1. Огляд виробництва гідроенергії
Виробництво гідроелектростанцій полягає у перетворенні водної енергії природних річок на електричну енергію для використання людьми. Джерела енергії, що використовуються електростанціями, різноманітні, такі як сонячна енергія, водна енергія річок та енергія вітру, що генерується потоком повітря. Вартість виробництва гідроенергії за допомогою гідроенергії є низькою, а будівництво гідроелектростанцій також можна поєднувати з іншими водоохоронними проектами. Китай багатий на водні ресурси та має чудові умови. Гідроенергетика відіграє важливу роль у національному економічному будівництві.
Рівень води в річці вище за течією, ніж рівень води нижче за течією. Через різницю між рівнями води в річці генерується енергія води. Ця енергія називається потенційною енергією або потенціальною енергією. Різниця між висотою поверхні води в річці називається перепадом, який також називають різницею рівнів води або напором. Це падіння є основною умовою для гідравлічної потужності. Крім того, величина потужності води також залежить від величини потоку води в річці, що є ще однією основною умовою, такою ж важливою, як і падіння. Як падіння, так і витрата води безпосередньо впливають на величину гідравлічної потужності; чим більше падіння води, тим більша гідравлічна потужність; якщо падіння та об'єм води відносно малі, потужність гідроелектростанції буде меншою.
Падіння зазвичай виражається в метрах. Градієнт поверхні води – це співвідношення падіння та відстані, яке може вказувати на ступінь концентрації краплі. Якщо падіння відносно концентроване, використання енергії води є зручнішим. Падіння, що використовується гідроелектростанцією, – це різниця між рівнем поверхні води вище за течією гідроелектростанції та рівнем поверхні води нижче за течією після проходження через гідротурбіну.
Потік – це кількість води, що протікає через річку за одиницю часу, виражена в кубічних метрах за секунду. Кубічний метр води – це одна тонна. Потік річки змінюється в будь-який час і в будь-якому місці, тому, коли ми говоримо про потік, ми повинні пояснити час конкретного місця, де вона тече. Потік значно змінюється з часом. Загалом, річки в Китаї мають великий потік влітку, восени та в сезон дощів, але малий взимку та навесні. Потік змінюється з місяця в день, а об'єм води змінюється з року в рік. Потік загальних річок відносно невеликий у верхній течії; у міру злиття приток, потік нижче за течією поступово збільшується. Тому, хоча падіння вище за течією зосереджене, потік невеликий; хоча потік нижче за течією великий, падіння відносно розсіяне. Тому часто найекономічніше використовувати гідроенергію 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, одиниця вимірювання: кВт, також називається потужністю;
Q — витрата, у кубічних метрах за секунду;
H — Падіння, у метрах;
G=9,8 – прискорення вільного падіння, у ньютонах/кг
Теоретична потужність розраховується за наведеною вище формулою без врахування втрат. Фактично, в процесі виробництва гідроенергії водяні 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 гідроелектростанції називається номінальною потужністю, а фактична потужність – фактичною потужністю. У процесі перетворення енергії неминучі втрати певної енергії. У процесі виробництва гідроенергії в основному відбуваються втрати в гідравлічних турбінах та генераторах (включаючи втрати в трубопроводах). У сільських мікрогідроелектростанціях різні втрати становлять 40~50% від загальної теоретичної потужності, тому вихідна потужність гідроелектростанцій може використовувати лише 50~60% теоретичної потужності, тобто ККД становить близько 0,5~0,60 (включаючи ККД турбіни 0,70~0,85, ККД генератора 0,85~0,90 та ККД трубопроводів та передавального обладнання 0,80~0,85). Отже, фактичну потужність (вихідну потужність) гідроелектростанції можна розрахувати наступним чином:
K – коефіцієнт корисної дії гідроелектростанції, (0,5~0,6) прийнято для приблизного розрахунку мікрогідроелектростанції; наведену вище формулу можна спростити так:
N=(0,5 ～ 0,6) QHG фактична потужність=коефіцієнт корисної дії × витрата × падіння × дев'ять, вісім
Використання гідроенергії полягає у використанні води для приводу в дію певного виду механізму, який називається водяною турбіною. Наприклад, стародавнє водяне колесо в Китаї — це дуже проста водяна турбіна. Різні гідравлічні турбіни, що використовуються зараз, адаптовані до різних конкретних гідравлічних умов, щоб вони могли обертатися ефективніше та перетворювати енергію води на механічну енергію. Інша машина, генератор, підключена до водяної турбіни, щоб змусити ротор генератора обертатися разом з водяною турбіною, і таким чином можна виробляти електроенергію. Генератор можна розділити на дві частини: частину, яка обертається разом з гідравлічною турбіною, та нерухому частину генератора. Частина, яка обертається разом з гідравлічною турбіною, називається ротором генератора, і навколо ротора є багато магнітних полюсів; коло навколо ротора — це нерухома частина генератора, яка називається статором генератора. Статор обмотаний багатьма мідними котушками. Коли багато магнітних полюсів ротора обертаються посередині мідної котушки статора, на мідному дроті генерується струм, і генератор повинен перетворювати механічну енергію на електричну.
