--6-05~2

трическую энергию посредством гидравлических турбин, приводящих во вращение электрические генераторы. ГЭС является как традиционным источником электроэнергии, так и возобновляемым. В настоящее время гидроэнергия составляет около 4% от общего мирового потребленияэнергии. Мощность крупнейшей ГЭС – «Три ущелья» в Китае составляет 22,5 ГВт.

В состав гидроэлектростанции входят водохранилище, подводящий водовод, регулятор расхода воды, гидротурбина (рисунок 5.1.11), электрогенератор,система контроля и управления.

Рисунок 5.1.11–Схема плотинной ГЭС:

1 - плотина; 2 - затворы; 3 - максимальный уровень верхнего бьефа; 4 - минимальный уровень верхнего бьефа;5 - гидравлический подъемник; 6 - сороудерживающая решетка; 7 - гидрогенератор; 8 - гидравлическая турбина;9- минимальный уровень нижнего бьефа; 10 - максимальный паводковый уровень

Мощность водного потока P, действующего, на лопасть гидротурбины может быть определена как:

P= QрgH,

где Q — объем воды, поступающей в рабочий орган гидроэнергетической установки в единицу времени (расход, измеряемый в м3/с ), H—высота падения жидкости (напор, измеряемый в метрах), р — плотность воды (кг/м3 ), g— ускорение силы тяжести (9,8 м/с2).

262

По схеме использования водных ресурсов ГЭС делятся на пло-

тинные, деривационные и комбинированные (использование этих со-

оружений в одной схеме).

Плотинная схема создания напора предусматривает поднятие уровня воды в реке (в верхнем бьефе) путем возведения плотины. Образующееся при этом водохранилище позволяет перераспределить сток реки во времени. При этом неизбежно некоторое затопление долины реки. В случае сооружения нескольких плотин (каскада) на том же участке реки площадь затопления уменьшается. На равнинных реках высота плотины ограничивается наибольшей экономически допустимой площадью затопления. Плотинные ГЭС строят на равнинных многоводных реках.

Плотинные ГЭС подразделяют на:

•русловые;

•приплотинные;

•на обводном канале.

У русловой ГЭС здание с размещенными в нем гидроагрегатами служит продолжением плотины и вместе с ней создает напорный фронт (Рисунок 5.1.12 а, б). При этом с одной стороны к зданию ГЭС примыкает верхний бьеф, а с другой - нижний бьеф. Подводящие спиральные камеры гидротурбин своими входными сечениями закладываются под уровнем верхнего бьефа, выходные же сечения отсасывающих труб погружены под уровнем нижнего бьефа. При расположении здания ГЭС в русле реки (Рисунок 5.1.12 а) оно входит в состав подпорных сооружений и воспринимает давление воды со стороны верхнего бьефа. Высота здания определяется напором, поэтому такие компоновки ГЭС используют, как правило, при напорах до 4-6 м. Обстоятельствами, увеличивающими капиталовложения в строительство малых ГЭС с расположением здания в русле реки, являются необходимость возведения перемычек, обеспечение постоянного на время строительства водоотлива из котлована, сложность пропуска строительных расходов и перекрытия русла реки.

В состав сооружений русловой ГЭС, кроме глухой плотины, входят здание ГЭС и водосбросные сооружения (водосливная плотина, судоходный шлюз или судоподъемник, рыбопропускное сооружение, водозаборное сооружение для водоснабжения). В русловых ГЭС иногда единственным сооружением, пропускающим воду, явля-

263

ется здание ГЭС. В этих случаях полезно используемая вода последовательно проходит входное сечение с мусорозадерживающими решетками, спиральную камеру, гидротурбину, отсасывающую трубу, а по специальным водоводам между соседними турбинными камерами производится сброс паводковых расходов реки. На крупных равнинных реках основное русло перекрывается земляной и бетонной водосливной плотиной, к которым примыкает здание ГЭС (Рисунок 5.1.15 б).

Рисунок 5.1.12 - Принципиальные схемы малых ГЭС:

а, б - русловая; в - приплотинная; г - здание ГЭС расположено на обводном канале; 1 - водосливная плотина; 2 - здание ГЭС, 3 - глухая плотина; 4 - турбинный водовод.

При более высоких напорах оказывается нецелесообразным передавать на здание ГЭС гидростатическое давление воды. В этом случае применяется тип приплотиной ГЭС, у которой напорный фронт на всем протяжении перекрывается плотиной, а здание ГЭС располагается за плотиной, примыкает к нижнему бьефу (рисунок 5.1.11 в). В состав гидравлической трассы между верхним и нижним бьефом ГЭС такого типа входит глубинный водоприемник с мусорозадерживающей решеткой, турбинный водовод, спиральная камера, гидротурбина, отсасывающая труба. В качестве дополнительных сооружений в состав узла могут входить судоходные сооружения и рыбоходы, а также дополнительные водосбросы. При подводе воды к гидротурбинам по специальным напорным водоводам машинное

264

здание не воспринимает давления воды со стороны верхнего бьефа. Подобная схема является обычной для малых ГЭС с напорами до 15-

20 м.

