Виды, устройство и принцип работы гидроэлектростанций (ГЭС). Потенциал гидроэнергетики

Содержание статьи:

1 Понятие о гидроэнергии, история развития гидроэнергетики
2 Принцип работы ГЭС
3 Мощности
4 Роль плотины
5 Технологии
6 Преимущества гидроэлектростанций
7 Недостатки гидроэлектростанций
8 Условия для строительства ГЭС
9 Особенности получения гидроэнергии
10 Классификация гидроэлектростанций
11 Плюсы и минусы гидроэлектростанций
12 Устройство и конструкция
13 Существующие крупные ГЭС в России
14 Крупнейшие ГЭС
15 Способы использования гидроэнергии
16 Производство гидроэнергии в мире
17 Принцип получения гидроэнергии

Понятие о гидроэнергии, история развития гидроэнергетики

Под гидроэнергией подразумевают энергию, которую несет течение реки. Чаще всего используют силу падающего потока, в регионах, где это возможно, применяют естественную силу приливов и отливов.

Широко используется гидроэнергетический потенциал плотин. Это искусственное сооружение, позволяющее воде скапливаться в искусственно созданном водоеме, создавая перепад высот и напор воды.

В средние XX века гидроэнергией реки пользовались на мельницах для приведения в действие жерновов и в кузницах, для раздувания мехов. Раньше строили простейшие запруды и использовали водяное колесо. Затем изобрели гидравлические турбины, они превращают кинетическую энергию потока в механическую.

Сейчас гидроэнергия преобразуется при помощи турбин в электричество.

Принцип работы ГЭС

Работа гидроэлектростанции достаточно проста. Возведенные гидротехнические сооружения обеспечивают стабильный напор воды, который поступает на лопасти турбины. Напор приводит турбину в движение, в результате чего она вращает генераторы. Последние и вырабатывают электроэнергию, которую затем по линиям высоковольтных передач доставляют потребителю.

Основная сложность подобного сооружения – обеспечение постоянного напора воды, что достигается путем возведения плотины. Благодаря ей большой объем воды концентрируется в одном месте. В некоторых случаях используют естественный ток воды, а иногда плотину и деривацию (естественное течение) применяют совместно.

В самом здании находится оборудование для ГЭС, основная задача которого заключается в преобразование механической энергии движения воды в электрическую. Эта задача возложена на генератор. Также используется и дополнительное оборудование для контроля работы станции, распределяющие устройства и трансформаторные станции.

Ниже на картинке показана принципиальная схема ГЭС.

Как видите, поток воды вращает турбину генератора, тот вырабатывает энергию, подает ее на трансформатор для преобразования, после чего она транспортируется по ЛЭП к поставщику.

Мощности

Есть разные гидроэлектростанции, которые можно поделить по вырабатываемой мощности:

Очень мощные – с выработкой более 25 МВт.
Средние – с выработкой до 25 МВт.
Малые – с выработкой до 5 МВт.

Мощность ГЭС зависит от в первую очередь от потока воды и КПД самого генератора, который на ней применяется. Но даже самая эффективная установка не сможет производить большие объемы электроэнергии при слабом напоре воды. Также стоит учитывать, что мощность гидроэлектростанции не является постоянной. В силу естественных природных причин уровень воды в дамбе может увеличиваться или уменьшаться. Все это оказывает влияние на объемы производимой электроэнергии.

Роль плотины

Самый сложный, большой и вообще основной элемент любой ГЭС – плотина. Невозможно понять, что такое ГЭС, не разобравшись в сути работы плотины. Они представляют собой огромные перемычки, которые удерживают водный поток. В зависимости от конструкции они могут отличаться: есть гравитационные, арочные и другие сооружения, но их цель всегда одна – удержание большого объема воды. Именно благодаря плотине удается концентрировать стабильный и мощный поток воды, направляя его на лопасти турбины, которая вращает генератор. Он, в свою очередь, и производит электрическую энергию.