Електрична енергія, що виробляється електростанцією, перетворюється різним електрообладнанням на механічну енергію (двигун або двигун), світлову енергію (електрична лампа), теплову енергію (електрична піч) тощо.
2. Склад гідроелектростанції
Гідроелектростанція складається з гідротехнічних споруд, механічного обладнання та електрообладнання.
(1) Гідротехнічні споруди
Він включає водозлив (дамбу), впускний затвор, канал (або тунель), форзац (або регулювальний резервуар), водопровідний трубопровід, машинну будівлю та відвідний канал тощо.
Побудуйте водозлив (дамбу) на річці, щоб перекрити річку, підняти поверхню води та утворити водосховище. Таким чином, утворюється концентроване падіння від поверхні води водосховища на водозливі (дамбі) до поверхні води річки під дамбою, а потім вода подається на гідроелектростанцію через водопровідні труби або тунелі. У крутому руслі річки використання відвідних каналів також може утворювати падіння. Наприклад, падіння природної річки становить 10 метрів на кілометр. Якщо відкрити канал у верхній частині цієї ділянки річки для подачі води, канал буде викопаний вздовж річки, і градієнт русла буде пологим. Якщо падіння в руслі становить лише 1 метр на кілометр, вода протікатиме руслом 5 кілометрів, і вода падатиме лише на 5 метрів, тоді як у природній річці вода падатиме на 50 метрів після проходження 5 кілометрів. У цей час вода в руслі повертається до електростанції річкою за допомогою водопровідних труб або тунелів, і утворюється концентроване падіння 45 м, яке можна використовувати для виробництва електроенергії.
Гідроелектростанція, яка використовує відвідні канали, тунелі або водопровідні труби (такі як пластикові труби, сталеві труби, бетонні труби тощо) для формування концентрованого падіння, називається гідроелектростанцією типу відвідного каналу, що є типовим розташуванням гідроелектростанцій.
(2) Механічне та електричне обладнання
Окрім вищезазначених гідротехнічних споруд (водозлив, канал, форзац, водовідвідний трубопровід та електростанція), гідроелектростанція також потребує наступного обладнання:
(1) Механічне обладнання
Є гідравлічні турбіни, регулятори, засувки, передавальне обладнання та обладнання, не пов'язане з виробництвом електроенергії.
(2) Електрообладнання
Є генератори, розподільчі панелі керування, трансформатори, лінії електропередачі тощо.
Однак не всі малі гідроелектростанції мають вищезгадані гідравлічні споруди, механічне та електричне обладнання. Якщо низьконапорна гідроелектростанція з напором води менше 6 метрів зазвичай використовує відвідний канал та відкриту відвідну камеру каналу, то форзацевий залив та трубопровід відсутні. Електростанції з невеликою дальністю електропостачання та короткою дальністю передачі використовують пряму передачу без трансформатора. Гідроелектростанції з водосховищами не потребують будівництва дамб. Використовується глибокий вхід для води, і внутрішня труба (або тунель) та водозлив дамби не потребують використання гідравлічних споруд, таких як водозлив, впускний затвор, канал та форзацевий залив.
