4 Апреля 2018

Гидроэнергия - неплохая альтернатива для человечества

Опубликовал К.В. Кулик

         Одним из видов возобновляемой альтернативной энергии является гидроэнергия или энергия рек. Реки Земли, несущие в океаны и моря огромное количество воды, содержат в своём движении колоссальную энергию. Гидроэнергия рек, истоки которых находятся в горных ледниках и в равнинных болотистых топях, в конечном итоге, обязана своим происхождением Солнцу, которое, испаряя воду морей и океанов, создаёт облачность в атмосфере Земли, и облачность, конденсируясь, проливается дождём. Этот круговорот воды в природе, инициируемый Солнцем, является источником энергии рек.

       Энергия воды

         Люди, ещё в далёкой древности, заметили возможности применения этой энергии, о чём свидетельствует наличие у них различных устройств на реках и ручьях: мельниц, водяных колёс, водоподъёмников и т.п. Но только тогда, когда эту энергию стали использовать для получения универсального вида энергии, электрической, гидроэнергия заняла своё заметное место в энергетическом балансе мировой цивилизации.

         Запасы гидроэнергии Земли, это энергия всех крупных рек Земли, которую можно получить, если перегородить их плотинами, для обеспечения работы электрических гидрогенераторов. Эти расчётные запасы составляют около 33000 млрд. кВт.ч/год, что является, приблизительно, половиной всей энергии от всех источников, которая производится сегодня в мире.

         Гидроэнергия распределена на Земле крайне неравномерно и, во многом, по этой причине, она используется в количестве, немногим более 5%, от всего количества запасов. В России, например, находится примерно 12% мировых гидроэнергетических запасов, что составляет около 3800 млрд. кВт.ч/год, из которых, по техническим возможностям, можно использовать примерно 2100 млрд.кВт.ч/год, что составляет около половины всего количества энергии производимой в стране за год. Из этого количества используется небольшая часть, все гидроэлектростанции государства вырабатывают 170 млрд.кВт.ч/год, что составляет около 8% располагаемых возможностей.

       Как же устроена и работает гидроэлектростанция?

         Основными элементами ГЭС, на реках текущих по равнинной местности, являются плотина и здание ГЭС с устройствами для преобразования механической энергии воды в электрическую. Плотина необходима для создания разницы уровней воды перед ней и после неё, что обеспечивает напор воды, который и является потенциальным носителем энергии воды. Перетекая с верхнего уровня на нижний, она совершает механическую работу, приводя во вращение турбину.

         Перед плотиной создают водохранилище, которое необходимо для постоянного поддержания разницы уровней воды в различное время года и служит аккумулятором энергии воды. Турбины и соединённые с ними электрогенераторы, расположены в здании ГЭС и являются сердцем электрогенерирующей установки. 
Турбина представляет собой устройство в виде колеса, на ободе которого закреплены лопатки, на них падает вода, приводя во вращение колесо турбины. Турбины могут быть разных конструкций, в зависимости от типа ГЭС.
Перед подачей воды к турбине устанавливают решётки, улавливающие посторонние предметы, которые могут повредить лопатки турбины. Водовод к турбине выполнен в виде улитки, для увеличения скорости воды и её тангенциального направления перед попаданием на лопатки. Турбина устанавливается в центре улитки, а вокруг турбины, в зоне её лопаток, устанавливают стационарный направляющий аппарат, который представляет собой устройство с лопатками, которые могут поворачиваться вокруг своей оси, обеспечивая регулировку количества воды попадающей на турбину.

         После направляющего аппарата вода поступает на рабочее колесо, приводя его во вращение. Рабочее колесо состоит из корпуса насаженного на вал турбины. На ободе корпуса закреплены изогнутые лопатки, которые также могут поворачиваться в соответствии с лопатками направляющего аппарата. После рабочего колеса вода попадает во всасывающую трубу, которая применяется для понижения давления воды после турбины, что увеличивает КПД всей установки. КПД водяной турбины достигает 90%, что гораздо выше, чем у всех остальных преобразователей механической и тепловой энергии.

