Книги / 1bryzgalov_v_i_gordon_l_a_gidroelektrostantsii

К нетрадиционным возобновляемым источникам	электрической
энергии, обычно, относят энергию ветра, солнца, энергию океанов и морей,
а также геотермальную энергию (ГеоТЭС) (теплота недр Земли, использование
геотермальных вод рис. 2.12 б).
Солнце излучает огромное количество тепла, из которого на Землю в год
, чем сегодня потребляется		в мире.
попадает 1,2 1017 Вт, что в 108 раз больше

Поэтому разработка энергетических установок,

тепловую энергию, является приоритетной.

потребляющих

солнечную

-

Известны два типа солнечных электростанций (СЭС):
солнечные	, использующие фотоэлектрический
	электростанции
(рис. 2.13);

эффект

Рис.

2.13

Солнечная

водонапорная

установка

на

фотоэлементах

-

		,	использующие термодинамический		цикл
солнечные электростанции
(ТСЭС), в которых солнечное тепло собирается с помощью специальных
			; собранное тепло
	, линз или с водной поверхности
зеркал-концентраторов			, который далее		,
используется для				используется как
	нагрева теплоносителя
на обычных ТЭС	. 2.14
	(рис	).

			действия современной СЭС 5				, и стоимость
Коэффициент		полезного				10%
				-
энергии СЭС	в 5	10 раз выше стоимости		энергии,		вырабатываемой
	-		.Считается, что повышение				КПДСЭС до20%
традиционными электростанциями
позволит стать	СЭС конкурентоспособным источником электрической энергии.
Выпускаемые в Японии и США			фотоэлектрическиебатареи на		основеаморфного
кремния и многослойных пленок позволяют довести КПД СЭС до 10%.

78

У

iv

*

I

Рис.

2.14

Солнечная

электростанция с параболоцилиндрическими концентраторами

Энергия ветра - это преобразованная энергия солнца, вызывающего движение неравномерно нагретых воздушных масс. Теоретические запасы

энергии

ветра

в

100

раз

превышают

запасы

гидроэнергии

всех

рек

земного

шара.

Принято

считать,

что

возможно

реально

использовать

для

нужд

энергетики

до

10%

теоретических

запасов.

Строительство

ВЭУ

(

ветро

¬

,	начиная
энергетических установок) имеет многовековую историю
мельниц (рис. 2.15) и до современных установок (рис. 2.16).

с

ветряных

Рис.

2.15

Ветряная

мельница

е

Кижах

79

а;

а

§

б) N,

кВт

15

5

О

2

4

6

8 10 12 U, м/с

Рис. 2.16

а) общий вид ветроэнергетического агрегвта (ВЭА) мощностью 15 кВт

по разработкам СПб ГТУ;

б) зависимость выходной электрической мощности ВЭА от скорости ветра

Принцип использования ветровой энергии прост. Мощность N (дж/с)

движущегося со скоростью и воздушного потока с поперечным сечением F

равна:

N = ти2/2,

(2.5)

80

(р

=

где:

т

(кг/с) -

секундная

масса

воздуха

при

его

плотности

р

°

);

1,23

кг/м

при

температуре 15 С и

нормальном атмосферном давлении

3

т

= р и F

(2.6)

Подставляя (2.6)

:

в (2.5), получим

N =

ри

F/2

(2.7)

3

Переведя размерность

Дж/с в кВт, получим:

=

^

fodo

ри

р

> р

N

= 0 0049

ри

(18)

Y

1

’

потока

Зависимость в кВт.

(2.8)

позволяет

вычислить

полную

мощность

ветрового

Если

в

движущийся

ветровой

поток

поместить

подвижное

колесо

,

удается часть энергии ветрового потока превратить в механическую энергию
	,
, часть мощности ветрового потока
вращения. Как показано Н.Е.Жуковским

которую

удается

преобразовать

в

механическую,

называется

коэффициентом

использования ветра, который для идеального крыльчатого колеса

0,593. Реальный коэффициент полезного действия ветрового превышает 45-48%.

