Różnorodność opcji i wyjątkowość rozwiązań technicznych stosowanych przy budowie elektrowni wodnych jest zadziwiająca. W rzeczywistości nie jest łatwo znaleźć dwie identyczne stacje. Ale nadal istnieje ich klasyfikacja oparta na pewnych cechach - kryteriach.
Sposób wytwarzania ciśnienia
Być może najbardziej oczywistym kryterium jest sposób wytwarzania ciśnienia:
- przepływowa elektrownia wodna (HPP);
- dywersyjna elektrownia wodna;
- elektrownia szczytowo-pompowa (PSPP);
- elektrownia pływowa (TPP).
Istnieją charakterystyczne różnice między tymi czterema głównymi typami elektrowni wodnych. Rzeczna elektrownia wodna znajduje się na rzece, blokując jej przepływ tamą w celu wytworzenia ciśnienia i zbiornikiem. Wyprowadzenie elektrowni wodnej zwykle zlokalizowane na krętych rzekach górskich, gdzie istnieje możliwość połączenia odnóg rzeki kanałem, aby część przepływu mogła spłynąć krótszą drogą. W tym przypadku ciśnienie powstaje w wyniku naturalnej różnicy terenu, a zbiornik może być całkowicie nieobecny. Elektrownia szczytowo-pompowa składa się z dwóch basenów zlokalizowanych na różnych poziomach. Baseny połączone są przewodami, którymi woda może spływać z basenu dolnego do basenu górnego i być przepompowywana z powrotem. elektrownia pływowa położony w zatoce zablokowanej tamą w celu utworzenia zbiornika. w odróżnieniu elektrownia szczytowo-pompowa Cykl operacyjny TES zależy od zjawiska pływowego.
Wartość ciśnienia
Ze względu na wielkość ciśnienia wytwarzanego przez konstrukcję hydrauliczną (HTS) elektrownie wodne dzieli się na 4 grupy:
- niskie ciśnienie - do 20 m;
- średnie ciśnienie - od 20 do 70 m;
- wysokie ciśnienie - od 70 do 200 m;
- ultrawysokie ciśnienie - od 200 m.
Warto zauważyć, że klasyfikacja wg wartość ciśnienia ma charakter względny i różni się w zależności od źródła.
Zainstalowana moc
Według mocy zainstalowanej stacji – suma mocy znamionowych zainstalowanych na niej urządzeń wytwórczych. Klasyfikacja ta dzieli się na 3 grupy:
- mikroelektrownia wodna – od 5 kW do 1 MW;
- małe elektrownie wodne – od 1 kW do 10 MW;
- duże elektrownie wodne – powyżej 10 MW.
Klasyfikacja wg moc zainstalowana podobnie jak pod względem presji, nie jest rygorystyczny. W różnych źródłach tę samą stację można sklasyfikować w różnych grupach.
Projekt tamy
Istnieją 4 główne grupy zapór wodnych:
- grawitacyjny;
- przypora;
- łukowaty;
- łukowata grawitacja.
Tama grawitacyjna Jest to masywna konstrukcja, która ze względu na swój ciężar utrzymuje wodę w zbiorniku. Tama podporowa wykorzystuje nieco inny mechanizm - rekompensuje swój stosunkowo niewielki ciężar ciężarem wody napierającej na pochyłe lico zapory od strony górnego biegu. Łukowa tama , być może najbardziej elegancki, ma kształt łuku, podstawa opiera się na brzegach, a zaokrąglona część jest wypukła w kierunku zbiornika. Woda jest zatrzymywana na zaporze łukowej w wyniku redystrybucji ciśnienia z przodu tamy na brzegi rzeki.
Lokalizacja maszynowni
Dokładniej wg położenie turbinowni względem tamy, nie mylić z układem! Klasyfikacja ta ma zastosowanie wyłącznie do elektrowni przepływowych, dywersyjnych i pływowych.
- typ kanału;
- typ tamy.
Na typ kanału turbinownia zlokalizowana jest bezpośrednio w korpusie zapory, typ tamy - jest wznoszony oddzielnie od korpusu zapory i zwykle znajduje się bezpośrednio za nim.
Układ
Słowo „układ” w tym kontekście oznacza położenie turbinowni względem koryta rzeki. Należy zachować ostrożność czytając inną literaturę na ten temat, ponieważ układ słów ma szersze znaczenie. Klasyfikacja obowiązuje wyłącznie dla elektrowni przepływowych i dywersyjnych.
- kanał;
- równina zalewowa;
- nadbrzeżny.
Na układ kanałów budynek hali turbin zlokalizowany jest w korycie rzeki, układ terenów zalewowych - w obszarze zalewowym rzeki i kiedy układ nadmorski - na brzegu rzeki.
Nadmierna regulacja
Mianowicie stopień regulacji przepływu rzeki. Klasyfikacja ma zastosowanie wyłącznie do elektrowni wodnych przepływowych i dywersyjnych.
- regulacja dobowa (cykl pracy – jeden dzień);
- regulacja tygodniowa (cykl pracy - jeden tydzień);
- regulacja roczna (cykl operacyjny - jeden rok);
- regulacja długoterminowa (cykl eksploatacji – kilka lat).
Klasyfikacja odzwierciedla wielkość zbiornika zbiornika hydroelektrycznego w stosunku do wielkości rocznego przepływu rzeki.
