Гідроенергетика полягає у перетворенні водної енергії природних річок на електроенергію для використання людьми. Існують різні джерела енергії, що використовуються для виробництва електроенергії, такі як сонячна енергія, енергія води в річках та енергія вітру, що генерується потоком повітря. Вартість виробництва гідроенергії за допомогою гідроенергії є низькою, а будівництво гідроелектростанцій також можна поєднувати з іншими проектами збереження водних ресурсів. Наша країна дуже багата на гідроенергетичні ресурси, і умови для цього також дуже сприятливі. Гідроенергетика відіграє важливу роль у будівництві національної економіки.
Рівень води в річці вище за течією, ніж рівень води нижче за течією. Через різницю рівнів води в річці генерується енергія води. Ця енергія називається потенційною енергією або потенціальною енергією. Різниця між висотою річкової води називається перепадом, який також називають різницею рівнів води або напором води. Це перепад є основною умовою для формування гідравлічної потужності. Крім того, величина гідравлічної потужності також залежить від величини потоку води в річці, що є ще однією основною умовою, такою ж важливою, як і перепад. Як перепад, так і потік безпосередньо впливають на гідравлічну потужність; чим більший об'єм води в перепаді, тим більша гідравлічна потужність; якщо перепад і об'єм води відносно малі, то потужність гідроелектростанції буде меншою.
Падіння зазвичай виражається в метрах. Градієнт – це співвідношення падіння та відстані, яке може вказувати на ступінь концентрації крапель. Чим більше падіння, тим зручніше використовувати гідравлічну енергію. Падіння, яке використовується гідроелектростанцією, – це різниця між рівнем води вище за течією гідроелектростанції та рівнем води нижче за течією після проходження через турбіну.
Потік – це кількість води, що протікає річкою за одиницю часу, і виражається в кубічних метрах за одну секунду. Один кубічний метр води – це одна тонна. Потік річки змінюється в будь-який час, тому, коли ми говоримо про потік, ми повинні пояснити час конкретного місця, де вона тече. Потік змінюється дуже суттєво з часом. Річки в нашій країні зазвичай мають великий потік у сезон дощів влітку та восени, і відносно малий взимку та навесні. Як правило, потік річки відносно невеликий у верхній течії; оскільки притоки зливаються, потік нижче за течією поступово збільшується. Тому, хоча падіння вище за течією зосереджене, потік невеликий; потік нижче за течією великий, але падіння відносно розсіяне. Тому часто найекономічніше використовувати гідравлічну енергію в середній течії річки.
Знаючи падіння та витрату, що використовуються гідроелектростанцією, її продуктивність можна розрахувати за такою формулою:
N= GQH
У формулі N – вихідна потужність, у кіловатах, також може називатися потужністю;
Q – витрата, у кубічних метрах за секунду;
H – перепад, у метрах;
G = 9,8 – прискорення вільного падіння, одиниця вимірювання: ньютон/кг
Згідно з наведеною вище формулою, теоретична потужність розраховується без вирахування будь-яких втрат. Фактично, в процесі виробництва гідроенергії турбіни, передавальні пристрої, генератори тощо мають неминучі втрати потужності. Тому теоретичну потужність слід враховувати, тобто фактичну потужність, яку ми можемо використовувати, слід помножити на коефіцієнт корисної дії (символ: K).
