Энергия воды
Гидроэнергия, гидравлическая энергия, гидрокинетическая энергия, гидроэлектроэнергия — это энергия, полученная из энергии падающей воды, которая затем используется для полезных целей.
Гидроэлектроэнергия является возобновляемой энергией, которая преобразует движение больших водоемов в электричество. Гравитационная энергия этих больших масс преобразуется в кинетическую энергию при падении с большой высоты или под действием силы самого течения воды.
Чтобы увеличить этот потенциал, вдоль рек строятся плотины, водохранилища и водоводы. Полученная кинетическая энергия затем преобразуется в электрическую с помощью сложной системы турбин и генераторов переменного тока.
Вода – один из древнейших источников энергии, который начал использовать человек. На протяжении тысячелетий гидроэнергия использовалась для орошения и работы различных механических устройств, таких как водяные мельницы, лесопилки, доковые краны и лифты. Гидроэнергетика была одним из первых изобретений человека для производства энергии.
Мощность гидроэнергетики сильно выросла в течение 20-го века, и до конца этого века она была единственным значительным возобновляемым источником электроэнергии.
В настоящее время гидроэлектроэнергия — это это наиболее широко используемая форма возобновляемой энергии, ее вклад более чем в два раза превышает долю всех других возобновляемых источников вместе взятых.
На долю гидроэнергетики приходится от 16 до 17 % мирового производства электроэнергии. Но в некоторых странах этот показатель намного выше. Например, в Норвегии на долю гидроэнергетики приходится 99 %, в Швейцарии и Канаде — 60 %.
Гидроэлектроэнергия производится в 150 странах, при этом Азиатско-Тихоокеанский регион вырабатывает 32 процента мировой гидроэлектроэнергии. Крупнейшими производителями гидроэнергии являются Китай, Канада, Бразилия и США.
Существует семь гидроэлектростанций мощностью более 10 ГВт. Четыре из них находятся в Китае – «Три ущелья», Байхэтань, Силоду и Удунде, две в Бразилии – Итайпу и Булу Монти, одна в Венесуэле – Гури.
Гидроэлектростанции позволяют производить энергию быстро и с незначительными затратами, так как сырье для них, то есть вода, практически бесплатна. При этом, оборудование, которое позволяет производить гидроэлектроэнергию, фактически требует немного ресурсов для своего функционирования.
В дополнение к энергоснабжению, гидроэнергетика может предложить много очень важных услуг для энергосистемы, помогая поддерживать стабильность системы и надежность энергоснабжения, обеспечивая регулирование частоты, поддержку напряжения, резервы на непредвиденные обстоятельства, отслеживание нагрузки и возможность запуска из обесточенного состояния.
Гидроэнергетика также играет все более важную роль для хранения энергии в масштабе сети, балансируя услуги для других прерывистых возобновляемых источников энергии, таких как ветровая и солнечная энергия и услуги по управлению водными ресурсами с помощью водохранилищ, такие как борьба с наводнениями, водоснабжение, ирригация и транспорт.
По-прежнему существует большой потенциал для дальнейшего развития, поскольку использовано менее 25% ее технического потенциала.
Гидроэнергетика очень конкурентоспособна по стоимости по сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии, а также по сравнению с тепловой энергией имеет очень высокий коэффициент окупаемости энергии и очень низкий уровень выбросов парниковых газов.
Остающийся большой потенциал в сочетании с высокой окупаемостью энергии, низкой стоимостью и низким уровнем выбросов парниковых газов приводит к прогнозам многих различных исследований, что гидроэнергетика увеличится с текущего значения 4100 ТВтч в год в два и более раз к 2050 году.
Основные препятствия для более широкого развития гидроэнергетики связаны с ее воздействием на окружающую среду, высокой первоначальной стоимостью и неопределенностью в отношении будущих цен на нефть.
Типы гидроэлектростанций
Гидроэлектростанции (ГЭС) вырабатывают электроэнергию, используя силу воды, которая попадает в турбины и вращает вал.
Вращая валы турбин, потенциальная энергия воды превращается в кинетическую энергию. Вал от турбины соединен с генератором. Кинетическая энергия вала вращает ротор электрического генератора и производит электрическую энергию.
