مروری بر تولید برق آبی

انرژی آبی تبدیل انرژی آب رودخانه های طبیعی به برق برای استفاده مردم است.منابع مختلفی از انرژی در تولید برق استفاده می شود، مانند انرژی خورشیدی، نیروی آب در رودخانه ها و نیروی باد تولید شده توسط جریان هوا.هزینه تولید برق آبی با استفاده از برق آبی ارزان است و ساخت نیروگاه های برق آبی نیز می تواند با سایر پروژه های حفاظت از آب ترکیب شود.کشور ما از نظر منابع انرژی آبی بسیار غنی است و شرایط نیز بسیار خوب است.انرژی آبی نقش مهمی در ساخت اقتصاد ملی ایفا می کند.
سطح آب بالادست یک رودخانه بیشتر از سطح آب پایین دست آن است.به دلیل تفاوت سطح آب رودخانه، انرژی آب تولید می شود.این انرژی را انرژی پتانسیل یا انرژی پتانسیل می گویند.به اختلاف ارتفاع آب رودخانه قطره می گویند که اختلاف سطح آب یا سر آب نیز نامیده می شود.این افت شرط اساسی برای تشکیل نیروی هیدرولیک است.علاوه بر این، بزرگی توان هیدرولیک به بزرگی جریان آب در رودخانه نیز بستگی دارد که یکی دیگر از شرایط اساسی به اندازه افت آب است.هم افت و هم جریان مستقیماً بر توان هیدرولیک تأثیر می گذارند.هرچه حجم آب قطره بزرگتر باشد، قدرت هیدرولیک بیشتر است.اگر افت و حجم آب نسبتاً کم باشد، خروجی نیروگاه برق آبی کمتر خواهد بود.
افت به طور کلی بر حسب متر بیان می شود.گرادیان نسبت افت و فاصله است که می تواند میزان غلظت افت را نشان دهد.افت متمرکز تر است و استفاده از نیروی هیدرولیک راحت تر است.قطره استفاده شده توسط یک ایستگاه برق آبی، تفاوت بین سطح آب بالادست نیروگاه آبی و سطح آب پایین دست پس از عبور از توربین است.

دبی مقدار آب جاری در رودخانه در واحد زمان است و بر حسب متر مکعب در یک ثانیه بیان می شود.یک متر مکعب آب یک تن است.جریان یک رودخانه در هر زمان تغییر می کند، بنابراین وقتی در مورد جریان صحبت می کنیم، باید زمان مکان خاصی را که در آن جریان دارد توضیح دهیم.جریان به طور قابل توجهی در زمان تغییر می کند.رودخانه های کشور ما عموماً در فصل های پر بارندگی در تابستان و پاییز دارای آبدهی زیاد و در زمستان و بهار نسبتاً اندک هستند.به طور کلی، جریان رودخانه در بالادست نسبتاً کم است.به دلیل ادغام شاخه ها، جریان پایین دست به تدریج افزایش می یابد.بنابراین، اگرچه قطره بالادست متمرکز است، جریان کم است.جریان پایین دست بزرگ است، اما افت نسبتا پراکنده است.بنابراین، اغلب مقرون به صرفه ترین استفاده از نیروی هیدرولیک در بخش میانی رودخانه است.
با دانستن افت و دبی مصرفی یک نیروگاه برق آبی، خروجی آن را می توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:
N = GQH
در فرمول، خروجی N، بر حسب کیلووات، را نیز می توان توان نامید.
Q–جریان، بر حسب متر مکعب در ثانیه؛
H - قطره، بر حسب متر؛
G = 9.8، شتاب گرانش است، واحد: نیوتن/کیلوگرم
با توجه به فرمول فوق، توان تئوری بدون کسر تلفات محاسبه می شود.در واقع در فرآیند تولید برق آبی، توربین ها، تجهیزات انتقال، ژنراتورها و غیره همگی تلفات برق اجتناب ناپذیری دارند.بنابراین باید توان نظری را تنزیل کرد، یعنی توان واقعی را که می توانیم استفاده کنیم در ضریب کارایی ضرب شود (نماد: K).
