Гидроэнергетика: Принцип работы, типы и перспективы

Гидроэлектроэнергия является возобновляемой энергией, которая преобразует движение больших водоемов в электричество. Вода - один из древнейших источников энергии, который начал использовать человек. На протяжении тысячелетий гидроэнергия использовалась для орошения и работы различных механических устройств, таких как водяные мельницы, лесопилки, доковые краны и лифты.

В настоящее время гидроэлектроэнергия - это наиболее широко используемая форма возобновляемой энергии, ее вклад более чем в два раза превышает долю всех других возобновляемых источников вместе взятых. На долю гидроэнергетики приходится от 16 до 17 % мирового производства электроэнергии. Но в некоторых странах этот показатель намного выше. Гидроэлектроэнергия производится в 150 странах, при этом Азиатско-Тихоокеанский регион вырабатывает 32 процента мировой гидроэлектроэнергии. Крупнейшими производителями гидроэнергии являются Китай, Канада, Бразилия и США.

Принцип работы гидроэлектростанций

Гидроэлектростанции (ГЭС) вырабатывают электроэнергию, используя силу воды, которая попадает в турбины и вращает вал. Вращая валы турбин, потенциальная энергия воды превращается в кинетическую энергию. Вал от турбины соединен с генератором. Генерация гидроэлектроэнергии влечет за собой преобразование потенциальной энергии объема воды, находящегося на определенной высоте, в кинетическую энергию в гидротурбине и преобразование механической энергии в электрическую в электрическом генераторе.

Воду для использования на гидроэлектростанциях можно получить построив плотину на крупной реке. Вода хранится за плотиной в больших резервуарах и может поступать на гребные винты турбин через водозабор плотины. Чтобы увеличить этот потенциал, вдоль рек строятся плотины, водохранилища и водоводы. Каждая плотина ГЭС должна иметь предохранительные водосбросы ниже уровня ее кровли для защиты ее конструкции в случае наводнения.

Типы гидроэлектростанций

Гидроэнергетика зависит от конкретного места, поэтому каждый проект будет уникальным. Существуют различные типы гидроэлектростанций, которые можно классифицировать по различным критериям:

1. Русловые гидроэлектростанции, использующие естественный сток реки.
2. Электростанции с системами хранения, которые аналогичны резервуарам, но позволяют хранить энергию в часы наибольшего спроса.
3. Насосные станции отвечают за возврат к плотине или верхнему водохранилищу воды, которая была сброшена из турбин в резервуар, построенный в нижней части станции.

С точки зрения генерирующей мощности наиболее важными являются крупные электростанции. Русловые станции легче всего построить и они наименее разрушительны, но плотинные накапливают энергию и поэтому гораздо более гибки в том, как ее можно использовать. Таким образом, можно накапливать избыточную энергию, производимую тепловыми и атомными электростанциями, которые сталкиваются с определенными трудностями в управлении выходной мощностью.

Гидроэлектростанции также характеризуются исходя из их установленной мощности на большие (не менее 50 МВт) и малые (менее 50 МВт). Преимуществом малых ГЭС является то, что для их размещения подходит большое количество участков .

Различают следующие типы гидроэлектростанций по конструкции:

1. Русловые гидроэлектростанции относятся к плотинным ГЭС. Ключевая особенность таких станций заключается в том, что здание ГЭС с машинным залом располагается в составе плотины. Таким образом здание ГЭС одновременно выполняет функцию плотины, т.е. воспринимает напор воды на себя. Такая компоновка обеспечивает существенную экономию бетона, что ведет к снижению затрат на строительство станции.
2. Для приплотинных ГЭС характерно расположение здания ГЭС с машинным залом вне состава плотины. Русло реки полностью перегораживается плотиной, а здание ГЭС располагается как правило за плотиной, в нижней ее части. В таких электростанциях вода подводится к турбинам через специальные водоводы.
3. Деривационные гидроэлектростанции характерны тем, что отводят часть потока воды из основного русла. Отведенная вода направляется по каналу или водоводу, который ведет к зданию деривационной ГЭС с машинным залом. Там сила движущейся воды преобразуется в электроэнергию благодаря воздействию потока воды на лопасти гидротурбины. Разница между деривационными и плотинными гидроэлектростанциями заключается в том, что первые системы не перекрывают реку плотиной для создания напора, а используют естественную скорость течения рек и географическое расположение водоводов.
4. Плотинно-деривационные станции объединяют в себе положительные особенности плотинных и деривационных гидроэлектростанций. Для плотинно-деривационных ГЭС характерны наличие плотины, перегораживающей русло реки с последующим отведением воды из русла через водовод.

Отдельно стоит обратить внимание на гидроаккумулирующие гидроэлектростанции (ГАЭС). Они представляют из себя совокупность аккумулирующего водохранилища, нижнего питающего водохранилища и здания ГАЭС с машинным залом, в котором размещаются гидрогенераторы и насосы, либо же обратимые гидроагрегаты. ГАЭС вырабатывает электроэнергию таким же образом, как и обычная ГЭС - за счет движения воды из аккумулирующего водохранилища под напором через рабочие колеса гидротурбин, однако ГАЭС также способна аккумулировать энергию. Согласно Федеральному закону «Об электроэнергетике», ГАЭС не относятся к ВИЭ, поскольку по своей сути такие станции являются накопителями энергии.

На ГЭС применяются различные системы и устройства их контроля, управления и защиты в зависимости от применяемой техники и предусмотренных параметров работы. Небольшие гидроэлектростанции (менее 5 МВА), как правило, используют асинхронные генераторы.

