Что нужно для гэс
ГЭС: принцип работы, схема, оборудование, мощность
Содержание статьи
ГЭС ее понятие и виды гидроэлектростанций
ГЭС отличаются вырабатываемой мощностью, поэтому выделяют три вида ГЭС по мощности:
Также ГЭС отличают по максимальному количеству использования воды:
Существует и отдельный тип ГЭС, так называемая ГАЭС, что расшифровывается как гидроаккумулирующая электростанция.
Здание ГЭС Сооружение, подземная выработка или помещение в плотине, в которомустанавливается гидросиловое электротехническое
Схемы различных видов гидроэлектростанций
Гидроэлектрические станции делятся также в зависимости от принципа использования природных ресурсов, можно выделить следующие ГЭС:
Принцип работы гидроэлектростанции
Принцип действия ГЭС дотстаточно прост. Вода под давлением, большим напором попадает, а чаще падает, на лопасти гидротурбины, которые, в свою очередь вращают ротор генератора, который уже вырабатывает электричество. Для достяжения необходимого напора воды создаются плотины, и как следствие, образуется концентрация реки в определенном месте. Также может использоваться и деривация- отвод воды от главного русла реки в сторону по каналу. Есть случаи использования двух методов создания напора одновременно. 
Принцип работы гидроаккумулирующей электростанции отличен от обычной, привычной нас ГЭС. У ГАЭС существуют два периода работы, такие как турбинный и насосный. Во время насосного режима ГАЭС потребляет электроэнергию, которая подаётся от тепловых электростанций во время минимальной нагрузки (примерно 7-12 часов в сутки). В этом режиме на ГАЭС происходит перекачка воды в верхний аккумулирующий бассейн из нижнего питающего водохранилища (станция запасает энергию). В турбинном режиме ГАЭС отдаёт накопленную энергию обратно в сеть во время максимальной нагрузки на неё (2-6 часов в сутки). Вода в этот период из верхнего бассейна направляется обратно в питающее водохранилище, вращая при этом турбину генератора.
Оборудование гидроэлектростанций
Гидросиловое оборудование включает в себя турбины, и гидрогенераторы. В состав данной группы кроме перечисленного входят устройства, связанные с подачей воды на турбину и регулированием ее количества.
Механическое оборудование включает в себя гидротехнические затворы, подъемно-транспортные механизмы, сороудерживающие решетки и т. п.
Вспомогательное оборудование состоит из системы технического водоснабжения, пневматического хозяйства, масляного хозяйства, противопожарных и санитарно-технических устройств. Из перечисленного оборудования далее рассмотрим более подробно конструкции турбин.
Мощность гидроэлектростанций
Режим работы ГЭС в энергосистеме зависит от расхода воды, напора, объема водохранилища, потребностей энергосистемы, ограничений по верхнему и нижнему бьефу. Агрегаты ГЭС по техническим условиям могут быстро включаться, набирать нагрузку и останавливаться. Причем включение и выключение агрегатов, регулирование нагрузки могут происходить автоматически при изменении частоты электрического тока в энергосистеме. Для включения остановленного агрегата и набора полной нагрузки обычно требуется всего 1—2 мин.
Мощность на валу гидротурбины можно определить по формуле указанной справа, где :
Для расчета мощности гидроэлектростанции нужно значение напора воды, 
который можно расчитать по следующей формуле, где:
КПД современных турбин может достигать значения 0,95.
Крупнейшие ГЭС России
Подведя итоги рассмотрим на примере пару из крупнейших гидроэлектростанций в России.
В заключение можно сказать, что гидроэлектростанции являются менее воздействующими на окружающую среду, нежели други види электростанций.
ГЭС: принцип работы, схема, оборудование, мощность
Дата публикации: 22 июня 2020
ГЭС ее понятие и виды гидроэлектростанций
Гидроэлектростанция (ГЭС) — это станция для выработки электроэнергии, использующая в качестве источника энергии энергию водных масс, приливов на водотоках. В основном размещение ГЭС происходит на реках, сооружая плотины и водохранилища.
Для эффективной работы гидроэлектростанции необходимы как минимум два фактора, такие как:
ГЭС отличаются вырабатываемой мощностью, поэтому выделяют три вида ГЭС по мощности:
Также ГЭС отличают по максимальному количеству использования воды:
Существует и отдельный тип ГЭС, так называемая ГАЭС, что расшифровывается как гидроаккумулирующая электростанция.
Гидроаккумулирующая электростанция — это гидроэлектростанция, используемая для выравнивания суточной неоднородности графика электрической нагрузки. ГАЭС служат для накопления электроэнергии во время низкого потребления сетями электричества (в ночной период) и отдачи её во время пиковых нагрузок, уменьшая тем самым необходимость изменения мощности в течение суток основных электростанций.
ТЭС, АЭС, ГЭС что это такое?
