Гидроэнергетика. Основные принципы использования энергии воды. Гидроэлектростанции. Энергия волн. Энергия приливов. Преобразование тепловой энергии океана в механическую

Значительно более высоким КПД обладают гидроэлектростанции (ГЭС) ввиду отсутствия на них термодинамического цикла (преобразо­вания тепловой энергии в механическую). На ГЭС используется энер­гия рек [15]. Путем сооружения плотины создается разность уровней воды. Вода, перетекая с верхнего уровня на нижний либо по специ­альным трубам – турбинным трубопроводам, либо по выполненным в теле плотины каналам, приобретает большую скорость. Струя воды поступает далее на лопасти гидротурбины. Ротор гидротурбины при­водится во вращение под воздействием центробежной силы струи воды. Таким образом, на ГЭС осуществляется преобразование:

Поэтому теоретически их КПД может достигать 90%. Кроме того, ГЭС являются маневренными станциями, время пуска их агрегатов ис­числяется минутами. Гидроэнергетика представляет отрасль науки и техники по использова­нию энергии движущийся воды (как правило, рек) для производства электрической, а иногда и механической энергии. Это наиболее развитая область энергетики на возобновляемых ресурсах. Важно отметить, что в конечном итоге возобновляемость гидроэнергетических ресурсов также обеспечивается энергией Солнца. Действительно, реки представляют собой поток воды, движущийся под действием силы тяжести с более высоких на поверхности Земли мест в более низкие, и, в конце концов, впадают в Мировой океан. Под действием солнечного излучения вода испаряется с поверхности Миро­вого океана, пар ее поднимается в верхние слоя атмосферы, конденсируется в облака, выпадает в виде дождя, пополняя истощаемые водные запасы рек. Таким образом, используемая энергия рек является преобразованной меха­нической энергией Солнца [11]. Часто бывает, что в силу тех или иных изменений атмосферных условий этот кругооборот нарушается, реки мелеют или даже полностью высыхают. Другим крайним случаем является нарушение этого кругооборота, приво­дящее к наводнениям. Для исключения этих обстоятельств на реках перед гидроэлектростанциями строят плотины, формируются водохранилища, с помощью которых регулируется постоянный напор и расход воды. В странах, расположен­ных на берегах морей и океанов, возможно строительство приливных ГЭС, которые используют энергию приливов, возникающих за счет сил гравитационного взаимодействия Земли, Луны и Солнца. Опыт строительства и эксплуатации приливных ГЭС имеется, например, во Франции (1985 г.) и в бывшем СССР на Баренцовом море. В XX в. строились также ГЭС небольшой мощности, где в качестве преобразо­вателя кинетической энергии воды в механическую энер­гию для вращения электрогенератора использовались водя­ные турбины. Энергия, заключенная в текущей воде, многие тысячелетия вер­но служит человеку. Огромным аккумулятором энергии является мировой океан, по­глощающий большую ее часть, поступающую от Солнца. В нем плещут волны, происходят приливы и отливы, возникают могучие океанские тече­ния. На земле рождаются многочисленные реки, несущие огромные массы воды в моря и океаны. И люди раньше всего научились использовать энер­гию рек в качестве путей сообщения. Когда наступил золотой век электричества, произошло возрождение во­дяного колеса в виде водяной турбины. Считают, что современная гидро­энергетика родилась в 1891 г.

В нашей стране гидроэлектростанции начали строить в 30-х годах про­шлого века. Первенцем была Чигиринская ГРЭС на реке Друть в Могилевской области. В довоенные годы был построен ряд небольших гидроэлек­тростанций на малых реках. Большинство из них в годы войны были разру­шены, а в первые послевоенные годы восстановлены и построены новые. К концу 1956 г. в нашей республики насчитывалось 162 ГЭС общей установ­ленной мощностью 11854 кВт. Однако, начиная с 60-х годов, они начали за­крываться, не выдержав конкуренции с большой энергетикой. В последние годы во многих странах мира, особенно в Японии, Англии, странах Скандинавии, возрастающий интерес проявляется к получению энергии от морских волн, в результате чего эксперименты переросли в стадию реализации проектов. Создано большое количество различных центров, поглощающих и преобразовывающих волновую энергию. В результате воздействия сил притяжения Луны и Солнца происходят периодические колебания уровня моря и атмосферного давления, что при­водит к образованию приливных волн, которые и используются для выра­ботки электроэнергии на приливных электростанциях (ПЭС). Из современных приливных электростанций наиболее хорошо известны крупномасштабная электростанция Ране мощностью 240 МВт (Бретань, Франция), построенная в 1967 году на приливах высотой до 13 м, и небольшая, но принципиально важная опытная станция мощностью 400 кВт в Ки­слой Губе на побережье Баренцева моря (Россия) [12]. Блоки этой ПЭС буксиро­вались на плаву в нужные места для включения ее в местные энергосети в часы максимальной нагрузки электроэнергии потребителями. Неожиданной возможностью океанской энергетики оказалось выращи­вание с плотов в океане быстрорастущих гигантских водорослей, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены при­родного газа. Большое распространению получает использование биомассы для получения электроэнергии. Большое внимание приобрела «океанотермическая энер­гоконверсия» (ОТЭК), то есть получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосами глубинными океанскими водами, например, при использовании в замкнутом цикле турбины таких легко испаряющихся жидкостей, как пропан, фреон или аммоний.