Технологии

Как мы уже знаем, принцип работы ГЭС основан на использовании механический энергии падающей воды, которая в дальнейшем с помощью турбины и генератора преобразуется в электрическую. Сами турбины могут быть установлены либо в дамбе, либо возле нее. В некоторых случаях применяют трубопровод, через который вода, находящаяся ниже уровня дамбы, проходит под высоким давлением.

Индикаторов мощности любой ГЭС несколько: расход воды и гидростатический напор. Последний показатель определяется разницей высот между начальной и конечной точкой свободного падения воды. При создании проекта станции на одном из этих показателей основывают всю конструкцию.

Известные сегодня технологии производства электричества позволяют получать высокий КПД при преобразовании механической энергии в электрическую. Иногда он в несколько раз превышает аналогичные показатели тепловых электростанций. Столь высокая эффективность достигается за счет применяемого на гидроэлектростанции оборудования. Оно надежное и относительно простое в использовании. К тому же за счет отсутствия топлива и выделения большого количества тепловой энергии срок службы подобного оборудования достаточно большой. Поломки здесь случаются крайне редко. Считается, что минимальный срок службы генераторных установок и вообще сооружений – около 50 лет. Хотя на самом деле даже сегодня вполне успешно функционируют гидроэлектростанции, которые были построены в тридцатых годах прошлого века.

Преимущества гидроэлектростанций

Работа ГЭС не сопровождается выделением угарного газа и углекислоты, окислов азота и серы, пылевых загрязнителей и других вредных отходов, не загрязняет почву. Некоторое количество тепла, образующегося из-за трения движущихся частей турбины, передается протекающей воде, но это количество редко бывает большим.
Вода — возобновляемый источник энергии. По крайней мере до тех пор, пока ручьи и реки не пересохнут. Гидрологический цикл (круговорот воды в природе) пополняет источники потенциальной энергии за счет дождей, снегопадов и водостока.
Производительность ГЭС легко контролировать, изменяя скорость водяного потока (объем воды, подводимый к турбинам).
Водохранилища, сооружаемые для гидростанций, можно использовать в качестве зон отдыха, порой вокруг них складывается поистине захватывающий пейзаж.
Вода в искусственных водохранилищах, как правило, чистая, так как примеси осаждаются на дне. Эту воду можно использовать для питья, мытья, купания и ирригации.

Недостатки гидроэлектростанций

Большие водохранилища затопляют значительные участки земли, которые могли бы использоваться с другими целями. Целые города становились жертвами водохранилищ, что вызывало массовые переселения, недовольство и экономические трудности.
Разрушение или авария плотины большой ГЭС практически неминуемо вызывает катастрофическое наводнение ниже по течению реки.
Сооружение ГЭС неэффективно в равнинных районах.
Протяженная засуха снижает и может даже прервать производство электроэнергии. ГЭС.
Уровень воды в искусственных водохранилищах постоянно и резко меняется. На их берегах строить загородные дома не стоит!
Плотина снижает уровень растворенного в воде кислорода, поскольку нормальное течение реки практически останавливается. Это может привести к гибели рыбы в искусственном водохранилище и поставить под угрозу растительную жизнь в самом водохранилище и вокруг него.
Плотина может нарушить нерестовый цикл рыбы. С этой проблемой можно бороться, сооружая рыбоходы и рыбоподъемники в плотине или перемещая рыбу в места нереста с помощью ловушек и сетей. Однако это приводит к удорожанию строительства и эксплуатации ГЭС.

Вопрос

С учетом всех проблем использования природного топлива и ядерной энергии для производства электричества почему бы не сооружать больше гидроэлектростанций? В мире огромное количество рек. Разве не стоит строить как можно больше гидростанций?

