סקירה כללית של ייצור חשמל הידרואלקטרי

אנרגיית מים נועדה להמיר את אנרגיית המים של נהרות טבעיים לחשמל שאנשים יוכלו להשתמש בהם.ישנם מקורות אנרגיה שונים המשמשים לייצור חשמל, כגון אנרגיה סולארית, כוח מים בנהרות ואנרגיית רוח הנוצרת מזרימת אוויר.עלות ייצור אנרגיה הידרומית באמצעות אנרגיה הידרומית היא זולה, וניתן לשלב הקמת תחנות כח מים גם עם פרויקטים אחרים של שימור מים.המדינה שלנו עשירה מאוד במשאבי כוח הידרו וגם התנאים טובים מאוד.לכוח המים תפקיד חשוב בבניית הכלכלה הלאומית.
מפלס המים במעלה הזרם של נהר גבוה ממפלס המים במורד הזרם.בגלל ההבדל במפלס המים של הנהר, נוצרת אנרגיית מים.אנרגיה זו נקראת אנרגיה פוטנציאלית או אנרגיה פוטנציאלית.ההבדל בין גובה מי הנהר נקרא טיפה, הנקרא גם הפרש מפלס המים או ראש המים.ירידה זו היא תנאי בסיסי להיווצרות כוח הידראולי.בנוסף, גודל הכוח ההידראולי תלוי גם בגודל זרימת המים בנהר, שהוא עוד תנאי בסיסי חשוב כמו הירידה.גם הירידה וגם הזרימה משפיעים ישירות על הכוח ההידראולי;ככל שנפח המים של הטיפה גדול יותר, הכוח ההידראולי גדול יותר;אם הירידה ונפח המים קטנים יחסית, תפוקת תחנת הכוח ההידרומית תהיה קטנה יותר.
הירידה מתבטאת בדרך כלל במטרים.שיפוע הוא היחס בין ירידה למרחק, שיכול להצביע על מידת ריכוז הטיפה.הטיפה מרוכזת יותר, והשימוש בכוח הידראולי נוח יותר.הטיפה המשמשת תחנת כוח הידרומית היא ההפרש בין פני המים במעלה הזרם של תחנת כוח המים לבין פני המים במורד הזרם לאחר מעבר בטורבינה.

זרימה היא כמות המים הזורמת בנהר ליחידת זמן, והיא מתבטאת במטר מעוקב בשנייה אחת.מטר מעוקב של מים הוא טון אחד.זרימתו של נהר משתנה בכל עת, ולכן כאשר אנו מדברים על הזרימה, עלינו להסביר את זמן המקום הספציפי בו הוא זורם.הזרימה משתנה באופן משמעותי מאוד בזמן.לנהרות בארצנו יש בדרך כלל זרימה גדולה בעונת הגשמים בקיץ ובסתיו, וקטנה יחסית בחורף ובאביב.בדרך כלל, זרימת הנהר קטנה יחסית במעלה הזרם;מכיוון שהפלגים מתמזגים, הזרימה במורד הזרם עולה בהדרגה.לכן, למרות שהירידה במעלה הזרם מרוכזת, הזרימה קטנה;הזרימה במורד הזרם גדולה, אך הירידה מפוזרת יחסית.לכן, לרוב זה חסכוני ביותר לנצל כוח הידראולי באמצעי הנהר.
בהכרת הירידה והזרימה המשמשת תחנת כוח הידרו, ניתן לחשב את התפוקה שלה באמצעות הנוסחה הבאה:
N= GQH
בנוסחה ניתן לקרוא לתפוקה N, בקילו-וואט, גם כוח;
Q–זרימה, במטר מעוקב לשנייה;
H – ירידה, במטרים;
G = 9.8 , היא תאוצת הכבידה, יחידה: ניוטון/ק"ג
לפי הנוסחה לעיל, ההספק התיאורטי מחושב ללא ניכוי הפסדים.למעשה, בתהליך ייצור אנרגיה הידרומית, לטורבינות, ציוד הולכה, גנרטורים וכו' יש הפסדי חשמל בלתי נמנעים.לכן, יש להוזיל את ההספק התיאורטי, כלומר להכפיל את ההספק בפועל שאנו יכולים להשתמש במקדם היעילות (סימן: K).
