Как строят гидроэлектростанции. Принцип работы гидроэлектростанции. ГЭС по принципу использования природных ресурсов

Краткая характеристика работы гидроэлектростанции

ГЭС – комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. ГЭС состоит из последовательной цепи гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора, и энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в механическую энергию вращения, которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую энергию.

Напор ГЭС создается концентрацией падения воды реки на используемом участке плотиной, либо деривацией, либо плотиной и деривацией совместно.

Основное энергетическое оборудование ГЭС размещается в здании ГЭС:

• в машинном зале электростанции – гидроагрегаты, вспомогательное оборудование, устройства автоматического управления и контроля;
• в центральном посту управления – пульт оператора-диспетчера или автооператор гидроэлектростанции;
• повышающая трансформаторная подстанция размещается как внутри здания ГЭС, так и в отдельных зданиях или на открытых площадках;
• распределительные устройства зачастую располагаются на открытой площадке;
• при здании ГЭС или внутри него создаётся монтажная площадка для сборки и ремонта различного оборудования и для вспомогательных операций по обслуживанию ГЭС.

По схеме использования водных ресурсов и концентрации напоров ГЭС обычно подразделяют на русловые, приплотинные, деривационные с напорной и безнапорной деривацией, смешанные, гидроаккумулирующие и приливные. Подробнее остановимся на русловых ГЭС.

В русловых ГЭС (рис.Е.1.) напор воды создаётся плотиной, перегораживающей реку и поднимающей уровень воды в верхнем бьефе. При этом неизбежно неĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ затопление долины реки. На равнинных реках наибольшая экономически допустимая площадь затопления ограничивает высоту плотины. Русловые ГЭС строят и на равнинных многоводных реках и на горных реках, в узких сжатых долинах.

В состав сооружений русловой ГЭС, кроме плотины, входят здание ГЭС и водосбросные сооружения. Состав гидротехнических сооружений зависит от высоты напора и установленной мощности. У русловой ГЭС здание с размещенными в нём гидроагрегатами служит продолжением плотины и вместе с ней создаёт напорный фронт. При этом с одной стороны к зданию ГЭС примыкает верхний бьеф, а с другой - нижний бьеф. Подводящие спиральные камеры гидротурбин своими входными сечениями закладываются под уровнем верхнего бьефа, выходные же сечения отсасывающих труб погружены под уровнем нижнего бьефа.

В соответствии с назначением гидроузла в его состав могут входить судоходные шлюзы или судоподъёмник, рыбопропускные сооружения, водозаборные сооружения для ирригации и водоснабжения. Для русловых ГЭС характерны напоры до 30-40 м. На крупных равнинных реках основное русло перекрывается земляной плотиной, к которой примыкает бетонная водосливная плотина и сооружается здание ГЭС. Такая компоновка типична для многих отечественных ГЭС на больших равнинных реках.

Отдельные ГЭС или каскады ГЭС, как правило, работают в системе совместно с конденсационными электростанциями, теплоэлектроцентралями (ТЭЦ), атомными электростанциями (АЭС), газотурбинными установками (ГТУ), причём исходя из характера участия в покрытии графика нагрузки энергосистемы ГЭС бывают базисными, полупиковыми и пиковыми.

Важнейшая особенность гидроэнергетических ресурсов по сравнению с топливно-энергетическими ресурсами – их непрерывная возобновляемость.

Из-за большой площади зеркал водохранилищ наиболее крупных ГЭС ущерб, наносимый природе, значителœен. Наиболее значимым фактором воздействия крупных гидроэлектростанций на экосистему водосброса является создание водохранилищ и затопление земель. Это вызывает изменение видового состава, численности биомассы растений, животных, формирование новых биоценозов.

Эффективным способом уменьшения затопления территорий является увеличение количества ГЭС в каскаде с уменьшением на каждой ступени напора и, следовательно, зеркала водохранилищ.

