Малая гидроэнергетика. Гидроэлектростанции

Малая гидроэнергетика

Гидроэнергетика – область наиболее развитой на сегодня энергетики на возобновляемых ресурсах, использующая энергию падающей воды, волн и приливов.

Основные направления развития гидроэнергетики: восстановление старых МГЭС путем капитального ремонта и частичной замены оборудования; сооружение новых МГЭС на водохранилищах неэнергетического (комплексного) назначения, на промышленных водосбросах; строительство бесплотинных ГЭС, в которых используется кинетическая энергия движущейся массы воды (течение). Такие станции, мощностью до 10...25 кВт, не требуют больших капитальных затрат на строительство, экологичны и удобны в использовании при энергоснабжении потребителей небольшой мощности, расположенных на берегах рек, при наличии перепадов высот на небольших ручьях (рукавные ГЭС) и др. При наличии водных потоков перспективно также применение водных таранов для целей водоснабжения, а также использование водяных колес и турбин небольшой мощности для привода компрессоров тепловых насосов.

Описание работы гидроэлектростанций

Источником гидроэнергии является преобразованная энергия Солнца в виде запасенной потенциальной энергии воды, которая затем преобразуется в механическую работу и электроэнергию.

Действительно под воздействием солнечного излучения вода испаряется с поверхности озер, рек, морей и океанов. Пар поднимается в верхние слои атмосферы, образуя облака; затем он, конденсируясь, выпадает в виде дождя, пополняя запасы воды в водоемах.

Преобразование потенциальной энергии воды в электрическую происходит на гидроэлектростанции. Поддержание постоянного напора осуществляется с помощью платины, которая образует водохранилище, Служащее аккумулятором гидроэнергии. В связи с этим при строительстве ГЭС предъявляются определенные требования к рельефу местности, который должен позволить организовать водохранилище и создать требуемый напор за счет плотины. Все это связано со значительными затратами, и стоимость строительных работ может превышать стоимость оборудования ГЭС. Вместе с тем удельная стоимость электроэнергии, генерируемой ГЭС, является самой низкой по сравнению с себестоимостью энергии, производимой другими источниками. Как правило, срок окупаемости малых ГЭС не превышает 10 лет.

Машинная станция с гидротурбиной

Рис.1. Машинная станция с гидротурбиной

Для преобразования энергии воды в механическую работу используются гидротурбины (рис.1).

Различают активные и реактивные турбины.

В активной турбине кинетическая энергия потока преобразуется в механическую. Дополнительные устройства, обеспечивающие работу турбины, - водовод и сопло. Из сопла выходит струя, обладающая кинетической энергией, которая направляется на лопасти турбины, находящейся в воздухе. Сила, действующая со стороны струи на лопасти, приводит во вращение колесо турбины, с валом которого непосредственно или через привод сопряжен электрогенератор. КПД реальных турбин колеблется от 50 до 90 %. В гидротурбинах малой мощности КПД ниже.

Максимальное значение КПД, равно 100% . Оно может быть достигнуто, если струя после взаимодействия с лопатками будет двигаться вертикально вниз только под действием силы тяжести.

КПД активной гидротурбины может быть повышен за счет ограниченного увеличения числа сопел, так как при большом их количестве будет сказываться взаимное влияние струй.

В реактивной гидротурбине рабочее колесо полностью погружено в поток, который постоянно воздействует на лопасти турбины. В наиболее распространенной турбине Френсиса вращение колеса осуществляется за счет разности давления потока на входе и на выходе вода поступает в рабочее колесо радиально. Зазор между рабочим колесом и камерой – переменный. После взаимодействия потока с колесом он разворачивается на 90°. Переменный зазор и поворот потока повышает эффективность турбины.

Имеются и другие конструктивные решения реактивных гидротурбин, например пропеллерная турбина Каплана. Однако этот тип турбин распространен в меньшей степени из-за перепада давления.

ГЭС бывают самых различных мощностей – от 3 кВт до 12 ГВт. Малыми ГЭС (именуемыми также микро-ГЭС и сельские ГЭС) называются ГЭС, установленной мощностью менее 500 кВт. Сооружение их осуществляется обычно в качестве составной части комплекса, предусматривающего также развитие сельскохозяйственного производства, водоснабжение и регулирование стока.

Гидроэлектростанции и жизненная среда

Говоря о гидроэлектростанциях, нельзя не отметить, что никакие другие отдельно взятые инженерные сооружения не оказывают такого сильного воздействия на природу, как крупные водохранилища.

Водохранилище снабжает водой не только людей, но и весь растительный и животный мир, который активно реагирует на новые благоприятные условия. Это способствует появлению новых биологических сообществ, развитию которых прежде препятствовал недостаток воды (что особенно наглядно проявляется у небольших прудов, устраиваемых для развития рыбного хозяйства).

Однако при объективной оценке изменения экологических условий нельзя не учитывать некоторых отрицательных биохимических и лимнологических факторов.

Как известно, в стоячей воде водохранилищ кислородный обмен происходит гораздо медленнее, чем в водотоках (реках и ручьях). Попадая в такую воду, химические примеси могут создать в ней столь неблагоприятную стратиграфию (т.е. образовать устойчивые слои различного состава), что биологическая жизнь станет невозможной, погибнут рыбы и многие другие водные организмы. А при спуске такой отравленной воды в реку может наступить гибель рыбы во всем водотоке.

Опасны для водохранилища и водоросли, которые изменяют химический состав воды. Особенно вредны и экологически неблагоприятны процессы гниения в водоемах промышленных районов.

В целом можно считать, что водохранилища оказывают экологически благоприятное влияние на окружающую среду, а отрицательные факторы обусловлены в первую очередь сбросом промышленных отходов и (в меньшей степени) безответственным поведением весьма большого числа туристов и отдыхающих. Что же касается непосредственно технологического процесса выработки электроэнергии на гидростанциях, то с точки зрения экологии он совершенно безопасен. Производство работ по возведению гидроэнергетических объектов следует проектировать с минимальным ущербом природе.

При разработке стройгенпланов необходимо рационально выбирать карьеры, месторасположение дорог и т.п. К моменту завершения строительства должны быть проведены необходимые работы по рекультивации нарушения земель и озеленении территории.

По водохранилищу наиболее эффективным природоохранным мероприятием является инженерная защита. Например, строительство дамб обвалования уменьшает площадь затопления и сохраняет для хозяйственного использования земли, месторождения полезных ископаемых, уменьшает площадь мелководий и улучшает санитарные условия водохранилища, сохраняет природные естественные комплексы.

Если постройка дамб экономически не оправдана, то мелководья могут быть использованы для разведения птиц и для других хозяйственных нужд. При поддержании необходимых уровней воды мелководья могут быть использованы для рыбного хозяйства, как нерестилище и кормовая база.

Для предотвращения или уменьшения переработки берегов производят берегоукрепления. Предприятия, железные дороги, жилые и коммунально-бытовые постройки, памятники старины выносятся из зоны затопления.

Для обеспечения высокого качества воды необходима санитарная очистка ложа водохранилища до его затопления водой. С этой целью производят агротехнические мероприятия для уменьшения загрязненного поверхностного стока и строятся очистные сооружения.

Строительство больших плотин с электростанциями, как правило, способствует сохранению и обогащению природы. Искусственные озера позволяют комплексно использовать водные ресурсы. Вода не только приводит в действие турбины, но и орошает обширные прилегающие земли и тем самым обеспечивает развитие сельского хозяйства. Водохранилища смягчают резкие контрасты погоды и климата, помогают бороться с засухой, на их берегах отдыхают тысячи людей.