Электростанции

Такие страны как Норвегия, Исландия и  Канада являются лидерами по выработке  гидроэнергии на гражданина. Наиболее активно ведет строительство  гидроэлектростанций Китай. Для  этого государства гидроэнергия является наиболее перспективным источником энергии и, очевидно, он в скором времени станет основным. Кроме того, именно Китай является мировым лидером  по количеству малых гидроэлектростанций.

Наиболее  крупные ГЭС расположены на территории Китая (Санься на реке Янцзы, Бразилии (Итайпу на реке Парана и Тукуруи  на реке Токантин), Венесуэлы (Гури на реке Карони). Развивается гидроэнергетическая  отрасль и в России. Сегодня  на территории Российской Федерации  функционируют сто две гидроэлектростанции.

Суммарная мощность всех работающих российских гидроагрегатов – сорок пять миллионов КВт (это пятое место в мире). При этом доля гидроэлектростанций в общем объёме получаемой российской энергии составляет двадцать один процент. А это не так уж и много, особенно, учитывая то, что Россия находится на втором месте по экономическому потенциалу гидроресурсов (около 852 миллиардов КВт в час). Но освоены эти ресурсы лишь на двадцать процентов.

2. Перспективы гидроэнергетики

Без сомнения, энергообеспечение – одна из наиболее актуальных проблем человечества. Мировые запасы нефти и газа стремительно уменьшаются и недалёк тот день, когда они будут полностью исчерпаны. Это понимают все, и поэтому с каждым годом всё большее число специалистов изучает возможности их равноценной замены. Сегодня существует несколько направлений альтернативной энергетики: использование солнечной энергии и энергии ветра, биоэнергетика, геотермальная энергетика.

Каждое  их этих направлений отличается определёнными  достоинствами и недостатками. И  поэтому необходимо определиться: какой  альтернативный источник энергии лучше  всего подходит для удовлетворения нужд человечества и в то же время  наносит минимальный ущерб природе.

3. Потенциал мировой гидроэнергетики

Потенциал гидроэнергетики можно определить, суммировав все существующие на планете  речные стоки. Расчёты показали, что  мировой потенциал равен 50 миллиардам КВт в год. Но и эта весьма впечатляющая цифра составляет лишь четверть от количества осадков, ежегодно выпадающих во всём мире.

С учётом условий каждого конкретного  региона и состояния мировых рек действительный потенциал водных ресурсов составляет от двух до трёх миллиардов КВт. Эти цифры соответствуют годовой выработке энергии в 10 000 – 20 000 миллиардов КВт в час (приведены данные ООН).

Чтобы осознать потенциал гидроэнергетики, выраженный этими цифрами, следует  сопоставить полученные данные с  показателями нефтяных теплоэлектростанций. Чтобы получить такое количество электроэнергии, станциям, работающим на нефти, требовалось бы около сорока миллионов баррелей нефти каждый день.

Вместе  с тем, не теряет актуальность вопрос: какую долю этого природного богатства  человечество может позволить себе использовать? Для ответа на этот вопрос необходимо представлять возможные  последствия работы гидроэлектростанций  для окружающей среды.

4. ГЭС

Гидроэлектростанция представляет собой комплекс различных  сооружений и оборудования, использование  которых позволяет преобразовывать  энергию воды в электроэнергию. Гидротехнические сооружения обеспечивают необходимую концентрацию потока воды, а дальнейшие процессы производятся при помощи соответствующего оборудования. Гидроэлектростанции возводятся на реках, сооружая плотины и водохранилища. Большое значение для эффективности работы станции имеет выбор места. Необходимо наличие двух факторов: гарантированная обеспеченность водой в течение всего года и как можно больший уклон реки. Гидроэлектростанции разделяются на плотинные (необходимый уровень реки обеспечивается за счёт строительства плотины) и деривационные (производится отвод воды из речного русла к месту с большой разностью уровней). Отличаться может и расположение сооружений станции. Например, здание станции может входить в состав водонапорных сооружений (так называемые русловые станции) или располагаться за плотиной (приплотинные станции).