Еще одна экологическая проблема гидроэнергетики связана с оценкой качества водной среды. В водохранилищах задерживается большая часть питательных веществ, приносимых реками. В теплую погоду водоросли способны массами размножаться в поверхностных слоях обогащенного питательными веществами, или эвтрофного, водохранилища. В ходе фотосинтеза водоросли потребляют питательные вещества из водохранилища и производят большое количество кислорода. Отмершие водоросли придают воде неприятный запах и вкус, покрывают толстым слоем дно и препятствуют отдыху людей на берегах водохранилищ. Массовое размножение, ʼʼцветениеʼʼ водорослей в неглубоких заболоченных водохранилищах делает их воду непригодной ни для промышленного использования, ни для хозяйственных нужд.

В случае если вопрос о положительном или отрицательном влиянии водохранилищ на качество воды до сих пор остается спорным, то негативное влияние неочищенных стоков, бесспорно. Большие объёмы воды и высокий эффект самоочищения в водохранилищах побуждают к строительству предприятий без должной очистки стоков, что превращает водохранилища в огромные отстойники сточных вод.

Кроме загрязнения объективным показателœем качества является состояние обитающих в воде живых организмов. Наиболее тесно связаны с водными массами планктонные организмы. В условиях верхнего бьефа формируется планктобиоценоз озерного типа, а в условиях нижнего – речного. Как правило, организмы сообществ озерного типа не приспособлены к жизни в реке. В речных условиях течение даже средней силы оказывает губительное влияние на озерные виды организмов. На структуру и динамику планктона влияют и сами гидротехнические сооружения, т.к. при преодолении гидроагрегатов планктон подвергается разрушению.

Рис.Е.1. Разрез здания Волжской ГЭС: 1 – водоприемник, 2 – камера турбины, 3 – гидротурбина, 4 – гидрогенератор, 5 – отсасывающая труба, 6 – распределительные устройства (электрические), 7 – трансформатор, 8 – портальные краны, 9 – кран машинного зала, 10 – донный водосброс; НПУ – нормальный подпорный уровень, м; УНБ – уровень нижнего бьефа, м

Развитие ГЭС и их промышленное использование тесно связано с проблемой передачи электроэнергии на расстояние: как правило, места͵ наиболее удобные для сооружения ГЭС, удалены от базовых потребителœей электроэнергии.

И всœе же, рассматривая воздействие ГЭС на окружающую среду, следует отметить жизнесберегающую функцию ГЭС. Так выработка каждого млрд. кВт * ч электроэнергии на ГЭС вместо ТЭС приводит к уменьшению смертности населœения на 100-226 чел/год.

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж

Краткая характеристика работы гидроэлектростанции - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Краткая характеристика работы гидроэлектростанции" 2017, 2018.

Гидроэлектростанция - это комплекс сложных гидротехнических сооружений и оборудования. Его назначение - преобразовывать энергию потока воды в электрическую энергию. Гидроэнергия относится к числу так называемых возобновляемых источников энергии, т. е. практически неиссякаема.

Важнейшее гидротехническое сооружение - плотина . Она задерживает воду в водохранилище, создает необходимый напор воды. Гидравлическая турбина - главный двигатель на ГЭС. С ее помощью энергия воды, движущейся под напором, превращается в механическую энергию вращения, которая затем (благодаря электрическому генератору) преобразуется в электрическую энергию. Гидравлическая турбина , гидрогенератор, устройства автоматического контроля и управления - пульты размещены в машинном зале ГЭС. Повышающие трансформаторы могут располагаться и внутри здания, и на открытых площадках. Распределительные устройства чаще всего устанавливаются на открытом воздухе рядом со зданием электростанции.

В Советском Союзе, обладающем большими гидроэнергоресурсами (11112% от мировых), развернуто широкое строительство гидростанций. По установленной мощности гидроэлектриций. Только за 30 послевоенных лет, с 1950 станции подразделяют на малые - по 1980 год, выработка электроэнергии на до 5 МВт, средние - от 5 до 25 и крупные - ГЭС выросла более чем в 10 раз. свыше 25 МВт. В нашей стране действуют 20 ГЭС, на каждой из которых установленная мощность превышает 500 МВт. Крупнейшие из них - Красноярская (6000 МВт) и Саяно-Шушенская (6400 МВт) ГЭС.