Ответ

Большинство мест для строительства гидроэлектростанций уже используются. Количество плотин и водохранилищ, которые можно построить на реке, ограниченно. Энергия, отбираемая электростанцией у реки, уже не может использоваться ниже по течению. Если на реке построить слишком много электростанций, неминуемы экономические конфликты, связанные с распределением энергии.

Отопление дровами, зерном и углем

Дровяная печь
Преимущества и недостатки дровяной печи
Печи на пеллетах
Преимущества и недостатки печей на пеллетах
Печи на кукурузном зерне
Преимущества печей на кукурузном зерне
Угольные печи
Преимущества и недостатки угольных печей

Отопление жидким топливом и газом

Преимущества и недостатки воздушного отопления
Бойлеры, радиаторы и отопление под полом
Преимущества и недостатки водяного и парового отопления
Система отопления на жидком топливе (солярке)
Преимущества и недостатки отопления соляркой
Система отопления с использованием метана (природного газа)
Преимущества и недостатки отопления метаном
Системы отопления на пропане
Преимущества и недостатки отопления пропаном

Отопление и охлаждение

Температурная шкала кельвина, фаренгейта
Система обогрева на резистивных элементах
Электрические обогреватели помещений
Пристенные обогреватели на резистивных элементах, центральное отопление
Преимущества и недостатки систем обогрева на резистивных элементах

Пассивные системы обогрева

Преимущества и недостатки пассивных систем обогрева на солнечной энергии
Теплоаккумулирующая масса
Окна в крыше и покрытие потолка
Преимущества и недостатки с помощью теплоаккумулирующей массы
Системы нагрева воды при помощи солнечной энергии
Преимущества и недостатки систем нагрева воды при помощи солнечной энергии
Дом на склоне холма
Преимущества и недостатки дома на склоне холма

Методы управления климатом

Преимущества и недостатки непосредственного управления климатом с помощью ветряных силовых установок
Непосредственное управление климатом с помощью гидроэлектрических установок
Непосредственное управление климатом с помощью фотоэлементов
Преимущества и недостатки непосредственного управления климатом с помощью ФЭ
Охлаждение с помощью теплоаккумулирующих масс
Преимущества и недостатки охлаждения с помощью теплоаккумулирующих масс
Испарительное охлаждение
Преимущества и недостатки испарительного охлаждения
Подземные жилища
Преимущества и недостатки подземных жилищ

Двигатели на традиционном топливе

Как работает бензиновый двигатель
Преимущества и недостатки бензина в качестве топлива для двигателей
Транспортные средства с дизельными двигателями
Как работает дизельный двигатель
Преимущества и недостатки дизельного топлива для использования в двигателях
Традиционное топливо реактивных двигателей
Как работает реактивный двигатель
Преимущества и недостатки традиционного топлива для реактивных двигателей
Традиционное ракетное топливо
Жидкое ракетное топливо
Твердое ракетное топливо

Двигатели на метане, пропане

Преимущества и недостатки метана в качестве топлива для двигателей
Использование пропана в качестве топлива, для двигателей
Преимущества и недостатки пропана в качестве топлива для двигателей
Использование этанола в качестве топлива для двигателей
Как работает этанол в качестве топлива
Преимущества и недостатки эталона в качестве топлива для двигателей
Использование биодизеля в качестве топлива для двигателей
Как работает биодизель в качестве топлива
Преимущества и недостатки биодизеля в качестве топлива для двигателей
Автомобили на водородном топливе

Условия для строительства ГЭС

Место для строительства выбирают очень тщательно, ведь неправильное расположение станции может не только снизить ее эффективность, но и привести к затоплению близлежащих районов, в том числе и населенных.

Чтобы построить эффективно работающую гидроэлектростанцию, соблюдаются следующие требования:

Сильная река, текущая под углом и обеспечивающая круглогодичный доступ воды

В результате работы гидростанции вода постоянно испаряется в большом количестве, поэтому необходим сильный водный поток, нивелирующий испарение. Идеально, если река проходит под большим углом, а течение непрерывное и сильное.