Для того, чтобы разобраться в электроэнергетике России необходимо знать основные аббревиатуры, которыми называют здания, вырабатывающие киловатты:
Тепловая электрическая станция (ТЭС)
Данный вид станций делится на два основных типа: конденсационная электростанция и теплоэлектроцентраль. Основное их отличие заключается в выработке теплоэлектроцентралью не только электричества, но и тепла. Основными потребляемыми энергоресурсами на данных станциях являются уголь, газ и мазут. ТЭС являются лидером в выработке всей электроэнергии России.
Преимущества:
1. Относительно дешевое топливо
2. Могут быть построены в любом месте
3. Довольно практичны в плане строительства
4. Мощность одной станции может быть очень большой
Недостатки:
1. Являются сильным загрязнителем атмосферы
2. Работают на невозобновляемых ресурсах
3. Сложно регулируются, остановка или пуск может занимать от десяти часов до нескольких дней
Атомная электрическая станция (АЭС)
Относительно недавно атомные электростанции заняли вторую строчку в доле вырабатываемой электроэнергии в России. В качестве топлива используется уран. По виду отпускаемой энергии так же, как и ТЭС делится на АЭС и АТЭЦ (Атомная теплоэлектроцентраль).
Преимущества:
1. Отсутствие вредных выбросов
2. Малые объёмы используемого топлива, а так же возможность переработки и повторное его использование
3. Высокая мощность, вырабатываемая одним блоком
4. Низкая себестоимость электроэнергии
Недостатки:
1. Радиоактивные отходы опасны для жизни
2. Запрещен перевод на режимы с переменной мощностью
3. Большие капитальные вложения
4. Крупные аварии на АЭС несут за собой тяжелые последствия для окружающей природы
Данный вид электростанций использует в качестве источника энергию воды в водотоках. Принцип действия заключается в создании необходимого напора воды, который приводит в действие гидротурбину. Существуют гидроаккумулирующие электростанции (в РФ таких три), которые используются для выравнивания графика электрической нагрузки.
Преимущества:
1. Отсутствуют выбросы вредных веществ
2. Вода является возобновляемым источником энергии
3. Отсутствуют затраты на топливо
4. Легко контролируется производительность станции, путем контроля объёма воды, подаваемого на турбины
5. Водохранилища, создаваемые для ГЭС можно использовать как зоны отдыха
Недостатки:
1. Водохранилища затопляют большие участки земли, которые могли бы использоваться для других целей
2. Авария или разрушение ГЭС вызовет наводнение
3. Невозможность использования в равнинных районах
4. Нарушает цикл рыбы в водотоке
Альтернативные источники энергии
Ветряная электростанция в России
Помимо основных видов электростанции, описанных выше, существуют и нетрадиционные источники слабо развитые в России. Такими источниками являются солнечные, геотермальные, ветровые станции.
Энергоресурсы, потребляемые электростанциями
Выработка электричества требует затрат энергоресурсов, таких как уголь, газ, мазут и т.д.
Процентное соотношение использования энергоресурсов в России электростанциями
Топливо друг от друга отличается по своим характеристикам и для простоты сравнения потребления энергоресурсов различными станциями придуман термин условного топлива. Разрабатываемые в России запасы угля составляют около 157 миллиардов тонн условного топлива.
Суммарная мощность электростанций в России
Электроэнергетика России является одной из основ современной жизни. Заметен довольно быстрый темп роста после минимума мощности, вырабатываемой электростанциями в 2000 году. На 2010-ый год суммарная выработанная мощность электростанций составляла больше 1500 миллиардов киловатт*час, а на 2030-ый год прогнозируется свыше 2000 миллиардов!
Классификация и конструктивные отличия
Естественный перепад высот на реках, который обеспечил бы нужный напор, почти не встречается в природе. Поэтому самой сложной задачей при возведении конструкции является строительство напорных сооружений. В зависимости от их типа и классифицируют гидростанции:
ГАЭС строят при необходимости компенсировать резкий рост энергопотребления в пиковые часы. Наличие гидроаккумулятора позволяет достигнуть максимального КПД в отдельные моменты, а когда он не нужен, переключить станцию в режим насоса и накопления воды. При этом она работает от собственного электричества, полученного в режиме генератора.