توان طراحی شده ژنراتور در نیروگاه برق آبی را توان نامی و توان واقعی را توان واقعی می نامند.در فرآیند تبدیل انرژی، از دست دادن بخشی از انرژی اجتناب ناپذیر است.در فرآیند تولید برق آبی، عمدتاً تلفات توربین ها و ژنراتورها وجود دارد (در خطوط لوله نیز تلفات وجود دارد).تلفات مختلف در نیروگاه ریز برق روستایی حدود 40 تا 50 درصد از کل توان تئوری را تشکیل می دهد، بنابراین خروجی نیروگاه برق آبی در واقع فقط می تواند 50 تا 60 درصد از توان تئوری را استفاده کند، یعنی راندمان در حدود است. 0.5-0.60 (که راندمان توربین 0.70-0.85، راندمان ژنراتورها 0.85 تا 0.90 و راندمان خطوط لوله و تجهیزات انتقال 0.80 تا 0.85 است).بنابراین توان (خروجی) واقعی نیروگاه برق آبی را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:
K- راندمان نیروگاه برق آبی، (0.5-0.6) در محاسبات تقریبی نیروگاه میکرو استفاده می شود.این مقدار را می توان به صورت زیر ساده کرد:
N=(0.5-0.6)QHG توان واقعی=بازده×جریان×افت×9.8
کاربرد نیروگاه آبی استفاده از نیروی آب برای به حرکت درآوردن ماشینی است که به آن توربین آبی می گویند.به عنوان مثال، چرخ آب باستانی در کشور ما یک توربین آبی بسیار ساده است.توربین‌های هیدرولیک مختلفی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرند، با شرایط مختلف هیدرولیکی خاص سازگار هستند، به طوری که می‌توانند به طور موثرتری بچرخند و انرژی آب را به انرژی مکانیکی تبدیل کنند.نوع دیگری از ماشین آلات، ژنراتور، به توربین متصل است، به طوری که روتور ژنراتور همراه با توربین می چرخد ​​و برق تولید می کند.ژنراتور را می توان به دو قسمت تقسیم کرد: قسمتی که با توربین می چرخد ​​و قسمت ثابت ژنراتور.قسمتی که به توربین متصل است و می چرخد ​​روتور ژنراتور نامیده می شود و قطب های مغناطیسی زیادی در اطراف روتور وجود دارد.دایره ای در اطراف روتور قسمت ثابت ژنراتور است که استاتور ژنراتور نامیده می شود و استاتور با سیم پیچ های مسی زیادی پیچیده شده است.هنگامی که بسیاری از قطب های مغناطیسی روتور در وسط سیم پیچ های مسی استاتور می چرخند، جریانی روی سیم های مسی ایجاد می شود و ژنراتور انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.
انرژی الکتریکی تولید شده توسط نیروگاه توسط تجهیزات الکتریکی مختلف به انرژی مکانیکی (موتور یا موتور الکتریکی)، انرژی نور (لامپ الکتریکی)، انرژی حرارتی (کوره الکتریکی) و غیره تبدیل می شود.
او ترکیب نیروگاه برق آبی
ترکیب یک نیروگاه آبی شامل: سازه های هیدرولیک، تجهیزات مکانیکی و تجهیزات الکتریکی است.
(1) سازه های هیدرولیک
دارای سرریزها (سدها)، دروازه های ورودی، کانال ها (یا تونل ها)، مخازن فشار جلو (یا مخازن تنظیم)، لوله های تحت فشار، نیروگاه ها و مخازن عقب و غیره است.
