Что получают на гидростанции. ГЭС - это что такое? Список крупнейших ГЭС России. Контроль и управление

С давних времен люди пользовались движущей силой воды. Мололи муку на мельницах, колеса которых приводились в движение потоками воды, сплавляли тяжелые стволы деревьев вниз по течению, в общем использовали гидроэнергию для решения самых разных задач, включая промышленные.

Первые ГЭС

В конце 19 века, с началом электрификации городов, гидроэлектростанции начали очень резко завоевывать популярность в мире. В 1878 году в Англии появилась первая в мире гидроэлектростанция, которая питала тогда всего одну дуговую лампу в картинной галерее изобретателя Уильяма Армстронга… А к 1889 году только в Соединенных Штатах гидроэлектростанций насчитывалось уже 200 штук.

Одним из важнейших шагов в освоении гидроэнергетики стало сооружение в 1930-е годы в США Плотины Гувера. Что касается России, то здесь уже в 1892 году, в Рудном Алтае на реке Березовка, была построена первая четырехтурбинная гидроэлектростанция мощностью 200 кВт, призванная обеспечить электричеством шахтный водоотлив Зыряновского рудника. Так, с освоением человечеством электричества, гидроэлектростанции ознаменовали собой стремительный ход промышленного прогресса.

Сегодня современные гидроэлектростанции - это огромные сооружения на гигаватты установленной мощности. Однако принцип работы любой ГЭС остается в целом достаточно простым, и везде почти полностью одинаковым. Напор воды, направленный на лопасти гидротурбины, приводит ее во вращение, а гидротурбина в свою очередь, будучи соединена с генератором, вращает генератор. Генератор вырабатывает электроэнергию, которая и .

В машинном зале гидроэлектростанции установлены гидроагрегаты, которые преобразуют энергию потока воды в энергию электрическую, а непосредственно в здании гидроэлектростанции располагаются все необходимые распределительные устройства, а также устройства управления и контроля работы ГЭС.

Мощность гидроэлектростанции зависит от количества и от напора воды, проходящей через турбины. Непосредственно напор получается благодаря направленному движению потока воды. Это может быть вода накопленная у плотины, когда в определенном месте на реке строится плотина, или же напор получается благодаря деривации потока, - это когда вода отводится от русла по специальному туннелю или каналу. Так, гидроэлектростанции бывают плотинными, деривационными и плотинно-деривационными.

Наиболее распространенные плотинные ГЭС имеют в своей основе плотину, перегораживающую русло реки. За плотиной вода поднимается, накапливается, создавая своего рода водяной столб, обеспечивающий давление и напор. Чем выше плотина - тем сильнее напор. Самая высокая в мире плотина имеет высоту 305 метров, это плотина на Цзиньпинской ГЭС мощностью 3,6 ГВт, что на реке Ялунцзян в западной части провинции Сычуань на Юго-Западне Китая.

Гидростанции, использующие энергию воды, бывают двух типов. Если река имеет небольшое падение, но относительно многоводна, то при помощи плотины, перегораживающей реку, создают достаточную разность уровней воды.

Над плотиной образуется водохранилище, обеспечивающее равномерную работу станции в течение года. У берега ниже плотины, в непосредственной близости к ней устанавливается водяная турбина, соединенная с электрическим генератором (приплотинная станция). Если река судоходна, то у противоположного берега делается шлюз для пропуска судов.

Если же река не очень многоводна, но имеет большое падение и бурное течение (например, горные реки), то часть воды отводится по специальному каналу, имеющему гораздо меньший уклон, чем река. Канал этот иногда имеет протяженность в несколько километров. Иногда условия местности вынуждают заменить канал тоннелем (для мощных станций). Таким образом создается значительная разность уровней между выходным отверстием канала и нижним течением реки.

У конца канала вода поступает в трубу с крутым наклоном, у нижнего конца которой располагается гидротурбина с генератором. Благодаря значительной разности уровней вода приобретает большую кинетическую энергию, достаточную для питания станции (деривационные станции).

Подобные станции могут иметь большую мощность и относиться к разряду районных электростанций (смотрите - ). На самых малых станциях турбина иногда заменяется менее эффективным, по более дешевым водяным колесом.

Виды ГЭС и их устройства

Кроме плотины гидроэлектростанция включает в себя здание и распределительное устройство. Основное оборудование ГЭС находится в здании, здесь установлены турбины и генераторы. Кроме плотины и здания, в ГЭС могут наличествовать шлюзы, водосбросные устройства, рыбоходы и судоподъемники.