Розрахункова потужність генератора на гідроелектростанції називається номінальною потужністю, а фактична потужність – фактичною потужністю. У процесі перетворення енергії неминучі втрати частини енергії. У процесі виробництва гідроенергії в основному відбуваються втрати в турбінах та генераторах (також є втрати в трубопроводах). Різні втрати на сільській мікрогідроелектростанції становлять близько 40-50% від загальної теоретичної потужності, тому вихідна потужність гідроелектростанції фактично може використовувати лише 50-60% теоретичної потужності, тобто ККД становить близько 0,5-0,60 (з яких ККД турбіни становить 0,70-0,85, ККД генераторів – від 0,85 до 0,90, а ККД трубопроводів та передавального обладнання – від 0,80 до 0,85). Отже, фактичну потужність (вихідну потужність) гідроелектростанції можна розрахувати наступним чином:
K – коефіцієнт корисної дії гідроелектростанції, (0,5～0,6) використовується в приблизному розрахунку мікрогідроелектростанції; це значення можна спростити як:
N=(0,5～0,6)QHG Фактична потужність=ККД×потік×падіння×9,8
Використання гідроенергії полягає у використанні сили води для руху машини, яка називається водяною турбіною. Наприклад, стародавнє водяне колесо в нашій країні є дуже простою водяною турбіною. Різні гідравлічні турбіни, що використовуються в даний час, адаптовані до різних конкретних гідравлічних умов, щоб вони могли обертатися ефективніше та перетворювати енергію води на механічну енергію. Інший вид машини, генератор, з'єднаний з турбіною, так що ротор генератора обертається разом з турбіною для вироблення електроенергії. Генератор можна розділити на дві частини: частину, яка обертається разом з турбіною, та нерухому частину генератора. Частина, яка з'єднана з турбіною та обертається, називається ротором генератора, і навколо ротора є багато магнітних полюсів; коло навколо ротора - це нерухома частина генератора, яка називається статором генератора, а статор обмотаний багатьма мідними котушками. Коли багато магнітних полюсів ротора обертаються посередині мідних котушок статора, на мідних дротах генерується струм, і генератор перетворює механічну енергію на електричну.
Електрична енергія, що виробляється електростанцією, перетворюється на механічну енергію (електродвигун або двигун), світлову енергію (електрична лампа), теплову енергію (електрична піч) тощо за допомогою різного електрообладнання.
склад гідроелектростанції
До складу гідроелектростанції входять: гідротехнічні споруди, механічне обладнання та електрообладнання.
(1) Гідротехнічні споруди
Він має водозливи (дамби), водозабірні шлюзи, канали (або тунелі), напірні резервуари (або регулювальні резервуари), напірні труби, електростанції та відвідні канали тощо.
На річці будується гребля (дамба), щоб перекрити річкову воду та підняти поверхню води, утворюючи водосховище. Таким чином, між поверхнею води водосховища на греблі (дамбі) та поверхнею води річки нижче греблі утворюється концентроване падіння, а потім вода подається на гідроелектростанцію за допомогою водопроводів або тунелів. На річках з відносно крутим схилом падіння також може утворюватися за допомогою відвідних каналів. Наприклад: Зазвичай падіння на кілометр природної річки становить 10 метрів. Якщо у верхній частині цієї ділянки річки відкрити канал для подачі річкової води, канал буде прокладено вздовж річки, і схил каналу буде більш пологим. Якщо падіння в каналі зробити на кілометр, то воно знизиться лише на 1 метр, тож вода протікає каналом на 5 кілометрів, а поверхня води падає лише на 5 метрів, тоді як після проходження 5 кілометрів у природному руслі вода падає на 50 метрів. У цей час вода з каналу повертається назад до електростанції річкою за допомогою водопроводу або тунелю, і там утворюється концентроване падіння висотою 45 метрів, яке можна використовувати для виробництва електроенергії. Рисунок 2
Використання відвідних каналів, тунелів або водопроводів (таких як пластикові труби, сталеві труби, бетонні труби тощо) для формування гідроелектростанції зі зосередженим падінням називається гідроелектростанцією з відвідним каналом, що є типовим розташуванням гідроелектростанцій.
(2) Механічне та електричне обладнання
Окрім вищезгаданих гідротехнічних споруд (водозливи, канали, напірні майданчики, напірні труби, майстерні), гідроелектростанція також потребує наступного обладнання:
(1) Механічне обладнання
Є турбіни, регулятори, засувки, передавальні пристрої та негенеруючі пристрої.
(2) Електрообладнання
Є генератори, розподільчі панелі керування, трансформатори та лінії електропередачі.
Але не всі малі гідроелектростанції мають вищезгадані гідротехнічні споруди, механічне та електричне обладнання. Якщо напір води на низьконапірній гідроелектростанції менше 6 метрів, зазвичай використовуються водопровідний канал та відкритий водоканал, і немає напірного форвакууму та напірної труби. Для електростанцій з невеликою дальністю електропостачання та короткою відстанню передачі застосовується пряма передача електроенергії, і трансформатор не потрібен. Гідроелектростанції з водосховищами не потребують будівництва дамб. Використання глибоких водозабірників, внутрішніх труб (або тунелів) дамб та водоскидів усуває потребу в гідротехнічних спорудах, таких як водозливи, водозабірні затвори, канали та напірні форвакууми.
