Лекция 3. Тема 2. Энергетические ресурсы.

2.1. Гидроэнергия.

Человечество более 14 веков назад освоило преобразование потенциальной энергии воды в механическую энергию вращения водяного колеса, которое системой приводов заставляло работать мельницы, воздуходувки в кузницах и т.п. Преобразование гидроэнергии в электричество с помощью динамомашин, изобретенных в начале 19-го века, началось в конце того же 19-го века. Физические принципы процесса преобразования энергии падающей воды в электроэнергию хорошо известны, но технические детали достаточно сложны. Вода под напором, создаваемым плотиной, направляется в водовод, который заканчивается турбиной (рис.2.1). Турбина вращает вал, к которому присоединен ротор генератора, вращающийся в магнитном поле статора.

8 7

6

Н

m

1

3 4 5 2

Рис.2.1. Схема гидроэлектростанции: 1-верхний уровень (русло) реки, 2-нижний уровень (русло) реки, 3-здание плотины, 4-водовод, 5-гидротурбина, 6-электрогенератор, 7-трансформатор, 8-линия электропередачи (ЛЭП).

Таким образом, на гидроэлектростанции (ГЭС) происходит преобразование энергии по цепочке: потенциальная энергия воды – кинетическая энергия воды – механическая (вращательная) энергия ротора – электрическая энергия. Найдем зависимость мощности ГЭС от расхода воды через плотину, G кг/с, и от напора Н (разности уровней воды до и после плотины). Максимальная величина потенциальной энергии некоторой малой массы воды m (перед плотиной) относительно нижнего уровня воды (после плотины) составляет E = mgH. При постоянной скорости течения воды с массовым расходом G кг/с за время t через плотину протечет масса воды m = Gt, а потенциальная энергия этого количества (массы) воды составит E = GgHt. При 100% КПД турбины получится такое же количество электроэнергии. Отношение E/t представляет собой мощность ГЭС:

W = E/t = GgH. (2.1)

Как видно, мощность ГЭС тем больше, чем выше плотина (больше Н) и чем больше расход воды G.

Оценим мощность равнинной ГЭС с напором Н=10 м. Если скорость течения реки v = 4 км/час  1м/с, площадь поперечного сечения русла реки S=10000 м² (при глубине 20 м и ширине 500 м), то массовый расход воды составит G=vS=1000.1.10000=10⁷ кг/с. Мощность ГЭС равна W=10⁷.9,8.1010⁹ Вт= 1ГВт. Такую же электрическую мощность дает серийный ядерный реактор ВВЭР-1000. Саяно-Шушенская ГЭС в верховьях Енисея в Саянских горах (юг Красноярского края) имеет плотину высотой 300 м (выше Эйфелевой башни в Париже) и мощность 6 ГВт. Красноярская ГЭС на Енисее имеет высоту около 140 м, Братская ГЭС – около 120 м.

Выработка электроэнергии на ГЭС определяется накопленным запасом и напором воды и характеризуется значительной сезонной неравномерностью. Чтобы избавиться от этой неравномерности поверхностного стока воды в реке выше ГЭС сооружают водохранилище большой емкости (см.таблицу 2.1).

Таблица 2.1.

Объем и площадь водохранилищ некоторых крупнейших ГЭС.

Водохранилище	Объем водохранилища, км3	Площадь водохранилища, км2
Куйбышевское на Волге Рыбинское на Волге Братское на Ангаре Лейк-Мид (ГЭС Боулдер, США)	58 25 35 44	6000 4600 5400 5000

Для создания таких водохранилищ порой требуется затопить огромные территории, занятые сельхозугодиями, лесными массивами, населенными пунктами, промышленными предприятиями. Водохранилища, образованные плотинами ГЭС, могут оказывать вредное воздействие на окружающую среду: уничтожать уникальную флору и фауну, сокращать сток рек и сезонные паводки, наносить ущерб ландшафту, вызывать климатические изменения, увеличивать давление на земную кору и тем самым создавать напряжения в породе, что может вызвать землетрясения.

Гидроресурсы в России расположены крайне неравномерно: более 80% из них сосредоточены в Сибири, на Дальнем Востоке. В европейской части России экономический потенциал гидроресурсов практически исчерпан.