Строительство ГЭС немыслимо без комплексного решения многих задач. Надо удовлетворять нужды не только энергетики, но и водного транспорта , водоснабжения, ирригации, рыбного хозяйства. Лучше всего этим задачам отвечает принцип каскадности когда на реке строят не одну, а ряд ГЭС, расположенных по течению реки. Это позволяет создать на реке несколько последовательно расположенных на разных уровнях водохранилищ, а значит, полнее использовать сток реки, ее энергетические ресурсы й маневрировать мощностью отдельных ГЭС. Каскады гидроэлектрических станций сооружены на многих реках. Кроме Волжского, каскады построены на Каме, Днепре, Чирчике, Раздане, Иртыше, Риони, Свири. Наиболее мощный Ангаро-Енисейский каскад с крупнейшими в мире ГЭС - Братской, Красноярской, Саяно-Шушенской и Богучанской общей мощностью около 17 ГВт и годовой выработкой 76 млрд. кВт- ч электроэнергии.

Существует несколько видов электростанций, использующих энергию потока воды. Помимо гидроэлектростанций строят еще гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) и приливные электростанции (ПЭС). С первого взгляда едва ли заметишь разницу между обычной гидроэлектростанцией и гидро-аккумулирующей электростанцией. Такое же здание, где размещено главное энергетическое оборудование, такие же линии электропередачи. Нет принципиальной разницы и в способе производства электроэнергии. В чем же особенности ГАЭС?

В отличие от ГЭС гидроаккумулирующая станция требует два водохранилища (а не одно) емкостью по нескольку десятков миллионов кубических метров. Уровень одного должен быть на несколько десятков метров выше другого. Оба водохранилища сообщаются между собой трубопроводами. На нижнем водохранилище строится здание ГАЭС. В нем так называемые обратимые гидроагрегаты - гидравлические турбины и электрические генераторы размещены на одном валу . Они могут работать и как генераторы тока, и как электрические водяные насосы . Когда потребление энергии уменьшается, например в ночные часы , гидравлические турбины выполняют роль насосов , перекачивая воду из нижнего водохранилища в верхнее. При этом генераторы работают как электрические двигатели , получающие электрическую энергию от тепловых и атомных электростанций. Когда же потребление электроэнергии возрастает, гидроагрегаты ГАЭС переключаются на обратное вращение. Падающая из верхнего водохранилища в нижнее вода вращает гидравлические турбины, генераторы вырабатывают электрическую энергию. Таким образом, ГАЭС в ночные часы как бы накапливает электроэнергию, вырабатываемую другими электростанциями, а днем отдает ее. Поэтому ГАЭС обычно служит, как говорят энергетики, для покрытия «пиков» нагрузки, т. е. она дает энергию тогда, когда в ней особо нуждаются. На земном шаре действуют более 160 ГАЭС. У нас в стране первая ГАЭС построена под Киевом. Она имеет малый напор, всего 73 м, и суммарную мощность 225 МВт.

Вступила в строй более крупная ГАЭС в Московской области, мощностью 1,2 ГВт, с напором 100 м.

Обычно ГАЭС строят на реках. Но, как оказалось, подобные электростанции можно строить на берегах морей и океанов. Только там они получили иное название - приливные электростанции (ПЭС).

Два раза в сутки в одно и то же время уровень океана то поднимается, то опускается. Это гравитационные силы Луны и Солнца притягивают к себе массы воды. Вдали от берега колебания уровня воды не превышают 1 м, но у самого берега они могут достигать 13 м, как, например, в Пенжинской губе на Охотском море.

Если залив или устье реки перегородить плотиной, то в момент наибольшего подъема воды в таком искусственном водохранилище можно запереть сотни миллионов кубических метров воды. Когда же в море наступает отлив, между уровнями воды в водохранилище и в море создается перепад, достаточный для вращения гидротурбин, установленных в зданиях ПЭС. Если водохранилище одно, ПЭС может вырабатывать электрическую энергию непрерывно в течение 4-5 ч с перерывами соответственно по 1-2 ч четыре раза за сутки (столько раз меняется уровень воды в водохранилище при приливах и отливах).

Чтобы устранить неравномерность выработки электроэнергии, водохранилище станции делится плотиной на 2-3 меньших. В одном поддерживают уровень отлива, в другом - уровень прилива, третье служит резервным.