Каждая ГЭС представляет собой уникальное сооружение, поэтому главная отличительная черта ГЭС от других типов промышленных электростанций - это их индивидуальность. Кстати, самое большое в мире водохранилище находится в Гане, это водохранилище Акосомбо на реке Вольта. Оно занимает 8500 квадратных километров, что составляет 3,6% площади всей страны.

Если по ходу русла реки имеется значительный уклон, то возводят деривационную ГЭС. Здесь нет необходимости в строительстве большого плотинного водохранилища, вместо этого вода только направляется через специально возводимые водоводные каналы или тоннели прямо к зданию электростанции.

Иногда на деривационных ГЭС устраивают небольшие бассейны суточного регулирования, позволяющие управлять напором, и таким образом влиять на количество вырабатываемой электроэнергии в зависимости от загруженности электросети.

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) - особый вид гидроэлектростанций. Здесь сама станция предназначена для того, чтобы сгладить суточные перепады и пиковые нагрузки на , и тем самым повысить надежность работы электросети.

Такая станция способна работать как в генераторном режиме, так и в накопительном, когда насосы закачивают воду в верхний бьеф из нижнего бьефа. Бьефом, в данном контексте, называется объект типа бассейна, являющийся частью водохранилища, и примыкающий к гидроэлектростанции. Верхний бьеф располагается по течению выше, нижний - ниже по течению.

Примером ГАЭС может служить водохранилище Таум Саук в Миссури, возведенное в 80 километрах от Миссисипи, вместимостью 5,55 млрд. литров, позволяющее энергосистеме обеспечить пиковую мощность в 440 МВт.

Ангара - река уникальная. Именно здесь расположен крупнейший комплекс гидро-электростанций в России : в конце 2012 года была запущена Богучанская ГЭС , а выше по течению располагаются Иркутская, Братская и Усть-Илимская станции. Причем, руководство СССР планировало построить на Ангаре семь станций. Зачем так много и продолжится ли освоение Ангары энергетиками?

ПО ЗАДАНИЮ ВСНХ

Первая попытка разработки схемы использования водной мощи Ангары была предпринята в 1920 году. Известный инженер доктор технических наук Август Вельнер представил в госкомиссию по электрификации России доклад Водные силы Ангары и возможности их использования», где рассказывалось о каскаде ГЭС на Ангаре. Смелый по замыслу проект давал бы возможность создать рядом с источником дешевой энергии каскад из металлургических и химических заводов.

Более детальная проработка вопроса началась в 1930 году, когда при Высшем совете народного хозяйства появилось Управление по изучению Ангарской проблемы. В 1955 году была утверждена схема использования Ангары. Но Нижняя Ангара в ней не рассматривалась – последней ГЭС на реке планировалась Богучанская.

В конце 1956 года в 38 км от устья в русле Ангары геологи нашли Горевское свинцово-цинковое месторождение (до сих пор одно из крупнейших в мире). Руководство Государственного производственного Комитета по энергетике и электрификации СССР поручило Гидропроекту разработать схему строительства ГЭС в нижней части Ангары и среднего течения Енисея с учетом особенностей добычи полезных ископаемых. С тех пор вопрос защиты этого месторождения от затопления стал определяющим в разработке схем гидроэнергетического использования Нижней Ангары.

К 1964 году после сравнения нескольких вариантов выявился приоритетный – строительство Средне-Енисейской ГЭС на Енисее выше впадения Ангары, на объединенном стоке двух рек. Ангару при этом ниже впадения Тасеевой предлагалось перекрыть глухой плотиной, а воды реки перебросить по специально прорытому каналу в водохранилище Средне-Енисейской ГЭС в обход Горевского месторождения.

РАЗВАЛ СССР - КРЕСТ НА ПРОЕКТЕ

В 1975 году утверждается технико -экономическое обоснование Средне-Енисейской ГЭС мощностью более 7000 МВт. Станцию предлагалось строить в две очереди. На первом этапе на Енисее в 17 км выше впадения в него Ангары сооружается Савинская ГЭС мощностью 3050 МВт. На втором этапе сооружается Нижне-Ангарская глухая плотина, соединительный канал через водораздел Тасеева-Ангара и вторая очередь Средне-Енисейской ГЭС мощностью более 4000 МВт, работающая на ангарской воде. Такой вариант позволял создать гидроэнергетический комплекс общей мощностью до 7440 МВт и выработкой до 34,3 млрд.кВт.ч. электроэнергии, обеспечить защиту Горевского месторождения от затопления и подтопления, решить проблемы судоходства в Енисее и Нижней Ангаре за счет затопления Казачинских порогов и создания судоходного канала Енисей-Ангара.