составляет колеса не

ВЭС

(ветровые

электростанции

рис.

2.17)

представляют

собой

группу

ВЭУ, отстоящих друг от друга на	небольшом расстоянии. Установленная
мощность ВЭС мира на начало 1988	г. составляла 2 млн. кВт (0,04% выработки
электрической энергии). Наибольших успехов в строительстве ВЭС		достигли
США и Дания, где доля ВЭС в производстве электроэнергии составляет 2%.
Столь слабое распространение ВЭС обусловлено рядом причин, которые
		.
делают их более дорогими, чем традиционные источники электроэнергии

Как	видно	из
пропорциональна кубу

формулы	(2.8),	мощность		ветрового
его скорости и площади			перехватываемого

потока потока.

Современные среднегодовая берегам морей

ВЭС экономически целесообразно строить в районах	,	где
скорость ветра 5-6 м/с. Для России такие районы находятся по
и океанов. Для ВЭС необходимы большие площади (ветровые

парки), так как современная ВЭУ может взять не более одной двадцать пятой
	. Для территории России реален съем
энергии потока ветра	на ее территории	с
1км мощности 10-15	. кВт. На территории	ветровых парков, обычно нет
	тыс
2
лесов и построек. Земли ветровых парков нельзя считать экологически
чистыми. Вибрации, исходящие от ВЭУ, отпугивают от ветровых парков птиц

и

грызунов.

Скорость ветра весьма изменчива, а энергия ветра пропорциональна

третьей степени скорости ветра, то есть при падении скорости ветра втрое, его энергия упадет в 27 раз. Во время штилей ВЭС работать не могут, поэтому их

нельзя рассматривать как гарантированный источник энергии. Сказанное

относится и к СЭС. Согласно современной концепции, ВЭУ и солнечные

электростанции должны дублироваться маневренными мощностями

81

								»
				, которые способны			«подхватить
	гидростанций		или газотурбинных	установок		и СЭС		позволяют
				Таким образом, ВЭС
	нагрузку	остановленной ВЭС.
							.
	экономить	топливо, но не уменьшают установленных			мощностей

Рис

.

2.17

Ветровая

электростанция

(группа

ВЭУ

-

архитектурный

проект)

В мире имеются

опытные

ветро-водородные

электростанции

(ВВЭС),

временем

сделать ВЭУ гарантированными

которые,

,

позволят со

возможно

использование

водорода

в

источниками

энергии. Идея таких станций

-

электролизного

разложения

Водород

получается путем

качестве

топлива.

поселок

ВЭС. В

США,

на

Аляске имеется

воды с помощью

электроэнергии

,

опытной ВВЭС

мощностью

которого

осуществляется

энергоснабжение

энергии,

в

несколько раз дороже

20 тыс. кВт.

Однако цена такой энергии

полученной

от

традиционных

источников

. Примерно половину

стоимости

воды

и хранения водорода

.

для разложения

ВВЭС составляет

оборудование

в

энергетический

баланс

время

вклад ВЭС

и

СЭС

В

настоящее

ВЭС

, на

начало 1988

г. установленная мощность

пренебрежимо

мал. Например

количество

вырабатываемой

всеми

СЭС

2

млн.

,

а

в мире

была

кВт

выработки

одной Курпсайской

ГЭС

электроэнергии

на

1988

год не превышало

. кВт

ч в

год). Тем

тыс. кВт, 2,6

в Киргизии

(установленная мощность 800

млрд

и

, во всем

мире проявляется

большой

интерес к строительству

не менее

.

Энергетические

программы многих

развитых

совершенствованию

ВЭС и СЭС

82

*

стран мира предусматривают развитие технологий

нетрадиционного

получения

электростанций

электроэнергии. Строительство ветровых и солнечных

с

поощряется экономически налоговыми льготами, ссудами и т.п.