5. Технологии

Работа  гидроэлектростанций основана на использовании кинетической энергии падающей воды. Для преобразования этой энергии применяются турбина и генератор. Сначала эти устройства вырабатывают механическую энергию, а затем уже электроэнергию. Турбины и генераторы могут устанавливаться непосредственно в дамбе или возле неё. В некоторых случаях используется трубопровод, посредством которого вода, находящаяся под давлением, подводится ниже уровня дамбы или к водозаборному узлу ГЭС. Индикаторами мощности гидроэлектростанций являются две переменные: расход воды, который измеряется в кубических метрах и гидростатический напор. Последний показатель представляет собой разность высот между начальной и конечной точкой падения воды. Проект станции может основываться на каком-то одном из этих показателей или на обоих. Современные технологии производства гидроэлектроэнергии позволяют получать довольно высокий КПД. Иногда он в два раза превышает аналогичные показатели обычных теплоэлектростанций. Во многом такая эффективность обеспечивается особенностями оборудования гидроэлектростанций. Оно очень надёжно, да и пользоваться им просто. Кроме того, всё используемое оборудование обладает ещё одним важным преимуществом. Это длительный срок службы, что объясняется отсутствием теплоты в процессе производства. И действительно часто менять оборудование не нужно, поломки случаются крайне редко. Минимальный срок службы электростанций – около пятидесяти лет. А на просторах бывшего Советского Союза успешно функционируют станции, построенные в двадцатых или тридцатых годах прошлого века. Управление гидроэлектростанциями осуществляется через центральный узел, и вследствие этого в большинстве случаев там работает небольшой персонал.

6. Принцип работы ГЭС

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый  напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию. Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией – естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию. Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.

Гидроэлектрические  станции разделяются в зависимости  от вырабатываемой мощности:

• мощные – вырабатывают от 25 МВТ и выше;
• средние – до 25 МВт;
• малые гидроэлектростанции – до 5 МВт.

Мощность ГЭС напрямую зависит от напора воды, а также от КПД используемого генератора. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.

7. Плотина

Плотина – это массивная перемычка, цель которой – удерживать водный поток. Плотина – незаменимый инструмент при практическом использовании водных ресурсов. Кстати, в течение долгого времени теории строительства плотин не существовало. Только в 1853 году французский инженер Сазилли обосновал некоторые теоретические постулаты. Плотины обеспечивают повышение уровня воды в реке или её отвода. В последнем случае плотины обеспечивают судоходство или орошение земель.

Плотины могут отличаться в зависимости  от конструкции и разделяться  на гравитационные, арочные и др. Гравитационные плотины выглядят как  каменные или бетонные заграждения. Конструкции этого типа препятствуют поступлению воды своим весом. Арочные  выполняют свои обязанности благодаря  особой конструкции. Успешное функционирование плотин зависит от трёх показателей: сопротивления вертикальных элементов  сооружения, массы и особенностей арочной конструкции, которая опирается  на береговые устои. При возведении плотины необходимо учитывать воздействие  некоторых внешних факторов. Это  так называемые сдвигающие силы, появление  которых обусловлено воздействием воды, ветра, ударами волн, перепадами температуры. Пренебрежение строителей к вышеперечисленным факторам может привести к разрушению плотины. Поэтому производятся определённые расчёты, позволяющие воспрепятствовать негативному действию сдвигающих сил.

Например, горизонтальная составляющая давления воды увеличивается с глубиной и равна произведению  ( – вес единицы объёма воды, – глубина). Это означает, что общее гидростатическое давление равно . Очень важно и вместе с тем достаточно сложно точно рассчитать фильтрационное давление, которое воздействует на подошву конструкции из-за того, что под неё просачивается вода. Чтобы определить степень вероятности таких процессов, необходимо проведение исследований. При этом многое зависит от грунтового ложа. Если фундамент плотины установлен на гальке, речном песке, пористой породе, то давление на основание конструкции будет равно полному гидростатическому напору. В том случае, когда основание плотины соединено со скальными породами при помощи цемента и щели практически отсутствуют, можно получить давление, равное всего лишь 10–40% гидростатического напора.

