34.Гидрологические основы гидроэнергетики. Работа водного потока. Схемы концентрации напора.

Вода, текущая в русле реки или канале с перепадом уровней Н, на рассматриваемом участке непрерывно совершает работу, кот расходуется на преодоление внутреннего сопротивления движению воды, сопротивления на трения в русле. Если прит этом в рассматриваемом русле протекает расход Q, то работу, кот-ю может совершить вода в 1 с, т.е. потенциальная мощность водотока, выраженная в КВт или КДж/с, опр ф-лой:

N=(ро)gQH=9.81QH(КПД).

Q-расход воды м3/с, Н – напор, м. (КПД) – кпд установки. Энергия водотока Э, кВт*ч, определяемая произведением мощности N на время t составляет:

Э=9.81QH(кпд)t/3600=WH(кпд)/367.

Концентрация в каком-либо удобном месте напора осуществл с пом гидротехн сооружений по плотинной или деривационной схеме. Плотинная схема предусм сооружение плотины, перегораживающей в выбранном створе русло реки. В рез-те создается разность уровней воды с верховой и низовой по течению стороны пластины. Создающееся при этом с верховой стороны водохранилище носит название верхнего бьефа, а часть реки, прим к плотине с низовой стороны, - нижнего бьефа. Разность уровней бьефов создает необходимый напор ГЭС – Н. При этом этот напор за счёт кривой подпора будет неск-ко меньше того, кот возможен при исп рассматриваемого уч-ка реки. Деривация - искусственный водовод, выполняемый в виде открытого канала.

На горных реках с большими уклонами концентрация напора обычно осуществл по деривационной схеме, реализуемой следующим образом В выбранном створе реки возводится плотина 1, создающая обычно небольшой подпор и сравнительно малое водохранилище, из которого ч/з водоприемник вода направляется в деривацию 3,. Вода из дер. Поступает по напорным трубопроводам 6 к турбинам ЭС. Т.о. , при этой схеме напор созд не плотиной, как в предыдущей схеме, а деривацией. При этом если дер. Напорная, то в конце её для смягчения возможных при нестационарных режимах гидравлических ударов сооружается дополнительный резервуар 5. Ест-но, что исп-мый ГЭС напор Hгэс будет меньше на величину потерь в водопроводящем тракте (дер., напорный трубопровод).

Разновидностью рассм-ных двух схем явл. плотинно-дерривац. (смеш.) схема, реализуемая в тех случаях, когда используемый уч-к реки на своем протяжении имеет различный уклон, в рез-те чего ц-образно исп. Плотинную схему там, где уклон мал и дер-ную, где уклон больше.

36.Состав и компановка основных сооружений гэс. Водохранилища гэс и регулирование речного стока.

Состав и компоновка ГЭС опр-ся схемой концентрации напора, кот сущ 2: плотинная и деривационная. ГЭС, сооруж по плот. схеме дел. На 2 типа: русловые и приплотинные. Деривационные тоже дел на: с безнапорной дерив. и напорной. Основными сооруж ГЭС, выполненными по плотинной схеме, явл. плотины и здание ГЭС. При напоре до25-30 м здание станции 3 размещается в одном створе с плотиной и восприним напор. Такие ГЭС наз русловыми. При комплексном исп-вании водотока в состав гидроузла, кроме плотины 2 и здания ГЭС, вкл-ся сооружения, предназначенные для удовлетворения специфических нужд каждого участника комплекса (шлюз для транспортировки, водозаборные сооружения для ирригации и водоснабжения, рыбоходы и т.д.) При напоре, превышающем 25-30 м, здание ГЭС размещается за плотиной в нижнем бьефе и не воспринимает напор. Такие ГЭС носят назв приплотинных. Компоновка гидроузлов с приплотинными ГЭС в значительной степени зависит от типа плотины и создаваемого ею напора. Сооружения дер ГЭС располагаются в 2х узлах: головном и станционном, соединенных м/у собой деривацией.

