Принцип действия ГЭС.

Источником гидроэнергии является преобразованная энергия Солнца в виде запасенной потенциальной энергии воды, которая затем преобразуется в механическую работу и электроэнергию. Действительно, под действием солнечного излучения вода испаряется с поверхности озер, рек, морей и океанов. Пар поднимается в верхние слои атмосферы, образуя облака; затем он, конденсируясь, выпадает в виде дождя, пополняя запасы воды в водоемах.

Потенциал гидроресурсов определяется объемным расходом потока Q (м³/с) и высотой падения потока или напором H (м). Максимальная мощность P_o (Вт), развиваемая потоком падающей воды без учета потерь напора,

, (1)

где ρ - плотность, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с².

Преобразование потенциальной энергии воды в электрическую производится на гидроэлектростанции (рис. 10).

Рис. 10. Схема гидроэлектростанции

Поддержание постоянного напора H осуществляется с помощью плотины, которая образует водохранилище, служащее аккумулятором гидроэнергии. В связи с этим при строительстве ГЭС предъявляются определенные требования к рельефу местности, который должен позволить организовать водохранилище и создать требуемый напор за счет плотины. Все это связано со значительными затратами, и стоимость строительных работ может превышать стоимость оборудования ГЭС. Вместе с тем удельная стоимость электроэнергии, генерируемой ГЭС, является самой низкой по сравнению с себестоимостью энергии, производимой другими источниками. Как правило, срок окупаемости малых ГЭС не превышает 10 лет.

Для преобразования энергии воды в механическую работу используются гидротурбины (рис. 11).

Рис. 11. Схемы активной (а) и реактивной радиально-осевой (б) гидротурбин:

1 – вход; 2 – спиральная камера; 3 – неподвижные лопатки направляющего аппарата; 4 – выход; 5 – вращающиеся лопатки.

Различают активные и реактивные гидротурбины. В активной турбине кинетическая энергия потока преобразуется в механическую. Дополнительные устройства, обеспечивающие работу турбины, - водовод и сопло. Из сопла выходит струя, обладающая кинетической энергией, которая направляется на лопасти турбины, находящейся в воздухе. Сила, действующая со стороны струи на лопасти, приводит во вращение колесо турбины, с валом которого непосредственно или через привод сопряжен электрогенератор. КПД реальных турбин колеблется от 50 до 90%. В гидротурбинах малой мощности КПД ниже. Максимальное значение КПД, равное 100%, может быть достигнуто, если струя после взаимодействия с лопатками будет двигаться вертикально вниз только под действием силы тяжести. КПД активной гидротурбины может быть повышен за счет ограниченного увеличения числа сопел, так как при большом их количестве будет сказываться взаимное влияние струй.

В реактивной гидротурбине рабочее колесо полностью погружено в поток, который постоянно воздействует на лопасти турбины. В наиболее распространенной турбине Фрэнсиса вращение колеса осуществляется за счет разновидности давлений потока на входе и выходе. Вода поступает в рабочее колесо радиально. Зазор между рабочим колесом и камерой – переменный. После взаимодействия потока с колесом он разворачивается на 90^°. Переменный зазор и поворот потока повышают эффективность турбины. Имеются и другие конструктивные решения реактивных гидротурбин, например пропеллерная гидротурбина Каплана. Однако этот тип турбин распространен в меньшей степени из-за больших перепадов давления.

Полный КПД гидроэлектростанции определяется потерями в водоводе и в каналах, турбине и генераторе. Рабочий напор определяется по соотношению

Нв = Н_t – Н_f,

где Н_t – полный напор; Н_f – потери на трение в водоводах и каналах. Рекомендуется, чтобы Н_f ≤ Н_t /3.

В общем случае полный КПД гидроэлектростанции определяется по соотношению

,

где Р_э- мощность, снимаемая с клемм электрогенератора;

η_м – механический КПД турбины;

η_э – электрический КПД генератора.

КПД современных турбогенераторов не превышает 86%.

Гидроэнергетический потенциал Беларуси. По материалам Рекам придется напрячься Журнал «PRO электричество» № 3(23)-200708.05.2008 г.

На просторах Беларуси насчитывается более 20,8 тысячи рек и ручьев общей протяженностью 90,8 тысячи километров. Их суммарный сток составляет 58 кубических километров. К крупным рекам относятся Днепр, Неман, Припять, Западная Двина, Сож, Березина. Путь этих рек по нашей земле составляет сотни километров.