Wszystkie powyższe kryteria nie wykluczają się wzajemnie, tzn. ta sama elektrownia wodna może być typu rzecznego, wysokociśnieniowego, średniej mocy, o układzie przepływowym, z maszynownią typu zaporowego, zaporą łukową i roczny zbiornik regulacyjny.
Lista wykorzystanych źródeł
- Bryzgałow, V.I. Elektrownie wodne: podręcznik. zasiłek / V.I. Bryzgalov, Los Angeles Gordon – Krasnojarsk: IPC KSTU, 2002. – 541 s.
- Konstrukcje hydrauliczne: w 2 tomach / M.M. Grishin [i inni]. - Moskwa: Szkoła wyższa, 1979. - T.2 - 336 s.
Elektrownie wodne lub elektrownie wodne wykorzystują energię potencjalną wód rzecznych i są dziś powszechnym sposobem wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych.
Elektrownie wodne dostarczają ponad 16% światowej energii elektrycznej (99% w Norwegii, 58% w Kanadzie, 55% w Szwajcarii, 45% w Szwecji, 7% w USA, 6% w Australii) z ponad 1060 GW zainstalowanych pojemność. Połowa tej mocy zlokalizowana jest w pięciu krajach: Chinach (212 GW), Brazylii (82,2 GW), USA (79 GW), Kanadzie (76,4 GW) i Rosji (46 GW). Oprócz tych czterech krajów o względnej obfitości (Norwegia, Kanada, Szwajcaria i Szwecja), energię wodną wykorzystuje się zwykle przy obciążeniu szczytowym, ponieważ elektrownię wodną można łatwo zatrzymać i uruchomić. Oznacza to również, że jest to idealne uzupełnienie systemu on-grid i jest najskuteczniej stosowane w Danii.
Elektrownie wodne wykorzystują energię spadającej wody do wytwarzania energii elektrycznej. Turbina zamienia siłę kinetyczną spadającej H2O na siłę mechaniczną. Następnie generator przekształca energię mechaniczną turbiny w energię elektryczną.
Energia wodna na świecie
Energia wodna wykorzystuje duże obszary i nie jest główną opcją na przyszłość w krajach rozwiniętych, ponieważ większość dużych obiektów w tych krajach, w których istnieje potencjał rozwoju energetyki wodnej, albo już działa, albo jest niedostępna z innych powodów, np. ze względów środowiskowych. Rozwój energetyki wodnej przewidywany jest głównie w Chinach i Ameryce Łacińskiej do 2030 r. W ostatnich latach Chiny uruchomiły elektrownie wodne o wartości 26 miliardów dolarów, wytwarzające 22,5 GW. Energia wodna w Chinach przyczyniła się do wysiedlenia ponad 1,2 miliona ludzi z miejsc, w których znajdowały się tamy.
Główną zaletą układów hydraulicznych jest ich zdolność do radzenia sobie z sezonowymi (a także codziennymi) wysokimi obciążeniami szczytowymi. W praktyce wykorzystanie zmagazynowanej energii wodnej jest czasami skomplikowane ze względu na wymagania dotyczące nawadniania, które mogą występować w fazie przesuniętej w fazie szczytowych obciążeń.
Uruchamianie układów hydraulicznych z rzeki jest zwykle znacznie tańsze niż budowa tam i ma potencjalnie szersze zastosowanie. Małe elektrownie wodne o mocy poniżej 10 MW reprezentują około 10% światowego potencjału i większość z nich działa na rzekach.
Istnieją trzy typy obiektów hydroenergetycznych: elektrownie wodne, przepompownie i elektrownie szczytowo-pompowe.
Zasada działania elektrowni wodnej
Zasada działania elektrowni wodnej polega na przetwarzaniu energii wody na energię mechaniczną za pomocą turbin hydraulicznych. Generator przekształca tę energię mechaniczną z wody w energię elektryczną.
Działanie generatora opiera się na zasadach Faradaya: kiedy magnes przemieszcza się obok przewodnika, wytwarzany jest prąd. W generatorze elektromagnesy są wytwarzane przez prąd stały. Tworzą pola biegunowe i są instalowane na obwodzie wirnika. Wirnik jest przymocowany do wału, który obraca turbiny ze stałą prędkością. Gdy wirnik się obraca, powoduje to zmianę biegunów w przewodzie zamontowanym w stojanie. To z kolei, zgodnie z prawem Faradaya, generuje prąd na zaciskach generatora.
Skład elektrowni wodnej
Wielkość elektrowni wodnych sięga od „mikroelektrowni wodnych”, które zasilają kilka domów, po gigantyczne tamy dostarczające energię elektryczną milionom ludzi.
Większość konwencjonalnych elektrowni wodnych składa się z czterech głównych elementów:
Szczyt wykorzystania energii wodnej przypada na połowę XX wieku, jednak pomysł wykorzystania H2O do wytwarzania energii elektrycznej sięga tysięcy lat wstecz. Ponad 2000 lat temu Grecy używali koła wodnego do mielenia pszenicy na mąkę. Te starożytne koła przypominają dzisiejsze turbiny, przez które przepływa woda.
Elektrownie wodne są największym na świecie źródłem energii odnawialnej.
Co to jest elektrownia wodna?
