Гидроэлектроэнергия

Ключевые слова: плотинные ГЭС, русловые ГЭС, гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), энергия приливов и отливов, энергия волн.

Acknowledgements (Благодарности)

I would like to express my sincere gratitude to ministry of higher education and scientific research Iraqi, for her valuable guidance. That provided me this scholarship in addition to the financial and moral support in order to complete my studies

Гидроэлектроэнергия — это возобновляемый энергоисточник, т. к. «топливо» — вода постоянно пополняется и в производстве гидроэлектроэнергии в атмосферу не выбрасываются вредные вещества. Тем не менее, водохранилища и плотины гидроэлектростанций сильно влияют на сельскую местность и могут изменить состояние природной среды. Водохранилища и плотины мешают движению рыбных косяков. Одна ко если мы будем заботиться о рыбе и делать специальные рыбопропускные устройства в плотинах, можно исключить этот недостаток. В общем, можно сказать, что, хотя сами гидроэлектростанции не загрязняют окружающую среду, они ухудшают состояние природной среды и ландшафт.

Мощность гидроэлектростанции зависит от расхода воды и высоты ее падения. Это означает, что даже реки с небольшим расходом воды могут производить большое количество энергии, если высота падения достаточно большая.

Мощность (кВт)=9,8•объем воды куб.м/с•высота падения (м)

Морская гидроэлектроэнергия включает в себя энергию волн, приливов и отливов, а также энергию, получаемую от разности солености и температур океана. Тем не менее, морская гидроэнергетика требует доступа к открытым водоемам, которых нет в Беларуси. Поэтому сфокусируемся в данном разделе на гидроэлектроэнергии рек.

На морских побережьях источником энергии могут служить приливы и отливы. Начиная с 1966 года, два французских города полностью удовлетворяют свои потребности в электроэнергии за счет приливных электростанций. Гигантскую приливную волну создает притяжение Луны. Приливная волна вращает турбины, связанные с электрическим генератором, как на обычных ГЭС [1].

Гидроэлектростанции на реках имеют различные размеры и обычно подпадают под один из следующих видов:

-        плотинные ГЭС;

-        русловые ГЭС; или

-        гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

Русловые ГЭС

Русловые ГЭС вырабатывают гидроэлектроэнергию для немедленной передачи и/или потребления с ограниченной возможностью или без возможности хранения. Хранение, которое доступно в ограниченном виде, называется «водохранилищем». Станции без водохранилища обычно служат в качестве пиковых электростанций, а станции с водохранилищем могут служить либо базовыми, либо пиковыми генераторами.

Русловые ГЭС идеально подходят для рек с минимальным стоком в сухую погоду или регулируемых большими по размеру плотинами при наличии водохранилища, расположенного вверх по течению.

Плотинные ГЭС

Принцип работы плотинных ГЭС основан на хранении воды в водохранилищах, которая может быть спущена для выборочного электроснабжения. Когда затворы плотины открываются, сила притяжения тянет воду через «напорный водовод» (канал между резервуаром и турбиной). Плотины увеличивают давление потока посредством наращивания хранимого объема воды. Спущенная вода проходит через «напорный водовод». Как только вода проходит через турбину, она возвращается в реку вниз по течению. Рис.1

Рис. 1. Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС)

ГАЭС работает посредством перемещения воды между бассейнами, расположенными на разных уровнях. В периоды низкого спроса на электроэнергию дополнительная выработка мощности используется для перекачки воды в верхний бассейн; при наличии спроса вода спускается обратно в нижний бассейн, вращая турбину.

Гидроаккумулирующие электростанции используются в основном для выработки электроэнергии в периоды максимального спроса. Такие схемы в настоящее время обеспечивают наиболее коммерчески важную крупномасштабную систему накопления энергии и улучшение суточного коэффициента нагрузки энергосистемы [2].

Таблица

Виды ГЭС в зависимости от размера и использования энергии

Гидроэлектрические технологии

Гидроэлектроэнергия образуется, когда вода проходит через турбину, приводя в движение генератор. Во время этого процесса энергия воды передается турбине, так как она вызывает крутящий момент через вращательное движение воды вокруг турбины. Гидравлические турбины имеют ряд лопастей, установленных на вращающемся валу или на вращающейся пластине. Водяная струя бьет в лопасть турбины, которая присоединена к генератору с помощью вала, и поворачивает их. Этот импульс переносится непосредственно или через редуктор на вал генератора. Как и в любых других электростанциях, электроэнергия распределяется в места спроса посредством линий электропередач [3].

Гидравлические турбины

Используемые формы гидравлических турбин зависят от эксплуатационных требований. Есть различных типов гидравлических турбин, которые используются в коммерческом масштабе (см., например, радиально-осевая турбина (турбина Френсиса), поворотно-лопастная турбина (турбина Каплана), ковшовая турбина (турбина Пелтона), гидротурбина с наклонной осью и проточная турбины). Турбины классифицируются в зависимости от направления потока воды или изменения давления.

В зависимости от направления потока, гидравлические турбины можно разделить на три типа:

-           Осевой поток (например, турбина Каплана): направление потока в основном параллельно оси вращения;

-           Радиальный поток: направление потока относительно плоскости в основном перпендикулярно оси вращения; и

-           Смешанный поток (например, поток Френсиса): важный компонент как осевых, так и радиальных потоков.

Однако, турбины всегда сочетают в себе элементы осевых и радиальных потоков.

Второй способ классификации гидравлических турбин: в зависимости от изменения давления воды различают турбины реакции и турбины импульса.