Приближенность мест добычи сырья и строительных материалов

ГЭС чаще всего строится рядом с горными реками, поэтому может быть сложно доставлять материалы к месту стройки. Поэтому место для строительства выбирают с учетом близко расположенных карьеров для добычи высококачественного песка, камня и других стройматериалов.

Устойчивость почвы

Станцию строят только там, где скалистые структуры и почва достаточно устойчивы, чтобы выдержать огромную нагрузку от силы потока в плотине, веса воды и самого сооружения. Горные породы должны выдерживать землетрясения и не пропускать воду, чтобы не ослабить плотину.

Особенности получения гидроэнергии

Основная особенность гидроэнергетики – это то, что энергия рек перерабатывается в электричество.

Гидроэнергетический способ получения электричества – один из самых выгодных и дешевых.

Гидроэнергетика экологически чистая, так как речной сток – это возобновляемый источник энергии, а вредных отходов в процессе не выделяется.

ГЭС часто строятся в горах и территориально отдалены от потребителей.

Плотины перекрывают пути нереста рыб, однако в самих водохранилищах рыба может беспрепятственно размножаться, что увеличивает рыбное поголовье и положительно сказывается на рыбном хозяйстве.

Защитные сооружения для водохранилищ ограничивают площадь затопляемых территорий.

Строительство ГЭС подразумевает использование мощных систем подготовки воды и очистительных систем.

Классификация гидроэлектростанций

Существует несколько способов классификации гидроэлектростанций. Так, в зависимости от того, как работают ГЭС, выделяют:

Плотинные ГЭС, для работы которых создаются плотины, частично перекрывающие нижнюю часть реки, и, таким образом, создающие напор.
Приплотинные ГЭС, которые строятся при сильнейшем водном напоре. Водный источник перегораживают плотиной, а станция располагается за ней.
Деривационные. Данные гидроэлектростанции строятся с большим уклоном, в самой нижней части реки.
Гидроаккумулирующие (ГАЭС). В ГАЭС строятся нижний и верхний бассейн, а сама станция размещается возле нижнего.

В зависимости от мощности, которую вырабатывают сооружения, принято выделять малые, средние и мощные гидроэлектростанции. В зависимости от напора воды, который необходим для работы: низконапорные, средненапорные и высоконапорные.

Плюсы и минусы гидроэлектростанций

Как и любое сооружение, гидроэлектростанция имеет свои плюсы и минусы. К основным плюсам можно отнести:

полную самовозобновляемость источника энергии;
отсутствие вредных выбросов в атмосферу;
долгая эксплуатация сооружения: более 100 лет;
дешевая и выгодная энергия.

К недостаткам относятся:

выбросы водяного пара, который является фактором, провоцирующим глобальное потепление;
заболачивание земель и миграция животных с затопленных территорий;
неестественное изменение русел рек;

Несмотря на наличие недостатков, можно смело утверждать, что достоинств у такого способа добычи энергии больше. И самое главное из них заключается в том, что для работы гидроэлектростанций не нужно ядерное топливо или другое топливо, а в результате их работы не возникает вредных выбросов в окружающую среду.

Устройство и конструкция

Ядром гидростанции является машинный зал. Там располагаются все необходимые для работы агрегаты: генераторы электричества и турбины. Помимо этого, вокруг самой станции строятся сооружения, входящие в состав гидроузла: плотина, уравнительный резервуар, трансформационные станции, очистительные сооружения.

Существующие крупные ГЭС в России

На сегодняшний день в России работает около 200 гидроэлектростанций. Самыми крупными из них являются:

Саяно-Шушенская ГЭС в Хакасии. Данная ГЭС реконструировалась и возводилась более 37 лет. А ее мощность составляет более 6000 МВт.
Красноярская ГЭС в Красноярском крае. Станция считается самой прибыльной тепловой станцией, и второй по прибыльности и производительности ГЭС в России.
Братская ГЭС в Иркутской области, являющаяся крупнейшей в Сибири, третьей по мощности и первой по выработке гидроэлектростанцией в России.