سرریز (سد) در رودخانه ساخته می شود تا آب رودخانه را مسدود کند و سطح آب را بالا ببرد و مخزن تشکیل دهد.به این ترتیب که بین سطح آب مخزن روی سرریز (سد) و سطح آب رودخانه زیر سد یک قطره متمرکز تشکیل شده و سپس آب با استفاده از لوله های آب به نیروگاه برق آبی وارد می شود. یا تونل هادر رودخانه های نسبتاً شیب دار، استفاده از کانال های انحرافی نیز می تواند باعث افت شود.به عنوان مثال: به طور کلی افت در هر کیلومتر رودخانه طبیعی 10 متر است.اگر کانالی در انتهای بالای این بخش از رودخانه برای ورود آب رودخانه باز شود، کانال در امتداد رودخانه حفاری می شود و شیب کانال صاف تر می شود.اگر افت کانال در هر کیلومتر باشد، فقط 1 متر کاهش یافته است، به طوری که آب 5 کیلومتر در کانال جریان داشته و سطح آب تنها 5 متر سقوط کرده است، در حالی که آب پس از طی 5 کیلومتر در کانال طبیعی 50 متر سقوط کرده است. .در این زمان آب کانال توسط رودخانه با لوله یا تونل آب به نیروگاه هدایت می‌شود و قطره‌ای غلیظ ۴۵ متری وجود دارد که می‌توان از آن برای تولید برق استفاده کرد.شکل 2

استفاده از کانال‌های انحرافی، تونل‌ها یا لوله‌های آب (مانند لوله‌های پلاستیکی، لوله‌های فولادی، لوله‌های بتنی و غیره) برای تشکیل یک نیروگاه برق آبی با یک قطره متمرکز، ایستگاه برق آبی کانال انحرافی نامیده می‌شود که یک طرح معمولی از ایستگاه‌های برق آبی است. .
(2) تجهیزات مکانیکی و الکتریکی
نیروگاه برق آبی علاوه بر کارهای هیدرولیک فوق الذکر (سرریزها، کانال ها، پیشروها، لوله های تحت فشار، کارگاه ها) به تجهیزات زیر نیز نیاز دارد:
(1) تجهیزات مکانیکی
توربین ها، گاورنرها، دریچه های دروازه، تجهیزات انتقال و تجهیزات غیرمولد وجود دارد.
(2) تجهیزات الکتریکی
ژنراتورها، تابلوهای کنترل توزیع، ترانسفورماتورها و خطوط انتقال وجود دارد.
اما تمامی نیروگاه های برق آبی کوچک دارای سازه های هیدرولیکی و تجهیزات مکانیکی و الکتریکی فوق الذکر نیستند.اگر هد آب در نیروگاه برق آبی کم هد کمتر از 6 متر باشد، عموماً از کانال هدایت آب و کانال آب باز استفاده می شود و هیچ پیش حوض فشاری و لوله فشاری آب وجود ندارد.برای نیروگاه های با برد منبع تغذیه کوچک و فاصله انتقال کوتاه، انتقال مستقیم برق اتخاذ شده است و نیازی به ترانسفورماتور نیست.نیروگاه های برق آبی با مخزن نیازی به ساخت سد ندارند.استفاده از آبگیرهای عمیق، لوله‌های داخلی سد (یا تونل‌ها) و سرریزها، نیاز به سازه‌های هیدرولیکی مانند سرریزها، دروازه‌های ورودی، کانال‌ها و حوضچه‌های جلویی تحت فشار را از بین می‌برد.
برای ساخت یک نیروگاه برق آبی، ابتدا باید کار بررسی و طراحی دقیق انجام شود.در کار طراحی، سه مرحله طراحی وجود دارد: طراحی اولیه، طراحی فنی و جزئیات ساخت.برای انجام یک کار خوب در کار طراحی، ابتدا لازم است کار بررسی کامل انجام شود، یعنی درک کامل شرایط طبیعی و اقتصادی محلی - یعنی توپوگرافی، زمین شناسی، هیدرولوژی، سرمایه و غیره.صحت و قابلیت اطمینان طرح را تنها پس از تسلط بر این موقعیت ها و تجزیه و تحلیل آنها می توان تضمین کرد.
اجزای نیروگاه های برق آبی کوچک بسته به نوع نیروگاه آبی اشکال مختلفی دارند.
3. بررسی توپوگرافی
کیفیت کار بررسی توپوگرافی تأثیر زیادی بر طرح مهندسی و برآورد کمیت مهندسی دارد.