8. Большая и малая гидроэнергетика

В настоящее время функционируют  гидроэлектростанции самой разной мощности. В связи с этим ГЭС  обычно разделяют на большие и  малые. Большими считаются станции  с мощностью более 10 МВт, все остальные соответственно признаны малыми. Для создания больших гидроэлектростанций необходим ряд условий. Прежде всего, это хорошая инфраструктура, например, дороги, необходимые во время строительства объекта. Кроме этого, необходимо иметь доступ к энергосетям, что позволит обеспечить электричеством большое количество людей. Большие ГЭС являются либо государственной собственностью, либо принадлежат крупным компаниям. Для управления и обслуживания больших станций необходим штат высококвалифицированных специалистов. По причине большого размера станции и возможности увеличении нагрузки себестоимость производимой энергии довольно низка. Развитие большой гидроэнергетики возможно в тех случаях, когда существует необходимость в большом централизованном энергопотреблении. Как правило, большие гидроэлектростанции обслуживают нужды крупной промышленности и мегаполисов. Если потенциал действительно велик, то большая гидроэнергетика в состоянии внести существенный вклад в общенациональное энергообеспечение.

Малые гидроэлектростанции обычно обладают всеми преимуществами больших, но при  этом предоставляют возможность  подавать энергию децентрализовано. Кстати малые ГЭС выгодно отличаются и отсутствием некоторых недостатков, присущих большим станциям. Это, например, уменьшение или полное отсутствие негативного  влияния на окружающую среду.

Малая энергетика позволяет каждому региону  использовать собственные ресурсы. На сегодняшний день в мире эксплуатируется  несколько тыс. малых гидроэлектростанций. Малые станции производят электроэнергию в тех случаях, когда уровень воды в реке достаточен для этого. Если малая гидроэлектростанция дополнена аккумуляторной системой, то существует возможность накопления полученной энергии, что помогает избежать перебоев в подаче электричества. Особый интерес малая гидроэнергетика представляет для развивающихся стран, поскольку не требует сложного и дорогостоящего оборудования.

9. Новые разработки

Как известно, гидроэлектростанции не могут  работать без воды и потому возводятся на берегах рек. Для этого необходимо строить плотину и другие сооружения. Весь комплекс работ следует проделывать даже при возведении малых ГЭС. Но в последнее время некоторые учёные высказывают достаточно оригинальные предположения: нельзя ли построить такую станцию на расстоянии от речного берега? Казалось бы, ответ на вопрос ясен, конечно же, нет. Но не нужно торопиться. Оказывается, реализовать подобные планы можно, уже существует несколько вариантов решения проблемы. Авторы идеи утверждают, что главное условие существования установки – наличие воды и напора – можно обеспечить и вдали от рек. Для создания напора предлагается использовать силу взрывной волны. Благодаря этому энергия воды направляется на лопасти гидротурбины.

Представим  одиночный энергоблок, который будет  состоять из корпуса (железобетонный или  металлический цилиндр, заполненный  водой) и взрывной камеры. Предполагаемый диаметр цилиндра – от восьмидесяти до ста двадцати сантиметров, высота достигает двух метров. На высоте полутора метров устанавливается гидротурбина, лопасти которой сконструированы особым образом: ось выходит на крышку цилиндра, где соединяется через редуктор с генератором тока. Как же такое устройство обеспечивает преобразование энергии воды в электроэнергию? В камере происходит взрыв определенного количества вещества. Взрывная волна жидкости проходит по стволу и попадает в цилиндр. Вследствие этого происходит вращение лопастей турбины, что, в свою очередь, является причиной работы гидрогенератора.

По  мнению разработчиков проекта, самым  важным условием для обеспечения  эффективности изобретения является правильный расчёт веса взрывной волны, необходимого для производства волны, а не всплеска. Кроме того, должна быть точно рассчитана периодичность  взрывов, что позволит избежать перерывов  в действии устройства и не снижать  скорость вращения лопастей. На стадии разработки находятся и другие варианты подобных установок.

10. Основные  достоинства и недостатки

Основные  преимущества гидроэнергетики очевидны. Разумеется, главным преимуществом  гидроресурсов является их возобновляемость: запас воды практически неисчерпаем. При этом гидроресурсы значительно опережают в развитии остальные виды возобновляемых источников энергии и способны обеспечивать энергией большие города и целые регионы.

Кроме того, пользоваться этим источником энергии  можно достаточно просто, что подтверждается длительной историей гидроэнергетики. Например, генераторы гидроэлектростанций  можно включать или выключать  в зависимости от энергопотребления. Себестоимость строительства гидроэлектростанций  является довольно низкой.