Расположение здания ГЭС на обводном канале, вне русла реки (Рисунок 5.1.11г), позволяет возводить основные сооружения (здание ГЭС, водосливную плотину) «насухо», что в значительной мере упрощает производство строительных работ, облегчает условия перекрытия русла реки и уменьшает в итоге общую стоимость гидроузла. При этом подвод воды к зданию может осуществляться напорным бассейном; трубопроводом, размещенным под телом грунтовой плотины, туннелем. Расположение здания малой ГЭС на обводном канале характерно для напоров до 6-8 м.

Деривационная схема позволяет получить сосредоточенный перепад путем отвода воды из естественного русла по искусственному водоводу, имеющему меньший продольный уклон. Благодаря этому уровень воды в конце водовода оказывается выше уровня воды в реке. Этой разностью уровней и создается напор ГЭС, который обычно превышает 15-20 м.

В зависимости от типа деривационного водовода различают малые ГЭС с безнапорной и напорной (Рисунок 5.1.12) деривацией.

Рисунок 5.1.12 - Малая ГЭС с напорной деривацией:

1 - водоприемник; 2 - турбинные водоводы; 3 - здание ГЭС; 4

265

- деривационный напорный тоннель (трубопровод); 5 - уравнительный резервуар

Вмалых ГЭС с безнапорной деривацией вода из естественного русла отводится по безнапорным водоводам, чаще всего по открытым каналам, реже по лоткам, и безнапорными туннелями. В этом случае деривация трассируется на отметках, близких к уровню верхнего бьефа, колебания которого обычно незначительны. Открытые безнапорные деривационные водоводы применяют при относительно ровной и слабопересеченной местности, а также при достаточной устойчивости склонов речной долины. Протяженность безнапорной деривации, определяемая топографическими условиями и технико-экономической эффективностью малой ГЭС, может достигать нескольких километров.

Внастоящее время нет общепринятого для всех стран понятия малой гидроэлектростанции, однако во многих странах в качестве основной характеристики такой ГЭС принята ее установленная мощность. По принятой в СССР классификации к малым формам гидроэнергетики относят:

По сравнению с тепловыми электростанциями ГЭС обладают следующими преимуществами:

-возобновляемостью(неистощаемостью) энергоресурсов рек;

-низкой себестоимостью вырабатываемой на ГЭС электроэнергии;

-срок службы механического оборудования нагидроэлектростанциях более чем в три раза больше, по сравнению с оборудованием на ТЭС (около 50 лет, за счет равномерностью режима работы

иотсутствием экстремальных температур и других нагрузок);

-отсутствием выбросов вредных веществ в атмосферу;

-высокой энергетической маневренностью ГЭС . Потенциальные гидроэнергетические ресурсы Республики Бе-

ларусьобусловлены расположением в середине ее равнинной территории водораздела между бассейнами Балтийского и Черного морей, который делит страну на две почти равные части, вследствие чего вытекающие отсюда реки не могут достигнуть значительной мощно-

266

сти прежде, чем оставляют ее границы. Это предопределяет строительство в республике главным образом малых гидроэлектростанций.

Запасы гидроэнергоресурсов Республики Беларусь составляет теоретический потенциал ее рек - около 7,5 млрд. кВтч в средний по водности год, а его часть, которая путем выработки электроэнергии на ГЭС или иными техническими средствами может быть использована (технический потенциал), - 2,5-3,0 млрд. кВтч/год. В настоящее время экономический гидроэнергопотенциал в Республике Беларусь составляет 1,3 млрд. кВтч/год, или 325 МВт общей установленной мощности возможных ГЭС в условиях Беларуси.

Всего в республике в начале 60-х годов прошлого столетия действовало около 180 ГЭС общей мощностью 21 МВт с годовой выработкой электроэнергии в средний по водности год 88 млн. кВтч. Сельское хозяйство Беларуси в 1959 г. получало от ГЭС около 20% всей потребляемой им электроэнергии. Однако дальнейшее развитие малой гидроэнергетики прекратилось в начале 60-х годов в основном из-за представившейся возможности подключения сельских потребителей электроэнергии к государственным энергосистемам, а большинство построенных малых ГЭС затем было выведено из эксплуатации или разрушено, в основном из числа мелких мощностью до 100 кВт, принадлежавших колхозам.

В настоящее время в Республике Беларусь действует 24 гидроэлектростанций установленной мощностью 88,11 МВт. Из них более двадцати восстановленных и вновь построенных малых ГЭС, с 1992 года, (более 10 МВт).В период с 2012 по 2019 год ведены русловые каскадные ГЭС на Западной Двине - Витебская (40 МВт) Полоцкая (27 МВт), и на Немане - Гродненская (17 МВт).

Энергия других природных явлений (приливов и отливов, волн, геотермальных процессов).

Водная среда морей и океанов дает два вида энергии:

-механическую энергию волн и приливов (отливов), генерируется приливными потоками (действие гравитационных сил Луны) и волновыми процессами (вызываются ветрами).

-термическую (энергию нагретой солнцем воды).