ההספק המתוכנן של הגנרטור בתחנת כוח הידרו נקרא הספק מדורג, וההספק בפועל נקרא הספק בפועל.בתהליך של טרנספורמציה של אנרגיה, זה בלתי נמנע לאבד חלק מהאנרגיה.בתהליך ייצור אנרגיה הידרומית יש בעיקר הפסדים של טורבינות וגנרטורים (יש הפסדים גם בצנרת).ההפסדים השונים בתחנת המיקרו-הידרו-כוח הכפרית מהווים כ-40-50% מסך ההספק התיאורטי, כך שתפוקת תחנת כוח המים יכולה למעשה להשתמש רק ב-50-60% מההספק התיאורטי, כלומר, היעילות היא בערך. 0.5-0.60 (מתוכם יעילות הטורבינה היא 0.70-0.85, יעילות הגנרטורים היא 0.85 עד 0.90, ויעילות הצינורות וציוד ההולכה היא 0.80 עד 0.85).לכן, ניתן לחשב את ההספק (התפוקה) בפועל של תחנת כוח הידרו באופן הבא:
K–היעילות של תחנת הכוח הידרומית, (0.5-0.6) משמשת בחישוב גס של תחנת המיקרו-הידרו-כוח;ניתן לפשט את הערך הזה כ:
N=(0.5~0.6)QHG הספק בפועל=יעילות×זרימה×ירידה×9.8
השימוש בכוח הידרו הוא להשתמש בכוח מים כדי להניע מכונה, הנקראת טורבינת מים.למשל, גלגל המים העתיק בארצנו הוא טורבינת מים פשוטה מאוד.הטורבינות ההידראוליות השונות בשימוש כיום מותאמות לתנאים הידראוליים ספציפיים שונים, כך שהן יכולות להסתובב בצורה יעילה יותר ולהמיר אנרגיית מים לאנרגיה מכנית.סוג אחר של מכונות, גנרטור, מחובר לטורבינה, כך שהרוטור של הגנרטור מסתובב עם הטורבינה לייצור חשמל.ניתן לחלק את הגנרטור לשני חלקים: החלק המסתובב עם הטורבינה והחלק הקבוע של הגנרטור.החלק שמחובר לטורבינה ומסתובב נקרא הרוטור של הגנרטור, וסביב הרוטור ישנם קטבים מגנטיים רבים;מעגל סביב הרוטור הוא החלק הקבוע של הגנרטור, הנקרא הסטטור של הגנרטור, והסטטור עטוף בסלילי נחושת רבים.כאשר קטבים מגנטיים רבים של הרוטור מסתובבים באמצע סלילי הנחושת של הסטטור, נוצר זרם על חוטי הנחושת, והגנרטור ממיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית.
האנרגיה החשמלית הנוצרת על ידי תחנת הכוח הופכת לאנרגיה מכנית (מנוע חשמלי או מנוע), אנרגיית אור (מנורה חשמלית), אנרגיה תרמית (תנור חשמלי) וכן הלאה על ידי ציוד חשמלי מגוון.
הרכב תחנת הכוח הידרומית
ההרכב של תחנת כוח מים כולל: מבנים הידראוליים, ציוד מכני וציוד חשמלי.
(1) מבנים הידראוליים
יש לו זרמים (סכרים), שערי יניקה, תעלות (או מנהרות), מיכלי קדמת לחץ (או מיכלי ויסות), צינורות לחץ, תחנות כוח וערוצים, וכו'.