Большие запасы энергии содержаться в местах впадения пресноводных рек в моря и соленые водоемы. При наличии перепадов солености возникает осмотическое давление, которое может быть использовано для производства энергии, например, с помощью мембранных установок и другими способами. Остается заманчивой идея использования потока теплой воды Гольфстрима, несущего ее вблизи берегов Флориды со ско­ростью 5 миль в час. Наконец, не следует забывать, что химическая формула воды НОН (Н₂О) содержит газ водород, который после извлечения из воды может использо­ваться в качестве горючего для самолетов, автомобилей, автобусов, как ис­пользуется в настоящее время для этих целей сжиженный газ, газ метан. И опыт использования водорода в качестве топлива уже есть. На базе кузова и шасси автобуса MERSEDES-BENZ создан электробус на топливных элемен­тах, получивший название NEBUS. В качестве топлива для него использует­ся водород, который размещается в баллонах, установленных на крыше ав­тобуса. NEBUS тяжелее базового автобуса на 3500 кг. При этом масса бал­лонов с водородом составляет 1900 кг. Силовая установка машины разрабо­тана канадской компанией Ballard. По габаритам она примерно соответству­ет дизелю, применяемому на автобусе этого типа. Мощность батареи топ­ливных элементов – 250 кВт, пробег – 200 км. Для приведения в движение автобуса, рассчитанного на 42 места, применяются асинхронные двигатели мощностью 75 кВт. Количество вредных выхлопных газов, уровень шума у него меньше, чем у автобусов аналогичного класса 1. Гидроэнергетика базируется на использовании возобно­вляемых гидроэнергетических ресурсов, представляющих собой преобразованную энергию Солнца. Напри­мер, в Норвегии более 90 % электроэнергии вырабатывает­ся на ГЭС. Стоимость 1 кВт-ч этой энергии обычно не более 0,04 доллара США, и она легко регулируется по мощности. Наряду с преимуществами у ГЭС имеются и недостатки, которые в ряде случаев ограничивают возможности их строительства и использования. Прежде всего это экологи­ческий ущерб, связанный с заполнением водой больших площадей при создании водохранилищ. В процессе эксплу­атации станций происходит заиливание водохранилищ и плотин, изменяется климат, нарушаются условия для мигра­ции рыб и др. Для ГЭС также характерны большие капи­тальные затраты на строительство [13].

Наша республика – преимущественно равнинная страна. В Государственной программе отмечается, что потен­циальная мощность всех водотоков Беларуси равна 850 МВт. Технически возможно использовать около 520 МВт, эконо­мически целесообразно – 250 МВт. В качестве основ­ных направлений гидроэнергетики в Беларуси определены реконструкция и восстановление существующих ГЭС и со­оружение новых различной мощности. Гидроэлектростанции подразделяются: в конструктивном отношении по схеме и составу основных гидротехнических сооруже­ний на приплотинные и деривационные, сооружаемые на крупных, сред­них и малых реках; в народнохозяйственном отношении на крупные, средние и малые; по величине напора на низконапорные, средненапорные и высо­конапорные. Различают также гидроэлектростанции по характеру регулирования речного стока их водохрани­лищами: с длительным (многолетним, годовым и сезонным), краткосроч­ным (суточным или недельным) регулированием и совсем без регулирования. В приплотинных ГЭС водосток регулируется посредством пло­тин. В деривационных ГЭС большая или существенная часть напора создается посредством безнапорных или напорных деривационных водоводов. В качестве безнапорного деривационного водовода могут быть использованы каналы, лотки, безнапорные туннели или сочетание этих типов водоводов. С самого начала (примерно с 80-х годов прошлого столетия) для произ­водства электроэнергии в гидроэнергетике использовались в основном гид­равлические турбины. Энергетическая программа Республики Беларусь до 2010 г. в качестве основных направ­лений развития малой гидроэнергетики в стране предусматривает:

– восстановление ранее действовавших малых гидроэлектростанций на существующих водохранилищах путем капитального ремонта и частичной замены оборудования;

– строительство новых малых ГЭС на водохранилищах неэнергетического назначения без затопления;

– создание малых ГЭС на промышленных водосбросах;

– сооружение бесплотинных (русловых) ГЭС на реках со значительными расходами воды.

Общую мощность малых ГЭС в республике предполагается довести к 2010 г. до 100 МВт. Бассейны рек Западная Двина и Неман, протекающих по территории Беларуси, относятся к зонам высокого гидроэнергетического потенциала, и использование его еще в 40-х годах XX в. намечалось путем строительства многоступенчатых каскадов ГЭС. Гидроресурсы Беларуси оцениваются в 850-1000 МВт.