Elektrownie wodne są bardzo wydajnymi źródłami energii. Wykorzystują zasoby odnawialne – energię mechaniczną spadającej wody. Niezbędne do tego rezerwy wodne tworzą tamy wznoszone na rzekach i kanałach. Instalacje hydrauliczne pozwalają na ograniczenie transportu i oszczędność paliwa mineralnego (na 1 kWh zużywa się około 0,4 tony węgla). Są dość łatwe w obsłudze i mają bardzo wysoką wydajność (ponad 80%). Koszt tego typu instalacji jest 5-6 razy niższy niż elektrowni cieplnych, a ponadto wymagają one znacznie mniej personelu konserwacyjnego.
Instalacje hydrauliczne reprezentują elektrownie wodne (HPP), elektrownie szczytowo-pompowe (PSP) i elektrownie pływowe (TPP). Ich rozmieszczenie zależy w dużej mierze od warunków naturalnych, na przykład charakteru i reżimu rzeki. Na obszarach górskich buduje się najczęściej wysokociśnieniowe elektrownie wodne, na rzekach nizinnych stosuje się instalacje o niższym ciśnieniu, ale większym przepływie wody. Budownictwo hydrauliczne na równinach jest trudniejsze ze względu na przewagę miękkich fundamentów pod tamami i konieczność posiadania dużych zbiorników do regulacji przepływu. Budowa elektrowni wodnych na równinach powoduje zalewanie przyległych terenów, co powoduje znaczne szkody materialne.
Elektrownia wodna składa się z sekwencyjnego łańcucha konstrukcji hydraulicznych, które zapewniają niezbędną koncentrację przepływu wody i wytworzenie ciśnienia, oraz urządzeń energetycznych, które przekształcają energię wody poruszającej się pod ciśnieniem w mechaniczną energię obrotową, która z kolei jest przekształcana w energię elektryczną.
Ciśnienie elektrowni wodnej powstaje w wyniku koncentracji spadku rzeki na terenie wykorzystywanym przez tamę lub objazd, lub razem tamę i objazd. Główne urządzenia energetyczne elektrowni wodnej zlokalizowane są w budynku elektrowni wodnej: w maszynowni elektrowni wodnej – agregaty hydrauliczne, urządzenia pomocnicze, urządzenia automatyki i nadzoru; na centralnym stanowisku sterowania znajduje się pulpit sterowniczy dla operatora-dyspozytora lub automatycznego operatora elektrowni wodnej. Podstacja transformatorowa podwyższająca zlokalizowana jest zarówno wewnątrz budynku elektrowni wodnej, jak i w oddzielnych budynkach lub na terenach otwartych. Rozdzielnice często zlokalizowane są na terenach otwartych. Budynek elektrowni wodnej można podzielić na sekcje, w których znajduje się jeden lub więcej zespołów i urządzeń pomocniczych, oddzielonych od sąsiadujących części budynku. W budynku elektrowni wodnej lub wewnątrz niej tworzy się miejsce instalacji w celu montażu i naprawy różnych urządzeń oraz do wykonywania czynności pomocniczych związanych z konserwacją elektrowni wodnej.
Ze względu na moc zainstalowaną (w MW) elektrownie wodne dzieli się na mocne (ponad 250), średnie (do 25) i małe (do 5). Moc elektrowni wodnej zależy od ciśnienia Nb (różnicy poziomów basenu górnego i dolnego), przepływu wody Q (m3/s) stosowanej w turbinach hydraulicznych oraz sprawności zespołu hydraulicznego hg. Z wielu powodów (np. na skutek sezonowych zmian poziomu wody w zbiornikach, wahań obciążenia systemu elektroenergetycznego, remontów agregatów hydraulicznych lub konstrukcji hydraulicznych itp.) ciśnienie i przepływ wody ulegają ciągłym zmianom. , a ponadto przepływ zmienia się podczas regulacji mocy elektrowni wodnej. Wyróżnia się cykle roczne, tygodniowe i dobowe pracy elektrowni wodnej.
Ze względu na maksymalne stosowane ciśnienie elektrownie wodne dzielą się na elektrownie wodne: wysokociśnieniowe (powyżej 60 m), średniociśnieniowe (od 25 do 60 m) i niskociśnieniowe (od 3 do 25 m). Na rzekach nizinnych ciśnienie rzadko przekracza 100 m, w warunkach górskich za pomocą tamy można wytworzyć ciśnienie do 300 m lub więcej, a za pomocą przekierowania - do 1500 m. Klasyfikacja według ciśnienia w przybliżeniu odpowiada typom stosowanych urządzeń energetycznych: w wysokociśnieniowych elektrowniach wodnych stosuje się elektrownie wodne kubełkowe i promieniowe, turbiny osiowe z metalowymi komorami spiralnymi; na średnioprężnych - turbiny łopatkowe i promieniowo-osiowe z żelbetowymi i metalowymi komorami spiralnymi, na niskociśnieniowych - turbiny łopatkowe w żelbetowych komorach spiralnych, czasami turbiny poziome w kapsułach lub w komorach otwartych. Podział elektrowni wodnych ze względu na stosowane ciśnienie ma charakter przybliżony, warunkowy.