Однако, впоследствии концепция менялась неоднократно. В 1990 году Гидропроект подготовил очередную схему использования нижней Ангары в составе каскада из трех ГЭС: Стрелковской (1600 МВт), Выдумской (1320 МВт), Нижнеангарской (660 МВт). Но после распада страны дальнейшие разработки были приостановлены.

ЧАСТНЫЕ ИНЕВЕСТИЦИИ

Интерес к строительству ГЭС на Нижней Ангаре вновь возник в конце 2000-х. В 2008 году была одобрена «Генеральная схема развития объектов электроэнергетики до 2020 года», куда были включены две станции из схемы 1990 года: Нижнебогучанская (бывшая Нижнеангарская) и Мотыгинская (бывшая Выдумская). По Мотыгинской ГЭС институт «Ленгидропроект » разработал обоснование инвестиций (мощность станции была определена в 1082 МВт), а компания “РусГидро” начала оценку воздействия строительства новой ГЭС на окружающую среду. Но кризис 2008 года привел к остановке работ по этому проекту.

Гидроэнергетики говорят, что использование потенциала Нижней Ангары очень привлекательно: река «приручена» - зарегулирована уже построенными водохранилищами, что позволяет создать мощные ГЭС при относительно небольших площадях затопления. Общая выработка электроэнергии может быть сопоставима с Богучанской ГЭС. В настоящее время институт «Ленгидропроект» ведет исследования гидроэнергетического потенциала речного бассейна реки Ангары на участке от Богучанской ГЭС до устья. Итогом работы должна стать обновленная схема гидроэнергетического использования реки, с определением площадок размещения и параметров перспективных ГЭС.

К строительству ГЭС на Нижней Ангаре проявляет интерес и «Евросибэнерго ». Компания объявила о планах строительства Нижнеангарской ГЭС мощностью 600-1200 МВт.

Гидроэлектростанция представляет собой комплекс различных сооружений и оборудования, использование которых позволяет преобразовывать энергию воды в электроэнергию . Гидротехнические сооружения обеспечивают необходимую концентрацию потока воды, а дальнейшие процессы производятся при помощи соответствующего оборудования.

Гидроэлектростанции возводятся на реках , сооружая плотины и водохранилища. Большое значение для эффективности работы станции имеет выбор места. Необходимо наличие двух факторов: гарантированная обеспеченность водой в течение всего года и как можно больший уклон реки. Гидроэлектростанции разделяются на плотинные (необходимый уровень реки обеспечивается за счёт строительства плотины) и деривационные (производится отвод воды из речного русла к месту с большой разностью уровней).

Отличаться может и расположение сооружений станции. Например, здание станции может входить в состав водонапорных сооружений (так называемые русловые станции) или располагаться за плотиной (приплотинные станции).

Красноярская ГЭС

• ГЭС (Плотина Гувера в Неваде)

Технологии

Работа гидроэлектростанций основана на использовании кинетической энергии падающей воды. Для преобразования этой энергии применяются турбина и генератор . Сначала эти устройства вырабатывают механическую энергию, а затем уже электроэнергию. Турбины и генераторы могут устанавливаться непосредственно в дамбе или возле неё. В некоторых случаях используется трубопровод , посредством которого вода , находящаяся под давлением , подводится ниже уровня дамбы или к водозаборному узлу ГЭС .

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины , и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией - естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.

Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.

Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности:

• мощные - вырабатывают от 25 МВТ и выше;
• средние - до 25 МВт;
• малые гидроэлектростанции - до 5 МВт.

Как же такое устройство обеспечивает преобразование энергии воды в электроэнергию? В камере происходит взрыв определенного количества вещества. Взрывная волна жидкости проходит по стволу и попадает в цилиндр. Вследствие этого происходит вращение лопастей турбины, что, в свою очередь, является причиной работы гидрогенератора.

По мнению разработчиков проекта, самым важным условием для обеспечения эффективности изобретения является правильный расчёт веса взрывной волны, необходимого для производства волны, а не всплеска. Кроме того, должна быть точно рассчитана периодичность взрывов, что позволит избежать перерывов в действии устройства и не снижать скорость вращения лопастей. На стадии разработки находятся и другие варианты подобных установок.