בנהר נבנה מזבלה (סכר) כדי לחסום את מי הנהר ולהעלות את פני המים ליצירת מאגר.כך נוצרת טיפה מרוכזת בין פני המים של המאגר על המטמה (הסכר) לבין פני המים של הנהר שמתחת לסכר, ולאחר מכן המים מוכנסים לתחנת הכוח ההידרואלקטרית באמצעות צינורות מים. או מנהרות.בנהרות תלולים יחסית, השימוש בערוצי הטיה עלול להיווצר גם טיפה.לדוגמה: בדרך כלל, הירידה לקילומטר של נהר טבעי היא 10 מטרים.אם ייפתח תעלה בקצה העליון של קטע זה של הנהר להחדרת מי נהר, הערוץ ייחפר לאורך הנהר, ושיפוע הערוץ יהיה שטוח יותר.אם הירידה בערוץ מתבצעת לקילומטר היא ירדה רק מטר אחד, כך שהמים זרמו 5 ק"מ בערוץ, ומשטח המים ירדו רק 5 מטר, ואילו המים ירדו 50 מטר לאחר נסיעה של 5 ק"מ בערוץ הטבעי. .בזמן זה, המים מהערוץ מובלים בחזרה אל תחנת הכוח על ידי הנהר באמצעות צינור מים או מנהרה, ויש ירידה מרוכזת של 45 מטר שניתן להשתמש בה לייצור חשמל.איור 2

השימוש בתעלות הטיה, מנהרות או צינורות מים (כגון צינורות פלסטיק, צינורות פלדה, צינורות בטון וכו') ליצירת תחנת כוח הידרומית עם ירידה מרוכזת נקרא תחנת כוח הידרו של תעלת הסחה, שהיא מתווה טיפוסי של תחנות כוח מים. .
(2) ציוד מכני וחשמלי
בנוסף לעבודות ההידראוליות הנ"ל (דומות, תעלות, חצרות, צינורות לחץ, בתי מלאכה), תחנת כוח הידרו זקוקה גם לציוד הבא:
(1) ציוד מכני
יש טורבינות, מושלים, שסתומי שער, ציוד הולכה וציוד שאינו מייצר.
(2) ציוד חשמלי
ישנם גנרטורים, לוחות בקרה להפצה, שנאים וקווי תמסורת.
אבל לא לכל תחנות כוח הידרוקט הקטנות יש את המבנים ההידראוליים שצוינו לעיל וציוד מכני וחשמלי.אם ראש המים הוא פחות מ-6 מטרים בתחנת כוח הידרו-נמוך, בדרך כלל משתמשים בתעלת מנחה המים ותעלת המים הפתוחה, ואין בריכה קדמית וצינור מים בלחץ.עבור תחנות כוח עם טווח אספקת חשמל קטן ומרחק שידור קצר, העברת כוח ישירה מאומצת ואין צורך בשנאי.תחנות כוח מים עם מאגרים לא צריכות לבנות סכרים.השימוש בפתחי פתחים עמוקים, צינורות פנימיים של סכר (או מנהרות) ושפכים מונעים את הצורך במבנים הידראוליים כגון מזימות, שערי יניקה, תעלות ובריכות לחץ קדמיות.
כדי לבנות תחנת כוח הידרו, קודם כל, יש לבצע עבודת סקר ותכנון קפדנית.בעבודת התכנון שלושה שלבי תכנון: תכנון מקדים, תכנון טכני ופירוט בנייה.על מנת לעשות עבודה טובה בעבודת התכנון, יש צורך קודם כל לבצע עבודת סקר יסודית, כלומר להבין היטב את התנאים הטבעיים והכלכליים המקומיים – קרי טופוגרפיה, גיאולוגיה, הידרולוגיה, הון וכדומה.ניתן להבטיח את נכונות ואמינות העיצוב רק לאחר שליטה במצבים אלו וניתוחם.
למרכיבים של תחנות כוח מים קטנות יש צורות שונות בהתאם לסוג תחנת כוח המים.
3. סקר טופוגרפי
לאיכות עבודת הסקר הטופוגרפי יש השפעה רבה על המתווה ההנדסי ועל הערכת הכמות ההנדסית.
