Гидроэнергетика

Гидроэнергетика — область хозяйственно-экономической деятельности человека, совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования энергии водного потока в электрическую энергию.

Существование рек вызвано круговоротом воды в природе. Этапы круговорота: испарение воды в морях и океанах под действием энергии Солнца превращение водяных паров в верхних (более холодных) слоях атмосферы в капельки, облака - осадки - ручьи, реки. Кинетическая энергия движущейся воды является преобразованной энергией солнечной радиации. Ежегодно в круговорот вовлекается 1/2000 часть воды на планете.

Преобразование потенциальной энергии воды, накопленной в водоемах, в механическую энергию вращения с целью приведения в действие мельниц и других механизмов применялось со времен Римской империи. Известно, что в 200 г.н.э. у римлян был в распоряжении целый мукомольный комплекс, состоящий из 16 мельниц, приводимых в движение вертикальными черпаковыми колесами. Производительность комплекса составляла 28 тонн муки в сутки. В XIV веке в Европе насчитывались десятки тысяч водяных колес, снабжавших различные предприятия механической энергией.

Свое развитие гидроэнергетика получила в XIX веке, когда благодаря открытиям физики и техническому прогрессу стало возможным преобразование гидроэнергии в электрическую энергию. В 1820 году французский инженер Б.Фурнерон изобретает турбину, в 1847 году Дж. Френсис - реактивную турбину, в 1880 году сконструирована ковшовая гидротурбина (турбина Пелтона). В 1882 году эта турбина была соединена с электрогенератором. С помощью гидроэнергии стало возможным получать электричество. В 1901 году еще одно важнейшее событие: на Ниагарском водопаде Дж.Вестингаузем получен переменный ток. Еще полвека назад около 40% электроэнергии в мире вырабатывали гидростанции, сегодня их доля лишь 14%.

Гидроэлектростанции (ГЭС). Одним из элементов ГЭС является плотина, создающая водохранилище и перепад уровней воды. Водохранилище является своеобразным аккумулятором потенциальной энергии рек. Вода под напором, создаваемым плотиной, направляется в водовод, который заканчивается турбиной. Турбина преобразует механическую энергию движения потока в механическую энергию вращения вала, к которому присоединен ротор генератора. Генератор преобразует механическую энергию вращения вала в электрическую энергию. Для предотвращения водовода от засорения на его входе устанавливается защитная сетка.

Мощности гидротурбин достигают несколько сотен МВт, а частота вращения обычно не превышает 100 об/мин. Это определяет их большие размеры. Например, рабочее колесо турбин Волжской ГЭС имеет высоту около 10 м и массу 420 т. КПД гидротурбины достигает 95-96%.

Вода, поступающая на турбину под высоким напором, имеет большую потенциальную энергию, чем при малом напоре, и поэтому на высоконапорной электростанции требуется меньший расход воды для получения одинаковой мощности. Чем выше напор, тем меньше необходимые габариты турбины, что удешевляет стоимость всего сооружения.

Капитальные затраты на сооружение ГЭС в несколько раз больше, чем при строительстве ТЭС одинаковой мощности. Однако практическое отсутствие затрат на топливо и низкие эксплуатационные затраты обуславливают невысокую себестоимость электроэнергии.

Негативными сторонами ГЭС являются сильное влияние водохранилища на окружающую среду, ее флору и фауну. Затапливаются большие площади и тем самым исключаются из сложившейся хозяйственной деятельности.
В мире действуют более 70 гидроэлектростанций мощностью выше 1000 МВт. Самая большая ГЭС построена на реке Парана на границе Бразилии и Парагвая. Ее мощность 12600 МВт. Строительство началось в 1975 году, начала давать ток в 1984 году. Стоимость строительства - $11 млрд.

Первая в России ГЭС была построена близ Ессентуков в 1903 году. Мощность Красноярской ГЭС 6000 МВт; Братской ГЭС 4300 МВт. Еще более мощная ГЭС - Саяно-Шушенская ГЭС (7300 МВт). Самое крупное в мире искусственное водохранилище Братское на реке Ангаре (169 млрд.куб.м). Заполнялось в 1961-1967 годах. Самая высокая плотина в мире построена на реке Вахш (Таджикистан) - Рогунская ГЭС 355 м.

В начале нашего века большой известностью пользовалось предложение Г.Зергеля. Известно, через Гибралтарский пролив из Атлантического океана в Средиземное море каждую секунду перетекает 88000 м3 воды, восполняющих испарение в Средиземноморье. Поэтому, если уровень Средиземного моря искусственно понизить на 200 метров, то можно на электростанциях, устроенных в Гибралтарском проливе, вполне свободно получить Электроэнергию мощностью 120 миллионов киловатт. Для этого надо лишь перегородить Гибралтар плотиной.

Энергия волн. Первопричина появления волн - ветер. Он дает часть своей энергии воде, приводя в движение поверхностные слои. В качестве предложения по использованию энергии волн рассматривается следующее: в прибрежных районах океана сооружаются плавающие конструкции, которые при прохождении волн должны либо качаться друг относительно друга, либо иметь шарнирную конструкцию, позволяющую одной части подниматься и опускаться вслед за волной, а другой - оставаться неподвижной. Относительные смещения элементов конструкций используются для привода электрогенератора.

Приливные гидростанции. Приливы и отливы - периодические колебания уровня океана - обусловлены гравитационными воздействиями Луны и Солнца, а также центробежными силами, возникающими при вращении Земли. Влияние Луны, находящейся ближе, определяет основные черты приливов (высота солнечного прилива примерно в 2,2 раза меньше лунного). Луна притягивает к себе как воду, так и сушу. В силу большей текучести океанская вода смещается и как бы приподнимается с той стороны Земли, которая обращена к Луне. По мере вращения Земли эта область перемещается и доходит до границы раздела океан - суша. Обычно интервал между приливами и отливами равен 12 часов 25 минут.
Самые сильные приливы и отливы бывают в заливе Фанди (Канада). Средняя амплитуда приливов и отливов составляет 14,5 м. В 1953 году в канадском заливе Унгава были зарегистрированы приливы и отливы амплитудой 16,6 м. В России у берегов Охотского моря регистрируются приливные волны до 13 м.

Энергию приливов стали использовать еще в XI веке в приливных мельницах на побережьях Андалусии и Англии. Позднее механическая энергия приливов стала использоваться для получения электроэнергии на приливных электростанциях. Впервые такая попытка была сделана в 1935 году инженером Д.Купером. Работы по сооружению приливных электростанций были тогда приостановлены из-за ожидаемой высокой себестоимости получения электроэнергии.

Приливная электростанции (ПЭС). Залив отгораживается от моря плотиной. Если открыть шлюз в дамбе в то время, когда приливная волна набирает высоту, дать возможность заполниться водохранилищу и затем в высшей точке прилива шлюз закрыть, то накопленную воду можно во время отлива пропустить через турбины и таким образом выработать электроэнергию. Эффективность ПЭС можно повысить, если турбины сконструировать реверсивными; в этом случае они будут работать как при заполнении водохранилища, так и при опорожнении. Независимо от конструкции ПЭС теоретически возможно использовать лишь около 60 % полной энергии водного потока. Реально удается взять лишь 40%. Экономически целесообразно использовать энергию приливов при перепаде уровней прилив-отлив более 3 м.

Источник: yznaika.com