Гидроаккумулирующие электростанции

Знак у Киевской ГАЭС

В период малых нагрузок гидроагрегаты станции заняты перекачкой воды из низового водоёма в верховой. Во время повышенной нагрузки происходит использование запасённой воды для выработки пиковой энергии. Обратимые гидроагрегаты обеспечивают работу турбинных и насосных режимов и представляют собой соединение синхронной электрической машины и гидравлической насос-турбины.

Энергия, которая тратится на перекачку, вырабатывается ТЭС во время пониженной загрузки, когда её стоимость не слишком высока. То есть, дешёвая ночная электроэнергия преобразовывается в дорогую. Экономическая эффективность, как можно убедиться, довольно высока. Несомненным преимуществом данного типа гидростанций является наличие высокого напора. Это позволяет устанавливать более эффективные аккумуляторы . Встречаются и станции смешанного типа. Часть установленных там гидроагрегатов способна работать в двух режимах: турбинном и насосном. Другая часть работает только в турбинном режиме. Использование таких станций позволяет накапливать большее количество воды и вследствие этого производить больше электроэнергии в периоды повышенной нагрузки.

Приливные электростанции

Приливная электростанция

Для создания экономичной приливной станции необходимы определённые природные условия. В частности, должен быть большой перепад уровней во время отлива и прилива (не менее шести метров), особенности береговой линии, которые позволяют создать плотину и водный бассейн соответствующих размеров.

На нашей планете такие места найти не так уж и просто. Это побережье американского штата Мэн, канадская провинция Нью-Брансуик, Персидский залив, отдельные регионы Аргентины, южная Англия, северная Франция, северные области европейской части России. Впрочем, даже станции, сооруженные в указанных регионах, не смогли бы достойно конкурировать с уже действующими ТЭС по стоимости производимой энергии .

Проекты приливных электростанций обычно предусматривают наличие двух бассейнов. Это верховой и низовой водоёмы. Каждый из них должен быть дополнен водопропускными отверстиями и затворами. Во время прилива верховой бассейн заполняется водой, а затем отдаёт всю воду низовому, который опорожняется при отливе.

История гидроэнергетики

Человек всегда жил возле водоёмов и не мог не обращать внимание на огромный потенциал воды как источника энергии. Поэтому история гидроэнергетики ведёт своё начало ещё с древних времён. Уже тогда люди научились с помощью воды производить помол зерна или дутьё воздуха при выплавке металла.

Постепенно механизмы совершенствовались, и водяные колёса становились всё более эффективными. В конце девятнадцатого века наступил современный этап в развитии гидроэнергетики. Но полномасштабное использование водных ресурсов началось только в двадцатом столетии, а точнее – в тридцатых годах, когда вода начала использоваться человеком для получения электричества. Именно в это время в мире начинается строительство крупных гидроэлектростанций.

Гидроэнергетика прошла довольно долгий и интересный путь развития и продолжает развиваться, одаривая человека всё новыми возможностями. В данном разделе мы шаг за шагом пройдём путь, проделанный гидроэнергетикой в течение многих веков, рассмотрим этапы и особенности её развития, от водяных колёс, используемых в эпоху античности и Средневековья, до современных гидроэлектростанций, появившихся уже в двадцатом веке.

Античная и средневековая гидроэнергетика

Водяная мельница

Трудно сказать, когда человек начал использовать водные ресурсы для получения энергии. Самые ранние упоминания о подобных процессах относятся к четвёртому веку до нашей эры. При этом учёные склонны полагать, что использование воды происходило параллельно во многих регионах планеты. Кстати, археологи обнаружили свидетельства того, что водные ресурсы эксплуатировали и на территории бывшего Советского Союза: на территории современной Армении и в бассейне реки Амударья.

Древние греки использовали водяное колесо для облегчения некоторых видов тяжёлого ручного труда. Например, это приспособление осуществляло перемол зерна. Постепенно технологии совершенствовались, количество водяных колёс в европейских государствах неуклонно росло. Так, в одиннадцатом веке в Англии и Франции одна мельница приходилась на двести пятьдесят человек. Согласно утверждениям историков, приблизительно в тринадцатом веке водяные мельницы появляются в средневековой Руси, а точнее – в её юго-западных и северо-восточных регионах.

С течением времени увеличивались и сферы применения устройств. Водяные мельницы обеспечивали работу сукновальных фабрик и откачивающих насосов, участвовали в распилке леса, помогали человеку варить пиво, применялись на маслобойнях. До восемнадцатого столетия применялись исключительно колёса нижнего боя. Позже появились среднебойные и нижнебойные водяные колёса.