Zgodnie ze schematem wykorzystania zasobów wodnych i koncentracji ciśnienia elektrownie wodne dzieli się zwykle na elektrownie przepływowe, zaporowe, dywersyjne z przekierowaniem ciśnienia i swobodnego przepływu, mieszane, szczytowo-pompowe i pływowe. W elektrowniach wodnych przepływowych i zaporowych ciśnienie wody wytwarzane jest przez tamę, która blokuje rzekę i podnosi poziom wody w górnym basenie. Jednocześnie nieuniknione jest zalewanie doliny rzeki. Jeśli na tym samym odcinku rzeki zbudowane zostaną dwie tamy, obszar zalewu ulegnie zmniejszeniu. Na rzekach nizinnych największy ekonomicznie dopuszczalny obszar zalewowy ogranicza wysokość tamy. Elektrownie wodne przepływowe i przyzaporowe budowane są zarówno na nizinnych rzekach wezbranych, jak i na rzekach górskich, w wąskich, zwartych dolinach.
Oprócz tamy konstrukcje przepływowej elektrowni wodnej obejmują budynek elektrowni wodnej i konstrukcje przelewowe. Skład konstrukcji hydraulicznych zależy od wysokości podnoszenia i zainstalowanej mocy. W przepływowej elektrowni wodnej budynek wraz z umieszczonymi w nim agregatami hydraulicznymi stanowi kontynuację zapory i wraz z nią tworzy front ciśnieniowy. Jednocześnie basen górny z jednej strony przylega do budynku elektrowni wodnej, a z drugiej basen dolny. Spiralne komory zasilające turbin hydraulicznych wraz z ich sekcjami wlotowymi ułożone są pod poziomem górnego odcinka, natomiast wylotowe odcinki rur ssących zanurzone są pod poziomem dolnego strumienia.
Zgodnie z przeznaczeniem wodociągu mogą obejmować śluzy żeglugowe lub windę dla statków, konstrukcje przełazów dla ryb, konstrukcje ujęcia wody do nawadniania i zaopatrzenia w wodę. W przepływowych elektrowniach wodnych czasami jedyną konstrukcją umożliwiającą przepływ wody jest budynek elektrowni. W tych przypadkach woda użytkowa przepływa sekwencyjnie przez część dopływową z kratami zatrzymującymi ścieki, komorę spiralną, turbinę hydrauliczną i rurę ssącą, a rozlewiska rzeki są odprowadzane specjalnymi kanałami pomiędzy sąsiednimi komorami turbiny. Elektrownie wodne przepływowe charakteryzują się ciśnieniami dochodzącymi do 30-40 m; Do najprostszych elektrowni wodnych przepływowych zalicza się także wcześniej budowane wiejskie (elektrownie wodne) elektrownie wodne o małej mocy. Na dużych rzekach nizinnych główny kanał blokuje tama ziemna, obok której znajduje się betonowa zapora przelewowa i budowany jest budynek elektrowni wodnej. Układ ten jest typowy dla wielu krajowych elektrowni wodnych na dużych rzekach nizinnych. Volzhskaya HPP nazwany na cześć. XXII Zjazd KPZR – największy wśród stacji nadrzecznych.
Najpotężniejsze elektrownie wodne zbudowano na Wołdze, Kamie, Angarze, Jeniseju, Obu i Irtyszu. Kaskada elektrowni wodnych to grupa elektrowni wodnych rozmieszczonych schodkowo wzdłuż przepływu wody w celu pełnego sekwencyjnego wykorzystania jej energii. Instalacje w kaskadzie są zwykle połączone wspólnym reżimem, w którym zbiorniki wyższych stopni mają regulacyjny wpływ na zbiorniki dolnych stopni. Na bazie elektrowni wodnych we wschodnich regionach powstają kompleksy przemysłowe specjalizujące się w gałęziach przemysłu energochłonnego.
Najbardziej efektywne zasoby pod względem wskaźników technicznych i ekonomicznych skoncentrowane są na Syberii. Przykładem tego jest kaskada Angara-Jenisej, która obejmuje największe elektrownie wodne w kraju: Sayano-Shushenskaya (6,4 mln kW), Krasnojarsk (6 mln kW), Brack (4,6 mln kW), Ust-Ilimskaja (4,3 mln kW). milionów kW). W budowie jest elektrownia wodna Boguchanovskaya (4 mln kW). Całkowita moc kaskady wynosi obecnie ponad 20 milionów kW.
Celem budowy elektrowni wodnych jest zwykle wytwarzanie energii elektrycznej, poprawa warunków żeglugi na rzece i nawadnianie gruntów. Elektrownie wodne zazwyczaj posiadają zbiorniki, które pozwalają im magazynować wodę i regulować jej przepływ, a co za tym idzie, moc roboczą stacji, tak aby zapewnić tryb najbardziej korzystny dla całego systemu energetycznego.
Proces regulacyjny przebiega następująco. W okresie, gdy obciążenie systemu elektroenergetycznego jest małe (lub naturalny dopływ wody w rzece jest duży), elektrownia wodna zużywa wodę w ilości mniejszej niż naturalny dopływ. W tym przypadku woda gromadzi się w zbiorniku, a wydajność operacyjna stacji jest stosunkowo niewielka. W innych przypadkach, gdy obciążenie systemu jest duże (lub dopływ wody jest niewielki), elektrownia wodna zużywa wodę w ilości przekraczającej dopływ naturalny. W takim przypadku woda zgromadzona w zbiorniku jest zużywana, a moc robocza stacji wzrasta do maksimum. W zależności od objętości zbiornika okres regulacji lub czas wymagany do napełnienia i eksploatacji zbiornika może wynosić dzień, tydzień, kilka miesięcy lub dłużej. W tym czasie elektrownia wodna może pobierać ściśle określoną ilość wody, wyznaczaną dopływem naturalnym.