Технические нюансы
ГЭС выходят на проектную мощность быстрее, чем другие электростанции. Вследствие того, что природный напор воды непостоянен, сооружения без компенсаторных механизмов выдают разную производительность. В качестве основной характеристики для гидроэлектростанций принято брать установленную мощность всех ее генераторов. В зависимости от этого различают:
По высоте напорного потока ГЭС делятся на:
От силы потока зависит выбор типа турбины. В высоконапорных ГЭС используют ковшевую, не погружаемую конструкцию. Вода в нее подается сильной струей из сопел и толкает ковши. При более низком напоре применяют радиально-осевые или поворотно-лопастные аппараты. Они полностью погружены в емкость с водой, имеют различный наклон оси, строение и количество лопастей, за счет своей конструкции раскручиваются при потоке небольшой силы. Камеры для турбин производят из стали или железобетона. Здание с электрооборудованием может располагаться непосредственно внутри плотины, рядом с ней или, в случае деривационного типа, далеко от источника воды. В состав сооружений ГЭС включают шлюзы для судов, рыбоходы, водосбросы, ирригационные отводы при условии, что такое дополнение необходимо для поддержания действующей транспортной, сельскохозяйственной или экосистемы в пойме реки.
Новые разработки
Как известно, гидроэлектростанции не могут работать без воды и потому возводятся на берегах рек. Для этого необходимо строить плотину и другие сооружения.
Весь комплекс работ следует проделывать даже при возведении малых ГЭС. Но в последнее время некоторые учёные высказывают достаточно оригинальные предположения: нельзя ли построить такую станцию на расстоянии от речного берега? Казалось бы, ответ на вопрос ясен, конечно же, нет. Но не нужно торопиться.
Оказывается, реализовать подобные планы можно, уже существует несколько вариантов решения проблемы. Авторы идеи утверждают, что главное условие существования установки – наличие воды и напора – можно обеспечить и вдали от рек. Для создания напора предлагается использовать силу взрывной волны. Благодаря этому энергия воды направляется на лопасти гидротурбины.
Представим одиночный энергоблок, который будет состоять из корпуса (железобетонный или металлический цилиндр, заполненный водой) и взрывной камеры. Предполагаемый диаметр цилиндра – от восьмидесяти до ста двадцати сантиметров, высота достигает двух метров. На высоте полутора метров устанавливается гидротурбина, лопасти которой сконструированы особым образом: ось выходит на крышку цилиндра, где соединяется через редуктор с генератором тока.
По мнению разработчиков проекта, самым важным условием для обеспечения эффективности изобретения является правильный расчёт веса взрывной волны, необходимого для производства волны, а не всплеска. Кроме того, должна быть точно рассчитана периодичность взрывов, что позволит избежать перерывов в действии устройства и не снижать скорость вращения лопастей. На стадии разработки находятся и другие варианты подобных установок.
Гидроаккумулирующие электростанции
В период малых нагрузок гидроагрегаты станции заняты перекачкой воды из низового водоёма в верховой. Во время повышенной нагрузки происходит использование запасённой воды для выработки пиковой энергии. Обратимые гидроагрегаты обеспечивают работу турбинных и насосных режимов и представляют собой соединение синхронной электрической машины и гидравлической насос-турбины.
Энергия, которая тратится на перекачку, вырабатывается ТЭС во время пониженной загрузки, когда её стоимость не слишком высока. То есть, дешёвая ночная электроэнергия преобразовывается в дорогую. Экономическая эффективность, как можно убедиться, довольно высока. Несомненным преимуществом данного типа гидростанций является наличие высокого напора. Это позволяет устанавливать более эффективные аккумуляторы. Встречаются и станции смешанного типа. Часть установленных там гидроагрегатов способна работать в двух режимах: турбинном и насосном. Другая часть работает только в турбинном режиме. Использование таких станций позволяет накапливать большее количество воды и вследствие этого производить больше электроэнергии в периоды повышенной нагрузки.
Приливные электростанции
Для создания экономичной приливной станции необходимы определённые природные условия. В частности, должен быть большой перепад уровней во время отлива и прилива (не менее шести метров), особенности береговой линии, которые позволяют создать плотину и водный бассейн соответствующих размеров.
На нашей планете такие места найти не так уж и просто. Это побережье американского штата Мэн, канадская провинция Нью-Брансуик, Персидский залив, отдельные регионы Аргентины, южная Англия, северная Франция, северные области европейской части России. Впрочем, даже станции, сооруженные в указанных регионах, не смогли бы достойно конкурировать с уже действующими ТЭС по стоимости производимой энергии.
Проекты приливных электростанций обычно предусматривают наличие двух бассейнов. Это верховой и низовой водоёмы. Каждый из них должен быть дополнен водопропускными отверстиями и затворами. Во время прилива верховой бассейн заполняется водой, а затем отдаёт всю воду низовому, который опорожняется при отливе.
История гидроэнергетики
Человек всегда жил возле водоёмов и не мог не обращать внимание на огромный потенциал воды как источника энергии. Поэтому история гидроэнергетики ведёт своё начало ещё с древних времён. Уже тогда люди научились с помощью воды производить помол зерна или дутьё воздуха при выплавке металла.
