Вещество Уровень рН

Лимонный сок 2

Уксус 3

Томатный сок 4

Дождевая вода 5,6

Морская вода 8

3.3. Система технологий ГЭС

Движущей силой в гидроэлектростанции является поток речной воды, который приводит в действие гидротурбину, соединенную с электрогенератором.

Основное оборудование ГЭС:

1. Плотина для создания требуемого напора воды путем поднятия уровня с одной стороны и опускания – с другой.

2. Гидротурбина которая преобразует энергию падающей воды в механическую энергию вращения.

3. Гидрогенератор (электрогенератор), который механическую энергию преобразует в электрическую.

Основное энергетическое оборудование размещают в здании ГЭС:

- в машинном зале – гидроагрегаты, вспомогательное оборудование, устройства автоматического управления и контроля;

- на центральном посту управления – пульт оператора-диспетчера или автооператор ГЭС.

Энергетический источник беспрерывно возобновляется природой. Основные затраты при сооружении гидроэлектростанции составляют работы по сооружению плотины для обеспечения перепада воды. Чем выше плотина, тем больше потенциальная энергия воды на “входе” конверсии в кинетическую, которая превращается последовательно в механическую энергию турбины и электрическую на “выходе” из электрогенератора.

Коэффициент полезного действия конверсии энергии потока воды в электроэнергетическую несравненно выше, нежели в системах конверсии тепловых и атомных электростанций и составляют более 90%. Эти преимущества стимулируют строительство гидроэлектростанций во всем мире.

Пример.Плотина одной из самых больших гидроэлектростанций мира Саяно-Шушенской (на р. Енесей, Россия) обеспечивает напор воды L на турбину в 200т ( высота плотины 245м и длина 1060м) при расходе воды V за минуту 21400м3. Коэффициент конверсии энергии воды в электрическую h= 0,92. Определите мощность (Р) одного гидроэлектроагрегата и всей ГЭС ( 10 гидроэлектроагрегатов) и сравните мощность такого гидроэлектроагрегата с мощностью одного энергоблока РБМК-1000 Чернобыльской АЭС.

Решение.

А

Определяющее равенство мощности Р = ------ ,

t

где Р – энергия (работа), Дж; t – время, с

Энергия падающей воды (А) будет прямо пропорциональна напору и массе m, которая обуславливает силу F, действующую на лопасти гидротурбины.

F=mg,

где g – ускорение свободного падения на земную поверхность – 9,8 м/с2

Массу воды m, которая проходит через турбину за минуту, определим из уравнения:

m = rН2ОхV = 1000 кг/м3х21400 м3 = 21,4х106кг

Сила потока воды F= mg=21,4 х 106 кг х 9,8 м/с2 = 209,7 х 106 (кгм/с2) = 209,7 МН

Робота, которую выполняет поток за 1 минуту

А=F x L = 209,7 х 106 Н х 200м= 41,9 х 109ГДж.

Электрическая мощность одного гидроэлектрогенератора с учетом коэффициента конверсии h=0,92 составит:

41,9 х 109Дж х 0,92

––––––––––––––––– = 642 х 106Дж = 642 МДж

То есть мощность ГЭС (10 блоков) составляет 6,4 ГВт.

Мощность одного блока РБМК-1000 (1000МВт) больше, чем гидроэлектрогенератора, в 1,5 раза.

При строительстве и эксплуатации ГЭС много аспектов не было учтено. Прежде всего, это касается водохранилищ, которые заливают большие площади сельскохозяйственных угодий и лесов. На каждый киловатт мощности гидроэлектростанции затапливается около 300м2 земли.

В бассейнах рек равнинных регионов значительная часть площадей таких водохранилищ мелководна (до 2м), где создаются благоприятные условия для широкого размещения сине-зеленых водорослей. Опасность этого явления – насыщенность воды токсичными химическими соединениями (фенолом, индолом и др.), которые выделяются в процессе отмирания и разложения водорослей. Это явление наблюдается как “цветение” воды и особенно расширилось в различных регионах мира во второй половине ХХ столетия. Объясняют это тем, что в связи с применением на полях удобрений в мелководные площади водных бассейнов, которые хорошо прогреваются солнцем, с дождевыми потоками с почвы попадает большое количество питательных для водорослей элементов – азот, фосфор, калий. В таких водохранилищах исчезает рыба, а вода, прежде чем она поступает к потребителю, требует увеличения средств на ее очистку.

Кроме того, образование громадных водохранилищ изменяет микроклимат региона и часто не в лучшую сторону. Так образование глубокого (свыше 100м) Красноярского водохранилища на Енисее (Россия) повлекло снижение температуры воды летом более чем на 10ОС, а зимой, наоборот, в сорокаградусный мороз река окутана густым туманом, не замерзает на протяжении 300км вниз по течению. При сооружении этой ГЭС были затоплены ценнейшие сельскохозяйственные угодья края.

Но существует и другая сторона проблемы. Для мощных ГЭС в 2000...3000 МВт необходимы большие водные артерии, которые бы обеспечивали поток воды свыше 1000м3за секунду. Таких рек немного, а в Европе – совсем нет.

Перспективное направление в гидроэнергетике – гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Они включаются в региональную электросеть с другими электростанциями и выполняют роль демпфера –сами потребляют электроэнергию, когда она имеется в избытке, и возвращают ее в сеть, когда ее недостаточно. Электрические машины станции могут работать как насосы, когда перекачивают воду в верхнее водохранилище, и как блок гидротурбины с электрогенератором, когда она с верхнего водохранилища перетекает в нижнее. Такие станции позволяют не только рационально расходовать электроэнергию, не снижая ее производства всеми станциями электросети, но и обеспечивать использование воды из верхних водохранилищ для сельскохозяйственных угодий. Первая гидроаккумулирующая электростанция была сооружена в 1971 году на правом берегу Киевского водохранилища мощностью 225МВт с напором 65м, длиной водохранилища 275м. Нижним является Киевское водохранилище. После 1980г. построены еще две ГАЭС: Загорская (Московская область) на реке Кумья мощностью 1200 МВт и самая большая в Литве на р.Неман –1600 МВт. В 1999г. пущена в эксплуатацию ГАЭС на реке Днестр

3.4. Система технологий АЭС и проблемы радиационной защиты

Первый атомный реактор был построен в 1942 году в США под руководством итальянского ученого Е. Ферми, а на европейском континенте в бывшем СССР – в 1946 году под руководством И.В. Курчатова. Его мощность составляла 0,5 МВт (г. Обнинск вблизи Москвы). В Украине в эксплуатации находится 4 атомных электростанций: Ровенская, Хмельницкая, Южно-Украинская и Запорожская. (см. табл. 3.1). Атомная электростанция (АЭС)– сложное техническое сооружение, в котором атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую.

В самом общем виде это происходит следующим образом (рис. 3.2). Тепло, которое выделяют, расщепляясь, ядра радиоактивных веществ (ядерное горючее – а сегодня это уран (изотопы нагревает прокачиваемый через активную зону реактора теплоноситель (жидкость /вода, содержащая 16% борной кислоты/ или газ), который отбирает тепло у ядерного горючего. Эта замкнутая система с теплоносителями называется первым контуром. В теплообменнике тепло первого контура нагревает до кипения воду второго контура. Образующийся пар идет в обычную турбину, вырабатывающую электричество, а также используется для обогрева зданий. Следовательно, атомные электростанции отличаются от других только способом превращения воды в пар (рис.3.3), который используется для производства электроэнергии.