Воду для использования на гидроэлектростанциях можно получить построив плотину на крупной реке. Вода хранится за плотиной в больших резервуарах и может поступать на гребные винты турбин через водозабор плотины. Пройдя через турбину, вода сбрасывается обратно в реку.
Генерация гидроэлектроэнергии влечет за собой преобразование потенциальной энергии объема воды, находящегося на определенной высоте, в кинетическую энергию в гидротурбине и преобразование механической энергии в электрическую в электрическом генераторе. Так, для гидроэлектростанций необходим поток воды и перепад уровня в этом потоке.
Гидроэнергетика зависит от конкретного места, поэтому каждый проект будет уникальным.
Гидроэлектростанции классифицируются по размеру на микро-, мини-, малые и крупные гидроэлектростанции.
Три шнековые турбины в форме винта Архимеда на малой ГЭС
Гидроэлектростанции различаются по типу установок, которые они используют для производства энергии, и бывают:
- Русловые гидроэлектростанции, использующие естественный сток реки. В данном случае вода течет не принудительно, а следует нормальному течению реки и благодаря этому наталкивается на турбины, которые, вращаясь, преобразуют движение в электрическую энергию.
- Плотинные электростанции, где вместо этого создается своего рода искусственное озеро, и поэтому вода течет не естественным путем, а через водоводы.
- Электростанции с системами хранения, которые аналогичны резервуарам, но позволяют хранить энергию в часы наибольшего спроса. Этот тип электростанции также может быть построен в небольшом масштабе и обеспечивает очень удобное энергоснабжение.
С точки зрения генерирующей мощности наиболее важными являются крупные электростанции. Русловые станции легче всего построить и они наименее разрушительны, но плотинные накапливают энергию и поэтому гораздо более гибки в том, как ее можно использовать.
Существует ряд конструкций турбин (турбины Пельтона, Фрэнсиса и Каплана), которые используют разную высоту напора воды.
Ротор турбины Пельтона
Благодаря аккумулирующей способности водохранилищных электростанций они могут быть объединены с насосными станциями для создания гидроаккумулирующих станций.
Насосные станции отвечают за возврат к плотине или верхнему водохранилищу воды, которая была сброшена из турбин в резервуар, построенный в нижней части станции.
Таким образом, можно накапливать избыточную энергию, производимую тепловыми и атомными электростанциями, которые сталкиваются с определенными трудностями в управлении выходной мощностью. Точно так же можно хранить избыточную переменную энергию, вырабатываемую ветряными электростанциями.
На ГЭС применяются различные системы и устройства их контроля, управления и защиты в зависимости от применяемой техники и предусмотренных параметров работы.
Небольшие гидроэлектростанции (менее 5 МВА), как правило, используют асинхронные генераторы. Однако большинство гидроэлектростанций работают с синхронными генераторами.
Как работает ГЭС? Инфографика. В общем, так работает не только Новосибирская ГЭС, но и множество других.
Как работает гидроэнергетика:
Устройство и принцип работы гидроэлектростанции
Применение энергии водного потока, устройство гидротехнических сооружений гидроэлектростанций (ГЭС)
Плотины для ГЭС
Накопление воды на ГЭС основано на перекрытии первоначального стока плотиной или плотиной. Это ограничит свободный поток через канал.
Строительство плотины, конечно, возможно только в местах с подходящим грунтом и достаточно профилированными берегами исходного русла. Идеальны с этой точки зрения горные каньоны, где относительно короткая, но высокая плотина может поднять уровень воды на десятки-сотни метров.
Тело плотины должно быть непроницаемо соединено с грунтом, чтобы предотвратить просачивание воды и возможную эрозию, которая может привести к повреждению гидротехнических сооружений.
Каждая плотина ГЭС должна иметь предохранительные водосбросы ниже уровня ее кровли для защиты ее конструкции в случае наводнения. Нижний выпуск в теле плотины также важен, позволяя регулировать уровень воды.
Бетонная гравитационная арочная плотина плотины Гувера на реке Колорадо
Первые небольшие плотины, вероятно, были построены из дерева, позже камень оказался основным строительным материалом в виде каменной кладки для небольших плотин или в свободной форме для больших и длинных плотин в долинах.
В последние десятилетия наиболее перспективным материалом для строительства плотин считается бетон. Он прочен, хорошо формуется, водостоек и имеет достаточно долгий срок службы. Крупнейшие плотины строятся для аккумулирующих гидроэлектростанций.