Большинство гидравлических турбин являются реактивными турбинами и подходят для низки (<25–30м) и средней (30–300м) высоты напора. Импульсные турбины обычно используются в случае большой (>300м) высоты напора. Выбор наиболее подходящей турбины в определенных случаях зависит от высоты напора и расхода воды, а также от размеров установки [2].

Рис. 2. График применения турбины

И ЕЩЁ ВИДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОЭНЕРГИИ

Энергия приливов и отливов

Несоизмеримо более мощным источником водных потоков являются приливы и отливы. Подсчитано, что потенциально приливы и отливы могут дать человечеству примерно 70 млн. миллиардов киловатт-часов в год. Для сравнения: это примерно столько же, сколько способны дать разведанные запасы каменного и бурого угля, вместе взятые; вся экономика США 1977 г. базировалась на производстве 200 млрд. киловатт-часов, вся экономика СССР того же года — на 1150 млрд., хрущевский «коммунизм» к 1980 г. должен был быть построен на 3000 млрд. киловатт-часов. Образно говоря, одни только приливы могли бы обеспечить процветание на Земле тридцати тысяч современных «Америк» при максимально эффективном использовании приливов и отливов, но до этого пока далеко. Проекты приливных гидроэлектростанций детально разработаны в инженерном отношении, экспериментально опробованы в нескольких странах, в том числе и у нас, на Кольском полуострове. Продумана даже стратегия оптимальной эксплуатации ПЭС: накапливать воду в водохранилище за плотиной во время приливов и расходовать ее на производство электроэнергии, когда наступает «пик потребления» в единых энергосистемах, ослабляя тем самым нагрузку на другие электростанции.

Существуют проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7–10 м. Планируется использовать также огромный энергетический потенциал Охотского моря, где местами, например в Пенжинской губе, высота приливов достигает 12.9 м, а в Гижигинской губе — 12–14 м [5].

Энергия волн

Уже инженерно разработаны и экспериментально опробованы высокоэкономичные волновые энергоустановки, способные эффективно работать даже при слабом волнении или вообще при полном штиле. На дно моря или озера устанавливается вертикальная труба, в подводной части которой сделано «окно»; попадая в него, глубинная волна (а это — почти постоянное явление) сжимает воздух в шахте, а тот крутит турбину генератора. При обратном движении воздух в турбине разрежается, приводя в движение вторую турбину. Таким образом, волновая электростанция работает беспрерывно почти при любой погоде, а ток по подводному кабелю передается на берег.

Некоторые типы ВЭС могут служить отличными волнорезами, защищая побережье от волн и экономя таким образом миллионы долларов на сооружение бетонных волнорезов.

Под руководством директора Лаборатории эннергетики воды и ветра Северо-Восточного университета в Бостоне был разработан проект первой в мире океанской электростанции. Она будет сооружена во Флоридском проливе, где берет начало Гольфстрим. На его выходе из Мексиканского залива мощность водяного потока составляет 25 млн. м3 в секунду, что в 20 раз превышает суммарный расход воды во всех реках земного шара! По подсчетам специалистов средства, вложенные в проект, окупятся в течение пяти лет.

Гольфстрим не единственное океанское течение, которое может быть использовано для выработки электорэнергии. Японские ученые, например, говорят о большой эффективности подобных сооружений на тихоокеанском течении Куросио. О его колоссальном энергетическом потенциале позволяют судить следующие цифры: у южной оконечности острова Хонсю ширина течения составляет 170 км, глубина проникновения — до 700 м, а объем потока — почти 38 млн. м3 в секунду! [4].

Заключение

А теперь обратим внимание на информацию, которую предлагают нам ученые:

1.         Если бы развивающиеся страны сумели добиться роста потребления минеральных ресурсов до уровня Соединенных Штатов, то разведанные запасы нефти истощились бы через 7 лет, природного газа — через 5 лет, угля — через 18 лет. Если учесть еще и потенциальные запасы, до которых пока не добрались геологи, то природного газа должно хватить на 72 года, нефти в обычных скважинах на 60 лет, а в сланцах и песках, откуда ее чрезвычайно трудно и дорого выкачивать, — на 660 лет, угля на 350 лет.

2.         Предположим, что на нужды энергии можно использовать, как нефть, всю массу нашей планеты. Если скорость увеличения потребления энергии останется такой же, как сегодня, это «горючее» будет сожжено целиком всего за 342 года. Допустим далее, что мы располагаем запасами горючего, скажем, на миллион лет. Если мы станем увеличивать размеры его потребления всего на 2 % в год (а это — приблизительный темп роста мирового народонаселения), то запасов хватит на 501 год…

3.         При современных темпах развития техники производство энергии на Земле через 240 лет превысит количество солнечной энергии, падающей на нашу планету, через 800 лет — всю энергию, выделяемую солнцем, а через 1300 лет — полное излучение всей нашей галактики [5].

Литература:

1.         http://www.inventions.ru/article.php?sid=25&mode=thread&order=0

2.         Б. Н. Кузык, Ю. В. Яковец «Россия: стратегия перехода к водородной энергетике»

3.         Стаггинс, Г., Шарабарофф, A., и Семиколенова, Я. (2012). «Обобщение опыта успешной реализации программ по энергоэффективности», Всемирный банк, 2012 год

4.         О. В. Ковалева, В. В. Ковалев, Г. Г. Дука, М. В. Иванов PROBLEMELE ENERGETICII REGIONALE 1(15) 2011

5.         Б. Н. Кузык, Ю. В. Яковец «Россия: стратегия перехода к водородной энергетике»