Постепенно механизмы совершенствовались, и водяные колёса становились всё более эффективными. В конце девятнадцатого века наступил современный этап в развитии гидроэнергетики. Но полномасштабное использование водных ресурсов началось только в двадцатом столетии, а точнее – в тридцатых годах, когда вода начала использоваться человеком для получения электричества. Именно в это время в мире начинается строительство крупных гидроэлектростанций.
Гидроэнергетика прошла довольно долгий и интересный путь развития и продолжает развиваться, одаривая человека всё новыми возможностями. В данном разделе мы шаг за шагом пройдём путь, проделанный гидроэнергетикой в течение многих веков, рассмотрим этапы и особенности её развития, от водяных колёс, используемых в эпоху античности и Средневековья, до современных гидроэлектростанций, появившихся уже в двадцатом веке.
Античная и средневековая гидроэнергетика
Трудно сказать, когда человек начал использовать водные ресурсы для получения энергии. Самые ранние упоминания о подобных процессах относятся к четвёртому веку до нашей эры. При этом учёные склонны полагать, что использование воды происходило параллельно во многих регионах планеты. Кстати, археологи обнаружили свидетельства того, что водные ресурсы эксплуатировали и на территории бывшего Советского Союза: на территории современной Армении и в бассейне реки Амударья.
Древние греки использовали водяное колесо для облегчения некоторых видов тяжёлого ручного труда. Например, это приспособление осуществляло перемол зерна. Постепенно технологии совершенствовались, количество водяных колёс в европейских государствах неуклонно росло. Так, в одиннадцатом веке в Англии и Франции одна мельница приходилась на двести пятьдесят человек. Согласно утверждениям историков, приблизительно в тринадцатом веке водяные мельницы появляются в средневековой Руси, а точнее – в её юго-западных и северо-восточных регионах.
С течением времени увеличивались и сферы применения устройств. Водяные мельницы обеспечивали работу сукновальных фабрик и откачивающих насосов, участвовали в распилке леса, помогали человеку варить пиво, применялись на маслобойнях. До восемнадцатого столетия применялись исключительно колёса нижнего боя. Позже появились среднебойные и нижнебойные водяные колёса.
Гидроэнергетика в девятнадцатом столетии
Достижения предыдущих столетий уже не могли удовлетворять потребности человека в девятнадцатом веке. Толчок дальнейшему развитию гидроэнергетики дало изобретение водяных турбин. Хотя попытки создания более совершенного по сравнению с водяным колесом механизма предпринимались и до этого. Так, ещё в шестнадцатом веке на Урале использовали быстроходное мутовчатое колесо с вертикальным расположением вала. В таких механизмах вода попадала на изогнутые лопасти колеса из специального желоба.
Впоследствии аналогичным образом были устроены свободноструйные водяные гидротурбины. Но полноценная водяная турбина была создана только в начале девятнадцатого века. Её создание – заслуга нескольких талантливых изобретателей. Одним из них русский исследователь И. Сафонов, который в 1837 году произвёл установку сконструированной им водяной турбине на реке Нейве. Два года спустя Сафонов усовершенствовал собственное изобретение, установив несколько переделанную турбину на одном из местных заводов. Параллельно с Сафоновым над созданием водяных турбин работал французский учёный Фурнейрон. Изобретённое им устройство было представлено в 1834 году. Изобретения, сделанные обоими учёными, быстро завоевали популярность, и в течение последующих пятидесяти лет появляется множество самых разнообразных турбин.
Уже в конце девятнадцатого века происходит событие, которое фактически откроет современный этап в истории мировой гидроэнергетики. В 1891 году русский инженер М.О. Доливо-Добровольский, проживающий в Германии и покинувший Россию по причине своей политической неблагонадёжности, прибыл в город Франкфурт-на-Майне для участия в электротехнической выставке. Там он должен был продемонстрировать свой изобретение – двигатель переменного тока. Тогда подобный аттракцион вообще был в новинку, но автор решил дополнить его ещё одним сооружением.
Это была гидроэлектростанция. В небольшом городке Лауффен Доливо-Добровольский установил генератор трёхфазного тока, который вращала водяная турбина небольших размеров. Вырабатываемая электроэнергия поступала на территорию выставки посредством линии передачи. Её длина равнялась 175 километрам. Сегодня никого не удивляют линии протяжённостью в несколько тысяч километров, но в те времена всё это было бесспорной сенсацией. Эпоха гидроэлектростанций началась.
Гидроэлектроэнергетика в двадцатом веке
Несмотря на открытие Доливо-Добровольского, дальнейшее развитие гидроэнергетики было замедлено некоторыми объективными факторами. Строительство крупных гидроэлектростанций, которые были бы действительно эффективными, оказалось предприятием более сложным, чем экспериментальная установка, показанная на выставке. Ведь чтобы заставить вращаться большие турбины, необходим значительный запас воды.