На ПЭС устанавливают гидроагрегаты, которые способны работать с высоким КПД как в генераторном (производить электроэнергию), так и в насосном режиме (перекачивать воду из водохранилища с низким уровнем воды в водохранилище с высоким уровнем). В насосном режиме ПЭС работает тогда, когда в энергосистеме появляется избыточная электроэнергия. В этом случае агрегаты подкачивают или откачивают воду из одного водохранилища в другое.

В 1968 г. на побережье Баренцева моря в Кислой губе сооружена первая в нашей стране опытно-промышленная ПЭС. В здании электростанции размещено 2 гидроагрегата мощностью 400 кВт.

Десятилетний опыт эксплуатации первой ПЭС позволил приступить к составлению проектов Мезенской ПЭС на Белом море, Пенжинской и Тугурской на Охотском море.

Использование великих сил приливов и отливов Мирового океана, даже самих океанских волн - интересная проблема. К решению ее еще только приступают. Тут многое предстоит изучать, изобретать, конструировать.

Строительство крупных энергетических гигантов - будь то ГЭС, ГАЭС или ПЭС - каждый раз экзамен для строителей. Здесь соединяется труд рабочих самой высокой квалификации и разных специальностей - от мастеров бетонных работ до монтажников-верхолазов.

В энергосистеме ГЭС обычно используется для выработки электроэнергии, покрытия графика нагрузки, особенно его пиковой части, регулирования частоты электрического тока в системе, в качестве резерва и для выработки реактивной мощности в режиме синхронного компенсатора.

Режим работы ГЭС в энергосистеме зависит от расхода воды, напора, объема водохранилища, потребностей энергосистемы, ограничений по верхнему и нижнему бьефу.

Агрегаты ГЭС по техническим условиям могут быстро включаться, набирать нагрузку и останавливаться. Причем включение и выключение агрегатов, регулирование нагрузки могут происходить автоматически при изменении частоты электрического тока в энергосистеме. Для включения остановленного агрегата и набора полной нагрузки обычно требуется всего 1-2 мин.

Мощность на валу гидротурбины (кВт) определяется как

где т - расход воды через гидротурбину, м 3 /с;
Н т - напор турбины, м;
η т - коэффициент полезного действия (КПД) турбины.

Напор турбины равен:

где ∇ВБ, ∇НБ - отметки уровня воды соответственно в верхнем и нижнем бьефе, м;
Н г - геометрический напор;
∆h - потери напора в водоподводящем тракте, м.

Потери напора обычно составляют 2-5 % Н г. Значение КПД гидротурбины зависит от ее конструкции, размеров и режимов работы. Коэффициент полезного действия современных крупных гидротурбин может достигать 0,95.

Электрическая мощность гидроагрегата N a на выводах генератора

(17.9)

где η ген - КПД гидрогенератора.

Обычно КПД гидрогенератора равен 0,9-0,98.

Регулирование мощности агрегата ГЭС производится изменением расхода, проходящего через гидротурбину. Мощность ГЭС в i-й момент времени равна:

(17.10)

где гi , H гi , η гi - расход ГЭС, напор ГЭС и КПД ГЭС соответственно в i-й момент времени.

Выработка электроэнергии ГЭС (кВт · ч) за период времени Т (ч) определяется как

(17.11)

В качестве расчетного периода Т рассматриваются час, сутки, неделя, месяц, год.

Годовая выработка электроэнергии ГЭС не является постоянной величиной, а изменяется в зависимости от объема стока, поступающего в водохранилище, степени его регулирования и условий эксплуатации ГЭС. При годичном регулировании годовая выработка электроэнергии ГЭС, как правило, существенно колеблется в основном за счет энергоотдачи в паводковый период.

При многолетнем регулировании неравномерность выработки электроэнергии по годам бывает незначительной.

Среднемноголетняя выработка электроэнергии является важной характеристикой, используемой при определении технико-экономических показателей ГЭС.

Для оценки работы ГЭС в энергосистеме служит условное число часов использования установленной мощности в году Т у представляющее собой отношение:

где N у - установленная мощность ГЭС;
г - среднегодовая выработка.

Для остропиковых ГЭС Т у ≤ 2000 ч, а для ГЭС, работающих в полупиковом режиме, Т у возрастает до 4000 ч. Если ГЭС предназначается для базисной работы, то Т у составляет обычно 6000-6500 ч. Теоретическим пределом является Т у = 8760 ч.

Эксплуатационный персонал на ГЭС существенно меньше, чем на тепловой или атомной электростанции аналогичной мощности.

Себестоимость выработки электроэнергии на ГЭС обычно в 6-8 раз ниже, чем на ТЭС или АЭС.

Электростанция, которая преобразовывает энергию воды в электроэнергию, называется гидроэлектростанцией.

Гидроэлектростанции разделяют на следующие типы:

плотинные, деривационные, аккумулирующие, волновые, приливные

Чаще всего в мире встречаются плотинные электростанции.

Основными элементами плотинной электростанции являются:

1. Дамба
2. Водохранилище
3. Задвижка
4. Напорный трубопровод
5. Генератор
6. Турбина
7. Линии электропередач

Принцип работы такой электростанции в следующем: дамба на реке приводит к возникновению небольшого водоема, выше уровня машинного зала. После открытия задвижки, вода под большим напором поступает на турбину, приводя её в движение. Турбина связана с электрогенератором, который вырабатывает электроэнергию. Электроэнергия передается потребителям по линии электропередач.

На фото изображена Саяно-Шушенская ГЭС, расположенная на реке Енисей в России

С самыми большими плотинными ГЭС можно ознакомится .

Деривационные электростанции используются в случаях, когда имеется большой перепад реки.

Основными элементами деривационной электростанции являются:

1. Водозаборное сооружение
2. Водонапорный трубопровод
3. Турбина
4. Генератор
5. Приемная плотина
6. Линии электропередач

На фото показана схема Эзминской ГЭС

Принцип работы электростанции в следующем: часть водного потока реки с помощью водозаборных сооружений попадает в водонапорный трубопровод. Поток воды приводит в движение турбину и электрогенератор.

На фото изображена ГЭС на реке Баксан в Кабардино-Балкарии

Встречаются ГЭС смешанного типа. В этом случае в месте водозабора строится небольшая плотина, для создания напора воды в трубопроводе.

Аккумулирующие электростанции используются для запаса электроэнергии, путем конвертации её в энергию воды. Такие электростанции помогают энергосистеме выдержать пиковые нагрузки. Кроме того, они обеспечивают бесперебойность энергоснабжения потребителей при использовании ветряков и солнечных панелей.

Основными элементами аккумулирующей электростанции являются:
1. Первое водохранилище
2. Второе водохранилище
3. Водонапорный трубопровод
4. Турбина
5. Генератор
6. Линии электропередач

Особенность таких электростанций в том, что их гидроагрегаты рассчитаны на работу в генераторном и насосном режиме.

Принцип работы ГАЭС в следующем: Во время пиковых нагрузок, вода через напорный трубопровод сбрасывается из верхнего водохранилища в нижнее. Приводя в движение турбину и генератор. При отсутствии пиковых нагрузок, вода таким же образом закачивается из нижнего водохранилища в верхнее.

На фото показано водохранилище электростанции Таум Сок в США

Волновые гидроэлектростанции используются для получения электроэнергии из морских волн. Существует множество конструкций таких электростанций, с основными из которых можно ознакомиться .

На фото изображена электростанция типа "Дракон"

Принцип работы данной электростанции в следующем: в результате волн, вода попадает в резервуар, находящийся выше уровня моря. Под действием силы тяжести вода стремится попасть обратно в океан, вращая при этом турбину генератора.

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).

Красноярская ГЭС

• ГЭС (Плотина Гувера в Неваде)

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 .

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.

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.

Гидроаккумулирующие электростанции

Знак у Киевской ГАЭС

В период малых нагрузок гидроагрегаты станции заняты перекачкой воды из низового водоёма в верховой. Во время повышенной нагрузки происходит использование запасённой воды для выработки пиковой энергии. Обратимые гидроагрегаты обеспечивают работу турбинных и насосных режимов и представляют собой соединение синхронной электрической машины и гидравлической насос-турбины.

Энергия, которая тратится на перекачку, вырабатывается ТЭС во время пониженной загрузки, когда её стоимость не слишком высока. То есть, дешёвая ночная электроэнергия преобразовывается в дорогую. Экономическая эффективность, как можно убедиться, довольно высока. Несомненным преимуществом данного типа гидростанций является наличие высокого напора. Это позволяет устанавливать более эффективные аккумуляторы . Встречаются и станции смешанного типа. Часть установленных там гидроагрегатов способна работать в двух режимах: турбинном и насосном. Другая часть работает только в турбинном режиме. Использование таких станций позволяет накапливать большее количество воды и вследствие этого производить больше электроэнергии в периоды повышенной нагрузки.

Приливные электростанции

Приливная электростанция

Для создания экономичной приливной станции необходимы определённые природные условия. В частности, должен быть большой перепад уровней во время отлива и прилива (не менее шести метров), особенности береговой линии, которые позволяют создать плотину и водный бассейн соответствующих размеров.

На нашей планете такие места найти не так уж и просто. Это побережье американского штата Мэн, канадская провинция Нью-Брансуик, Персидский залив, отдельные регионы Аргентины, южная Англия, северная Франция, северные области европейской части России. Впрочем, даже станции, сооруженные в указанных регионах, не смогли бы достойно конкурировать с уже действующими ТЭС по стоимости производимой энергии .

Проекты приливных электростанций обычно предусматривают наличие двух бассейнов. Это верховой и низовой водоёмы. Каждый из них должен быть дополнен водопропускными отверстиями и затворами. Во время прилива верховой бассейн заполняется водой, а затем отдаёт всю воду низовому, который опорожняется при отливе.

История гидроэнергетики

Человек всегда жил возле водоёмов и не мог не обращать внимание на огромный потенциал воды как источника энергии. Поэтому история гидроэнергетики ведёт своё начало ещё с древних времён. Уже тогда люди научились с помощью воды производить помол зерна или дутьё воздуха при выплавке металла.

Постепенно механизмы совершенствовались, и водяные колёса становились всё более эффективными. В конце девятнадцатого века наступил современный этап в развитии гидроэнергетики. Но полномасштабное использование водных ресурсов началось только в двадцатом столетии, а точнее – в тридцатых годах, когда вода начала использоваться человеком для получения электричества. Именно в это время в мире начинается строительство крупных гидроэлектростанций.

Гидроэнергетика прошла довольно долгий и интересный путь развития и продолжает развиваться, одаривая человека всё новыми возможностями. В данном разделе мы шаг за шагом пройдём путь, проделанный гидроэнергетикой в течение многих веков, рассмотрим этапы и особенности её развития, от водяных колёс, используемых в эпоху античности и Средневековья, до современных гидроэлектростанций, появившихся уже в двадцатом веке.

Античная и средневековая гидроэнергетика

Водяная мельница

Трудно сказать, когда человек начал использовать водные ресурсы для получения энергии. Самые ранние упоминания о подобных процессах относятся к четвёртому веку до нашей эры. При этом учёные склонны полагать, что использование воды происходило параллельно во многих регионах планеты. Кстати, археологи обнаружили свидетельства того, что водные ресурсы эксплуатировали и на территории бывшего Советского Союза: на территории современной Армении и в бассейне реки Амударья.

Древние греки использовали водяное колесо для облегчения некоторых видов тяжёлого ручного труда. Например, это приспособление осуществляло перемол зерна. Постепенно технологии совершенствовались, количество водяных колёс в европейских государствах неуклонно росло. Так, в одиннадцатом веке в Англии и Франции одна мельница приходилась на двести пятьдесят человек. Согласно утверждениям историков, приблизительно в тринадцатом веке водяные мельницы появляются в средневековой Руси, а точнее – в её юго-западных и северо-восточных регионах.

С течением времени увеличивались и сферы применения устройств. Водяные мельницы обеспечивали работу сукновальных фабрик и откачивающих насосов, участвовали в распилке леса, помогали человеку варить пиво, применялись на маслобойнях. До восемнадцатого столетия применялись исключительно колёса нижнего боя. Позже появились среднебойные и нижнебойные водяные колёса.

Гидроэнергетика в девятнадцатом столетии

Водяная турбина

Достижения предыдущих столетий уже не могли удовлетворять потребности человека в девятнадцатом веке. Толчок дальнейшему развитию гидроэнергетики дало изобретение водяных турбин . Хотя попытки создания более совершенного по сравнению с водяным колесом механизма предпринимались и до этого. Так, ещё в шестнадцатом веке на Урале использовали быстроходное мутовчатое колесо с вертикальным расположением вала. В таких механизмах вода попадала на изогнутые лопасти колеса из специального желоба.

Впоследствии аналогичным образом были устроены свободноструйные водяные гидротурбины . Но полноценная водяная турбина была создана только в начале девятнадцатого века. Её создание – заслуга нескольких талантливых изобретателей. Одним из них русский исследователь И. Сафонов, который в 1837 году произвёл установку сконструированной им водяной турбине на реке Нейве. Два года спустя Сафонов усовершенствовал собственное изобретение, установив несколько переделанную турбину на одном из местных заводов. Параллельно с Сафоновым над созданием водяных турбин работал французский учёный Фурнейрон. Изобретённое им устройство было представлено в 1834 году. Изобретения, сделанные обоими учёными, быстро завоевали популярность, и в течение последующих пятидесяти лет появляется множество самых разнообразных турбин.

Уже в конце девятнадцатого века происходит событие, которое фактически откроет современный этап в истории мировой гидроэнергетики. В 1891 году русский инженер М.О. Доливо-Добровольский, проживающий в Германии и покинувший Россию по причине своей политической неблагонадёжности, прибыл в город Франкфурт-на-Майне для участия в электротехнической выставке. Там он должен был продемонстрировать свой изобретение – двигатель переменного тока . Тогда подобный аттракцион вообще был в новинку, но автор решил дополнить его ещё одним сооружением.

Это была гидроэлектростанция. В небольшом городке Лауффен Доливо-Добровольский установил генератор трёхфазного тока, который вращала водяная турбина небольших размеров. Вырабатываемая электроэнергия поступала на территорию выставки посредством линии передачи. Её длина равнялась 175 километрам. Сегодня никого не удивляют линии протяжённостью в несколько тысяч километров, но в те времена всё это было бесспорной сенсацией. Эпоха гидроэлектростанций началась.

Гидроэлектроэнергетика в двадцатом веке

ГЭС Гувера США

Несмотря на открытие Доливо-Добровольского, дальнейшее развитие гидроэнергетики было замедлено некоторыми объективными факторами. Строительство крупных гидроэлектростанций, которые были бы действительно эффективными, оказалось предприятием более сложным, чем экспериментальная установка, показанная на выставке. Ведь чтобы заставить вращаться большие турбины, необходим значительный запас воды.

В начале двадцатого века такое строительство представлялось довольно сложным. За первые два десятилетия нового века было построено всего лишь несколько гидроэлектростанций. Но это было только начало. Уже в тридцатых годах были сооружены крупные станции, например, ГЭС Гувер в США мощностью в 1,3 Гиговатт.

Другим ярким событием в истории американской гидроэнергетики стало открытие гидроэлектростанции Адамс, расположенной на Ниагарском водопаде. Её мощность достигала 37 МВт. Запуск таких мощных гидроэлектростанций обусловил увеличение объёмов потребляемой энергии в промышленно развитых странах, что, в свою очередь, дало толчок программам освоения гидроэнергетических потенциалов.

Усть-Каменогорская ГЭС

К началу двадцатого века развитие российской гидроэнергетики было весьма замедленным. Так, в 1913 году на территории Российской империи функционировало около пятидесяти тысяч гидросиловых установок. Их общая мощность составляла около миллиона лошадиных сил. При этом около семнадцати тысяч установок были оборудованы гидротурбинами .

Суммарная годовая выработка электроэнергии на всех гидроэлектростанциях не превышала тридцать пять миллионов киловатт в час при установленной мощности около 16 МВт. В то же время во многих европейских странах общая мощность составляла приблизительно 12000 МВт. Ситуация изменилась после Октябрьской революции. Новая власть хорошо понимала важность развития отрасли.