חקר גיאולוגי (הבנת תנאים גיאולוגיים) בנוסף להבנה כללית ומחקר על הגיאולוגיה של קו פרשת המים ולאורך הנהר, יש צורך גם להבין האם הבסיס של חדר המכונות מוצק, מה שמשפיע ישירות על בטיחות הכוח התחנה עצמה.ברגע שהמטח בעל נפח מאגר מסוים ייהרס, הוא לא רק יפגע בתחנת הכוח הידרומית עצמה, אלא גם יגרום לאובדן נפשות ורכוש עצום במורד הזרם.
4. בדיקה הידרולוגית
עבור תחנות כוח מים, הנתונים ההידרולוגיים החשובים ביותר הם תיעוד של מפלס מי הנהר, זרימה, תכולת משקעים, תנאי הקרח, נתונים מטאורולוגיים ונתוני סקר שיטפונות.גודל זרימת הנהר משפיע על מתווה השפך של תחנת הכוח הידרומית.אי הערכת חומרת השיטפון תגרום לנזקי הסכר;המשקעים שנישאים על ידי הנהר יכולים למלא במהירות את המאגר במקרה הגרוע ביותר.למשל, תעלת הזרימה תגרום לתעלה להיסחף, והמשקעים הגסים יעברו דרך הטורבינה ויגרום לשחיקה של הטורבינה.לכן, הקמת תחנות כוח הידרו חייבת להיות בעלת נתונים הידרולוגיים מספקים.
לכן, לפני שמחליטים על הקמת תחנת כוח הידרו, יש לחקור תחילה את כיוון ההתפתחות הכלכלית באזור אספקת החשמל ואת הביקוש העתידי לחשמל.במקביל להעריך את מצבם של מקורות כוח נוספים באזור הפיתוח.רק לאחר מחקר וניתוח של המצב לעיל נוכל להחליט האם צריך לבנות את תחנת הכוח ההידרומית ועד כמה צריך להיות קנה המידה.
ככלל, מטרת עבודת סקר כוח הידרו היא לספק מידע בסיסי מדויק ומהימן הדרוש לתכנון והקמת תחנות כוח מים.
5. תנאים כלליים לבחירת אתר
ניתן להסביר את התנאים הכלליים לבחירת אתר מארבעת ההיבטים הבאים:
(1) האתר הנבחר צריך להיות מסוגל לנצל את אנרגיית המים בצורה החסכונית ביותר ולעמוד בעקרון החיסכון בעלויות, כלומר לאחר השלמת תחנת הכוח, מוזיל הסכום המועט ביותר ומופק הכי הרבה חשמל. .בדרך כלל ניתן למדוד זאת על ידי אומדן ההכנסות השנתיות מייצור חשמל וההשקעה בהקמת התחנה כדי לראות כמה זמן ניתן להחזיר את ההון המושקע.עם זאת, התנאים ההידרולוגיים והטופוגרפיים שונים במקומות שונים, וגם צרכי החשמל שונים, ולכן אין להגביל את עלות הבנייה וההשקעה בערכים מסוימים.
(2) התנאים הטופוגרפיים, הגיאולוגיים וההידרולוגיים של האתר הנבחר צריכים להיות עדיפים יחסית, וצריכות להיות אפשרויות בתכנון ובבנייה.בהקמת תחנות כוח מים קטנות, השימוש בחומרי בניין צריך להיות בהתאם לעיקרון של "חומרים מקומיים" ככל האפשר.
(3) האתר הנבחר נדרש להיות קרוב ככל האפשר לאזור אספקת החשמל והעיבוד כדי לצמצם את השקעת ציוד הולכת החשמל ואובדן החשמל.
(4) בעת בחירת האתר, יש להשתמש ככל האפשר במבנים ההידראוליים הקיימים.כך למשל ניתן להשתמש במפל המים להקמת תחנת כוח הידרו בתעלת השקיה, או לבנות תחנת כוח הידרומית לצד מאגר השקיה להפקת חשמל מזרם ההשקיה וכדומה.מכיוון שתחנות הכוח הידרומיות הללו יכולות לעמוד בעקרון של ייצור חשמל כאשר יש מים, המשמעות הכלכלית שלהן ברורה יותר.