Для будівництва гідроелектростанції спочатку слід провести ретельне обстеження та проектування. Проектування включає три етапи: попереднє проектування, технічне проектування та деталі будівництва. Щоб добре виконати проектування, ми повинні спочатку провести ретельне обстеження, тобто повністю зрозуміти місцеві природні та економічні умови, а саме топографію, геологію, гідрологію, капітал тощо. Правильність та надійність проекту можуть бути гарантовані лише після вивчення цих умов та їх аналізу.
Компоненти малих гідроелектростанцій мають різні форми залежно від різних типів гідроелектростанцій.
3. Топографічна зйомка
Якість топографічної зйомки має великий вплив на планування проекту та оцінку обсягів робіт.
Геологічні дослідження (розуміння геологічних умов) вимагають не лише загального розуміння та дослідження геології басейну та прибережної зони, але й 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 спричинить величезні втрати життя та майна нижче за течією. Тому геологічний вибір передньої затоки, як правило, ставиться на перше місце.
4. Гідрометрія
Для гідроелектростанцій найважливішими гідрологічними даними є записи рівня води в річці, стоку, концентрації осаду, обмерзання, метеорологічні дані та дані досліджень повеней. Розмір річкового стоку впливає на розташування водоскиду гідроелектростанції, а серйозність повені недооцінюється, що призведе до руйнування дамби; осад, що переноситься річкою, може в найгіршому випадку швидко заповнити водосховище. Наприклад, приплив у русло спричинить замулення русла, а грубий осад проходитиме через гідротурбіну та спричинить знос гідротурбіни. Тому будівництво гідроелектростанцій повинно мати достатні гідрологічні дані.
Тому, перш ніж приймати рішення про будівництво гідроелектростанції, необхідно дослідити та вивчити напрямок економічного розвитку та майбутній попит на електроенергію в зоні енергопостачання. Водночас оцінити ситуацію з іншими джерелами енергії в зоні розвитку. Тільки після вивчення та аналізу вищезазначених умов можна вирішити, чи потрібно будувати гідроелектростанцію та наскільки великим має бути масштаб будівництва.
Загалом, метою гідроенергетичних досліджень є надання точних та достовірних базових даних, необхідних для проектування та будівництва гідроелектростанцій.
5. Загальні умови обраного місця розташування станції
Загальні умови вибору місця розташування станції можна описати у наступних чотирьох аспектах:
(1) Обране місце для станції повинно забезпечувати найекономічніше використання водної енергії та відповідати принципу економії коштів, тобто після завершення будівництва електростанції будуть витрачені мінімальні кошти та вироблена максимальна кількість енергії. Загалом, це можна виміряти, оцінивши річний дохід від виробництва електроенергії та інвестицій у будівництво станції, щоб побачити, як довго можуть окупитися інвестовані кошти. Однак, через різні гідрологічні та топографічні умови та різний попит на електроенергію, витрати та інвестиції не повинні обмежуватися певними значеннями.
(2) Обране місце для будівництва станції повинно мати найкращі топографічні, геологічні та гідрологічні умови, а також бути можливим у проектуванні та будівництві. Будівництво малих гідроелектростанцій повинно відповідати принципу «місцевих матеріалів», наскільки це можливо, з точки зору будівельних матеріалів.
(3) Вибране місце розташування станції має бути якомога ближче до зони електропостачання та обробки, щоб зменшити інвестиції в передавальне обладнання та втрати потужності.
(4) Вибираючи місце для станції, слід максимально використовувати існуючі гідротехнічні споруди. Наприклад, крапельне падіння води можна використовувати для будівництва гідроелектростанцій у зрошувальних каналах, або гідроелектростанції можна будувати поблизу зрошувальних водосховищ для виробництва електроенергії за допомогою зрошувального потоку тощо. Оскільки ці гідроелектростанції можуть відповідати принципу виробництва електроенергії за наявності води, їх економічне значення є більш очевидним.
Час публікації: 25 жовтня 2022 р.