В начале двадцатого века такое строительство представлялось довольно сложным. За первые два десятилетия нового века было построено всего лишь несколько гидроэлектростанций. Но это было только начало. Уже в тридцатых годах были сооружены крупные станции, например, ГЭС Гувер в США мощностью в 1,3 Гиговатт.
Другим ярким событием в истории американской гидроэнергетики стало открытие гидроэлектростанции Адамс, расположенной на Ниагарском водопаде. Её мощность достигала 37 МВт. Запуск таких мощных гидроэлектростанций обусловил увеличение объёмов потребляемой энергии в промышленно развитых странах, что, в свою очередь, дало толчок программам освоения гидроэнергетических потенциалов.
Советская гидроэнергетика
К началу двадцатого века развитие российской гидроэнергетики было весьма замедленным. Так, в 1913 году на территории Российской империи функционировало около пятидесяти тысяч гидросиловых установок. Их общая мощность составляла около миллиона лошадиных сил. При этом около семнадцати тысяч установок были оборудованы гидротурбинами.
Суммарная годовая выработка электроэнергии на всех гидроэлектростанциях не превышала тридцать пять миллионов киловатт в час при установленной мощности около 16 МВт. В то же время во многих европейских странах общая мощность составляла приблизительно 12000 МВт. Ситуация изменилась после Октябрьской революции. Новая власть хорошо понимала важность развития отрасли.
Уже 13 июня 1918 года было принято решение о начале строительства Волховской гидроэлектростанции, которая стала первым проектом советской гидроэнергетики, а её мощность равнялась 58 МВт. Уже в первые годы советской власти был разработан план электрификации страны (ГОЭЛРО), который был утверждён 22 декабря 1920 года. Одна из глав плана называлась «Электрификация и водная энергия». В ней отмечалось, что использование гидроэлектростанций может представлять выгоду в случае комплексного использования.
План предусматривал сооружение ГЭС общей мощностью в 21254 тысяч лошадиных сил. При этом в европейской части России общая мощность станций составит 7394, в Туркестане – 3020, в Сибири – 10840 тысяч лошадиных сил. Предусматривалось строительство десяти гидроэлектростанций, суммарная мощность которых составит 640 МВт.
Первым советской гидроэлектростанцией стала Днепровская гидроэлектростанция имени Ленина в Запорожье. Ещё в 1921 году Ленин подписал решение о начале строительства, а само строительство было начато в 1927 году. Запуск первого агрегата был произведён в 1932 году, а достичь проектной мощности удалось в 1939 году. Она составила 560 МВт. При возведении плотины были затоплены знаменитые пороги Днепра, что сделало реку полностью судоходной.
За несколько десятилетий Советский Союз стал одним из лидеров мировой гидроэнергетики. Например, в начале семидесятых советская гидроэнергетика по установленной мощности уступала только американской. Строительство гидроэлектростанций велось на Волге, Каме, Дону, Днепре, Свири и других крупных реках.
Это позволило превратитить их в водные магистрали Европейской части страны, существенно повысить уровень воды в реках и получить в результате целостную судоходную систему, которая соединяла между собой Каспийское, Чёрное, Азовское, Балтийское и Белое моря. К концу семидесятых годов двадцатого века были сооружены самые большие гидроэлектростанции в мире. Это Саяно-Шушенская и Красноярская, расположенные на реке Енисей, Братская и Усть-Илимская (река Ангара), Нурекская (река Вахш), Волжская.
Мировая гидроэнергетика в 21 веке
В начале двадцать первого века гидроэнергетика обеспечивает до шестидесяти трёх процентов возобновляемой энергии в мире. Это девятнадцать процентов всей мировой электроэнергии. Установленная гидроэнергетическая мощность составляет 715 Гвт.
Такие страны как Норвегия, Исландия и Канада являются лидерами по выработке гидроэнергии на гражданина. Наиболее активно ведет строительство гидроэлектростанций Китай. Для этого государства гидроэнергия является наиболее перспективным источником энергии и, очевидно, он в скором времени станет основным. Кроме того, именно Китай является мировым лидером по количеству малых гидроэлектростанций.
Наиболее крупные ГЭС расположены на территории Китая (Санься на реке Янцзы, Бразилии (Итайпу на реке Парана и Тукуруи на реке Токантин), Венесуэлы (Гури на реке Карони). Развивается гидроэнергетическая отрасль и в России. Сегодня на территории Российской Федерации функционируют сто две гидроэлектростанции.
Суммарная мощность всех работающих российских гидроагрегатов – сорок пять миллионов киловатт (это пятое место в мире). При этом доля гидроэлектростанций в общем объёме получаемой российской энергии составляет двадцать один процент. А это не так уж и много, особенно, учитывая то, что Россия находится на втором месте по экономическому потенциалу гидроресурсов (около 852 миллиардов киловатт в час). Но освоены эти ресурсы лишь на двадцать процентов.
