Водная энергия в природе. Энергия и мощность водного потока. Гидроэнергетические ресурсы

Под действием солнечного излучения с поверхности океанов, морей, материков испаряется вода. Воздушные потоки разносят водяные пары над земной поверхностью. Сконденсировавшись в верхних холодных слоях атмосферы, водяные пары в виде дождя и снега выпадают на землю. Под действием силы тяжести частицы воды перемещаются по поверхности земли на более низкие уровни, образуются ручьи и реки, которые широкими и спокойными потоками или бурными стремнинами с водопадами вливаются в моря и озера.

Испаряясь под действием солнечных лучей, частицы воды вновь поднимаются в атмосферу, совершая бесконечный круговорот воды в природе, составляющий одну из основ жизни на Земле (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Круговорот воды в природе

Вода обладает механической энергией и, проходя по руслу, постепенно теряет свою потенциальную энергию. Некоторая часть ее переходит в кинетическую, скоростную энергию движущихся масс, большая часть затрачивается на работу по преодолению сил трения между частицами воды, между водным потоком и руслом, размывая его и перемещая наносы. В конечном итоге энергия превращается в тепловую и рассеивается. Однако механическая энергия воды, или гидравлическая, непрерывно возобновляется.

Создав на реках искусственные гидротехнические сооружения и установив необходимое оборудование, можно использовать часть гидравлической энергии для нужд человеческого общества.

Проблемы использования энергии воды изучает гидроэнергетика, которая является одной из составляющих отрасли, называемой электроэнергетикой.

Энергия и мощность водного потока. Гидроэнергетические ресурсы. Предположим, что поток имеет постоянные по длине русла сечение и скорость течения воды, при этом боковая приточность отсутствует. Для определения энергии водного потока рассмотрим его участок AB (рис. 1.2). Воспользуемся уравнением Бернулли, которое определяет удельную энергию потока, т. е. энергию массы воды, вес которой равен 1 Н (одному ньютону):

где е — удельная энергия. Дж или Н х м; г — геометрическая высота точки сечения над уровнем моря или над произвольной плоскостью сравнения 00, м; р — давление в точке сечения потока, Па; V — средняя скорость течения воды, м/с; р — плотность воды, кг/м3; g= 9,81 м/с² — ускорение свободного падения; a = 1,03/1,1 — безразмерный коэффициент кинетической энергии, или коэффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распределения скоростей по сечению.

Рис. 1.2. К выводу формулы мощности потока

Сумма z + pl (pg) = h определяет запас удельной потенциальной энергии в данном сечении, т. е. запас энергии высотного положения z и энергии давления pl (pg). Для всех точек сечения потока со свободной поверхностью суммарная потенциальная энергия h постоянна, так как с увеличением z на такое же значение уменьшается pl (pg). Удельную потенциальную энергию в сечении потока можно, таким образом, определять высотой отметки свободной поверхности над плоскостью сравнения. Для сечений А и В эта энергия соответственно равна

Слагаемое определяет удельную кинетическую (скоростную) энергию. Уравнение (1.1) характеризует запас всей удельной энергии е в данном сечении. Согласно закону сохранения энергии в потоке жидкости энергия е_АВ, выделившаяся при движении на участке AB, равна разности энергии потока в сечениях (створах) А и В:

Где H_АВ — перепад уровней свободной поверхности на участке AB. При определении полной энергии потока необходимо учесть водность потока, определяемую расходом воды Q, м³/с. Предположим, что в течение времени t через участок AB проходит объем воды Qt, м³, вес которого составит Qtpg. Тогда полная энергия, Дж, выделившаяся на участке,

Ватт — достаточно малая единица измерения, поэтому в энергетике используют более крупные кратные единицы мощности — киловатт (1 кВт = 1000 Вт) и мегаватт (1 МВт = 1000 кВт — 10⁶ Вт).

Выразив N_AВ в киловаттах и приняв численные значения ускорения свободного падения g = 9,81 м²/с и плотности р = 1000 кг/м³ (для водотоков с чистой пресной водой), получим

Количество электроэнергии в промышленности принято измерять в киловатт-часах (1 кВт х ч = 3,6 х 10⁶ Дж). Если измерять время Т в часах, то энергия Э_ав, кВт х ч, будет

в частности энергия, выделившаяся за год, Т = 8760 ч,

При подсчете энергии иногда удобнее пользоваться значением стока W в кубических метрах W = Qt (Q — в м³/с; t — в секундах). Подставив в (1.5) W, численные значения р и g и выразив Э в кВт-ч, получим

Формулы (1.7) и (1.9) применяются для определения гидроэнергетического потенциала, который выражается мощностью или годовой энергией, вычисленной для потока при его среднемноголетнем расходе. Для получения теоретического гидроэнергетического потенциала все реки рассматриваемого бассейна, страны, региона или всего мира разбивают на участки, для каждого из них подсчитывают мощность и годовую энергию и суммируют их значения. Не все гидроэнергетические ресурсы по ряду причин можно использовать.

Выявляя участки рек, пригодные для строительства ГЭС, определяют технический гидроэнергетический потенциал. Часть его, использование которой экономически целесообразно в настоящее время, называется экономическим гидроэнергетическим потенциалом.

Теоретический гидроэнергетический потенциал рек всего мира оценивается в 3750 млн. кВт по мощности или 32 900 млрд. кВт-ч по производству электроэнергии. Теоретический гидроэнергетический потенциал крупных и средних рек СССР составляет 450 млн. кВт или 3942 млрд. кВт-ч (около 12% мирового потенциала).

Технический гидроэнергетический потенциал оценивается в 240 млн. кВт и 2106 млрд. кВт-ч, экономический—в, 125 млн. кВт и 1095 млрд. кВт-ч.

По экономическому гидроэнергетическому потенциалу СССР превосходит другие страны, например в США он составляет 705, в Бразилии 657, в Канаде 535 млрд. кВт-ч. Но по степени его освоения СССР уступает многим странам мира с развитой гидроэнергетикой, используется лишь 19,1% потенциала по фактической выработке электроэнергии (в США — 45, в Канаде — 42, в Японии— 58, во Франции—94, в Швейцарии—95%).

Соотношение между техническим и экономическим потенциалами зависит от экономической конъюнктуры, которая в последние годы изменяется в пользу гидроэнергетики. В настоящее время, проявляется повышенное внимание и к гидроэнергетическим запасам малых рек, использование которых ранее не считалось экономически выгодным. По неполным данным технический потенциал малых рек СССР составляет около 10 млн.: кВт по мощности и 84 млрд. кВт-ч по выработке электроэнергии.