В СССР

начала 80-х годов XX

века действовала Энергетическая программа, согласно

которой к 2000

году нетрадиционные источники должны были давать 3% всей

производимой

. В связи с распадом

СССР и последовавшим

за

электроэнергии

.

ним общим экономическим спадом, эта программа не была

выполнена

Существует

значительное

число

проектов

энергетического

,

использования

энергии морей и океанов-волновые энергетические

установки

использующие

, океанические тепловые

станции, основанные

на

энергию волн

воды на поверхности и

на

использовании

разности температур морской

глубине, установки, использующие

энергию океанических

,

течений. Однако

промышленное

использование получили

пока

ПЭС

- приливные

.

).

электростанции (рис

2.18

ГУ	1	5	PV
		5
			!ч
в макс				улткс
'
бассейн				Море
мин				тмин

Рис.

2.18

Приливная электростанция
с капсульными	агрегатами

(здание ПЭС	закрытого
(вариант проекта)

типа

3

-

1 козловый

- капсупьный агрегат; 2 - повышающий			;
	трансформатор
кран для обслуживания затворов и решеток;		4	- кабельный
5 - мостовой кран машинного	зала

коридор;

Приливы являются следствием взаимного притяжения системы	Земля	-

Луна - Солнце. Они поднимают уровень морей у берегов от нескольких
сантиметров до нескольких метров с периодичностью 12 час. 25 мин.
Наивысший прилив наблюдается на берегах залива	Фанди (Канада) и достига
	¬
ет 19 м. У берегов России высокие приливы (до 10	м) наблюдаются в заливах
Охотского и Белого морей. На Мурманском побережье прилив достигает 7 м.

83

Идея ПЭС

заключается в

,

) отсекается

от

следующем: залив (губа фиорд

моря плотиной

с

водопропускными

отверстиями.

Во время

прилива отверстия

поступает

вода

и уровень повышается. К

началу

отлива

открыты,

в залив

море

,

а

в

. В открытом

при отливе уровень понижается

отверстия закрывается

.

В

створе плотины

образуется

перепад

заливе при

закрытых

отверстиях-нет

.

,

который используется

для

производства

электроэнергии

уровней (напор)

первым из нетрадиционных источников, использованным

для

ПЭС были

промышленного

производства электрической

энергии

(ПЭС

Сен-Мало,

Франция). В России

имеется

опыт успешной

эксплуатации

экспериментальной

400

кВт,

построенной в 1961-66

., разработан

Килогубской ПЭС

мощностью

гг

Кольской

ПЭС мощностью 40 МВт.

Всего

в

промышленной

проект опытно-

.

России за счет

освоения

энергии возможно получение 270 млрд

приливной

строительство ПЭС может

решить

кВт ч электрической энергии. В

перспективе

.

проблему

электроснабжения

Европейского

Севера России

Камчатки способна

решить

Локальную

проблему

энергоснабжения

геотермальная

энергетика.

Прогнозные

запасы геотермального

теплоносителя

ГеоТЭС

юга

Камчатки

позволяют

построить там

несколько

(горячих

вод)

с

что позволит отказаться от

привозимого

суммарной

мощностью

700

МВт,

.

материка

мазута

возобновляемых

источников

Завершая

краткий обзор

нетрадиционных

по

уступают традиционным

что все

они пока

энергии можно

,

констатировать

. Потребуется немалое

время,

своим реальным

техническим

возможностям

.

прежде чем эти

источники

станут реальной

альтернативой

ТЭС, АЭС и ГЭС

	Использованная		литература				водных			ресурсов
	1.	Гидроэнергетика и комплексное				использование
											.,	ил.
						, 1982.			560
				-
			.		М.: Энергоиздат			-
		.С. Непорожнего
		Под ред. П

СССР.

2.

3.