Основным назначением водохранилищ ГЭС явл трансформация ест-ного, обычно неравномерного, режима речн стока в режим, необх для отдельн отраслей нар хоз-ва, и, в частности, энергетики. Кроме того, в некот. случаях назначением водохр явл борьба с наводнением в нижнем бьефе во время половодий. В этих случаях определенное кол-во воды задерж. В водохр, благодаря чему расходы воды в нижнем бьефе становятся существенно меньшими ест-ных расходов половодий. Водохр. Созд путём устр-ва на реках или других водотоках плотин, повышающих уровни воды и образующих необходимой ёмкости водоёмы.

Ест-ный режим речного стока в подавл больш-ве случаев отличается крайней неравномерностью. Так, на равнинных реках в периоды весеннего половодья проходит обычно до 60-70 % годового стока. Сущ-но различается годовой сток и в многолетнем разрезе. Степень зарегулированности стока опр относительной ёмкостью водохранилища .

Различают регулирование водноэнергетическое (пререраспр стока для энергетич целей) и водохозяйственное. При комплексном исп водотока, когда последний исп как для энерг и для неэрг целей, осуществл-ся комплексное регулирование, т.е. напора и расхода для ГЭС и только расхода для других водопользователей. Длительность цикла регулирования опр его разновидности. В соотв с чем различают краткосрочное (суточное, недельное) регулирование и длительное (сезонное, годичное, многолетнее).

37.В настоящее время малые и нетрадиционные установки вырабатывают приблизительно 50 млрд. кВт.час, что составляет около 0,5% от общей выработки электроэнергии в стране. При этом технический потенциал возобновляемых источников энергии составляет около 4,6 млрд. тонн условного топлива, а экономический потенциал - около 270 млн. тонн условного топлива в год, соответственно около 115, 65, 35, 10, 35 и 12,5 млн. тонн условного топлива для геотермальных источников, малых и микроГЭС, биомассы, ветровой энергии, низкопотенциального тепла и солнечной энергии. Это достаточно большой потенциал, и его необходимо задействовать в максимальной степени, поскольку этот дополнительный вклад в энергообеспечение экономики практически не будет сопровождаться негативным воздействием на окружающую среду.

Различные виды НВИЭ находятся на разных стадиях освоения. Как это ни парадоксально, наибольшее применение получил самый изменчивый и непостоянный вид энергии - ветер. Суммарная мировая установленная мощность крупных ВЭУ и ВЭС, по разным оценкам, составляет от 10 до 20 ГВт. Кажущийся парадокс объясняется тем, что удельные капиталовложения в ВЭУ ниже, чем при использовании большинства других видов НВИЭ. Растет не только суммарная мощность ветряных установок, но и их единичная мощность, превысившая 1 МВт.

Во многих странах возникла новая отрасль - ветроэнергетическое машиностроение. По-видимому, и в ближайшей перспективе ветроэнергетика сохранит свои передовые позиции. Мировыми лидерами по применению энергии ветра являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия.

Второе место по объему применения занимает геотермальная энергетика. Суммарная мировая мощность ГеоТЭС составляет не менее 6 ГВт. Они вполне конкурентоспособны по сравнению с традиционными топливными электростанциями. Однако ГеоТЭС географически привязаны к месторождениям парогидротерм или к термоаномалиям, которые распространены отнюдь не повсеместно, что ограничивает область применения геотермальных установок. Наряду с ГеоТЭС, широкое распространение получили системы геотермального теплоснабжения.

Далее следует солнечная энергия. Она используется в основном для производства низкопотенциального тепла для коммунально-бытового горячего водоснабжения и теплоснабжения. Преобладающим видом оборудования здесь являются так называемые плоские солнечные коллекторы. Их общемировое производство составляет, по нашим оценкам, не менее 2 млн м² в год, а выработка низкопотенциального тепла за счет солнечной энергии достигает 5 10⁶ Гкал.