W przypadku współpracy elektrowni wodnych z elektrowniami cieplnymi i jądrowymi obciążenie systemu elektroenergetycznego rozkłada się pomiędzy nie tak, aby przy danym przepływie wody w rozpatrywanym okresie zapotrzebowanie na energię elektryczną zostało zaspokojone przy minimalnym zużyciu paliwa (lub minimalne koszty paliwa) w systemie. Doświadczenie w eksploatacji systemów energetycznych pokazuje, że przez większą część roku wskazane jest eksploatowanie elektrowni wodnych w trybie szczytowym. Oznacza to, że w ciągu doby moc robocza elektrowni wodnej musi zmieniać się w szerokich granicach – od minimum w godzinach, w których obciążenie systemu elektroenergetycznego jest małe, do maksimum w godzinach największego obciążenia systemu. Dzięki takiemu zastosowaniu elektrowni wodnych obciążenie elektrowni cieplnych zostaje wyrównane, a ich praca staje się bardziej ekonomiczna.
W okresach powodzi, gdy naturalny dopływ wody do rzeki jest duży, wskazane jest całodobowe korzystanie z elektrowni wodnych o mocy roboczej zbliżonej do maksymalnej, a tym samym ograniczenie zrzutu wody jałowej przez zaporę. To, który najbardziej opłacalny tryb elektrowni wodnej zależy od wielu czynników i musi zostać określone na podstawie odpowiednich obliczeń.
Pracę elektrowni wodnych charakteryzują częste rozruchy i zatrzymania bloków, szybka zmiana mocy roboczej od zera do nominalnej. Turbiny hydrauliczne ze swej natury są przystosowane do tego reżimu. W przypadku hydroeratorów ten tryb jest również akceptowalny, ponieważ w przeciwieństwie do generatorów turbin parowych długość osiowa hydroeratora jest stosunkowo mała, a odkształcenia temperaturowe uzwojeń są mniej wyraźne. Proces uruchomienia agregatu hydraulicznego i uzyskania mocy jest w pełni zautomatyzowany i zajmuje zaledwie kilka minut.
Czas wykorzystania mocy zainstalowanej elektrowni wodnych jest z reguły krótszy niż elektrowni cieplnych. Jest to 1500-3000 godzin dla stacji szczytowych i do 5000-6000 godzin dla stacji bazowych.
Koszt jednostkowy elektrowni wodnej (RUB/MW) jest wyższy niż koszt jednostkowy elektrowni cieplnej o tej samej mocy ze względu na większy wolumen prac budowlanych. Czas budowy elektrowni wodnej jest również dłuższy niż czas budowy ciepłowni. Jednak koszt energii elektrycznej wytwarzanej w elektrowniach wodnych jest znacznie niższy niż koszt energii z elektrowni cieplnych, gdyż koszty eksploatacyjne nie obejmują kosztu paliwa.
Wskazane jest budowanie elektrowni wodnych na rzekach górskich i półśrodkowych. Na rzekach nizinnych ich budowa może prowadzić do zalania dużych obszarów łąk zalewowych i gruntów ornych, lasów, zmniejszenia zasobów ryb i innych konsekwencji.
Małe turbiny hydrauliczne charakteryzują się bardzo specyficzną zasadą działania, w przeciwieństwie do turbin konwencjonalnych elektrowni wodnych. Proces działania turbiny mikrohydraulicznej jest interesujący, ponieważ właściwości jej konstrukcji mogą zapewnić dla konkretnego obiektu objętość mas wody, która przepłynie do części turbiny hydraulicznej (łopatek), doprowadzając generator do stanu roboczego (generator pełni rolę wytwarzania energii elektrycznej).
Proces wzrostu ciśnienia wody zapewnia powstawanie „derywacji” - zrzutów wody w swobodnym przepływie (pod warunkiem, że ta mikroelektrownia wodna jest typu dywersyjnego) lub tamy (pod warunkiem, że jest to minielektrownia cieplna rodzaj tamy).
Moc minielektrowni wodnej
Poziom mocy minielektrowni wodnej zależy bezpośrednio od warunków, w jakich znajdują się jej właściwości hydrauliczne:
- Przepływ wody to objętość mas wody (l), która przepływa przez turbinę w określonym czasie. Zwyczajowo zajmuje to 1-2 sekundy na ten okres.
- Ciśnienie wody to odległość pomiędzy dwoma przeciwległymi punktami masy wody (jeden znajduje się na górze, drugi na dole). Ciśnienie ma szereg charakterystycznych cech, od których zależą typy mikroelektrowni wodnych (wysokie ciśnienie, średnie ciśnienie, niskie ciśnienie)
Specyfika pracy mikroelektrowni wodnej oceniana jest z punktu widzenia jej terytorialnego położenia. Przykładowo mikroelektrownia wodna ciśnieniowa działa w ten sposób, że odwraca przepływ wody przez specjalny kanał wykonany z drewna, umieszczony pod pewnym kątem nachylenia, co umożliwia szybszy przepływ wody. Ciśnienie wody w takiej elektrowni wodnej zależy od długości kanału. Następnie woda wpływa do rurociągu ciśnieniowego, po czym wpływa do jednostki hydraulicznej, która znajduje się w dolnej części. Następnie odzyskana woda jest wtłaczana z powrotem do źródła poprzez wytłaczanie.