Гидротехнические		сооружения: В 2				ч. Ч.1:Учебник			для	студентов	вузов
						. школа, 1979		-	615	с., ил.
/ Под ред. М.М. Гришина				-
					М: Высш						,
			энергии / Под ред.
Использование	водной						Д.С. Щавелева - Л.: Энергия
., .
1976.-656 с	ил

4.

5.

Львов А.В.,			Федоров М.П., Шульман С.Г. Надежность и экологическая
					установок.	-	.: Изд во СПб			ГТУ, 1999.
безопасность				гидротехнических			СПб	-
-	440 с.,	ил.			. СПб.: Изд-во					,	.
									СПб
										ГТУ	2000
Нарышкина			Н.А. Энергия труда и таланта
- 166 с.,		ил
		.

84

6.

Никитин С.Н.

Госэнергоиздат,

Методика			водноэнергетических
1949.	-	238	с., ил.

расчётов

.

-

М

.

:

7

.

Справочник по

строительству и

гидротехнике. ВНИИ ВОДГЕО.
архитектуре, 1955.	-	828	с., ил.

-

М

.:

Гослитиздат

по

8.

Энергетика мира: П.С. Непорожнего,

Переводы докладов XII конгресса МИРЭК

В.И. Попкова.- М.: Энергоатомиздат, 1985.-

/ Под ред.

232 с., ил.

9.

Электроэнергетика России. История и перспективы развития / Под общей
ред. А.Ф. Дьякова. - М.: АО «Информэнерго», 1997.	-	568	2442	с.,	ил.

85

Основные водоподпорные

сооружения 3

гидроэлектростанций

3.1. Типы гидротехнических сооружений

В зависимости от характера воздействия на речной поток гидро¬

технические сооружения принято подразделять на группы, важнейшими из которых являются: водоподпорные, руслорегулирующие, водопроводящие, судо- и водопропускные (водосбросные).

Водоподпорные сооружения перегораживают русла рек, тем самым,

существенно меняют уровень воды в потоке и создают подпор - разницу уровней воды до и после сооружения. Основное водоподпорное сооружение- плотина. Плотина полностью перегораживает русло реки. Уже отмечалось, что

поток выше по течению плотины называют верхним бьефом (ВБ), ниже по течению - нижним бьефом (НБ). Уровни воды в верхнем и нижнем бьефах вблизи плотины обозначают соответственно УВБ и УНБ, (рис. 3.1). Разность УВБ и УНБ называют напором и обозначают (Н). Максимальный уровень

верхнего бьефа, который можно держать сколь угодно долго в условиях

нормальной эксплуатации, принято обозначать НПУ - нормальный

подпорный уровень, а минимальный УМО - уровень мертвого объема.

Часть объема водохранилища между НПУ и УМО называют полезным, ниже

УМО - мертвым объемом; форсированный подпорный уровень (ФПУ) -

это уровень, до которого временно допускается заполнение водохранилища в

период пропуска катастрофических половодий и паводков, что является

чрезвычайными условиями эксплуатации подпорных сооружений.

—	у НПУ
	полезный объем	Н
Водохранилище	иУМО

цУНВ

Рис. 3.1 Схема водоподпорного сооружения с водохранилищем

На некотором расстоянии от плотины подпор исчезает (выкли¬

нивается). Подпертую часть реки называют водохранилищем. Если в плотине

(или в обход её) имеются отверстия для пропуска воды, оборудованные затворами, то это позволяет регулировать сток реки - менять количество

сбрасываемой воды из верхнего бьефа в нижний по определенному графику,

выгодному водопотребителям и водопользователям. Если на подпертой части русла реки (в пределах водохранилища) нет притоков, то расходы воды в

каждом сечении водохранилища постоянны (в силу неразрывности водного потока). В водохранилище существенно меняются ширина и глубина потока, а

также скорости реки. Как правило, по мере приближения к плотине ширина и глубина возрастают, а скорости течения воды уменьшаются.

87