Группа компаний Limak Marash занимается проектированием и строительством зданий и сооружений любой сложности. За нашими плечами — масса разнообразных проектов: Плотина и ГЭС Алкумру, Плотина и ГЭС Обрук, Плотина и ГЭС Узунчаийр и другие. Чтобы узнать условия сотрудничества, позвоните по номеру, указанному на сайте, или напишите нам на почту.

Крупнейшие ГЭС

В мире двумя самыми крупными ГЭС являются:

Итайпу, расположенная на границе между Бразилией и Парагваем, с высотой падения воды 195 м, максимальной выходной мощностью 14 тыс. МВт (20 турбогенераторов мощностью 700 МВт каждый).
«Три ущелья» на реке Янцзы в Китае с перепадом воды 185 м и максимальной установленной мощностью 22 500 МВт.

На территории РФ построено много ГЭС, входящих в список крупнейших в мире:

Саяно-Шушенская;
Красноярская;
Братская;
Усть-Илимская;
Богучанская;
Волжская;
Жигулевская;
Бурейская;
Саратовская;
Чебоксарская.

Крупнейшая аккумулирующая электростанция в РФ – Загорская ГАЭС. Она также присутствует среди 10 мировых самых мощных станций подобного типа.

Саяно-Шушенская ГЭС

Она расположена возле реки Енисей, в высоту достигает почти 250 м и считается самой высокой плотиной России. На строительство станции ушло 37 лет, оно завершилось только в 2000 году. Из-за своих масштабов гидроэлектростанция вырабатывает самую дешевую энергию: 1 кВт⋅ч стоит всего 1,62 руб. Она обеспечивает энергией рудники, заводы и предприятия пищевой промышленности.

Долгое время станцию считали примером для остальных, но в 2009 году произошла техногенная катастрофа, из-за которой гидроагрегат выбросило со своего места под высоким напором. Вода попала внутрь здания, после чего автоматические системы сломались. Сотрудникам пришлось вручную закрывать затворы водоприемников. Из-за этого погибли 75 человек, на полное восстановление ГЭС потребовалось 5 лет.

Красноярская ГЭС

Расположена возле Енисея, в его состав входит единственный судоподъемник, который есть в РФ. ГЭС обеспечивает свой регион электричеством на 30%. Помимо этого, защищает местность от наводнений и налаживает работу речного транспорта.

В результате строительства станции большая зона оказалась затоплена. В нее вошли 132 населенных пункта, из которых пришлось переселить более 60 тыс. человек. Также из-за выхода теплой воды в одном и том же участке перестало происходить замерзание реки, это сказывается на экосистеме.

Братская ГЭС

Находится в Иркутской области возле реки Ангара. Сооружение известно не только благодаря масштабу, но и размещению крупнейшего водохранилища. Для его формирования пришлось затопить более 100 деревень. Это событие стало значимым для города, поскольку он превратился в промышленный центр.

Дамба, к которой изначально относились негативно, стала местной достопримечальностью. Внутрь туристов пускать перестали, но автобусы все еще подъезжают туда, чтобы посмотреть на масштабы постройки и километровую стену, которая сдерживает огромный поток воды.

Усть-Илимская ГЭС (3840 МВт)

Усть-Илимская гидроэлектростанция была построена в Иркусткой области возле города Усть-Илимск на реке Ангара. Она стала третьей ступенью Ангарского каскада гидроэлектростанций, дополнив Иркутскую и Братскую ГЭС.
Строить её начали в 1963 году, а закончили в 1980 году, хотя уже в 1979 году она частично была запущена в эксплуатацию. Эта гидроэлектростанция имеет огромное значение для обеспечения устойчивости всей сибирской энергосистемы. Большую часть её энергии потребляют крайне энергоёмкие алюминиевые заводы, а также лесохимические предприятия. На базе этой гидроэлектростанции был создан Усть-Илимский территориально-производственный комплекс. В 2012 году эта станция выработала 32,3% общего количества энергии, полученной от всех электростанций Иркутской области.