Гидроэнергетика в девятнадцатом столетии

Водяная турбина

Достижения предыдущих столетий уже не могли удовлетворять потребности человека в девятнадцатом веке. Толчок дальнейшему развитию гидроэнергетики дало изобретение водяных турбин . Хотя попытки создания более совершенного по сравнению с водяным колесом механизма предпринимались и до этого. Так, ещё в шестнадцатом веке на Урале использовали быстроходное мутовчатое колесо с вертикальным расположением вала. В таких механизмах вода попадала на изогнутые лопасти колеса из специального желоба.

Впоследствии аналогичным образом были устроены свободноструйные водяные гидротурбины . Но полноценная водяная турбина была создана только в начале девятнадцатого века. Её создание – заслуга нескольких талантливых изобретателей. Одним из них русский исследователь И. Сафонов, который в 1837 году произвёл установку сконструированной им водяной турбине на реке Нейве. Два года спустя Сафонов усовершенствовал собственное изобретение, установив несколько переделанную турбину на одном из местных заводов. Параллельно с Сафоновым над созданием водяных турбин работал французский учёный Фурнейрон. Изобретённое им устройство было представлено в 1834 году. Изобретения, сделанные обоими учёными, быстро завоевали популярность, и в течение последующих пятидесяти лет появляется множество самых разнообразных турбин.

Уже в конце девятнадцатого века происходит событие, которое фактически откроет современный этап в истории мировой гидроэнергетики. В 1891 году русский инженер М.О. Доливо-Добровольский, проживающий в Германии и покинувший Россию по причине своей политической неблагонадёжности, прибыл в город Франкфурт-на-Майне для участия в электротехнической выставке. Там он должен был продемонстрировать свой изобретение – двигатель переменного тока . Тогда подобный аттракцион вообще был в новинку, но автор решил дополнить его ещё одним сооружением.

Это была гидроэлектростанция. В небольшом городке Лауффен Доливо-Добровольский установил генератор трёхфазного тока, который вращала водяная турбина небольших размеров. Вырабатываемая электроэнергия поступала на территорию выставки посредством линии передачи. Её длина равнялась 175 километрам. Сегодня никого не удивляют линии протяжённостью в несколько тысяч километров, но в те времена всё это было бесспорной сенсацией. Эпоха гидроэлектростанций началась.

Гидроэлектроэнергетика в двадцатом веке

ГЭС Гувера США

Несмотря на открытие Доливо-Добровольского, дальнейшее развитие гидроэнергетики было замедлено некоторыми объективными факторами. Строительство крупных гидроэлектростанций, которые были бы действительно эффективными, оказалось предприятием более сложным, чем экспериментальная установка, показанная на выставке. Ведь чтобы заставить вращаться большие турбины, необходим значительный запас воды.

В начале двадцатого века такое строительство представлялось довольно сложным. За первые два десятилетия нового века было построено всего лишь несколько гидроэлектростанций. Но это было только начало. Уже в тридцатых годах были сооружены крупные станции, например, ГЭС Гувер в США мощностью в 1,3 Гиговатт.

Другим ярким событием в истории американской гидроэнергетики стало открытие гидроэлектростанции Адамс, расположенной на Ниагарском водопаде. Её мощность достигала 37 МВт. Запуск таких мощных гидроэлектростанций обусловил увеличение объёмов потребляемой энергии в промышленно развитых странах, что, в свою очередь, дало толчок программам освоения гидроэнергетических потенциалов.

Усть-Каменогорская ГЭС

К началу двадцатого века развитие российской гидроэнергетики было весьма замедленным. Так, в 1913 году на территории Российской империи функционировало около пятидесяти тысяч гидросиловых установок. Их общая мощность составляла около миллиона лошадиных сил. При этом около семнадцати тысяч установок были оборудованы гидротурбинами .

Суммарная годовая выработка электроэнергии на всех гидроэлектростанциях не превышала тридцать пять миллионов киловатт в час при установленной мощности около 16 МВт. В то же время во многих европейских странах общая мощность составляла приблизительно 12000 МВт. Ситуация изменилась после Октябрьской революции. Новая власть хорошо понимала важность развития отрасли.

Уже 13 июня 1918 года было принято решение о начале строительства Волховской гидроэлектростанции, которая стала первым проектом советской гидроэнергетики, а её мощность равнялась 58 МВт. Уже в первые годы советской власти был разработан план электрификации страны (ГОЭЛРО), который был утверждён 22 декабря 1920 года. Одна из глав плана называлась «Электрификация и водная энергия». В ней отмечалось, что использование гидроэлектростанций может представлять выгоду в случае комплексного использования.