История развития гидроэнергетики

Самые старые плотины датируются примерно 3-м тысячелетием до нашей эры в ближневосточном регионе. Исторические насыпи представляли собой в основном сооружения, сочетающие каменную кладку с двусторонней земляной насыпью или земляным ядром, укрепленным с обеих сторон камнями. Во времена Римской империи строители уже строили большие плотины, снабжающие населенные пункты водой в засушливый сезон.

Хотя римляне знали и строили передовые типы дамб, только во время промышленной революции 19 века технические навыки и современные строительные материалы были использованы для строительства первых больших арочных дамб, какими мы их знаем сегодня. Эпоха крупных гидротехнических сооружений началась в начале 20 века со строительства Асуанской плотины на Ниле, а затем великой плотины Гувера на реке Колорадо. Со временем по всему миру были сооружены дамбы для плотин различных размеров, и к концу 20 века было зафиксировано более 40 000 дамб высотой более 15 метров.

Первенцем гидроэнергетики в России следует считать станцию на Рудном Алтае, построенную в 1892. Эта четырёхтурбинная ГЭС (мощность 0,15 МВт) была создана под рук. горного инж. Н. И. Кокшарова для шахтного водоотлива Зыряновского рудника на р. Берёзовка (ныне г. Зыряновск, Казахстан). В Европейской части России первая пром. ГЭС мощностью 0,26 МВт построена в 1896 на р. Охта близ С.-Петербурга под рук. инженеров В. Н. Чиколева и Р. Э. Классона. Она снабжала электроэнергией Охтинский пороховой завод.

В 1898 на Ленских приисках (р. Ныгри) построена ГЭС, на которой впервые в России были установлены генераторы трёхфазного (переменного) тока. Трансформатор напряжением 10 кВ позволил передать ток на расстояние 20 км. Для этого была специально сооружена высоковольтная линия.

Становление электроэнергетики СССР (России) связано с ГОЭЛРО планом. Сов. Союз впервые в мире начал строить крупные гидроузлы на мягких основаниях.

Преимущества и недостатки гидроэнергетики

Гидроэнергетика является одним из старейших и наиболее эффективных способов получения электроэнергии. Гидроэлектростанции не загрязняют воздух, насыщают потоки воды кислородом, не требуют топлива, безотходны и в высшей степени безопасны. Гидроэлектростанции могут использоваться для накопления энергии из других источников, например солнечной или ветряной энергии.

Накопительные баки гидроэлектростанций улучшают качество воды, служат источником забора технической воды и воды, предназначенной для орошения и очистки, в питьевую воду. Обладая способностью удерживать воду, они снижают риск наводнений, наоборот, в случае засухи увеличивают минимальный сток и улучшают условия плавания по рекам. Эти установки отличаются быстрой реакцией на запуск, время запуска составляет всего несколько секунд. Таким образом, гидроэлектростанции представляют собой очень гибкий источник выработки электроэнергии которые могут быть адаптированы к изменениям спроса.

Вместе с тем, гидроэнергетика имеет и свои недостатки. Крупные проекты могут легко разрушить экосистемы и жизнь окружающих сообществ. Разлагающийся органический материал в водоемах выделяет метан, способствуя тем самым глобальному потеплению. Одним из них является высокая стоимость строительства и эксплуатации гидроэлектростанций, а также необходимость проведения значительных земельных работ и изменения ландшафта.

Вмешательства в природу, такие как изменение речного стока, компенсируются, например, переправами рыбы. Это позволяет водным животным мигрировать вверх по течению к своим нерестилищам.

Гидроэнергетика, которая является доминирующим компонентом возобновляемой энергии, также находится под угрозой изменения климата. Изменение климата может также изменить гидрологические условия (например, речной сток и объем водохранилища). Ввоздействие изменения климата различно в разных регионах.

Альтернативные источники гидроэнергии

Не только проточная вода в ландшафте обладает энергетическим потенциалом. Можно использовать энергию морских приливов, энергию, скрытую в морских течениях. Тепловую энергию морей и океанов и даже энергию морских волн можно изобретательно преобразовать в электричество. Приливные электростанции работают по принципу захвата воды во время прилива. Теоретически эти турбины можно использовать в обе стороны, но экономичнее использовать их только во время отлива. Крупнейшая в мире приливная электростанция Сихва находится в Южной Корее.

Как работает гидроэлектростанция (ГЭС)

Крупнейшие ГЭС мира

В мире существует семь гидроэлектростанций мощностью более 10 ГВт. Ниже представлена таблица крупнейших ГЭС по состоянию на 2005 год:

ГЭС	Страна	Год завершения строительства	Мощность, тыс. МВт
«Itaipu»	Бразилия-Парагвай	1983	12,6
«Guri»	Венесуэла	1983	10,0
«Grand Cooley»	США	1988	6,8
Саяно-Шушенская	Россия	1988	6,4
Красноярская	Россия	1972	6,0
«La Grande 2» (с 1981 «Robert-Bourassa»)	Канада	1981	5,6
«Churchill Falls»	Канада	1971	5,4
Братская	Россия	1967	4,5
«Tucurui»	Бразилия	1986	4,2
Усть-Илимская	Россия	1980	3,8

* В 2003 на p. Янцзы (КНР) введено в эксплуатацию 6 блоков ГЭС «Санься» («Три ущелья»), которая при достижении проектной мощности в 18,2 тыс. МВт ежегодно будет производить 84,7 млрд.

Несмотря на эти минусы, гидроэнергетика продолжает оставаться одним из самых перспективных и экологически чистых источников энергии. "Зеленая" электроэнергия - это наше будущее, а гидроэнергетика - один из основных источников. По-прежнему существует большой потенциал для дальнейшего развития, поскольку использовано менее 25% ее технического потенциала.