Коришћење енергије тока воде, уређај хидрауличних конструкција хидроелектрана (ХЕ)

Енергија водених токова

Енергија (потенцијал) коју има ток воде одређена је двема величинама: количином воде која тече и висином њеног пада на ушће.

У природном стању, енергија речног тока се троши на ерозију канала, пренос честица тла, трење о обалама и дну.

На тај начин се енергија протока воде распоређује по целом току, али неравномерно — у зависности од нагиба дна и секундарног протока воде. Да би се искористила енергија тока унутар одређеног подручја, потребно је концентрисати је у једном одсеку - у једној линији.

Понекад такву концентрацију ствара природа у виду водопада, али у већини случајева она мора бити створена вештачки, уз помоћ хидрауличне конструкције.

Хидроелектрана Итаипу је највећа хидроелектрана на свету за производњу електричне енергије

Енергија је концентрисана на градилишту хидроелектране (ХЕ) два начина:

• брана која блокира реку и подиже воду у сливу узводно — узводно Н метара од нивоа слива низводно — низводно. Разлика у узводном и низводном нивоу Х назива се глава. Хидроелектране у којима је глава створена браном називају се близу бране и обично се граде на равним рекама;

• уз помоћ посебног бајпас канала — деривационог канала. Деривационе станице се углавном граде у планинским пределима. Деверзиони канал има веома мали нагиб, тако да је на његовом крају готово потпуно концентрисано цео врх речног дела који је окружен каналом.

Сила струјања у поравнању структуре одређује се количином воде која прође кроз капију у једној секунди, К и напоном Х. Ако се К мери у м3/сец, а Х у метрима, тада ће проток у секцији бити једнак:

Пп = 9,81 * К* 3 кВ.

Само део овог капацитета, једнак ефикасности инсталације, користиће се у електроагрегатима хидроелектране. Дакле, снага електране на глави Х и проток воде кроз турбине К биће:

П = 9,81*Б* Х* ефикасност кВ.

Стројарница за хидроелектрану

У реалним условима рада хидроелектрана, део воде се може испуштати поред турбина.

Енергија потока се користи вековима. Широка употреба водене снаге постала је могућа тек крајем 19. века, када је изумљена електрични трансформатор и створио трофазни систем наизменичне струје... Способност преноса енергије на велике удаљености омогућила је да се искористи енергија најмоћнијих водених струја.

Кинеска хидроелектрана Три клисуре, смештена на реци Јангце, највећа је на свету по инсталисаном капацитету.

Састав и уређење хидротехничких објеката хидроелектрана

Структура јединице конструкција бране хидроелектране обично укључује:

• брана глава. У горњем току бране формира се резервоар веће или мање запремине у зависности од топографских услова и висине бране, који регулише проток воде кроз турбине у складу са распоредом оптерећења;

• зграда хидроелектране;

• олуци, имају другачију намену и сходно томе другачији дизајн: за испуштање вишка воде која се не користи у турбинама, на пример током поплава (преливања); за спуштање водног хоризонта у преливним водама, што је понекад неопходно, на пример, при поправци хидрауличних објеката (дренажа); за дистрибуцију воде између корисника воде (водозахватни објекти);

• транспортних објеката — пловне браве, које омогућавају пловидбу на реци, полице и сплавове за дрвено сплаварење;

• објекти за пролаз риба.

Деоница о згради хидроелектране

Типичне структуре деривационе хидроелектране — одводни канал и цевовод од канала до турбина.

Главна вредност, технички најодговорнија и најскупља карика у блоку хидроелектрана је брана. Бране се разликују дуж путање воде:

• глувкоји не дозвољавају пролаз воде;

• преливу којој се вода прелива преко врха бране;

• Огласна таблакоји пуштају воду када се отворе штитови (капије).

Корналво је брана у Шпанији, у провинцији Бадахос, која је у функцији скоро 2.000 година.

Бране су обично земљане и бетонске.

Попречни профил земљане бране: 1 — зуб; 2 — заштитни слој песка и шљунка; 3 — глинена мрежа: 4 — тело бране; 5 — водоотпорни основни слој

На слици је приказан профил глинене бране изграђене на пропусном слоју мале дебљине. Тело бране се испушта из било ког земљишта које не садржи велику количину органских нечистоћа и соли растворљивих у води.

Приликом пуњења бране пропусним земљиштима, у тело бране се поставља глинена решетка која спречава филтрацију воде. Пропустљиви слој на коме је изграђена брана сече водоотпорним зубом из истих разлога.

Ако је брана потпуно испуњена глином или песковитим земљиштем, онда нема потребе за баријером за процеђивање. На врху, екран је прекривен заштитним слојем песка и шљунка, који је заузврат заштићен од таласне ерозије каменим плочником (од врха бране до ознаке која лежи 0,5—0,7 м испод најнижег могућег водостаја у горњим водама).

Приликом пуњења глинене бране, сваки слој се пажљиво сабија ваљцима. Недопустиво је одвођење воде кроз гребен глинене бране, јер постоји опасност од њене ерозије. Пут се обично гради дуж гребена земљане бране, која дефинише ширину гребена. Гребен је асфалтиран на уобичајен начин.

Ширина основе бране зависи од њене висине и од претпостављеног нагиба падина према хоризонту. Узводна падина постаје равнија од низводне падине.

Тренутно се метода хидромеханизације широко користи у изградњи великих земљаних брана.

Брана Виллов Цреек, Орегон, САД, брана гравитационог типа направљена од бетона

Шема слепе бетонске бране: 1 — одводњавање бране; 2 — галерија за гледање; 3 — колектор; 4 — дренажа темеља

На слици је приказана празна бетонска брана правилног профила са саобраћајном траком на врху. За поузданију везу бране са тлом и обалама, темељ бране је направљен у облику неколико ивица. На страни притиска налази се зуб дубине 0,05 — 1,0 З.

За сузбијање филтрације испод зуба се постављају антифилтрационе завесе, за које се, кроз систем бушотина пречника 5 — 15 цм, цементни раствор убризгава у пукотине подлоге (земља).

Иако је тело бране направљено од чврстог бетона, вода увек продире кроз њега. За одводњавање ове воде низводно, у брани је уређен дренажни систем који се састоји од вертикалних бунара - дрена (пречника 20 - 30 цм) направљених у телу бране на сваких 1,5 - 3 м.

Вода која се одводи кроз њих улази у кивете осматрачке галерије 2, одакле се хоризонталним колекторима 3 одводи до доњег базена. За праћење стања бетона и филтрације воде направљена је осматрачка галерија, која се читавом дужином простире у телу бране.

Изведене водоводне конструкције се најчешће реализују у облику отвореног канала. У меким земљиштима пресек канала је обично трапезоидан. Зидови и дно канала су обложени бетоном или асфалтом како би се смањила филтрација, спречила ерозија, смањила храпавост и повезани губици притиска. Користи се и облога од калдрме.

Диверзиони канали у каменитим земљиштима имају правоугаони пресек.Уколико није могуће извести отворени канал користе се удубљења правоугаоног или кружног пресека.Вода из одводног канала до турбина се доводи цевоводима.Цевоводи се металне, армиранобетонске и дрвене.