Самые старые плотины датируются примерно 3-м тысячелетием до нашей эры в ближневосточном регионе. Созданные ими водохранилища служили главным образом водохранилищами для орошения и выполняли защитную функцию от наводнений.
Исторические насыпи представляли собой в основном сооружения, сочетающие каменную кладку с двусторонней земляной насыпью или земляным ядром, укрепленным с обеих сторон камнями. Важные районы, где были построены самые старые плотины и дамбы, включали: Иорданию, Египет, Йемен, Турцию или Индию.
Во времена Римской империи строители уже строили большие плотины, снабжающие населенные пункты водой в засушливый сезон. При сооружении плотин использовались водостойкие растворы, а позже и первые формы бетона.
Изобретательность людей в то время позволила построить более крупные плотины, а накопленная вода также использовалась для привода водяных колес и мельниц.
Хотя римляне знали и строили передовые типы дамб, только во время промышленной революции 19 века технические навыки и современные строительные материалы были использованы для строительства первых больших арочных дамб, какими мы их знаем сегодня. Плотины создавались на территории Британской империи, в Австралии, Канаде, Франции и других местах.
Эпоха крупных гидротехнических сооружений началась в начале 20 века со строительства Асуанской плотины на Ниле, а затем великой плотины Гувера на реке Колорадо. Его бетонная сводчатая плотина высотой 220 метров и длиной 379 метров считалась вершиной архитектурного искусства своего времени.
Со временем по всему миру были сооружены дамбы для плотин различных размеров, и к концу 20 века было зафиксировано более 40 000 дамб высотой более 15 метров. Общее количество плотин в мире оценивается примерно в 800 000.
Самая высокая плотина в мире — плотина Цзиньпин-I, арочная плотина в Китае высотой 305 метров
Электрогенераторы
Электрогенератор гидроэлектростанции представляет собой электрическое устройство, позволяющее преобразовывать механическую энергию вращающегося ротора турбины в электрическую энергию, отбираемую от обмоток статора генератора.
По сравнению с более тонкими и длинными генераторами, связанными с паровыми турбинами на угольных электростанциях, гидрогенераторы имеют значительно больший диаметр и меньшую осевую длину.
Особенностью гидрогенераторов является меньшая скорость вращения и связанное с этим большее количество полюсов. В генераторе их может быть любое количество, от 4 до 88.
Если через обмотку возбуждения, размещенную на роторе, проходит постоянный ток, вокруг ротора создается вращающееся магнитное поле, которое вращается с той же скоростью, что и ротор.
На основе электромагнитной индукции в обмотках статора создается синусоидальное переменное напряжение, при этом в случае трехфазного соединения обмотки смещены друг относительно друга на 120°. Частота переменного напряжения определяется произведением числа пар полюсов на скорость вращения ротора.
Ротор гидрогенератора
Генераторы на гидроэлектростанциях (гидрогенераторы) относятся к тихоходным машинам - частота их вращения колеблется от сотни до примерно 1500 об/мин.
Меньшая скорость вращения позволяет использовать ротор большего диаметра, по окружности которого должно быть закреплено больше пар полюсов, так что результирующая частота вырабатываемого переменного тока составляет обычные 50 Гц.
Каждый полюс состоит из сердечника и катушки возбуждения. Подача постоянного тока на катушку создает магнитное поле, которое вращается вместе с полюсом. Обмотки катушки соединены таким образом, что северный и южный полюса магнитного поля чередуются.
Обмотки питаются постоянным током от возбудителя через контактные кольца на роторе генератора. Возбудитель представляет собой динамо-машину или генератор переменного тока с выпрямителем.
Электрогенератор на ГЭС
Самые большие генераторы переменного тока используемые на гидроэлектростанциях, достигают мощности около 800 МВА. Их роторы имеют диаметр до 15 метров, а обмотки в основном имеют воздушное охлаждение. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод статора образован, как и у трансформаторов, тонкими изолированными листами.
Подробно про устройство генераторов: Как устроены синхронные турбо- и гидрогенераторы
Машинный зал Жигулёвской ГЭС
Малая гидроэнергетика
Малая гидроэнергетика является многообещающим возобновляемым источником энергии, но она имеет высокую стоимость установки и может неблагоприятно воздействовать на местную дикую природу. Часто эти установки устанавливаются в местах с потенциальным речным стоком.