По центру равнинной территории Беларуси проходит водораздел между бассейнами Балтийского и Черного морей (примерно 46 процентов балтийского речного стока, 55 процентов черноморского). Причем есть уникальное место, где на площади менее 5 километров берут начало две реки, одна из которых взяла курс на Балтику, а вторая устремилась в теплые края. Однако для развития гидроэнергетики это проигрышная ситуация: зарождающиеся на территории Беларуси реки обретают мощь уже за ее пределами, что предопределяет строительство в нашей стране главным образом малых гидроэлектростанций.

В 1950-1960 годы в республике было построено более 170 небольших ГЭС общей мощностью около 20 тысяч кВт с годовой выработкой электроэнергии в средний по водности год 88 миллионов кВт·ч. Наиболее крупная – Осиповичская ГЭС (проектная мощность 2175 кВт) – возведена на реке Свислочь. Эксплуатировать ее начали более полувека назад, в 1953 году, и она до сих пор исправно обеспечивает город Осиповичи электроэнергией, вырабатывая ее до 10 миллионов кВт·ч в год. На Осиповичской ГЭС установлены три турбины мощностью 725 кВт каждая. Обычно работают две турбины, третья включается во время паводка или большого количества осадков.

Малые гидроэлектростанции неплохо потрудились на колхозы и совхозы. В 1959 году сельское хозяйство Беларуси получало от ГЭС 20 процентов всей потребляемой им электроэнергии. Но как только у сельских потребителей появилась возможность подключиться к государственным энергосистемам, дальнейшее развитие малой гидроэнергетики оказалось нецелесообразным. Большинство микро-ГЭС (до 100 кВт), принадлежавших в основном колхозам, было выведено из эксплуатации.

Состояние гидроэнергетики страны характеризуется соотнесением запасов ее гидроэнергетических ресурсов (гидроэнергопотенциала рек) и масштаба их освоения. Так называемый теоретический потенциал наших рек оценивается примерно в 7,5 миллиарда кВт·ч в средний по водности год. Технический потенциал (то, что может быть использовано путем выработки электроэнергии на ГЭС или иными техническими средствами) составляет 2,5­3 миллиарда кВт·ч/год. Но при этом в расчет берется прежде всего экономическая целесообразность строительства и эксплуатации ГЭС. Иными словами, чем выше цены на топливо, тем выгоднее становится гидроэнергетика.

Несколько лет назад методические указания по оценке экономического гидропотенциала рек Беларуси были разработаны Центральным научно­исследовательским институтом комплексного использования водных ресурсов (ЦНИИКИВР). В нашей стране пока освоено только 3 процента имеющегося экономического гидроэнергетического потенциала, тогда как в Литве – 30 процентов, в Польше – 44 процента.

Как уже отмечалось, территория Беларуси равнинная, поэтому здесь могут быть использованы только низконапорные гидроэнергетические объекты. И если на Днепре и в бассейне Припяти возможности строительства гидроэлектростанций ограничены из-за огромных площадей затапливаемых земель при создании водохранилищ, то на притоках Днепра, а также в бассейнах Западной Двины и Немана имеются условия для создания достаточно экономичных и экологически безопасных гидроэлектростанций.

По сравнению с тепловыми электростанциями у ГЭС есть целый ряд преимуществ:

– отсутствие выбросов вредных веществ в атмосферу;

– относительно низкая себестоимость вырабатываемой электроэнергии (примерно в десять раз ниже, чем у вырабатываемой на тепловых электростанциях);

– высокая маневренность в процессе обеспечения потребителей электроэнергией, что позволяет вырабатывать более дорогую пиковую электроэнергию, тарифы на которую в несколько раз превышают тарифы на базовую электроэнергию;

– возобновляемость (неистощимость) энергоресурсов рек;

– возможность улучшения многоцелевого (комплексного) водопользования вследствие создания водохранилищ ГЭС.

Вместе с тем создание ГЭС связано с большими удельными первоначальными затратами (капитальными вложениями), которые на 1 кВт мощности в два и более раза выше, чем при строительстве тепловых электростанций. Но при этом следует учитывать, что половина стоимости 1 кВт·ч электроэнергии, вырабатываемой на тепловых электростанциях, – это цена газа или мазута.

Оценка экономического гидроэнергопотенциала наших рек показала, что в Беларуси выгодно строить ГЭС, если удельные капитальные вложения на 1 кВт ее установленной мощности не превышают 2750 долларов США.