اکتشافات زمین شناسی (درک شرایط زمین شناسی) علاوه بر درک کلی و تحقیق در مورد زمین شناسی حوضه آبخیز و در امتداد رودخانه، همچنین باید فهمید که آیا پایه ماشین آلات محکم است یا خیر که مستقیماً بر ایمنی نیرو تأثیر می گذارد. خود ایستگاههنگامی که رگبار با حجم مخزن مشخصی از بین می رود، نه تنها به خود نیروگاه برق آبی آسیب می رساند، بلکه خسارات جانی و مالی زیادی در پایین دست ایجاد می کند.
4. آزمایش هیدرولوژیکی
برای ایستگاه های برق آبی، مهم ترین داده های هیدرولوژیکی سوابق سطح آب رودخانه، جریان، میزان رسوب، شرایط یخبندان، داده های هواشناسی و داده های بررسی سیل است.اندازه جریان رودخانه بر طرح سرریز نیروگاه برق آبی تأثیر می گذارد.دست کم گرفتن شدت سیل باعث خسارت سد می شود.رسوب حمل شده توسط رودخانه در بدترین حالت می تواند به سرعت مخزن را پر کند.به عنوان مثال، کانال ورودی باعث می شود که کانال به صورت لجن درآمده و رسوبات درشت دانه از داخل توربین عبور کرده و باعث سایش توربین شود.بنابراین ساخت نیروگاه های برق آبی باید دارای داده های هیدرولوژیکی کافی باشد.
بنابراین، قبل از تصمیم گیری برای ساخت نیروگاه برق آبی، ابتدا باید مسیر توسعه اقتصادی در حوزه تامین برق و تقاضای برق آینده را بررسی کنیم.در عین حال، وضعیت سایر منابع برق در منطقه توسعه را برآورد کنید.تنها پس از تحقیق و تجزیه و تحلیل وضعیت فوق می توان تصمیم گرفت که آیا نیروگاه برق آبی باید ساخته شود و مقیاس آن چقدر باشد.
به طور کلی، هدف از کار نقشه برداری نیروگاه های آبی، ارائه اطلاعات اولیه دقیق و قابل اعتماد لازم برای طراحی و ساخت نیروگاه های برق آبی است.
5. شرایط عمومی برای انتخاب سایت
شرایط کلی برای انتخاب سایت را می توان از چهار جنبه زیر توضیح داد:
(1) سایت انتخاب شده باید بتواند از انرژی آب به صرفه ترین وجه استفاده کند و اصل صرفه جویی در هزینه را رعایت کند، یعنی پس از تکمیل نیروگاه، کمترین هزینه صرف شده و بیشترین برق تولید شود. .معمولاً می توان با تخمین درآمد سالانه تولید برق و سرمایه گذاری در ساخت ایستگاه اندازه گیری کرد تا ببیند سرمایه سرمایه گذاری شده چقدر زمان می تواند بازیابی شود.با این حال، شرایط هیدرولوژیکی و توپوگرافی در نقاط مختلف متفاوت است و نیازهای برق نیز متفاوت است، بنابراین هزینه ساخت و سرمایه گذاری نباید با مقادیر خاصی محدود شود.
(2) شرایط توپوگرافی، زمین شناسی و هیدرولوژیکی سایت انتخاب شده باید نسبتاً برتر باشد و امکانات در طراحی و ساخت وجود داشته باشد.در ساخت نیروگاه های برق آبی کوچک، استفاده از مصالح ساختمانی باید تا حد امکان مطابق با اصل "مصالح محلی" باشد.
(3) محل انتخاب شده لازم است تا حد امکان نزدیک به منبع تغذیه و منطقه پردازش باشد تا سرمایه گذاری تجهیزات انتقال نیرو و اتلاف نیرو کاهش یابد.
(4) هنگام انتخاب محل، باید تا حد امکان از سازه های هیدرولیکی موجود استفاده شود.به عنوان مثال می توان از قطره آب برای ساخت یک نیروگاه برق آبی در کانال آبیاری استفاده کرد و یا یک نیروگاه برق آبی در کنار یک مخزن آبیاری برای تولید برق از جریان آبیاری و غیره استفاده کرد.از آنجایی که این نیروگاه های آبی می توانند اصل تولید برق را در صورت وجود آب رعایت کنند، اهمیت اقتصادی آنها آشکارتر است.