Гидроэнергия. Типы, конструкции и принцип работы ГЭС. Влияние ГЭС на окружающую среду.

Преобразование гидроэнергии в электрическую энергию стало возможным в конце 19 века благодаря открытиям в области физики и техническому прогрессу. Крупные ГЭС начали появляться на рубеже 19 и 20 веков. Вода под напором, создаваемым плотиной, направляется в водовод, который заканчивается турбиной. Турбина вращает вал, который соединён с ротором генератора. Количество вырабатываемой электроэнергии на ГЭС зависит от потенциальной энергии воды, запасённой в водохранилище, и к.п.д. её преобразования в электроэнергию. Мощность ГЭС зависит как от количества воды, так и от перепада между водной поверхностью водохранилища и уровнем установки гидроагрегата:

(1.1)

где r - удельный вес воды, г/см3;

g - ускорение свободного падения, равное 9.81 м/с2;

Q - расход воды через турбину, м3;

Н - напор воды, м.

Разница между верхним и нижним бьефом водохранилища называется напором. Вода, поступающая на турбину под высоким напором, имеет большую потенциальную энергию, чем при малом напоре, и поэтому на высоконапорной ГЭС требуется меньший расход воды для получения одинаковой мощности. Чем выше напор, тем меньше габариты турбины, а это в свою очередь удешевляет стоимость всего сооружения. Но высокий напор не всегда удаётся создать, так как мощность ГЭС и количество вырабатываемой ею электроэнергии в основном зависят от топографических условий в районе размещения водохранилища и тела плотины.

Рис. 1.5 Поперечный разрез русловой гидроэлектростанции.

1 - затвор водосброса; 2 - паз ремонтного затвора; 3 - основной затвор турбинного водовода; 4 - генератор; 5 - трансформатор; 6 - аварийный затвор; 7 - турбина; ГВБ - горизонт верхнего бьефа; ГНБ - горизонт нижнего бьефа

Рис. 1.6 Поперечный разрез приплотинной гидроэлектростанции

1 - провода на ОРУ; 2 - плоский затвор; 3 - машинный зал; 4 - генератор; 5 - спиральная камера; 6 - отсасывающая труба; 7 - турбина радиально-осевого типа; 8 - турбинный водовод; 9 - глубинный водоприемник; 10 - решетка; 11 - подъемный механизм щитов

ГЭС относятся к установкам, в которых используется возобновляемая энергия, но по сравнению с другими видами природных ресурсов преобразование гидроэнергии в электрическую приводит к значительным воздействиям на окружающую среду. Формы и характер этих воздействий принципиально отличны от тех, которые оказывают на окружающую среду другие типы станций. Для работы ГЭС необходимо сооружение постоянных водохранилищ с большой площадью зеркала водной поверхности, которое может оказывать значительное вредное воздействие на окружающую среду. Это воздействие может выражаться в следующем:

1. Уничтожение уникальной флоры и фауны в бассейнах рек, например, нарушение путей нереста благородных пород рыб на Енисее.

2. Затопление плодородных почв.

3. Сокращение стока воды ниже плотины по течению.

4. Прекращение сезонных паводков.

5. Нанесение ущерба ландшафту района, где расположено водохранилище.

6. Создание очень большого давления на малый участок поверхности земли.

7. Заиливание и засорение водохранилища.

Все водотоки несут с собой наносы, которые оседая в водохранилище снижают его полезную ёмкость и ухудшают экологическую обстановку в нём. Поэтому полезное использование ГЭС продолжается от 50 до 200 лет.

При образовании крупного водохранилища создаётся очень большое давление, которое приводит к возникновению напряжений в породах, слагающих дно, и если их не снять, то появляется потенциальный источник землетрясения.

Вопросы экологического воздействия ГЭС на окружающую среду должны составлять важнейший аспект предпроектного анализа. По срокам действия последствия создания водохранилищ ГЭС могут быть разделены на две группы. Первая группа это прямые последствия, действие которых начинается в период создания водохранилища. Их необходимо учитывать на стадии проектирования:

1. Затопление лесных и сельскохозяйственных земель;

2. Сокращение продуктивности заливных лугов ниже уровня плотины:

3. Отрицательные последствия в системе рыбоводства.

Другие последствия обнаруживаются спустя 5 - 10 лет после заполнения водохранилища и их особенно важно прогнозировать заранее.