Малые ГЭС используют энергетический потенциал более мелких водотоков. Конструкция малой ГЭС должна быть гибкой и прочной, так как она должна выдерживать сезонные колебания погоды.
Эти установки отводят речной сток (до 95% среднегодового расхода) через трубу или туннель, ведущий к гидроэнергетической системе (турбинам), а затем возвращают воду обратно в реку ниже по течению.
Подробно про малые гидроэлектростанции: Типы и конструкции малых ГЭС
Малая ГЭС в Брно в Чехии
Машинное отделение электростанции с одним турбогенератором
Достоинства и недостатки гидроэнергетики
Гидроэлектростанции не загрязняют воздух, насыщают потоки воды кислородом, не требуют топлива, безотходны и в высшей степени безопасны. Гибко покрывая потребление и способность аккумулировать энергию (в гидроаккумулирующих электростанциях), они повышают эффективность работы системы электроснабжения.
Гидроэлектростанции могут использоваться для накопления энергии из других источников, например солнечной или ветряной энергии.
Накопительные баки гидроэлектростанций улучшают качество воды, служат источником забора технической воды и воды, предназначенной для орошения и очистки, в питьевую воду.
Обладая способностью удерживать воду, они снижают риск наводнений, наоборот, в случае засухи увеличивают минимальный сток и улучшают условия плавания по рекам. И нельзя забывать о немаловажной рекреационной функции.
Некоторые эксплуатационные характеристики гидроэлектростанций представляют особый интерес. Эти установки отличаются быстрой реакцией на запуск, время запуска составляет всего несколько секунд. Более того, они могут поддерживать практически постоянный КПД во всем диапазоне выходной мощности, который можно широко регулировать.
Таким образом, гидроэлектростанции представляют собой очень гибкий источник выработки электроэнергии которые могут быть адаптированы к изменениям спроса. Другие преимущества включают стоимость топлива и отсутствие загрязнения атмосферы.
Смотрите: Гидроэнергетика играет решающую роль в ускорении перехода к чистой энергии
Однако к недостаткам таких установок относятся высокие инвестиционные затраты, некоторая степень хаотичности и ограничений с точки зрения количества доступной первичной энергии, а также необходимость затопления обширных территорий с последующим воздействием на окружающую среду.
Крупные проекты могут легко разрушить экосистемы и жизнь окружающих сообществ. Так китайская плотина «Три ущелья» — пример таких последствий: она вынудила покинуть около 1,2 миллиона человек и затопила сотни деревень.
Разлагающийся органический материал в водоемах выделяет метан, способствуя тем самым глобальному потеплению. Однако воздействие гидроэнергетики на окружающую среду можно смягчить и оно останется низким по сравнению со сжиганием ископаемого топлива.
Использованная вода возвращается в реки, даже в лучшем качестве, потому что турбины электростанций обогащают воду кислородом. Вмешательства в природу, такие как изменение речного стока, компенсируются, например, переправами рыбы. Это позволяет водным животным мигрировать вверх по течению к своим нерестилищам. Или только часть реки используется для электростанции.
Продолжаются исследования, направленные на то, чтобы сделать гидроэлектростанции более «дружественными» к окружающим их экосистемам.
«Зеленая» электроэнергия — это наше будущее, а гидроэнергетика — один из основных источников. Это соотношение будет продолжать расти, что сделает гидроэнергетику еще более важной, чем сегодня.
Влияние изменения климата на производство гидроэлектроэнергии
Гидроэнергетика, которая является доминирующим компонентом возобновляемой энергии, также находится под угрозой изменения климата. Изменение климата оказывает большое влияние на водные ресурсы и, следовательно, на гидроэнергетику.
Гидроэнергетика и изменение климата демонстрируют двоякую взаимосвязь. С одной стороны, как важный возобновляемый источник энергии, гидроэнергетика вносит значительный вклад в сокращение выбросов парниковых газов и смягчение последствий глобального потепления.
Гидроэнергетика обеспечивает электроэнергию со значительно меньшими выбросами парниковых газов, чем большинство других источников энергии.
Помимо преимуществ, связанных с электроэнергией, гидроэнергетика способствует водоснабжению и управлению водными ресурсами для других нужд.