Перспективы гидроэнергетики
Без сомнения, энергообеспечение – одна из наиболее актуальных проблем человечества. Мировые запасы нефти и газа стремительно уменьшаются и недалёк тот день, когда они будут полностью исчерпаны. Это понимают все, и поэтому с каждым годом всё большее число специалистов изучает возможности их равноценной замены. Сегодня существует несколько направлений альтернативной энергетики: использование солнечной энергии и энергии ветра, биоэнергетика, геотермальная энергетика.
Каждое их этих направлений отличается определёнными достоинствами и недостатками. И поэтому необходимо определиться: какой альтернативный источник энергии лучше всего подходит для удовлетворения нужд человечества и в то же время наносит минимальный ущерб природе.
Потенциал мировой гидроэнергетики
Потенциал гидроэнергетики можно определить, суммировав все существующие на планете речные стоки. Расчёты показали, что мировой потенциал равен пятидесяти миллиардам киловатт в год. Но и эта весьма впечатляющая цифра составляет лишь четверть от количества осадков, ежегодно выпадающих во всём мире.
С учётом условий каждого конкретного региона и состояния мировых рек действительный потенциал водных ресурсов составляет от двух до трёх миллиардов киловатт. Эти цифры соответствуют годовой выработке энергии в 10 000 – 20 000 миллиардов киловатт в час (приведены данные ООН).
Чтобы осознать потенциал гидроэнергетики, выраженный этими цифрами, следует сопоставить полученные данные с показателями нефтяных теплоэлектростанций. Чтобы получить такое количество электроэнергии, станциям, работающим на нефти, требовалось бы около сорока миллионов баррелей нефти каждый день.
Вместе с тем, не теряет актуальность вопрос: какую долю этого природного богатства человечество может позволить себе использовать? Для ответа на этот вопрос необходимо представлять возможные последствия работы гидроэлектростанций для окружающей среды.
Особенности возведения и эксплуатации
Выбор определенной модификации ГЭС определяется особенностями местности и расчетной эффективностью речного потока. Общая схема всех видов в обязательном порядке включает сорозаборные решетки на входных отверстиях, центр управления и контроля, площадку для обслуживания электрооборудования и трансформаторы, преобразующие вырабатываемое электричество в 220 V или другой необходимый стандарт напряжения.
Для сооружения генератора ГЭС используют распространенные унифицированные элементы. Все оборудование износостойкое, обладает большим сроком эксплуатации и минимальными требованиями к обслуживанию. Но в целом устройство каждой станции уникально. Конструкцию, привязанную к конкретному географическому району, нельзя повторить, как нельзя найти и две идентичные по условиям бассейна реки.
Разобравшись, как работает гидроэлектростанция, можно сформулировать ее преимущества относительно ТЭС и АЭС:
Причина, по которой выработка электроэнергии ГЭС составляет лишь около 20% от мирового производства электричества, заключается в необратимом влиянии на экосистему по всему руслу реки и ирригацию прилегающих территорий. Размеры всего гидроузла, включая водохранилище, достигают сотен тысяч га. До сих пор не существует надежных методов комплексной оценки масштабов такого влияния.
Схемы различных видов гидроэлектростанций
Гидроэлектрические станции делятся также в зависимости от принципа использования природных ресурсов, можно выделить следующие ГЭС:
Принцип работы гидроэлектростанции
Принцип действия ГЭС достаточно прост. Вода под давлением, большим напором попадает, а чаще падает, на лопасти гидротурбины, которые, в свою очередь вращают ротор генератора, который уже вырабатывает электричество. Для достяжения необходимого напора воды создаются плотины, и как следствие, образуется концентрация реки в определенном месте. Также может использоваться и деривация- отвод воды от главного русла реки в сторону по каналу. Есть случаи использования двух методов создания напора одновременно.
Принцип работы гидроаккумулирующей электростанции отличен от обычной, привычной нас ГЭС. У ГАЭС существуют два периода работы, такие как турбинный и насосный. Во время насосного режима ГАЭС потребляет электроэнергию, которая подаётся от тепловых электростанций во время минимальной нагрузки (примерно 7-12 часов в сутки). В этом режиме на ГАЭС происходит перекачка воды в верхний аккумулирующий бассейн из нижнего питающего водохранилища (станция запасает энергию). В турбинном режиме ГАЭС отдаёт накопленную энергию обратно в сеть во время максимальной нагрузки на неё (2-6 часов в сутки). Вода в этот период из верхнего бассейна направляется обратно в питающее водохранилище, вращая при этом турбину генератора.
Оборудование гидроэлектростанций
Существует несколько групп оборудования ГЭС для осуществления главной ее функции — выработки электроэнергии:
Затворы и сбросные сооружения
В идеале вся вода должна идти через турбины и давать энергию. Но не всегда это возможно.