Lokalizacja minielektrowni wodnej
Należy pamiętać, że położenie turbiny hydraulicznej może się różnić w zależności od rodzaju konstrukcji:
- Pozycja pozioma. Takie położenie turbiny hydraulicznej powoduje naturalne zwiększenie wielkości samej minielektrowni wodnej (za pomocą wału turbiny, co jednocześnie zwiększa wielkość układu energetycznego podczas obrotu, a także zmianę skali turbinowni). Warto jednak zauważyć, że konstrukcja takich turbin hydraulicznych nie jest bardziej skomplikowana niż innych, a wręcz przeciwnie, upraszcza ją.
- Układ pionowy. Tego typu układ pomaga zmniejszyć wielkość elektrowni wodnej, poprawia równowagę linii osiowych i jej zwartość. To umiejscowienie jest bardziej skomplikowane w konstrukcji, ponieważ stwarza potrzebę szczegółowego wyważenia osi w elemencie obrotowym. Również w takiej sytuacji należy zwrócić większą uwagę na obowiązkowe położenie podłogi roboczej, gdy znajduje się ona w jednej linii poziomej, oraz na jej charakterystykę wytrzymałościową, aby była ona w stanie wytrzymać ciężar całej konstrukcji. Położenie pionowe zwiększa nacisk na oś konstrukcji.
Zastosowanie minielektrowni wodnej
Ogólnie rzecz biorąc, małe elektrownie wodne są wykorzystywane głównie do ich stosowania w odległych obszarach budynków mieszkalnych. Nie mogą być poważną konkurencją dla dużych elektrowni, a raczej służyć zapewnieniu oszczędności energii. W ostatnim czasie coraz więcej osób korzysta zarówno z elektrowni wodnych, baterii słonecznych, jak i różnych instalacji kontroli wiatru. Turbiny opisane w tym artykule mogą wkrótce stać się jednym z tych innowacyjnych źródeł energii, co docelowo doprowadzi do powstania nowych obwodów i modeli elektrycznych.
Do czego można wykorzystać te konstrukcje?
- dostarczanie energii elektrycznej na własność prywatną;
- dla odległych obszarów przemysłowych;
- do stacji ładowania pojazdów elektrycznych;
- do użytku tymczasowego.
Zalety minielektrowni wodnych
Małe elektrownie wodne mają szereg szczególnych zalet:
- dostępne są w dwóch wersjach: mocowanej do dna zbiornika, a także ze specjalnymi hakami, które umożliwiają prowadzenie prac na powierzchni
- instalacja może osiągnąć moc 5 kW, w celu zwiększenia mocy i sprawności elektrowni wodnych turbiny instaluje się modułowo
- Elektrownie wodne nie wpływają negatywnie na środowisko w procesie budowy, ponieważ Aby go stworzyć, wykorzystuje się naturalną wodę, która jest kierowana do określonego przepływu i wprawia w ruch ostrza.
Turbiny do minielektrowni wodnych
Porozmawiajmy teraz bezpośrednio o turbinach hydraulicznych dla mini elektrowni wodnych i tym, czego potrzebujemy do ich budowy. Charakterystyka i cechy eksploatacyjne turbiny hydraulicznej:
- Temperatura wody doprowadzanej do turbiny musi przekraczać +4°C.
- Temperatura jaka powinna panować w module bloku wynosi +15°C i więcej.
- Ciśnienie akustyczne, którego źródło znajduje się 1 m od turbiny hydraulicznej, wynosi 80 dB i nie więcej.
- Powierzchnię zewnętrzną turbiny hydraulicznej należy nagrzać do temperatury nie wyższej niż +45°C, pod warunkiem, że temperatura powietrza wynosi około +25°C.
Rozważmy przykład dobrze wyważonej i działającej turbiny hydraulicznej w idealnych warunkach.
Załóżmy, że mamy przepływową turbinę hydrauliczną, promieniową, napędzaną ciśnieniowo średnim ciśnieniem, która zapewnia styczny dopływ wody do łopatek, wał jest poziomy. Rury tego typu zalicza się do „cichych”. Charakteryzują się możliwością dostosowania się do środowiska, miejsca instalacji i różnych różnic ciśnień na wysokościach. Jeśli przepływ wody gwałtownie się zmienia, wówczas w turbinie zastosowano dwukomorową konstrukcję worka, co sprawia, że urządzenie działa lepiej.
Korpus każdej turbiny hydraulicznej wykonany jest ze stali konstrukcyjnej, jest mocny i niezawodny. Koszty materiałów i konstrukcji są znacznie obniżone w porównaniu z turbinami hydraulicznymi dla konwencjonalnych elektrowni wodnych. Najpopularniejszy materiał używany do budowy turbiny hydraulicznej wytrzymuje różnice od 90 do 120 metrów, niektóre części wykonane są ze stali nierdzewnej (obudowa, rurociągi).
W turbinach hydraulicznych nowej generacji możliwa jest wymiana generatora i wirnika bez poważnych deformacji i przeróbek. Warto zauważyć, że wirnik ma właściwość samooczyszczania w wyniku przepływów wody przepływających przez obszar wirnika podczas pracy. Podczas projektowania generatora i samej turbiny hydraulicznej podejmuje się szereg działań mających na celu zmniejszenie poziomu kawitacji. Obecne turbiny hydrauliczne są w 100% wolne od tego problemu.