С другой стороны, изменение климата, вероятно, изменит сток рек, повлияв на доступность воды и выработку гидроэлектроэнергии.
Производство гидроэлектроэнергии тесно связано с региональными гидрологическими условиями водораздела и чутко реагирует на сезонные изменения количества воды. Изменение климата может также изменить гидрологические условия (например, речной сток и объем водохранилища). Ввоздействие изменения климата различно в разных регионах.
Массивная бетонная плотина ГАЭС удерживает больший объем воды в водохранилище
Воздействие изменения климата на производство гидроэлектроэнергии можно количественно оценить с помощью моделирования.
Так, например, результаты цепочки моделирования, проведенной компанией Vinod в отношении гидроэлектростанции Steephill Falls, построенной на реке Сорока, Северный Онтарио, Канада, показали, что годовая выработка гидроэлектроэнергии незначительно подвержены влиянию изменения климата, но имеет место значительное сезонное перераспределение производства энергии.
Изменения доходов от гидроэнергетики по сравнению с текущим уровнем для четырех сезонов (зима, весна, лето и осень) оцениваются в 21,1%, 18,4%, -13,4% и -15,9%, соответственно, для середины века и 23,1%, 19,5%, -20,1% и -22,9% соответственно для сценариев конца века.
Чтобы уменьшить уязвимость гидроэнергетических систем к изменению климата и, следовательно, смягчить последствия, будет выгодно адаптировать подходящие меры, такие как оптимизация работы имеющегося водохранилища и создание дополнительного водохранилища, что позволит снизить уязвимость системы к изменению климата на 24%.
Легендарные гидроэлектростанции:
- Китайская ГЭС Три ущелья
- ГЭС Итайпу - вторая по мощности гидроэлектростанция в мире
- Историческая электростанция Эймса в США
- ГЭС Оуэн-Фолс (Налубале) в Уганде
- Днепровская гидроэлектростанция (ДнепроГЭС)
- Ингурская ГЭС — крупнейшая гидроэлектростанция на Кавказе
- Гиндукушская ГЭС - из прошлого в настоящее, фотографии с экскурсии
ГЭС Итайпу (Бразилия, Парагвай)
ГЭС Гранд-Кули (США)
Кариба — гидроэлектростанция в ущелье на реке Замбези (граница Замбии и Зимбабве в Африке)
ДнепроГЭС, Днепровская гидроэлектростанция — старейшая из ГЭС на реке Днепр.
Использование энергии морских приливов
Не только проточная вода в ландшафте обладает энергетическим потенциалом. Моря и океаны также содержат огромное количество энергии, которую люди, естественно, стараются использовать и преобразовывать в механическую или электрическую энергию.
Можно использовать энергию морских приливов, энергию, скрытую в морских течениях. Тепловую энергию морей и океанов и даже энергию морских волн можно изобретательно преобразовать в электричество. Например, люди использовали приливные явления еще в 15 веке, когда строили приливные мельницы в подходящих проливах.
Вид на приливную электростанцию на реке Ранс недалеко от французского города Сен-Мало
Приливные электростанции работают по принципу захвата воды во время прилива. Вода, скапливающаяся в бассейне во время прилива, высвобождается во время отлива через преграду, в которой установлены турбины.
Теоретически эти турбины можно использовать в обе стороны, но экономичнее использовать их только во время отлива. Этот тип электростанций успешно эксплуатируется, например, во Франции и Китае.
Подобно крупным гидроэлектростанциям, крупные приливные электростанции оказывают значительное воздействие на окружающую среду. Перекрытие бухты ограничивает миграцию рыб, движение лодок, кроме того, в бухте происходит повышенное осадконакопление.
Поэтому у приливных турбин большее будущее, чем у плотинных электростанций. Они расположены индивидуально на морском дне, поэтому не мешают окружающей среде, и приводятся в движение сильными течениями, возникающими во время приливов и отливов в морских проливах соответствующей формы.
Крупнейшая в мире приливная электростанция Сихва находится в Южной Корее. Она была запущена в 2011 году и с общей мощностью 254 МВт превзошла на сегодняшний день крупнейшую приливную электростанцию на реке Ранс во Франции.
Подробно про использование энергии морских приливов: Приливная электростанция Ля Ранс во Франции