6.8. Гідроелектростанції

Схему вироблення електричної енергії на гідравлічних елект­ростанціях показано на рис. 6.8.

Гребля, що перегороджує річку дає змогу створити тиск або напір води, яка через спрямовуючий апарат з верхнього б'єфа (рівень 7.70) води надходить до нижнього б'єфа (рівень 0.00), про­ходить через колесо гідравлічної турбіни 3, яка обертається на одній осі з генератором електричної енергії в капсулі 1. Регулю­вання витрат води здійснюється спеціальними затворами. Решітки в греблі призначені для затримки сміття, щоб вони не надходили до турбіни.

Оскільки потужність ГЕС визначається тиском (напір) води і її витратами, то на рис. 6.9 для прикладу і порівняння наведено відповідні напори для кожної ГЕС на Дніпрі.

315

Рис. 6.8 Схема зображення ГЕС з горизонтальним капсульним

гідроагрегатом (київська ГЕС): 1 — капсула; 2 — напрямний

устрій; З — турбіна (робоче колесо); 4 — кран.

На гідроелектростанціях в залежності від напору і витрат во­ди використовують різного типу турбіни (активні реактивні) з вертикальною та горизонтальною осями обертання, з поворот­ними лопатями турбін, тощо. Використовують турбіни по­тужністю від декількох до 500 тис. кВт. Собівартість електрое­нергії на ГЕС значно менше собівартості на інших електрос­танціях незважаючи на значні капіталовкладення.

Схему підгтреблевої ГЕС с вертикальним турбогенератором наведено на рис. 6.10.

316

Рис. 6.10. Схема підгтреблевої ГЕС

Вода з верхнього б'єфа водосховища 6 надходить по трубам при відкритій засувці 5 до лопастей гідротурбіни 4 і приводить її до обертання разом з ротором генератора 1, а потім надходить до нижнього б'єфа річки через відсосну трубу 3. Потужність ГЕС залежить від енергії падаючої води, тобто від висоти падіння і ви­трат води.

6.9. Електричні мережі

Оскільки теплові та гідравлічні електростанції розташовані в місцях залягання палива або біля водосховищ річок, а споживачі зазвичай знаходяться на значній відстані від електростанцій, пе­редача електроенергії здійснюється лініями або мережами елект­ропередач, які бувають повітряні і кабельні.

Повітряні лінії будують при передачі електроенергії на значні відстанні через малонаселенні райони і сільску місцевість, а ка­бельні — в містах і промислових центрах. Втрати електроенергії в мережах за законом Джоуля-Ленця визначаються за формулою

де / — сила струму;

R — опір провідника;

— час.

317

Для зменшення втрат треба або зменшити опір провідника, тобто збільшити його перетин або зменшити силу струму (збіль­шити напругу при однаковій потужності P=IU).

На значні відстані струм передають напругами 20, 35, ПО, 150, 220, 330, 750 і 1150 кВ, а сталий струм — 1500 кВ. Лінії елек­тропередач з напругами 380 (із заземленою нейтраллю), 220 і 127 В називають низьковольтними і використовують в роз­подільчих мережах, які з'єднують трансформаторні підстанції із споживачами.

Передача електричної енергії на відстань більше 1000 км змінним струмом невигідна через значні втрати в проводах і по­рушення синхронності роботи генераторів. Тому в таких випад­ках ставлять випрямлячі, які перетворюють змінний струм в ста­лий, а в районі споживання знову сталий струм перетворюють в змінний за допомогою інверторів в струм високої напруги, а потім через пониження напруги в трансформаторах надходить до споживачів. В бувшому СРСР побудована була перша в світі еле­ктропередача сталим струмом на відстані 473 км: Волзька ГЕС — Донбас потужністю 700 МВт при напрузі 800 кВ.

Матеріалом для електропроводів служить мідь, алюміній., сталь, а в особливих випадках — бронза. Найбільша провідність у міді, але вона має високу вартість, яка менша в алюмінія, але він має незначну міцність. Для ліній з напругою 35 кВ використову­ють комбіновані сталеалюмінієві провода: центральна частина стальна забезпечує певну міцність, а алюмінієва має високу елек­тропровідність.