Główną częścią turbiny hydraulicznej jest wirnik. Materiałem do produkcji ostrzy jest często stal profilowana. Łopatki dzięki swoim właściwościom potrafią wytworzyć siłę osiową, ułatwiając pracę łożysk, a same wirniki pozostają w stałej równowadze. Czas pracy osi wirnika zależy od jego położenia, w przypadku dłuższej pracy jest on montowany na poziomie łożyska.
Cechy turbin hydraulicznych dla minielektrowni wodnych
- Może być stosowany w systemach oczyszczania w celu uzyskania wysokiej jakości wody pitnej.
- Istnieje możliwość podłączenia generatora przemysłowego.
- Zwiększone wymagania dotyczące niezawodności generatora.
Niektóre cechy planu technicznego:
- Różnica wysokości: 3 - 200 m
- Przepływ wody: 0,03 - 13 metrów sześciennych na sekundę
- Moc: 5 - 3000 kW
- Liczba ostrzy znajdujących się na sektorze osiowym: 37
- Wydajność: 84% - 87%
Oczywiście minielektrownie wodne raczej nie staną się głównym źródłem energii, jednak ich wykorzystanie jest jak najbardziej wskazane w celu zmniejszenia obciążenia głównej sieci energetycznej, zwłaszcza w okresach szczytowego zużycia.
Elektrownia wodna to zespół złożonych konstrukcji i urządzeń hydraulicznych. Jego zadaniem jest zamiana energii przepływu wody na energię elektryczną. Energia wodna należy do tzw. odnawialnych źródeł energii, czyli jest praktycznie niewyczerpalna.
Najważniejszą konstrukcją hydrauliczną jest tama. Zatrzymuje wodę w zbiorniku i wytwarza niezbędne ciśnienie wody. Turbina hydrauliczna jest głównym silnikiem elektrowni wodnej. Za jego pomocą energia wody poruszającej się pod ciśnieniem zamieniana jest na mechaniczną energię obrotową, która następnie (dzięki generatorowi elektrycznemu) zamieniana jest na energię elektryczną. Turbina hydrauliczna, hydrogenerator, automatyka monitorująca i sterująca – konsole zlokalizowane są w maszynowni elektrowni wodnej. Transformatory podwyższające można umieścić zarówno wewnątrz budynku, jak i na terenach otwartych. Rozdzielnice instaluje się najczęściej na zewnątrz w pobliżu budynku elektrowni.
W Związku Radzieckim, który posiada duże zasoby energii wodnej (11112% światowych zasobów), rozpoczęto zakrojoną na szeroką skalę budowę elektrowni wodnych. Na podstawie zainstalowanej mocy hydroelektrowni. Dopiero w ciągu 30 lat powojennych, od 1950 r., podzielono stacje na małe – do 1980 r. produkcja energii elektrycznej wzrosła aż o 5 MW, średnie – od 5 do 25 i duże – elektrownie wodne wzrosły ponad 10-krotnie. ponad 25 MW. W naszym kraju funkcjonuje 20 elektrowni wodnych, z których każda ma moc zainstalowaną przekraczającą 500 MW. Największe z nich to elektrownie wodne Krasnojarsk (6000 MW) i Sayano-Shushenskaya (6400 MW).
Budowa elektrowni wodnych jest nie do pomyślenia bez kompleksowego rozwiązania wielu problemów. Konieczne jest zaspokojenie potrzeb nie tylko energii, ale także transportu wodnego, zaopatrzenia w wodę, nawadniania i rybołówstwa. Zadania te najlepiej spełnia zasada kaskadowania, gdy na rzece, położonej wzdłuż rzeki, buduje się nie jedną, ale kilka elektrowni wodnych. Umożliwia to utworzenie kilku zbiorników wodnych, rozmieszczonych kolejno na rzece na różnych poziomach, co oznacza pełniejsze wykorzystanie przepływu rzeki, jej zasobów energetycznych oraz manewrowanie mocą poszczególnych elektrowni wodnych. Na wielu rzekach zbudowano kaskady elektrowni wodnych. Oprócz Wołżskiego zbudowano kaskady na Kamie, Dnieprze, Chirczyku, Hrazdanie, Irtyszu, Rioni i Svir. Najpotężniejsza kaskada Angara-Jenisej z największymi na świecie elektrowniami wodnymi - Brack, Krasnojarsk, Sayano-Shushenskaya i Boguchanskaya o łącznej mocy około 17 GW i rocznej produkcji 76 miliardów kWh energii elektrycznej.
Istnieje kilka rodzajów elektrowni wykorzystujących energię przepływu wody. Oprócz elektrowni wodnych budowane są także elektrownie szczytowo-pompowe (PSPP) i elektrownie pływowe (TPP). Na pierwszy rzut oka prawie nie zauważysz różnicy między konwencjonalną elektrownią wodną a elektrownią wodną. Ten sam budynek, w którym znajdują się główne urządzenia energetyczne, te same linie energetyczne. Nie ma zasadniczej różnicy w sposobie wytwarzania energii elektrycznej. Czym charakteryzują się elektrownie szczytowo-pompowe?