Для будівництва гідроелектростанції, перш за все, необхідно провести ретельні вишукувальні та проектні роботи. У проектних роботах є три етапи проектування: попереднє проектування, технічне проектування та детальне проектування будівництва. Для того, щоб добре виконати проектні роботи, спочатку необхідно провести ретельну вишукувальну роботу, тобто повністю зрозуміти місцеві природні та економічні умови – тобто топографію, геологію, гідрологію, капітал тощо. Правильність та надійність проекту можна гарантувати лише після опанування цих ситуацій та їх аналізу.
Компоненти малих гідроелектростанцій мають різні форми залежно від типу гідроелектростанції.
3. Топографічна зйомка
Якість топографічних знімальних робіт має великий вплив на інженерне планування та оцінку обсягу інженерних робіт.
Геологічні дослідження (розуміння геологічних умов), окрім загального розуміння та дослідження геології водозбору та вздовж річки, також необхідні для розуміння міцності фундаменту машинного відділення, що безпосередньо впливає на безпеку самої електростанції. Руйнування греблі з певним об'ємом водосховища не тільки пошкодить саму гідроелектростанцію, але й призведе до величезних втрат життя та майна нижче за течією.
4. Гідрологічне випробування
Для гідроелектростанцій найважливішими гідрологічними даними є записи рівня води в річці, стоку, вмісту осаду, умов обмерзання, метеорологічні дані та дані досліджень повеней. Розмір річкового стоку впливає на розташування водозливу гідроелектростанції. Недооцінка серйозності повені призведе до пошкодження дамби; осад, що переноситься річкою, може в найгіршому випадку швидко заповнити водосховище. Наприклад, впускний канал призведе до замулення каналу, а грубозернистий осад проходитиме через турбіну та спричинятиме знос турбіни. Тому будівництво гідроелектростанцій повинно мати достатні гідрологічні дані.
Тому, перш ніж приймати рішення про будівництво гідроелектростанції, ми повинні спочатку дослідити напрямок економічного розвитку в регіоні енергопостачання та майбутній попит на електроенергію. Водночас оцінити ситуацію з іншими джерелами енергії в районі розвитку. Тільки після дослідження та аналізу вищезазначеної ситуації ми можемо вирішити, чи потрібно будувати гідроелектростанцію та якого масштабу вона має бути.
Загалом, метою гідроенергетичних досліджень є надання точної та достовірної базової інформації, необхідної для проектування та будівництва гідроелектростанцій.
5. Загальні умови вибору місця
Загальні умови вибору ділянки можна пояснити з таких чотирьох аспектів:
(1) Обраний майданчик повинен мати можливість використовувати енергію води найекономічнішим чином та відповідати принципу економії коштів, тобто після завершення будівництва електростанції витрачається найменша сума коштів та виробляється найбільше електроенергії. Зазвичай це можна виміряти, оцінивши річний дохід від виробництва електроенергії та інвестиції в будівництво станції, щоб побачити, за який час може окупитися вкладений капітал. Однак гідрологічні та топографічні умови в різних місцях різні, як і потреби в електроенергії, тому вартість будівництва та інвестиції не повинні обмежуватися певними значеннями.
(2) Топографічні, геологічні та гідрологічні умови обраного місця повинні бути відносно кращими, а також повинні бути можливості для проектування та будівництва. Під час будівництва малих гідроелектростанцій використання будівельних матеріалів повинно максимально відповідати принципу «місцевих матеріалів».
(3) Обраний майданчик має бути якомога ближче до зони електропостачання та обробки, щоб зменшити інвестиції в обладнання для передачі енергії та втрати потужності.
(4) Під час вибору місця слід максимально використовувати існуючі гідротехнічні споруди. Наприклад, крапельне падіння води можна використовувати для будівництва гідроелектростанції в зрошувальному каналі, або гідроелектростанцію можна побудувати поруч із зрошувальним водосховищем для виробництва електроенергії з зрошувального потоку тощо. Оскільки ці гідроелектростанції можуть відповідати принципу виробництва електроенергії за наявності води, їх економічне значення є більш очевидним.
Час публікації: 19 травня 2022 р.