Богучанская ГЭС

Расположена в Краснодарском крае, входит в пятерку крупнейших станций. На возведение комплекса потребовалось более 30 лет, последний гидроагрет заработал в 2014 году. Станция состоит из нескольких плотин и производственного комплекса, который примыкает к ним. Суда через этот участок проходить не могут. Раньше для этого использовали шлюз, но позже забетонировали из-за обнаруженных нарушений.

Гидроэлектростанции используют природные ресурсы для получения энергии, поэтому в сравнении с остальными типами ее стоимость получается самой низкой. К тому же во время обработки исключаются выбросы в атмосферу. Однако, для работы ГЭС требуется большой напор воды и ее направление в соответствующее русло. Поэтому несмотря на простую схему работы станций, специалистам приходится учитывать много факторов, в том числе затопляемость ближайших территорий.

Способы использования гидроэнергии

Использование гидроэнергии проходит не только по прямому назначению. Для региона, где построена ГЭС, этот объект является точкой экономического роста.

Вокруг дешевого неисчерпаемого источника энергии строятся предприятия, растет промышленный оборот, создаются новые рабочие места, развивается инфраструктура.

Китай является лидером по потреблению гидроэнергии в миреГосударственные и общественные задачи, которые решает гидроэнергетика:

Обеспечивает единую системную надежность энергосистемы страны.
Развивает главные отраслевые производства.
Формирует схему промышленного водоснабжения.
Создает стратегический запас питьевой пресной воды.
Служит предпосылкой развития сельского хозяйства и рыбоводства.
Решает проблемы мелиорации, паводкового затопления, орошения и пр.
Включено в программу сохранения безопасности населения.

Производство гидроэнергии в мире

Гидроэнергетические ресурсы занимают 19% всей производящейся на планете энергии. Они составляют 63% возобновляемых источников энергии.

Ведущие позиции по выработке гидроэнергии занимают Норвегия, Исландия и Канада. Приливные электростанции построены в Северной Америке (США и Канада) в Европе (Великобритания и Франция) и в некоторых других странах.

В Европе недостаток территорий, пригодных для затопления и дороговизна земли затрудняют развитие энергетики рек. Наиболее активно ведется строительство ГЭС на реках в Китае.

Распределение гидроэнергии в миреОбщеизвестный факт, что первая гидроэлектростанция построена на реке Неккар притоке Рейна в Германии в 1891 году. Она передавала электричество на невероятное по тем временам расстояние 170 км.

Руководил производством работ русский инженер-электротехник М.О.Доливо-Добровольский. С того момента берет начало мировая история электрификации.

Принцип получения гидроэнергии

В нижнем течении полноводных рек сооружают искусственные водохранилища и строят гидроэлектростанции с гидравлическими турбинами.

В зависимости от скорости течения рек и напора водного потока используют разные конструкции, но все они построены по одному принципу – преобразуют энергию течения рек в механическую энергию вращения валов. При помощи гидравлических турбин она перерабатывается в электроэнергию.

По берегам морей, где регулярно происходят приливы и отливы, используется морская гидроэнергетика.

В ее основе лежит изменение уровня воды в прибрежной зоне под влиянием гравитации Земли – притяжения Солнца и Луны. Оно происходит дважды в сутки – утром и вечером. Перепад уровня воды в разных местностях составляет в это время от 13 до 18 метров.

В России в постсоветском пространстве действует одна экспериментальная приливная электростанция (ПЭС) на побережье Баренцева моря в поселке Кислая Губа. Несколько проектов пока не реализованы.

Источники: