Виды, устройство и принцип работы гидроэлектростанций (ГЭС), потенциал гидроэнергетики

Гидроэнергетика – это процесс получения электричества, источником для которого служит энергия водных масс. Хотя водная энергетика и является экологически чистой, у нее все же есть некоторые проблемы. Стоит разобраться в том, что такое ГЭС, и в чем состоят преимущества и недостатки современных гидроэлектростанций.

Условия для строительства ГЭС

Место для строительства выбирают очень тщательно, ведь неправильное расположение станции может не только снизить ее эффективность, но и привести к затоплению близлежащих районов, в том числе и населенных.

Чтобы построить эффективно работающую гидроэлектростанцию, соблюдаются следующие требования:

Сильная река, текущая под углом и обеспечивающая круглогодичный доступ воды

В результате работы гидростанции вода постоянно испаряется в большом количестве, поэтому необходим сильный водный поток, нивелирующий испарение. Идеально, если река проходит под большим углом, а течение непрерывное и сильное.

Приближенность мест добычи сырья и строительных материалов

ГЭС чаще всего строится рядом с горными реками, поэтому может быть сложно доставлять материалы к месту стройки. Поэтому место для строительства выбирают с учетом близко расположенных карьеров для добычи высококачественного песка, камня и других стройматериалов.

Устойчивость почвы

Станцию строят только там, где скалистые структуры и почва достаточно устойчивы, чтобы выдержать огромную нагрузку от силы потока в плотине, веса воды и самого сооружения. Горные породы должны выдерживать землетрясения и не пропускать воду, чтобы не ослабить плотину.

Особенности получения гидроэнергии

• Основная особенность гидроэнергетики – это то, что энергия рек перерабатывается в электричество.

• Гидроэнергетический способ получения электричества – один из самых выгодных и дешевых.

• Гидроэнергетика экологически чистая, так как речной сток – это возобновляемый источник энергии, а вредных отходов в процессе не выделяется.

• ГЭС часто строятся в горах и территориально отдалены от потребителей.

• Плотины перекрывают пути нереста рыб, однако в самих водохранилищах рыба может беспрепятственно размножаться, что увеличивает рыбное поголовье и положительно сказывается на рыбном хозяйстве.

• Защитные сооружения для водохранилищ ограничивают площадь затопляемых территорий.

• Строительство ГЭС подразумевает использование мощных систем подготовки воды и очистительных систем.

Классификация гидроэлектростанций

Гидроэлектростанции классифицируются по нескольким признакам:

По принципу действия

Плотинные

Это самый распространенный тип ГЭС. Для их работы создается плотина, перекрывающая русло реки для создания напора. Плотинные гидроэлектростанции строятся как у равнинных рек, так и в местах сужения русел горных рек.

Приплотинные

Такие ГЭС строят при сильном водном напоре. Реку при этом полностью перегораживают с помощью плотины, а станцию располагают снизу за плотиной. Вода поступает к турбинам по напорным тоннелям.

Деривационные

Деривационные гидроэлектростанции строятся на руслах рек с большим уклоном по принципу отведения воды. Большой уклон не позволяет накапливать воду в нужных количествах, поэтому воду забирают из русла и искусственным путем подводят к самой станции по водоотводу с малым уклоном. В результате к гидростанции вода поступает с большой высоты. Именно разницей в уровнях жидкости обусловлен сильный напор станции.

Гидроаккумулирующие (ГАЭС)

В ГАЭС строятся два бассейна: нижний и верхний, сама станция располагается около нижнего бассейна. Во время возникновения избыточных электрических мощностей в системе электроснабжения агрегаты выполняют роль насосов, качая воду из нижнего бассейна наверх.

При необходимости воду пускают по трубам вниз, запуская турбины. Преимуществом ГАЭС является то, что они собирают электричество и используют его во время пиковых нагрузок.

По вырабатываемой мощности

По мощности АЭС делятся на:

• малые (до 5 МВт);

• средние (5-25 МВт);

• мощные (больше 25 МВт).

По напору воды

Энергия воды преобразуется в электричество при помощи вращения лопастей. Так как турбины разного типа рассчитаны на разные нагрузки, то от напора воды зависят характеристики и материал используемых турбин.

Деление ГЭС по максимальному напору воды:

• низконапорные (3-25 м);

• средненапорные (25-60 м);

• высоконапорные (больше 60 м).

Плюсы и минусы гидроэлектростанций

Плюсы и минусы ГЭС и созданных водохранилищ занесены в таблицу.

Если сравнивать ГЭС с АЭС и другими видами электростанций, то преимуществом ГЭС является то, что для ее работы не требуется добывать ядерное топливо, нефть или уголь, а по итогам работы в атмосферу не выбрасываются токсины и не остаются опасные неразлагаемые отходы.

Устройство и конструкция ГЭС

Центром гидростанции является машинный зал, где располагаются все агрегаты: турбины и генераторы электричества. Также вокруг станции строят гидротехнические сооружения, входящие в гидроузел:

• дамба (плотина);

• уравнительный резервуар;

• трансформаторные станции;

• очистительные сооружения.

Принцип работы и получения энергии

Разобраться, как работают современные гидроэлектростанции, несложно. После перекрытия русла реки плотиной вода скапливается в искусственном водохранилище и попадает оттуда в уравнительный резервуар, где уровень жидкости постоянен. Оттуда поток идет к турбинам по трубоотводу и заставляет лопасти вращаться. От вращения турбин выделяется энергия, передаваемая гидрогенератору, вырабатывающему ток. В итоге энергия воды превращается в электроэнергию.

Существующие крупные ГЭС

В мире на данный момент более 60 стран покрывают половину от всего потребляемого электричества именно энергией, получаемой с помощью гидростанций.

В России

Гидроэнергетические ресурсы в России обширны, так как страна насчитывает огромное количество рек. Всего в России на данный момент работает 189 гидроэлектрических станций, вырабатывающих 20% от общего количества электроэнергии.

• Саяно-Шушенская ГЭС имени Непорожного (Хакасия)

Строилась ГЭС с 1963 по 2000 год на р. Енисей. Первый запуск был осуществлен в 1978 г. Полностью станция заработала в 86 г., но после этого по сооружению пошли трещины, и оно начало разрушаться. Именно на этой ГЭС, одной из самых крупных в РФ, в 2009 г. произошла единственная авария, унесшая жизни 75 человек. Из-за разрушения одного из агрегатов машинный зал был затоплен. Ремонт длился до 2011 г., целиком станция заработала в 2014. Мощность станции – 6400 МВт.

• Красноярская ГЭС (Красноярский край)

Красноярская станция (6000 МВт) также строилась на р. Енисей с 56 по 72 гг. и впервые ввела агрегаты в 1967 г. Это самая рентабельная тепловая станция на территории России и вторая по рентабельности ГЭС.

• Братская ГЭС (Иркутская область)

Эта станция с мощностью 4500 МВт была построена в 1954 г. на р. Ангара, агрегаты вводились с 61 по 66 гг. Станция является крупнейшей в Сибири и первой по рентабельности в РФ.

В мире

• Три ущелья, Китай

Это призер по величине среди всех ГЭС на Земле мощностью в 22.5 тысячи МВт. Вырабатывает 10% от всей электроэнергии в Китае. Год запуска агрегатов – 2003. Полную мощность станция набрала в 2012 г. Дамба построена на р. Янцзы.

• Итайпу, Парагвай

Мощность этой станции составляет 14 000 МВт. Год начала строительства – 84. Всего на станции работает 18 агрегатов. ГЭС поставляет электричество примерно пятой части Парагвая.

• «Гури», США, Венесуэла

Мощность «Гури» – 10 235 МВт. Этой мощности хватает, чтобы поставлять ток 65% всего штата. Станцию начали строить в 63 г., а первые агрегаты заработали в 78 г. Это самая крупная ГЭС в США и третья по величине в мире.

Способы применения гидроэнергии

На сегодняшний день практически 20% всей электроэнергии вырабатывают из возобновляемых ресурсов. И примерно 85% от этих 20% – гидроэнергия. Гидроэнергетика стремительно развивается во всех странах мира. Всего с помощью водных ресурсов вырабатывается шестая часть всей электроэнергии на Земле.

Влияние ГЭС на экологию

Гидростанции негативно сказываются на экологии, потому что вырабатывают водяные пары и увеличивают испарение воды из-за расширения площади ее поверхности. Это провоцирует изменения в микроклимате, сказывающиеся на экосистеме.

Также происходит существенное нагревание и понижение качества воды. Из-за перегрева в воде уменьшается уровень кислорода, что провоцирует зарастание дна водорослями.

Также водоемы загрязняются разлагающимися органическими отходами (листьями, ветвями деревьев и т.д.) из-за отсутствия водообмена. Все это приводит к ухудшению условий жизни и повышению заболеваемости рыб и других водных обитателей.

Проблемы данной области энергетики

Обладая массой плюсов, гидроэнергетика все же несет за собой и ряд минусов. Основной из них – отчуждение больших площадей под искусственные водоемы с разрушением экосистемы.

Второй недостаток – это периодические затопления из-за увеличения уровня воды и заболачивание местности. Также подмывание и изменение береговых линий, ухудшение качества воды.

Перспективы и потенциал гидроэнергетики

В странах Западной Европы используется 70% гидроресурсов, в Японии – около 90%. Наиболее развитые страны либо строят ГАЭС и мелкие ГЭС, либо вкладываются в модернизацию уже работающих станций. Исключением является Канада, так как в ней гидроресурс практически не освоен.

Активнее всего сферу гидроэнергетики развивает Китай, где располагается практически 50% всех малых гидростанций в мире.

Россия также старается развить водную энергетику. На данный момент 10% от получаемого электричества производят с помощью гидроресурсов. Однако гидропотенциал России огромен и не освоен.