План предусматривал сооружение ГЭС общей мощностью в 21254 тысяч лошадиных сил. При этом в европейской части России общая мощность станций составит 7394, в Туркестане – 3020, в Сибири – 10840 тысяч лошадиных сил. Предусматривалось строительство десяти гидроэлектростанций, суммарная мощность которых составит 640 МВт.

Первым советской гидроэлектростанцией стала Днепровская гидроэлектростанция имени Ленина в Запорожье. Ещё в 1921 году Ленин подписал решение о начале строительства, а само строительство было начато в 1927 году. Запуск первого агрегата был произведён в 1932 году, а достичь проектной мощности удалось в 1939 году. Она составила 560 МВт. При возведении плотины были затоплены знаменитые пороги Днепра, что сделало реку полностью судоходной.

За несколько десятилетий Советский Союз стал одним из лидеров мировой гидроэнергетики. Например, в начале семидесятых советская гидроэнергетика по установленной мощности уступала только американской. Строительство гидроэлектростанций велось на Волге, Каме, Дону, Днепре, Свири и других крупных реках .

Это позволило превратитить их в водные магистрали Европейской части страны, существенно повысить уровень воды в реках и получить в результате целостную судоходную систему, которая соединяла между собой Каспийское, Чёрное, Азовское, Балтийское и Белое моря. К концу семидесятых годов двадцатого века были сооружены самые большие гидроэлектростанции в мире. Это Саяно-Шушенская и Красноярская, расположенные на реке Енисей, Братская и Усть-Илимская (река Ангара), Нурекская (река Вахш), Волжская.

Мировая гидроэнергетика в 21 веке

В начале двадцать первого века гидроэнергетика обеспечивает до шестидесяти трёх процентов возобновляемой энергии в мире. Это девятнадцать процентов всей мировой электроэнергии. Установленная гидроэнергетическая мощность составляет 715 Гвт.

Такие страны как Норвегия, Исландия и Канада являются лидерами по выработке гидроэнергии на гражданина. Наиболее активно ведет строительство гидроэлектростанций Китай. Для этого государства гидроэнергия является наиболее перспективным источником энергии и, очевидно, он в скором времени станет основным. Кроме того, именно Китай является мировым лидером по количеству малых гидроэлектростанций.

Наиболее крупные ГЭС расположены на территории Китая (Санься на реке Янцзы, Бразилии (Итайпу на реке Парана и Тукуруи на реке Токантин), Венесуэлы (Гури на реке Карони). Развивается гидроэнергетическая отрасль и в России. Сегодня на территории Российской Федерации функционируют сто две гидроэлектростанции.

Суммарная мощность всех работающих российских гидроагрегатов – сорок пять миллионов киловатт (это пятое место в мире). При этом доля гидроэлектростанций в общем объёме получаемой российской энергии составляет двадцать один процент. А это не так уж и много, особенно, учитывая то, что Россия находится на втором месте по экономическому потенциалу гидроресурсов (около 852 миллиардов киловатт в час). Но освоены эти ресурсы лишь на двадцать процентов.

Перспективы гидроэнергетики

Без сомнения, энергообеспечение – одна из наиболее актуальных проблем человечества. Мировые запасы нефти и газа стремительно уменьшаются и недалёк тот день, когда они будут полностью исчерпаны. Это понимают все, и поэтому с каждым годом всё большее число специалистов изучает возможности их равноценной замены. Сегодня существует несколько направлений альтернативной энергетики: использование солнечной энергии и энергии ветра, биоэнергетика, геотермальная энергетика.

Каждое их этих направлений отличается определёнными достоинствами и недостатками. И поэтому необходимо определиться: какой альтернативный источник энергии лучше всего подходит для удовлетворения нужд человечества и в то же время наносит минимальный ущерб природе.

Потенциал мировой гидроэнергетики

Потенциал гидроэнергетики можно определить, суммировав все существующие на планете речные стоки. Расчёты показали, что мировой потенциал равен пятидесяти миллиардам киловатт в год. Но и эта весьма впечатляющая цифра составляет лишь четверть от количества осадков , ежегодно выпадающих во всём мире.

С учётом условий каждого конкретного региона и состояния мировых рек действительный потенциал водных ресурсов составляет от двух до трёх миллиардов киловатт. Эти цифры соответствуют годовой выработке энергии в 10 000 – 20 000 миллиардов киловатт в час (приведены данные ООН).