         Турбина вращает вал электрогенератора, связанный с валом турбины и, который, также как и вал турбины, расположен вертикально. На валу электрогенератора установлен ротор, вращающийся внутри статора, представляющего собой устройство, изготовленное из листов трансформаторной стали, собранных таким образом, что внутри они образуют канавки, в которые уложена обмотка из изолированных проводов, образующих систему катушек для генерации электрического тока. 

         На роторе также размещены обмотки из изолированных проводов, образующих электромагнитные полюса. От вала генератора приводится во вращение возбудитель, небольшой генератор, вырабатывающий постоянный электрический ток, который подаётся в обмотку ротора. При взаимодействии электромагнитных полей ротора и статора, на обмотке статора появляется разность потенциалов и с неё снимают нагрузку, электрический ток.
Генератор вырабатывает ток напряжением от 6 до 16 тысяч вольт, которое, для передачи на дальние расстояния не подходит, и его необходимо увеличить, для уменьшения потерь. Это осуществляется с помощью трансформаторов, установленных на самой гидростанции. Они повышают напряжение электрического тока до 500 тысяч вольт и более.

         На месте потребления, напряжение с помощью трансформатора, понижают: на подстанции до 6 тысяч вольт, а в цехах, до 380 вольт. Важной полезной особенностью ГЭС, является возможность регулирования нагрузки, расходом воды через её турбины. При уменьшении нагрузки на сеть, уменьшают расход воды через турбины, с помощью направляющего аппарата, а оставшаяся в верхнем водохранилище вода сохраняется и даёт возможность получить дополнительную мощность, при росте нагрузки.

         Как правило, ГЭС устанавливаются для работы совместно с атомными и тепловыми электростанциями и, таким образом, появляется возможность работы всей сети при переменной нагрузке, когда пики потребления всей генерации компенсируются работой ГЭС и тогда, базовые электростанции эксплуатируются в номинальном режиме, обеспечивающем оптимальный КПД. Мощные ГЭС, это огромные сооружения, включающие водохранилища, плотины, водосбросы и их строительство возможно только при наличии мощной техники, огромной материальной базы и длится оно десятилетия. Строительство мощных ГЭС влечёт за собой обустройство целых регионов, в связи с появлением гидротехнических сооружений с комплексами устройств регулирования водных ресурсов, регулирование стоков, ирригации, устройств рыборазведения. Всё это серьёзно влияет на региональный климат, почву и растительность и не всегда в положительную сторону.

         При строительстве мощных ГЭС на равнинных реках с большими размерами водохранилищ, основным вопросом экологии является затопление огромных территорий. В России, при уже построенных ГЭС общая площадь затопления составляет 75 тысяч км2. При этом, основную часть неблагополучной экологии создают мелководные зоны водохранилищ, которые при максимальном уровне скрываются под водой, и осушаются, когда воду спускают для увеличения производительности ГЭС. Мелководные зоны очень велики (до сотен тысяч га) и их использование вызывает огромные трудности, связанные с тем, что годовой график их затопления и осушения, для нужд энергетики, ирригации, снабжения водой и функционирования водного транспорта, не совпадает с природным циклом затопления заливных лугов весной. При осушении возникает значительный рост растительности на влажной и удобрённой илом почве, что впоследствии, сказывается на чистоте водных ресурсов. Этот цикл важен для рыбоводства и его нарушение резко отрицательно сказывается на выращивании рыбной молоди.

         Для потребителей воды необходим длительный цикл затопления мелководья и осушения осенью и зимой, т.к. водоросли на мелководье при осушении отмирают и загрязняют водохранилище. Иногда мелководье защищают строительством дамб, что сильно удорожает стройку ГЭС в целом. Кроме того, застой воды на мелководье, ухудшает самоочищение рек, усиливает развитие в них растительности и ухудшает качество речной воды. Решение о строительстве мощных ГЭС, дающих в течение многих лет дешёвую электроэнергию, должно быть строго рассчитанным и взвешенным, в свете влияния на экологические последствия от стройки в конкретном регионе.