Все активнее идет преобразование солнечной энергии в электроэнергию. Здесь используются два метода - термодинамический и фотоэлектрический, причем последний лидирует с большим отрывом. Так, суммарная мировая мощность автономных фотоэлектрических установок достигла 500 МВт. Здесь следует упомянуть проект лТысяча крыш╗, реализованный в Германии, где 2250 домов были оборудованы фотоэлектрическими установками. При этом роль резервного источника играет электросеть, из которой возмещается нехватка энергии. В случае же избытка энергии она, в свою очередь, передается в сеть. Любопытно, что при реализации этого проекта до 70% стоимости установок оплачивалось из федерального и земельного бюджетов. В США принята еще более масштабная программа лМиллион солнечных крыш╗, рассчитанная до 2010 г. Расходы федерального бюджета на ее реализацию составят 6,3 млрд долларов. Однако пока основное количество автономных фотоэлектрических установок поступает за счет международной финансовой поддержки в развивающиеся страны, где они наиболее необходимы.

Значительное развитие получило направление, связанное с использованием низкопотенциального тепла окружающей среды (воды, грунта, воздуха) с помощью теплонасосных установок (ТНУ). В ТНУ при расходе единицы электрической энергии производится 3-4 эквивалентные единицы тепловой энергии, следовательно, их применение в несколько раз выгоднее, чем прямой электрический нагрев. Они успешно конкурируют и с топливными установками.

Не менее интенсивно развивается использование энергии биомассы. Последняя может конвертироваться в технически удобные виды топлива или использоваться для получения энергии путем термохимической (сжигание, пиролиз, газификация) и (или) биологической конверсии. При этом используются древесные и другие растительные, а также органические отходы, в том числе городской мусор, отходы животноводства и птицеводства. При биологической конверсии конечными продуктами являются биогаз и высококачественные экологически чистые удобрения. Это направление имеет значение не только с точки зрения производства энергии. Пожалуй, еще большую ценность оно представляет с позиций экологии, так как решает проблему утилизации вредных отходов.

В последние годы наблюдается возрождение интереса к созданию и использованию малых ГЭС. Они получают во многих странах все большее распространение на новой, более высокой технической основе, связанной, в частности, с полной автоматизацией их работы при дистанционном управлении.

Гораздо меньше развито практическое применение приливной энергии. В мире существует только одна крупная приливная электростанция (ПЭС) мощностью 240 МВт (Ранс, Франция). Еще менее развито использование энергии морских волн. Этот способ использования НВИЭ находится на стадии начального экспериментирования.

Таково в настоящее время положение с использованием НВИЭ в мире. В России же практическое их применение значительно отстает от масштабов, достигнутых в других странах. И это несмотря на такие благоприятные предпосылки, как практически неограниченные ресурсы НВИЭ, достаточно высокий научно-технический и промышленный потенциал в данной области.

38.Указанные источники энергии имеют как положительные, так и отрицательные свойства. К положительным относятся повсеместная распространенность большинства их видов, экологическая чистота. Эксплуатационные затраты по использованию нетрадиционных источников не содержат топливной составляющей, так как энергия этих источников как бы бесплатная.

Отрицательные качества - это малая плотность потока (удельная мощность) и изменчивость во времени большинства НВИЭ. Первое обстоятельство заставляет создавать большие площади энергоустановок, лперехватывающие╗ поток используемой энергии (приемные поверхности солнечных установок, площадь ветроколеса, протяженные плотины приливных электростанций и т.п.). Это приводит к большой материалоемкости подобных устройств, а, следовательно, к увеличению удельных капиталовложений по сравнению с традиционными энергоустановками. Правда, повышенные капиталовложения впоследствии окупаются за счет низких эксплуатационных затрат, но на начальной стадии они чувствительно бьют по карману тех, кто хочет использовать НВИЭ.

Больше неприятностей доставляет изменчивость во времени таких источников энергии, как солнечное излучение, ветер, приливы, сток малых рек, тепло окружающей среды. Если, например, изменение энергии приливов строго циклично, то процесс поступления солнечной энергии, хотя в целом и закономерен, содержит, тем не менее, значительный элемент случайности, связанный с погодными условиями. Еще более изменчива и непредсказуема энергия ветра. Зато геотермальные установки при неизменном дебите геотермального флюида в скважинах гарантируют постоянную выработку энергии (электрической или тепловой). Кроме того, стабильное производство энергии могут обеспечить установки, использующие биомассу, если они снабжаются требуемым количеством этого лэнергетического сырья╗