Чтобы осознать потенциал гидроэнергетики, выраженный этими цифрами, следует сопоставить полученные данные с показателями нефтяных теплоэлектростанций. Чтобы получить такое количество электроэнергии, станциям, работающим на нефти, требовалось бы около сорока миллионов баррелей нефти каждый день.

Вместе с тем, не теряет актуальность вопрос: какую долю этого природного богатства человечество может позволить себе использовать? Для ответа на этот вопрос необходимо представлять возможные последствия работы гидроэлектростанций для окружающей среды.

Основные достоинства и недостатки

Основные преимущества гидроэнергетики очевидны. Разумеется, главным преимуществом гидроресурсов является их возобновляемость: запас воды практически неисчерпаем. При этом гидроресурсы значительно опережают в развитии остальные виды возобновляемых источников энергии и способны обеспечивать энергией большие города и целые регионы.

Кроме того, пользоваться этим источником энергии можно достаточно просто, что подтверждается длительной историей гидроэнергетики. Например, генераторы гидроэлектростанций можно включать или выключать в зависимости от энергопотребления. Себестоимость строительства гидроэлектростанций является довольно низкой.

В то же время достаточно спорным является вопрос о влиянии гидроэнергетики на окружающую среду. С одной стороны, эксплуатация гидроэлектростанций не приводит к загрязнению природы вредными веществами.

Но в то же время образование водохранилищ требует затопления значительных территорий, зачастую плодородных, а это становится причиной негативных изменений в природе. Например, плотины часто перекрывают рыбам путь к нерестилищам, но в то жнее время благодаря этому обстоятельству значительно увеличивается количество рыбы в водохранилищах и развивается рыболовство.

Экологические аспекты использования гидроэнергетики

Вне всяких сомнений, гидроэнергетика в перспективе должна не оказывать негативное воздействие на окружающую среду или свести его к минимуму. При этом необходимо добиться максимального использования гидроресурсов.

Это понимают многие специалисты и поэтому проблема сохранения природной среды при активном гидротехническом строительстве актуальна как никогда. В настоящее время особенно важен точный прогноз возможных последствий строительства гидротехнических объектов. Он должен дать ответ на многие вопросы, касающиеся возможности смягчения и преодоления нежелательных экологических ситуаций, которые могут возникнуть при строительстве. Кроме того, необходима сравнительная оценка экологической эффективности будущих гидроузлов. Правда, до реализации таких планов ещё далеко.

Гидроэлектростанция - это комплекс сложных гидротехнических сооружений и оборудования. Его назначение - преобразовывать энергию потока воды в электрическую энергию. Гидроэнергия относится к числу так называемых возобновляемых источников энергии, т. е. практически неиссякаема.

Важнейшее гидротехническое сооружение - плотина . Она задерживает воду в водохранилище, создает необходимый напор воды. Гидравлическая турбина - главный двигатель на ГЭС. С ее помощью энергия воды, движущейся под напором, превращается в механическую энергию вращения, которая затем (благодаря электрическому генератору) преобразуется в электрическую энергию. Гидравлическая турбина , гидрогенератор, устройства автоматического контроля и управления - пульты размещены в машинном зале ГЭС. Повышающие трансформаторы могут располагаться и внутри здания, и на открытых площадках. Распределительные устройства чаще всего устанавливаются на открытом воздухе рядом со зданием электростанции.

В Советском Союзе, обладающем большими гидроэнергоресурсами (11112% от мировых), развернуто широкое строительство гидростанций. По установленной мощности гидроэлектриций. Только за 30 послевоенных лет, с 1950 станции подразделяют на малые - по 1980 год, выработка электроэнергии на до 5 МВт, средние - от 5 до 25 и крупные - ГЭС выросла более чем в 10 раз. свыше 25 МВт. В нашей стране действуют 20 ГЭС, на каждой из которых установленная мощность превышает 500 МВт. Крупнейшие из них - Красноярская (6000 МВт) и Саяно-Шушенская (6400 МВт) ГЭС.

Строительство ГЭС немыслимо без комплексного решения многих задач. Надо удовлетворять нужды не только энергетики, но и водного транспорта , водоснабжения, ирригации, рыбного хозяйства. Лучше всего этим задачам отвечает принцип каскадности когда на реке строят не одну, а ряд ГЭС, расположенных по течению реки. Это позволяет создать на реке несколько последовательно расположенных на разных уровнях водохранилищ, а значит, полнее использовать сток реки, ее энергетические ресурсы й маневрировать мощностью отдельных ГЭС. Каскады гидроэлектрических станций сооружены на многих реках. Кроме Волжского, каскады построены на Каме, Днепре, Чирчике, Раздане, Иртыше, Риони, Свири. Наиболее мощный Ангаро-Енисейский каскад с крупнейшими в мире ГЭС - Братской, Красноярской, Саяно-Шушенской и Богучанской общей мощностью около 17 ГВт и годовой выработкой 76 млрд. кВт- ч электроэнергии.