W przeciwieństwie do elektrowni wodnej, stacja szczytowo-pompowa wymaga dwóch zbiorników (a nie jednego) o pojemności kilkudziesięciu milionów metrów sześciennych każdy. Poziom jednego powinien być o kilkadziesiąt metrów wyższy od drugiego. Obydwa zbiorniki połączone są ze sobą rurociągami. Na dolnym zbiorniku budowany jest budynek elektrowni szczytowo-pompowej. W nim na tym samym wale umieszczone są tak zwane odwracalne jednostki hydrauliczne - turbiny hydrauliczne i generatory elektryczne. Mogą pracować zarówno jako generatory prądu, jak i jako elektryczne pompy wodne. Kiedy zużycie energii spada, np. w nocy, turbiny hydrauliczne pełnią rolę pomp, przepompowując wodę ze zbiornika dolnego do górnego. W tym przypadku generatory działają jak silniki elektryczne, pobierając energię elektryczną z elektrowni cieplnych i jądrowych. Gdy wzrasta zużycie energii elektrycznej, agregaty hydrauliczne elektrowni szczytowo-pompowej przełączają się na bieg wsteczny. Woda spływająca ze zbiornika górnego do dolnego wprawia w ruch turbiny hydrauliczne, a generatory wytwarzają energię elektryczną. Zatem w nocy elektrownia szczytowo-pompowa gromadzi energię elektryczną wytwarzaną przez inne elektrownie i oddaje ją w ciągu dnia. Dlatego elektrownie szczytowo-pompowe służą zwykle, jak mówią inżynierowie elektrycy, do pokrywania „szczytów” obciążenia, czyli dostarczają energię wtedy, gdy jest ona szczególnie potrzebna. Na całym świecie działa ponad 160 elektrowni szczytowo-pompowych. W naszym kraju pod Kijowem zbudowano pierwszą elektrownię szczytowo-pompową. Ma niską wysokość podnoszenia, bo tylko 73 m, i łączną moc 225 MW.
W obwodzie moskiewskim uruchomiono większą elektrownię szczytowo-pompową o mocy 1,2 GW i wysokości podnoszenia 100 m.
Zazwyczaj elektrownie szczytowo-pompowe budowane są na rzekach. Ale, jak się okazało, takie elektrownie można budować na brzegach mórz i oceanów. Tylko tam otrzymali inną nazwę - elektrownie pływowe (TPP).
Dwa razy dziennie o tej samej porze poziom oceanu podnosi się i opada. To siły grawitacyjne Księżyca i Słońca przyciągają masy wody. Daleko od wybrzeża wahania poziomu wody nie przekraczają 1 m, ale w pobliżu wybrzeża mogą osiągnąć 13 m, jak na przykład w Zatoce Penżyńskiej nad Morzem Ochockim.
Jeśli zatoka lub ujście rzeki zostanie zablokowane tamą, to w momencie największego wezbrania wody w takim sztucznym zbiorniku mogą zostać zamknięte setki milionów metrów sześciennych wody. Kiedy w morzu odpływa, powstaje różnica poziomów wody w zbiorniku i w morzu, która jest wystarczająca do obracania turbin hydraulicznych zainstalowanych w budynkach PES. W przypadku jednego zbiornika PES może generować energię elektryczną w sposób ciągły przez 4-5 godzin z przerwami odpowiednio 1-2 godzinnymi, cztery razy dziennie (poziom wody w zbiorniku zmienia się tyle razy podczas przypływów i odpływów) .
Aby wyeliminować nierównomierne wytwarzanie energii, zbiornik stacji podzielony jest zaporą na 2-3 mniejsze. Jeden utrzymuje poziom odpływu, drugi utrzymuje poziom przypływu, a trzeci służy jako rezerwa.
W TPP zainstalowane są agregaty hydrauliczne, które mogą pracować z dużą wydajnością zarówno w trybie generatorowym (wytwarzającym energię elektryczną), jak i pompowym (przepompowywanie wody ze zbiornika o niskim stanie wody do zbiornika o wysokim poziomie). W trybie pompowym PES działa w przypadku pojawienia się nadmiaru energii elektrycznej w systemie elektroenergetycznym. W takim przypadku jednostki pompują lub wypompowują wodę z jednego zbiornika do drugiego.
W 1968 roku na wybrzeżu Morza Barentsa w zatoce Kislaya zbudowano pierwszą w naszym kraju pilotażową elektrownię przemysłową. W budynku elektrowni znajdują się 2 agregaty hydrauliczne o mocy 400 kW.
Dziesięcioletnie doświadczenie w obsłudze pierwszego TPP pozwoliło nam rozpocząć opracowywanie projektów dla Mezen TPP na Morzu Białym, Penzhinskaya i Tugurskaya na Morzu Ochockim.
Ciekawym problemem jest ujarzmienie wielkich sił pływów oceanów świata, a nawet samych fal oceanicznych. Właśnie zaczynają go rozwiązywać. Jest wiele do zbadania, wynalezienia, zaprojektowania.
Budowa wielkich gigantów energetycznych – czy to elektrowni wodnych, elektrowni szczytowo-pompowych czy elektrowni – jest za każdym razem egzaminem dla budowniczych. Tutaj łączy się praca pracowników o najwyższych kwalifikacjach i różnych specjalnościach - od mistrzów betonu po wspinaczy.