Одним из важнейших факторов, определяющих последствия воздействия водохранилищ на окружающую среду, является площадь водохранилища. Около 88 % общего числа водохранилищ в России сооружены в равнинных условиях, используемые напоры на ГЭС достигают 15 - 20 метров, а площадь зеркала акваторий иногда несколько тысяч квадратных километров. Энергитическая эффективность 1 км² затопляемых земель наиболее мала для равнинных водохранилищ в низовьях крупных рек. Удельная плотность затопления в этих условиях изменяется от 5 до 15 км²/тыс.кВт установленной мощности ГЭС. Для водохранилищ ГЭС на горных реках эта величина на 1 - 2 порядка ниже. Кроме этого существенным фактором воздействия на окружающую среду является засоление и ощелачивание плодородных земель в районах орошения в случае недостаточного дренажа. По оценкам комиссии ООН ежегодно из мирового сельскохозяйственного производства выпадает около 300 тысяч гектаров орошаемых земель вследствие засоления при заболачивании. В целом воздействия ГЭС на окружающую среду многочисленны, разнохарактерны по формам и должны учитываться на всех этапах создания электростанции. В этой связи возрастает роль применения современных методов системного анализа в выяснении последствий и комплекса взаимосвязей перечисленных явлений.

Однако существуют и другие возможности использования водной энергии:

1. Приливные гидростанции ( ПЭС );

2. Гидроаккумулирующие станции ( ГАЭС ).

Энергия морских приливов (лунная энергия) известна давно. Существует огромное количество остроумных проектов приливных технических сооружений. В некоторых районах мирового океана наблюдается очень большая амплитуда приливной волны и разность между верхней и нижней отметками прилива достигает более 10 метров, например, возле Огненной Земли эта разность составляет 18 метров и 28 метров на побережье США. Если открыть шлюз в то время, как приливная волна набирает высоту и затем в высшей точке прилива шлюз закрыть, то накопленную воду можно во время отлива пропустить через турбины и таким образом выработать электрическую энергию. Если установить реверсивные турбины, тогда добавится выработка электроэнергии при заполнении водохранилища. Значение суммарного энергетического потенциала приливов составляет около 13 Гвт, что намного меньше по сравнению с потенциалом рек. ПЭС выгодно отличаются от ГЭС тем, что их работа определяется космическими явлениями и не зависит как у речных от погодных условий. Однако ПЭС имеют три существенных недостатка:

1. Стоимость 1 кВт ч на 30 - 100% выше, чем на ТЭС и ГЭС;

2. Неравномерность работы в течении суток;

3. Нарушение судоходства.

Рис. 1.7 Схема электростанции на приливном течении

Неравномерность приливной энергии в течении лунных суток и лунного месяца, отличающихся от солнечных не позволяет систематически использовать её в периоды максимальных нагрузок. Можно компенсировать неравномерность работы ПЭС, совместив её с ГАЭС или ГЭС. Наряду с недостатками есть и приемущества. Энергия приливов не образует вредных отходов, не растрачивает невосполнимых минеральных ресурсов и наносимый ущерб невелик. Важным в освоении этой энергии является благоприятное сочетание топографического и энергитического факторов. Экономически целесообраное использование энергии приливов и отливов наступает лишь при разности уровней воды не менее 5 метров. С 1966 года во Франции на реке Ранс (La Rance) действует ПЭС мощностью 240 Мвт. Выработка электроэнергии в течении года на этой станции составляет 507 000 Мвт ч. , что примерно соответствует 2100 часов работы с полной нагрузкой. Разработка и создание гидравлических турбин с диаметром 7.5 метра и мощностью 60 Мвт позволили снизить стоимость вырабатываемой электроэнергии.

Рис. 1.8 Гидроаккумулирующая станция

1 - верхний бассейн; 2 - водовод; 3 - здание ГАЭС; 4 - нижний бассейн;

Неравномерность графика нагрузки потребителей в часы максимума нагрузки покрывать пиковые набросы активной и реактивной мощности. Эту задачу хорошо решают гидроаккумулирующие станции ( ГАЭС ). В интервалы времени, когда нагрузка в энергосистеме минимальна, ГАЭС перекачивает воду из нижнего водохранилища в верхнее и потребляет при этом электроэнергию из системы. В режиме непродолжительных пиков нагрузки ГАЭС работает в генераторном режиме и расходует запасённую в верхнем водохранилище воду.

Мощность ГАЭС зависит от расхода воды и напора. При ограниченном объёме верхнего бассейна увеличение мощности может быть получено за счёт большого напора. С этой точки зрения горные районы наиболее удобны для сооружения ГАЭС. Наибольшую величину напора имеет ГАЭС Рейссек в Австрии, который составляет около 1800 метров. Стоимость ГАЭС резко уменьшается, если в качестве верхнего бассейна используется естественный водоём. ГАЭС стали особенно эффективными с появлением обратимых гидротурбин, выполняющих функции и турбин и насосов. Перспективы развития ГАЭС зависят от их коэффициента полезного действия (К.П.Д.), который равен отношению количества выработанной электроэнергии к израсходованной. Первые ГАЭС имели К.П.Д.=40%, а у современных он составляет порядка 70 - 75%.