- Гидроэнергетика
Вода — один из самых древних источников энергии, разработанных человеком. На протяжении тысячелетий гидроэнергия использовалась для орошения и приведения в действие различных механических устройств, таких как водяные мельницы, лесопилки, доковые краны и подъемники. Гидроэнергетика была одним из первых изобретений человека для получения энергии. В 20 веке мощность гидроэнергетики значительно возросла, и до конца века она была самым важным источником возобновляемой электроэнергии.
Сегодня гидроэнергетика является наиболее широко используемым возобновляемым источником энергии, ее вклад более чем в два раза превышает вклад всех других возобновляемых источников энергии вместе взятых.
На долю гидроэнергетики приходится 16–17 % мирового производства электроэнергии. Однако в некоторых странах этот показатель гораздо выше. Например, в Норвегии доля гидроэнергетики составляет 99 %, а в Швейцарии и Канаде — 60 %.
Гидроэнергия производится в 150 странах, при этом Азиатско-Тихоокеанский регион производит 32 % мировой гидроэнергии. Крупнейшими странами-производителями гидроэнергии являются Китай, Канада, Бразилия и США.
Существует семь гидроэлектростанций мощностью более 10 ГВт. Четыре из них находятся в Китае — Три ущелья, Байхетан, Силоду и Удунде; две в Бразилии — Итайпу и Брумонти; и одна в Венесуэле — Гури.
Гидроэлектростанции могут производить энергию быстро и с низкими затратами, поскольку сырье — вода — практически бесплатное. Кроме того, для эксплуатации гидроэлектростанций требуется меньше ресурсов.
- Преимущества и недостатки гидроэнергетики
Гидроэлектростанции не загрязняют атмосферу, обеспечивают кислородом водный поток, не требуют топлива, безотходны и чрезвычайно безопасны. Гибкость покрытия потребления и способность накапливать энергию (в случае гидроэлектростанций) повышает эффективность энергосистемы.
Гидроэлектростанции также могут использоваться для накопления энергии из других источников, например, солнечной или ветровой энергии.
Гидроаккумулирующие резервуары улучшают качество воды и служат источником воды для орошения/очистки технологических процессов и питьевой воды.
Благодаря своей способности накапливать воду они также снижают риск наводнений и, наоборот, улучшают условия судоходства на реках во время засухи, увеличивая минимальный расход воды. Не будем забывать и о важной рекреационной функции.
Особое внимание следует уделить работе гидроэлектростанций. Гидроэлектростанции характеризуются быстрой реакцией на запуск, время запуска составляет всего несколько секунд. Кроме того, они способны поддерживать практически постоянный КПД во всем диапазоне мощности, который можно регулировать в широких пределах.
Таким образом, гидроэнергетика является гибким источником производства электроэнергии, способным гибко реагировать на изменения спроса. Среди других преимуществ — низкая стоимость топлива и отсутствие загрязнения воздуха.
Однако такие установки имеют некоторые недостатки, такие как высокие инвестиционные затраты, определенная степень случайности и ограничения в количестве доступной первичной энергии, а также необходимость затопления больших территорий, что негативно сказывается на окружающей среде.
Крупномасштабные проекты могут легко разрушить экосистемы и окружающие сообщества. Примером тому является плотина «Три ущелья» в Китае, которая переселила около 1,2 миллиона человек и затопила сотни деревень.
В результате разложения органических веществ в водохранилищах образуется метан, который также является причиной глобального потепления. Однако воздействие гидроэнергетики на окружающую среду может быть смягчено и остается низким по сравнению со сжиганием ископаемого топлива.
Кроме того, турбины на электростанциях позволяют добавлять в воду кислород, поэтому использованная вода возвращается в реку с лучшим качеством. Вмешательства в природу, такие как изменение течения реки, дополняются, например, копьеметанием. Это позволяет водным животным перемещаться вверх по течению для нереста. Кроме того, только часть реки используется в качестве электростанции.
Ведутся исследования, чтобы сделать гидроэлектростанции более «дружелюбными» к окружающей экосистеме.
- Гидроэлектрогенераторы
Гидроэлектрогенераторы — это низкоскоростные двигатели. Они рассчитаны на меньшую скорость, чем турбогенераторы, и, в отличие от последних, скорость турбины зависит от напора и течения в реке и может колебаться от нескольких десятков до нескольких сотен оборотов в минуту.
В зависимости от положения вала гидрогенераторы можно разделить на вертикальные и горизонтальные типы. Гидрогенераторы средней и большой мощности проектируются как вертикальные, а гидрогенераторы малой мощности — как горизонтальные.
Вертикальные генераторы имеют подшипниковый узел (упорный подшипник), который является общим для всей гидрогенераторной установки. Этот подшипник воспринимает большие нагрузки от ротора генератора, турбинного колеса и вертикальной части реакции воды.
Вертикальная часть силы реакции воды передается на ротор, который называется опорой. Радиальные силы, действующие на ротор, передаются двумя направляющими подшипниками. Это также обеспечивает вертикальную ориентацию ротора. По расположению подшипников различают подвесные и зонтичные турбогенераторы. Подшипниковые опоры расположены на кронштейне над ротором в подвесном типе и на кронштейне под ротором в зонтичном типе.
- Типы гидрогенераторов и их характеристики
Гидрогенераторы занимают особое положение среди всех типов электрических машин. Это объясняется тем, что они, как и турбогенераторы, являются наиболее мощными электрическими машинами и, благодаря очень низкой номинальной частоте вращения, превосходят все другие электрические машины по величине крутящего момента, радиальным и габаритным размерам, массе вращающихся частей и общей массе машины, динамическому моменту инерции, нагрузкам на подшипники и расходу охлаждающей воды.
Размеры гидрогенератора, как наиболее материало- и трудоемкой электрической машины, обуславливают длительный цикл его производства и требуют большого количества специальных измерительных приборов, которые приходится разрабатывать заново для каждого нового типа машины.
Для производства гидрогенераторов требуется широкий спектр станков, включая мощные краны, прессы, кузнечное, термическое оборудование, литье, сварку, штамповку и изоляцию.
Поскольку размеры и вес гидрогенератора не позволяют транспортировать его на гидроэлектростанцию в собранном виде, основная работа по сборке всех крупных узлов и всей машины происходит во время монтажа гидрогенератора, по существу, продолжая производственно-технический процесс, начатый на заводе.
Строительство и ввод в эксплуатацию гидрогенератора является одним из центральных этапов строительства гидроэлектростанции, строительство которой всегда является крупным событием в развитии целой экономической зоны.
Гидроэлектрогенераторы, как правило, являются малогабаритными или одноразовыми машинами, так как условия водотока каждый раз требуют нового типа агрегата при строительстве гидроэлектростанции. Поэтому конструкция гидрогенераторов совершенствуется быстрее, чем других крупных электрических машин, на основе опыта и разработок в соответствующих технических областях.
По этой причине гидроэнергетика имеет тот аспект, что она является отраслью большой электротехники, о которой судят по опыту производства гидрогенераторов.
Несмотря на разнообразие конструкций гидрогенераторов, в настоящее время не существует их классификации. Это связано с трудностью определения наиболее важных характеристик, определяющих базовую конструкцию. В качестве таких признаков обычно указываются количество и расположение подшипников относительно ротора, системы охлаждения и возбуждения.
Одним из основных факторов, определяющих конструкцию гидрогенератора, несомненно, является расположение валов в его осевой передаче. По этому признаку все гидрогенераторы можно разделить на две группы: вертикальные и горизонтальные.
Подавляющее большинство гидрогенераторов строится с вертикальным валом, что обусловлено особенностями привода, гидротурбины, рентабельностью и, во многих случаях, невозможностью строительства крупных гидрогенераторов в горизонтальном исполнении из-за требований сохранения необходимой жесткости статора и ротора, установки подшипников с достаточной грузоподъемностью и т. п. В результате было предусмотрено следующее. Крупные вертикальные машины проще в сборке, эксплуатации и ремонте, чем горизонтальные. Однако из-за вертикального расположения валопровода в конструкции гидрогенераторов должны быть предусмотрены опорные элементы, такие как упорные подшипники, а часто и опорные крестовины для восприятия массы вращающихся частей генератора и турбины и сил, возникающих из-за реакции воды на их рабочие колеса. Вертикальные гидроэлектрогенераторы можно разделить на два типа: зонтичный тип, когда нижняя опорная плита ротора крепится к нижней крестовине или стойке на крышке турбины, и подвесной тип, когда верхняя опорная плита ротора крепится к верхней крестовине. Четких границ в области применения этих двух типов вертикальных гидрогенераторов не существует, и во многих случаях могут использоваться оба. Генераторы с низкой и средней скоростью вращения (до 150 об/мин) в основном относятся к зонтичному типу, хотя есть примеры достижения гораздо более высоких скоростей, с постепенным переходом к зонтичному типу для все более быстрых машин. Последние, как правило, относятся к подвесному типу.
В международной практике иногда различают зонтичные и полузонтичные типы, первые понимаются как усеченно-конические роторы из-за их изогнутой конструкции.
До недавнего времени горизонтальные типы в основном использовались в высокоскоростных гидроэлектрогенераторах, обычно в паре с одной или двумя ковшовыми турбинами (по обе стороны агрегата). Горизонтальные гидроэлектрогенераторы оказались более компактными и легкими, чем вертикальные типы при относительно высоких скоростях.
Горизонтальное расположение вала также использовалось для создания нескольких типов небольших агрегатов постоянного и ближнего действия, но они не получили значительного распространения и не имели высокой энергетической ценности. С другой стороны, развитие установок постоянного тока привело к созданию нового типа энергогенерирующей установки — капсульного гидроэлектрогенератора, который сочетает в себе капсульный гидроэлектрогенератор и роторно-лопастную турбину и устанавливается под водой.
Капсульные гидроэлектрогенераторы широко используются на низконапорных проточных и приливных электростанциях. Они характеризуются относительно низкой частотой вращения и искусственно малым радиусом генератора, что достигается за счет использования более эффективной системы принудительного охлаждения. Единичная мощность капсульных гидроэлектростанций не превышает 50 МВт, но при необходимости может быть значительно увеличена.
Все известные конструкции вертикальных гидрогенераторов соответствуют усовершенствованиям капсульных машин. Подвесной тип состоит из упорного и контрподшипника между турбиной и генератором, а капсульный — из упорного и контрподшипника на противоположной стороне турбины.
В очень редких случаях встречаются также небольшие гидроагрегаты с наклонными валами.
Гидрогенераторы можно классифицировать не только по расположению вращающегося вала, но и по их функциональной роли в энергосистеме. В этом отношении все гидрогенераторы можно разделить на две группы: генераторы обычной конструкции, предназначенные в основном для выработки электроэнергии для сети, и обратимые машины, которые в разное время работают в режиме генератора (турбины) или двигателя (насоса).
Реверсивные гидроэлектростанции (ГЭС), также иногда называемые насосно-аккумулирующими электростанциями (НАЭС), используются для покрытия пиковой нагрузки энергосистемы или переводятся в режим активного потребления электроэнергии для выравнивания графика нагрузки всей системы и перекачивают воду из нижнего бьефа в верхний.
Реверсивные гидроагрегаты могут быть четырехмашинными, трехмашинными или двухмашинными, в зависимости от того, совмещают ли входящие в их состав агрегаты различные функции. Последний вариант (турбина/насос и генератор/двигатель) обычно предпочтительнее, поскольку он наиболее компактен, недорог и прост в обслуживании, а также наиболее широко применяется благодаря развитию реверсивных машин.
Реверсивные гидроэлектрогенераторы могут быть вертикальными или горизонтальными, зонтичными или подвесными. К особенностям генераторов зонтичного типа относятся
Асинхронные гидрогенераторы (AS-генераторы), которые, в отличие от обычных синхронных машин, вращают машину с разной скоростью скольжения относительно синхронной скорости и поддерживают постоянную и номинальную частоту сети, пока имеют разовое применение, но заслуживают отдельного рассмотрения (ГЭС Айова). Iowa Hydroelectric Power Station). Это достигается путем создания магнитного поля возбуждения, действующего относительно ротора на частоте скольжения.
Генератор переменного тока ГЭС Айова отличается от обычных машин тем, что в его конструкции используется ротор с темными полюсами и двумя распределенными обмотками, которые удалены друг от друга на 90 градусов. Быстродействующая система, которая регулирует ток возбуждения каждой обмотки в соответствии с определенными законами, автоматически обеспечивает, чтобы скорость поля ротора (с учетом его направления) относительно самого ротора была равна разности между частотой синхронизации и скоростью вращения ротора.
Литература:
- Трубицина, Н. А. Принцип действия и конструкция электрических машин и трансформаторов: метод. указ. к лаб. работам по дисциплинам «Электр. Машины и электропривод» / Н. А. Трубицина, М. А. Трубицин, А. Р. Шайхиев; РГУПС. — Ростов н/Д, 2006. — 23 с
- Соломин, В. А. Машины переменного тока: учеб.-метод. пособие к лаб. работам / В. А. Соломин, Н. А. Трубицина, Л. Л. Замшина; ФГБОУ ВО РГУПС. — Ростов н/Д, 2015. — 24 с.
- Соломин, В. А. Машины переменного тока: учеб.-метод. пособие к лаб. работам / В. А. Соломин, Н. А. Трубицина, Л. Л. Замшина; ФГБОУ ВПО РГУПС. — Ростов н/Д, 2014. — 23 с.
- https://studfile.net/preview/4520439/page:11/
- https://electricps.ru/gidrogenerators
