4. Гидроэнергетика

4.1. Введение

Гидроэнергетика является наиболее развитой областью энергетики на возобновляемых источниках. Обычно под термином «гидроэнергетика» понимают область энергетики, которая преобразует энергию падающей или движущейся воды. Чаще всего эта энергия преобразуется в электрическую.

Несмотря на то, что гидроэнергетика развивается вот уже более 120 лет, и суммарная мощность всех гидроэлектростанций мира составляет примерно 500 000 МВт, она успешно развивается и в последние 20 лет увеличивает суммарную мощность на 5% в год.

Потенциальные возможности гидроэнергетики оцениваются примерно в 1,510¹² Вт. Очень большие запасы гидроресурсов имеются в России, в частности на Дальнем Востоке. Так, в 2003 году будет пущена в эксплуатацию первая турбина Бурейской ГЭС. Общая мощность этой ГЭС будет 2,110³МВт. Вот уже более 25 лет четко работает Зейская ГЭС. При региональном планировании гидроэнергетики на эти всеобщие оценки не всегда можно опираться, так как во-первых, в глобальных оценках часто не учитывают малые ГЭС мощностью от 10 кВт до 1 МВт, а во-вторых, экономическая эффективность строительства очень сильно зависит от специфики местных условий.

ГЭС и их оборудование используются очень долго, например, турбины эксплуатируются до 50 лет. Вследствие этого стоимость вырабатываемой электроэнергии низка. Вырабатываемую энергию очень легко регулировать, что очень важно при ее использовании в энергосистемах с большими колебаниями нагрузки. Коэффициент полезного действия гидротурбины достигает 90 %.

Гидравлические турбины бывают двух типов: активные и реактивные.

У активных гидротурбин рабочее колесо вращается в воздухе, посредством набегающей на его лопасти струи воды (рис. 4.2), т.е. оно приобретает энергию от кинетической энергии падающего потока. У реактивных гидротурбин рабочее колесо полностью погружено в воду и вращается в основном за счет разности давлений до и после колеса. Кроме того, реактивная гидротурбина может работать как насос при реверсировании генератора, закачивая воду обратно в водохранилище.

Наиболее серьезными проблемами гидроэнергетики являются: ущерб, наносимый окружающей среде, заиливание плотин, коррозия гидротурбин и, в сравнении с тепловыми электростанциями, большие капитальные затраты на их сооружение.

Далее в этой главе будут рассмотрены некоторые основополагающие вопросы гидроэнергетики, в основном касающиеся малой гидроэнергетики.

4.2. Основные методы использования энергии воды и оценка гидроресурсов для малых электростанций

Если Q – объем воды, падающий на лопасть в единицу времени, р – плотность воды, то масса падающей воды равна рQ, а теряемая ею энер­гия

, (4.1)

где g – ускорение силы тяжести; Р_о – мощность; Н – высота падения воды.

Так как реальная мощность гидротурбины близка к теоретической, то уравнение (4.1) определяет максимальную мощность, требуемого энерге­тического оборудования. Для однозначного выбора в пользу строитель­ства ГЭС необходимо учитывать рельеф местности и территорию, что­бы в данном регионе выпадало не менее 40 см осадков в год, а также качество сельхозземель, подлежащих затоплению.

Мощность набегающего на турбину потока определяется не геометри­ческим напором H_t, который измеряется географией местности, а рас­полагаемым или рабочим напором Н_а, равным:

Н_а = Н_t – Н_f, (4.2)

где H_f – потери напора на трение в каналах и водоводах, на пути к турбине.

При рациональном выборе водоводов можно получить H_f <= Н_t / 3. Для измерения расхода Q используют обычно три метода: основной, модифицированный и расчетный (рис. 4.1). Расход Q определяется выражением

, (4.3)

где n – единичная нормаль к элементарной площадке dA поперечного сечения русла реки, u – скорость потока. Основной метод пригоден для очень малых потоков, то есть таких, которые очень легко можно перекрыть.

Определение расхода по модифицированному методу проиллюстрировано (рис. 4.1).

г)

в)

б)

а)

д)

Рис. 4.1. Методы измерения расхода: а – основной метод; б – модифицированный метод 1; в – модифицированный метод 2; г – расчетный метод; д – водосливный метод; 1 – поток; 2 – отводная труба; 3 – секундомер; 4 – емкость; 5 – вырез; 6 – водослив.

Следует отметить, что средняя скорость U течения реки будет несколько меньше, чем на поверхности U_s, и обычно U ~ 0,8 U_s. Причем во 2-ом методе опре­деляется средняя скорость течения реки по высоте (обычно погружают теннисный шарик на глубину d и измеряют х).

Это наиболее точный расчетный метод, и им пользуются профессиональные гидрологи на больших реках. Но иногда используют и водосливной метод.