Система енергетики в будь-якій країні повинна відповідати основним вимогам до яких в першу чергу відносять надійність або стабільність, динамічність, інерційність, дискретність та еко­номічність і самоорганізованість

Економічність — властивість системи здійснювати свої функції з мінімумом втрат при наявності суттєвих обмежень. Ця властивість віднесена до групи функціонування, тому що воно в більшій мірі виявляється в період експлуатації.

Надійність — комплексна властивість системи виконувати за­дані функції при заданих умовах і обмеженнях функціонування.

В групу властивостей, що характеризують керованість систе­ми, включені п'ять основних: неповнота інформації; адаптація; недостатність оптимальних рішень; самоорганізованість; багато-кр итер іальність.

318

Властивість самоорганізованості полягає в спроможності си­стеми вибирати рішення і реалізовувати їх для зберігання взаємодії з навколишнім середовищем. Це пов'язано властивістю нецілісності системи. Основне завдання всього народно-госпо­дарського комплексу України полягає в скороченні затрат енергії на виробництво товарів. Конкурентно спроможною може стати продукція на виробництво якої витрачається в (6...7) разів менше енергії.

Перспективи розвитку електроенергетики заключаються у ви­користанні відновлюємих джерел енергії, тобто енергії води, вітру, сонця, тощо. Існують переконання, що більша частина не­обхідної нам енергії в майбутньому буде отримуватися від космічних електростанцій, які можуть допомогти забезпечити наші енергетичні потреби. Батареї сонячних елементів будуть пе­ретворювати сонячне світло в електрику. Отримана енергія буде спрямована на Землю у вигляді пучків мікрохвиль. Сонячний мо­дуль, який складається з ряду кремнієвих, фотоелектричних еле­ментів, послідовно сполучених один з одним для збільшення на­пруги, що отримується при падінні на них сонячного світла. Стандартний модуль цього типу виробляє максимум 2 ампери при напрузі 17 вольт, а отримана потужність дорівнює 34 вата. Можуть бути перспективними одержання електроенергії хімічним перетворюванням води, тобто спалювання водню після якого утворюється екологічно безпечний викид — вода.

Водень може використовуватися як добавка (активатор) у газотурбінних і поршневих двигунах для зниження токсичності відпрацьованих газів та ефективнішого спалювання основного пального. Основна проблема заключається в накопиченні вод­ню. Достатньо зауважити, що густина водню складає 0,09 кг/, тобто для його зберігання треба мати величезний об'єм ємності, або дуже великий в ємності тиск. Зараз ведуться розробки по виз­наченню методів накопичення водню методами абсорції на ос­нові використання гідридів металів накопичувачів водню. Ведуться роботи зі створення та вдосконалення водневих двигунів для автотранспорту та авіації.

Використання водню як палива диктує необхідність шукати

шляхи розв'язання багатьох проблем, передусім пов'язаних з йо­го зберіганням і транспортуванням. За останні роки синтезовано велику кількість сплавів накопичувачів водню, деякі з них уже застосовуються в промисловості. Проте одержати таке поєднання

319

параметрів, як значна сорбційна ємність, легкість процесів сорбції-десорбції водню за невисоких температур, висока тепло­провідність, легкість активації, наявність стабільних робочих ха­рактеристик під час експлуатації з невисокою вартістю. Ці за­вдання досить складні і не вирішенні.

Використання біогазу при зброджуванні біомаси може щорічно замінити 750 тис. т. умовного палива щорічно. Експлу­атація повітряних електродвигунів може дати в перспективі (30...40) млрд. кВт.год щорічно, а потенціал енергії малих рі­чок — 2400 МВт. та може виробляти 4 млрд. кВт.год електрое­нергії. Запаси гідротермічної енергії на глибині до 2000 м склада­тимуть 28300 тис. на добу при 30 °С.