Уже 13 июня 1918 года было принято решение о начале строительства Волховской гидроэлектростанции, которая стала первым проектом советской гидроэнергетики, а её мощность равнялась 58 МВт. Уже в первые годы советской власти был разработан план электрификации страны (ГОЭЛРО), который был утверждён 22 декабря 1920 года. Одна из глав плана называлась «Электрификация и водная энергия». В ней отмечалось, что использование гидроэлектростанций может представлять выгоду в случае комплексного использования.

План предусматривал сооружение ГЭС общей мощностью в 21254 тысяч лошадиных сил. При этом в европейской части России общая мощность станций составит 7394, в Туркестане – 3020, в Сибири – 10840 тысяч лошадиных сил. Предусматривалось строительство десяти гидроэлектростанций, суммарная мощность которых составит 640 МВт.

Первым советской гидроэлектростанцией стала Днепровская гидроэлектростанция имени Ленина в Запорожье. Ещё в 1921 году Ленин подписал решение о начале строительства, а само строительство было начато в 1927 году. Запуск первого агрегата был произведён в 1932 году, а достичь проектной мощности удалось в 1939 году. Она составила 560 МВт. При возведении плотины были затоплены знаменитые пороги Днепра, что сделало реку полностью судоходной.

За несколько десятилетий Советский Союз стал одним из лидеров мировой гидроэнергетики. Например, в начале семидесятых советская гидроэнергетика по установленной мощности уступала только американской. Строительство гидроэлектростанций велось на Волге, Каме, Дону, Днепре, Свири и других крупных реках .

Это позволило превратитить их в водные магистрали Европейской части страны, существенно повысить уровень воды в реках и получить в результате целостную судоходную систему, которая соединяла между собой Каспийское, Чёрное, Азовское, Балтийское и Белое моря. К концу семидесятых годов двадцатого века были сооружены самые большие гидроэлектростанции в мире. Это Саяно-Шушенская и Красноярская, расположенные на реке Енисей, Братская и Усть-Илимская (река Ангара), Нурекская (река Вахш), Волжская.

Мировая гидроэнергетика в 21 веке

В начале двадцать первого века гидроэнергетика обеспечивает до шестидесяти трёх процентов возобновляемой энергии в мире. Это девятнадцать процентов всей мировой электроэнергии. Установленная гидроэнергетическая мощность составляет 715 Гвт.

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 киловатт (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 киловатт в час). Но освоены эти ресурсы лишь на двадцать процентов.

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.

Потенциал мировой гидроэнергетики

Потенциал гидроэнергетики можно определить, суммировав все существующие на планете речные стоки. Расчёты показали, что мировой потенциал равен пятидесяти миллиардам киловатт 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 киловатт. Эти цифры соответствуют годовой выработке энергии в 10 000 – 20 000 миллиардов киловатт 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.

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.

В то же время достаточно спорным является вопрос о влиянии гидроэнергетики на окружающую среду. С одной стороны, эксплуатация гидроэлектростанций не приводит к загрязнению природы вредными веществами.

Но в то же время образование водохранилищ требует затопления значительных территорий, зачастую плодородных, а это становится причиной негативных изменений в природе. Например, плотины часто перекрывают рыбам путь к нерестилищам, но в то жнее время благодаря этому обстоятельству значительно увеличивается количество рыбы в водохранилищах и развивается рыболовство.

Экологические аспекты использования гидроэнергетики

Вне всяких сомнений, гидроэнергетика в перспективе должна не оказывать негативное воздействие на окружающую среду или свести его к минимуму. При этом необходимо добиться максимального использования гидроресурсов.

Это понимают многие специалисты и поэтому проблема сохранения природной среды при активном гидротехническом строительстве актуальна как никогда. В настоящее время особенно важен точный прогноз возможных последствий строительства гидротехнических объектов. Он должен дать ответ на многие вопросы, касающиеся возможности смягчения и преодоления нежелательных экологических ситуаций, которые могут возникнуть при строительстве. Кроме того, необходима сравнительная оценка экологической эффективности будущих гидроузлов. Правда, до реализации таких планов ещё далеко.

. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её.