Часть воды приходится сбрасывать мимо ГЭС:
— при ремонте гидроагрегатов;
— при весенних паводках, если нет водохранилища многолетнего регулирования (а его часто нет);
— бывает, что в каскаде ГЭС (станций, стоящих на одной реке) пропускная способность верхней станции больше, чем нижней; тогда нижняя должна пустить часть воды мимо турбин, иначе ее просто затопит;
— иногда открывают холостой водосброс по запросу рыбзаводов для пропуска мальков вниз по течению;
— и т.д.
Холостой водосброс Беломорской ГЭС — это три затвора.
Довольно много внимания уделено вопросу резервирования, потому что не суметь вовремя понизить уровень в водохранилище — это чревато. Любой из затворов здесь можно опустить/поднять козловым краном, два из трех — электрическими лебедками. В крайнем случае можно и вручную (со скоростью, правда, 3 см/мин).
Затвор поднят, идет холостой сброс для водозабора города Беломорска, находящегося ниже по течению:
Для борьбы с обледенением затворов применяют индукционный подогрев. На обогрев данного экземпляра, например, требуется 150 кВт:
Иногда для этого же делают барботаж — пропускают воздух из глубины вдоль затвора; видим шланг системы сжатого воздуха:
На сбросе предусматривают мероприятия для гашения кинетической энергии потока — водобойные колодцы, столкновение потоков, ступени или, как здесь, на Волховской ГЭС — водобойная плита с гасителями:
О рыбе
На Нижнетуломской ГЭС сделан специальный рыбоход для семги, поднимающейся на нерест вверх по течению. Конструкция имитирует собой полукилометровый горный ручей с камнями на дне, зигзагообразными проходами и местами для отдыха рыбы.
Интересно, что в период нереста на ГЭС отключают ближний к рыбоходу 4-й гидроагрегат, чтобы семга могла услышать шум рыбохода и направиться именно туда.
На Верхнетуломской станции рыбоход сделали в виде 2-километрового тоннеля с подсветкой и специального рыболифта, но такая конструкция оказалась неудачной, рыба не пошла. Из положения вышли — тоннель превратили в рыбзавод и пускают в него теплую воду от охлаждения генераторов. И малькам хорошо, и энергоэффективность налицо. Откуда в генераторе теплая вода — см.ниже.
Безопасность
Напомню, что при аварии-2009 на Саяно-Шушенской ГЭС после прорыва воды в машинный зал было быстро потеряно электропитание собственных нужд станции, в результате чего сброс затворов на водоприемниках пришлось производить вручную. По следам этого происшествия на ГЭС активно занялись резервным питанием — аварийные дизель-генераторы, аккумуляторы.
Толщина стальных стенок водоводов сравнительно небольшая — 12 мм. Кольца водоводов рассчитаны на большое внутреннее давление или небольшой вакуум. Но если закрыть верхние затворы и водовод резко опорожнить, то внутри них возникнет глубокий вакуум, и трубы могут деформироваться. Аэрационные трубы впустят воздух при опорожнении, и все будет хорошо.
ГЭС работают по т.н. диспетчерскому распоряжению, которое регламентирует когда и сколько станции выдавать электроэнергии. Поскольку ГЭС — самые маневренные источники энергии (быстро запускаются и быстро останавливаются), то они служат для покрытия пиковых нагрузок и их выработка меняется в зависимости от времени суток и дня недели. В отличие от тепловых и атомных электростанций, которые обеспечивают базовую часть потребления и работают в относительно стабильном режиме.
Диспетчерское задание учитывает взаимное влияние ГЭС в каскаде, уровни воды в их водохранилищах, запросы потребителей по воде и электричеству и т.д. и на основании этого распределяет выработку энергии между станциями. Любопытно, что на реке Паз на границе между Норвегией и Россией работает 5 российских и 2 норвежских ГЭС, а сама река вытекает из финского озера. И ничего, как-то договорились.
Мощность гидроэлектростанций
Режим работы ГЭС в энергосистеме зависит от расхода воды, напора, объема водохранилища, потребностей энергосистемы, ограничений по верхнему и нижнему бьефу. Агрегаты ГЭС по техническим условиям могут быстро включаться, набирать нагрузку и останавливаться. Причем включение и выключение агрегатов, регулирование нагрузки могут происходить автоматически при изменении частоты электрического тока в энергосистеме. Для включения остановленного агрегата и набора полной нагрузки обычно требуется всего 1—2 мин.
Мощность на валу гидротурбины можно определить по формуле указанной справа, где :
Для расчета мощности гидроэлектростанции нужно значение напора воды, который можно расчитать по следующей формуле, где:
КПД современных турбин может достигать значения 0,95.
Производители и цены
В настоящее время, все большее количество людей интересуется альтернативными источниками энергии, а соответственно и спрос, на оборудование, используемое для производства энергии возрастает. В связи с этим, производством подобного оборудования, занимаются компании во многих странах мира, в том числе и в России.