Водная поверхность (океаны, моря) составляет более 71 % земной поверхности. Так как водная поверхность океанов нагревается

267

до более высокой температуры, то полученный температурный градиент может быть использован для получения энергии. Источниками возобновляемой энергии океанов являются:

1)волновые процессы в морях и океанах

2)изменения уровня воды во время приливов и отливов;

3)течения, возникающие во время приливов и отливов;

4)течения, существующие в морях и океанах;

5)использование термической энергии океанов;

6)изменение градиента солености воды;

7)энергия морской биомассы.

Среднюю для океанических волн энергию оценивают величиной 50 кВт на погонный метр. Подсчитано, что с учетом неизбежных потерь использование энергии волн у побережья Англии дало бы 120 ГВт энергии, что превышает суммарную мощность электростанций страны. Суммарная мощность волн Мирового океана оценивается в

2700 ГВт.

Использование энергии волн. Существуют следующие ме-

тоды преобразования энергии волн в электрическую энергию:

1.«Осциллирующий водяной столб» - осуществление толчко-

вых движений, заполняющих камеры с воздушными массами. При сжатии воздуха создается избыточное давление, подающее его на турбину и вращающее лопасти. Турбина вращается и передает воздух на генератор, вырабатывающий электроток;

2.«Колеблющееся тело» - рабочие секции объединяются в конвертер, а между ними на подвижных платформах устанавливаются гидравлические поршни, на которые подсоединен гидравлический двигатель, он заставляет вращаться электрогенератор. Раскачивающееся действие волн заставляет двигаться поршни, а они запускают двигатель и генератор. При этом объем вырабатываемой энергии волн зависит от их частоты, высоты, силы - на основе этих параметров вручную адаптируется ход штока, чтобы добиться рационального режима работы оборудования.

3.«Искусственный атолл» - бетонное сооружение, на корпусе

которого размещена поверхность для наката волн, в середине находится бассейн, в него вода поднимается «набеганием волны» на наклонную поверхность, а потом через приемное отверстие поступает на гидротурбину.

268

Использование энергии приливов и отливов, морских течений.

Генератор приливного потока - генератор электроэнергии, ко-

торый использует кинетическую энергию воды, подобно тому, как ветряные генераторы используют энергию ветра. Некоторые из приливных генераторов могут быть встроены в опоры мостов, не создавая эстетических проблем. Целесообразна установка таких турбин в проливах, где скорость потока воды увеличивается. Приливные турбины могут быть вертикальные и горизонтальные, открытые или в обтекателе.

Приливные плотины - технология использует потенциальную энергию разности уровней воды во время приливов и отливов. Плотины захватывают воду во время приливов и удерживают её. Вовремя отлива, вода возвращается в океан, приводя в движения турбины генераторов и вырабатывая электроэнергию.

Практически все приливные электростанции отличаются следующими положительными качествами:

•Экологическая чистота, отсутствие каких-либо вредных

выбросов.

•Достаточно продолжительный срок эксплуатации.

•Возможность предварительных расчетов по количеству выработанной электроэнергии, независимость объема используемой воды от времени года.

•Более мягкий ледовый режим, отсутствие торосов в водохранилище и предпосылок их появления.

•Аварийное разрушение плотины не приводит к катастрофе, как это может случиться на обычной ГЭС.

•Энергия приливов и отливов действует постоянно, независимо от времени года.

•Невысокая стоимость получаемой электроэнергии.

•Берега дополнительно защищены от воздействия штормов, турбины расположены на дне и не несут угрозы морскому транспорту.

•Меньший объем документации, отсутствует необходимость в отчуждении земель для устройства бассейна.

269

•Большинство изменений и вмешательств в природу имеют местное значение и не наносят существенного вреда.

•На приливных плотинах при необходимости прокладываются железные или автомобильные дороги.

Недостатки:

•Нерегулярное действие, которое связано с цикличностью приливов и отливов, находящихся в активной фазе всего лишь 4-5 часов.

•Также существует пассивная фаза перед началом прилива

исразу после отлива, продолжительностью 1-2 часа.

•Установки окупаются в течение длительного времени, поскольку они недостаточно эффективны.

•Побережье, занятое приливными электростанциями, оказывается непригодным для отдыха и туризма, которые нередко бывают более выгодными, чем производство электричества.

•Поэтому такие объекты строятся преимущественно в северных регионах.

•Специфические трудности строительства, поскольку наиболее подходящие места расположены на побережьях с изрезанной береговой линией.

Достоинства этих электростанций дали серьезный толчок к их дальнейшему развитию и совершенствованию. В настоящее время разрабатываются два новых способа получения энергии:

Динамическая приливная электростанция- новая технология,

которая использует взаимодействие кинетической и потенциальной энергии потока. Для реализации предполагается строить плотины прямо в открытом море, длиной около 30-50 км. В результате вся масса воды будет ускоряться в одном направлении. Генерировать электроэнергию будут обычные низконапорные гидротурбины.

Приливные лагуны - технология предполагает строительство круговых плотин с турбинами. Созданные водоемы аналогичны тем, которые образуются приливными плотинами. Разница в том, что приливные лагуныявляются полностью искусственными объектами,

ине будут содержатьэкосистему океана.

270