik santralleri kurulabilir veya sulama rezervuarlarının yakınına sulama akışından elektrik üretmek için hidroelektrik santralleri kurulabilir, vb. Çünkü bu hidroelektrik santralleri suyun olduğu yerde elektrik üretme prensibine uygun olduğundan, ekonomik önemi daha belirgindir.
Yayın tarihi: 25 Ekim 2022
