4.2. Основные принципы использования энергии воды

Оценка мощности водного потока. Пусть Q – объем воды, поступающей в рабочий орган гидроэнергетической установки в единицу времени (расход, измеряемый в м³/c ), H – высота падения жидкости (напор, измеряемый в метрах),  – плотность воды (кг/м³ ), g – ускорение силы тяжести (9,8 м/с²). Тогда мощность водного потока P определяется по формуле

P=QgH.

Основным рабочим органом гидроэнергетической установки, непосредственно преобразующим энергию движущейся воды в кинетическую энергию своего вращения, является гидротурбина. Коэффициент полезного действия гидротурбины составляет до 90%. Гидротурбины бывают двух типов:

• активные гидротурбины, рабочее колесо которых вращается в воздухе натекающим на его лопасти потоком воды ( рис. 29, а).

• реактивные гидротурбины, рабочее колесо которых полностью погружено в воду и вращается в основном за счет разности давлений перед и за колесом (см. рис. 29, б),

а)

 б)

Рис. 29. Схемы активной гидротурбины (турбины Пельтона) (а) и реактивной гидротурбины (б)

В активной гидротурбине водный поток перед турбиной с помощью водовода и сопла формируется в струю, которая направляется на ковши, расположенные на ободе колеса, приводя его во вращение. Величина КПД реальных турбин колеблется от 50 % для небольших агрегатов до 90 % для больших энергоустановок.

Конструкция рабочего колеса реактивной гидротурбины такова, что поток воды воздействует на все лопасти турбины одновременно и практически постоянно. Наиболее компактной конструкцией реактивной гидротурбины является пропеллерная с преимущественно осевым направлением потока в рабочем колесе. Направляющий аппарат на входе турбины несколько закручивает поступающий на рабочее колесо поток, увеличивая тем самым КПД турбины.

4.3. Гидроэлектростанции

В основном современные гидроэнергетические установки используются для производства электроэнергии. На рис.30 показана схема типичной гидроэлектростанции. В нее входят водохранилище, подводящий водовод, регулятор расхода воды, гидротурбина, электрогенератор, система контроля и управления параметрами генератора, электрораспределительная система.

Рис. 30. Схема гидроэлектростанции с ковшовой (активной) гидротурбиной:

1 – электрогенератор; 2 – привод от турбины к генератору; 3 – гидротурбина; 4 – сопло; 5– вентиль; 6 – водовод; 7 – плотина; 8 – решетка

 

4.4. Энергия волн

Огромные количества энергии можно получить от морских волн. Мощность, переносимая волнами на глубокой воде, пропорциональна квадрату их амплитуды и периоду. Поэтому наибольший интерес представляют длиннопериодные (период порядка 10 с) волны с большой амплитудой (порядка 2 м), позволяющие снимать с единицы длины гребня в среднем 50–70 кВт/м.

Возможность преобразования энергии волн в электроэнергию доказана уже давно. Существует множество технических решений, позволяющих реализовать эту возможность. В последние годы интерес к волновой энергетике резко усилился, особенно в Японии, Великобритании, странах Скандинавии, в результате чего эксперименты переросли в стадию реализации проектов. Современная тенденция разработки таких установок, как вообще установок на возобновляемых видах энергии, ориентируется на единичные модули умеренной мощности (около 1 МВт) размером порядка 50 м вдоль фронта волны.

В результате волнового движения жидкости в волне одновременно с изменением положения уровня и наклона поверхности происходит изменение кинетической и потенциальной энергии, изменение давления под волной. На основе использования одного характерного признака волнового движения или их комбинации уже создано большое количество различных устройств, поглощающих и преобразующих волновую энергию.

На рис. 31 изображена 500-киловаттная волновая энергетическая установка, работающая на принципе колеблющегося водного столба, схема которой представлена рис. 32.

Рис. 31. Волновая энергетическая установка на принципе колеблющегося водного столба, построенная вблизи Торфтестоллена, Норвегия

При набегании волны на частично погруженную полость, открытую под водой, столб жидкости в полости колеблется, вызывая изменения давления в газе над жидкостью. Полость может быть связана с атмосферой через турбину. Главное преимущество устройств на принципе водяного колеблющегося столба состоит в том, что скорость воздуха перед турбиной может быть значительно увеличена за счет уменьшения проходного сечения канала. Это позволяет сочетать медленное волновое движение с высокочастотным вращением турбины. Кроме того, здесь создается возможность удалить генерирующее устройство из зоны непосредственного воздействия соленой морской волны.

Рис. 32. Схема установки, в которой используется принцип колеблющегося водного столба (разработана Национальной инженерной лабораторией NEL, Великобритания, размещается непосредственно на грунте, турбина приводится в действие потоком одного направления):

1– волновой подъем уровня; 2 – воздушный поток; 3 – турбина; 4 – выпуск воздуха;5 – направление волны; 6 – опускание уровня; 7 – впуск воздуха