Оборудование для микро — ГЭС, как по отдельным узлам, так и комплектами, в нашей стране занимаются:
Стоимость комплекта оборудования, в зависимости от типа электростанции и ее мощности – от 350000,00 рублей.
Среди зарубежных производителей, наиболее известна продукция таких компаний, как:
Крупнейшие ГЭС России
Подведя итоги рассмотрим на примере пару из крупнейших гидроэлектростанций в России.
1. Красноярская ГЭС — вторая по мощности ГЭС в России. Расположена на реке Енисее в 2380 км от его устья.
2. Братская ГЭС — гидроэлектростанция на реке Ангаре в городе Братске Иркутской области. Является третьей по мощности и первой по среднегодовой выработке гидроэлектростанцией России.
В заключение можно сказать, что гидроэлектростанции являются менее воздействующими на окружающую среду, нежели другие виды электростанций.
Как сделать Микро ГЭС своими руками
Для того, чтобы сделать простейшее устройство для получения электрической энергии, необходимо иметь навыки работы с ручным инструментом, свободное время, желание и водоем.
В качестве источника электрической энергии можно использовать автомобильный генератор, для вращения ротора которого, необходимо изготовить следующую конструкцию.
Установка готова к работе.
Такой вариант получения электрической энергии можно использовать туристам и путешественникам для подзарядки мобильных телефонов, планшетов и иного не энергоемкого оборудования.
Микро — ГЭС на ручье
При проживании в сельской местности или имея дачный участок, вблизи с которым протекает ручей, можно решить вопрос с электроснабжением этих объектов, путем монтажа микро – ГЭС, на таком водном объекте.
Для электроснабжения подобного объекта, уже будет недостаточно автомобильного генератора, потому как установленная мощность, даже дачного домика значительно больше, чем подобное устройство может произвести.
Наиболее верное решение – это приобрести комплект микро – ГЭС мощностью до 10,0 кВт, и выполнить монтаж самостоятельно. Это позволит снизить затраты, а сам процесс монтажа, способен выполнить даже человек с минимальными познаниями в механике и электротехнике.
В комплект подобного оборудования, как правило, входят следующие элементы:
В зависимости от расхода воды, который обеспечивает ручей, выбирается тип турбины, это как правило пропеллерная или диагональная конструкция.
В соответствии с инструкциями производителя осуществляется монтаж оборудования и подключение потребителей.
Микро – ГЭС водоворотного типа
Установки, работающие на принципе водоворота, целесообразно устанавливать на малых реках и полноводных ручьях. Мощность подобного типа микро – ГЭС составляет до 100,0 кВт.
При строительстве подобных станций, монтируется специальный желоб, в который поступают водные массы из реки или ручья. В нижней точке желоба изготавливается цилиндрическое сооружение внизу которого устраивается отверстие. Вода поступает по желобу в приемник-цилиндр двигаясь по касательной к стенкам последнего, в следствии чего, внутри цилиндра, закручивается в водовороте, скорость ее движения увеличивается, и она вытекает через нижнее отверстие, попадая на лопасти турбины.
Благодаря постоянному вращению воды гидроэлектростанции подобного типа работают в круглогодичном цикле. Недостатком водоворотных микро-ГЭС является высокая стоимость, обусловленная большим объемом бетонных работ.
Плюсы и минусы
Использования микро – ГЭС, позволяет получить положительный эффект от их использования в экономической и социальной сферах и экологической безопасности территорий, где строятся подобные сооружения.
Производство электрической энергии позволяет обеспечить энергетическую независимость и безопасность территории, отдельного предприятия или объекта недвижимости. При строительстве не требуется сооружение больших гидротехнических сооружений, и как следствие, снижение стоимости строительно-монтажных работ.
Важным достоинством малой гидроэнергетики является экологическая безопасность подобных установок. На флору и фауну не оказывается каких-либо вредных воздействий, качество воды остается неизменным.
Суммируя плюсы использования микро – ГЭС, к их положительным свойствам можно отнести следующие:
У любого технического объекта, на ряду с положительными свойствами, всегда есть и отрицательные. Для сложных технических сооружений, которыми являются микро – ГЭС, возможно наличие нештатных ситуаций, в результате которых, производство электрической энергии может быть прекращено, в связи с чем, потребители будут обесточены.
Сезонность работы станций, также является недостатком подобных установок. Это определяет регионы использования или необходимость устройства специальных устройств и конструкций.
Объединяя минусы использования микро – ГЭС, к их отрицательным свойствам можно отности:
Использование малых гидроэлектростанций является одним из направлений развития возобновляемых источников энергии и уже сегодня конкурирует с традиционными источниками получения электрической энергии, являясь эффективным направлением развития альтернативной энергетики.