Существует несколько видов электростанций, использующих энергию потока воды. Помимо гидроэлектростанций строят еще гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) и приливные электростанции (ПЭС). С первого взгляда едва ли заметишь разницу между обычной гидроэлектростанцией и гидро-аккумулирующей электростанцией. Такое же здание, где размещено главное энергетическое оборудование, такие же линии электропередачи. Нет принципиальной разницы и в способе производства электроэнергии. В чем же особенности ГАЭС?

В отличие от ГЭС гидроаккумулирующая станция требует два водохранилища (а не одно) емкостью по нескольку десятков миллионов кубических метров. Уровень одного должен быть на несколько десятков метров выше другого. Оба водохранилища сообщаются между собой трубопроводами. На нижнем водохранилище строится здание ГАЭС. В нем так называемые обратимые гидроагрегаты - гидравлические турбины и электрические генераторы размещены на одном валу . Они могут работать и как генераторы тока, и как электрические водяные насосы . Когда потребление энергии уменьшается, например в ночные часы , гидравлические турбины выполняют роль насосов , перекачивая воду из нижнего водохранилища в верхнее. При этом генераторы работают как электрические двигатели , получающие электрическую энергию от тепловых и атомных электростанций. Когда же потребление электроэнергии возрастает, гидроагрегаты ГАЭС переключаются на обратное вращение. Падающая из верхнего водохранилища в нижнее вода вращает гидравлические турбины, генераторы вырабатывают электрическую энергию. Таким образом, ГАЭС в ночные часы как бы накапливает электроэнергию, вырабатываемую другими электростанциями, а днем отдает ее. Поэтому ГАЭС обычно служит, как говорят энергетики, для покрытия «пиков» нагрузки, т. е. она дает энергию тогда, когда в ней особо нуждаются. На земном шаре действуют более 160 ГАЭС. У нас в стране первая ГАЭС построена под Киевом. Она имеет малый напор, всего 73 м, и суммарную мощность 225 МВт.

Вступила в строй более крупная ГАЭС в Московской области, мощностью 1,2 ГВт, с напором 100 м.

Обычно ГАЭС строят на реках. Но, как оказалось, подобные электростанции можно строить на берегах морей и океанов. Только там они получили иное название - приливные электростанции (ПЭС).

Два раза в сутки в одно и то же время уровень океана то поднимается, то опускается. Это гравитационные силы Луны и Солнца притягивают к себе массы воды. Вдали от берега колебания уровня воды не превышают 1 м, но у самого берега они могут достигать 13 м, как, например, в Пенжинской губе на Охотском море.

Если залив или устье реки перегородить плотиной, то в момент наибольшего подъема воды в таком искусственном водохранилище можно запереть сотни миллионов кубических метров воды. Когда же в море наступает отлив, между уровнями воды в водохранилище и в море создается перепад, достаточный для вращения гидротурбин, установленных в зданиях ПЭС. Если водохранилище одно, ПЭС может вырабатывать электрическую энергию непрерывно в течение 4-5 ч с перерывами соответственно по 1-2 ч четыре раза за сутки (столько раз меняется уровень воды в водохранилище при приливах и отливах).

Чтобы устранить неравномерность выработки электроэнергии, водохранилище станции делится плотиной на 2-3 меньших. В одном поддерживают уровень отлива, в другом - уровень прилива, третье служит резервным.

На ПЭС устанавливают гидроагрегаты, которые способны работать с высоким КПД как в генераторном (производить электроэнергию), так и в насосном режиме (перекачивать воду из водохранилища с низким уровнем воды в водохранилище с высоким уровнем). В насосном режиме ПЭС работает тогда, когда в энергосистеме появляется избыточная электроэнергия. В этом случае агрегаты подкачивают или откачивают воду из одного водохранилища в другое.

В 1968 г. на побережье Баренцева моря в Кислой губе сооружена первая в нашей стране опытно-промышленная ПЭС. В здании электростанции размещено 2 гидроагрегата мощностью 400 кВт.

Десятилетний опыт эксплуатации первой ПЭС позволил приступить к составлению проектов Мезенской ПЭС на Белом море, Пенжинской и Тугурской на Охотском море.

Использование великих сил приливов и отливов Мирового океана, даже самих океанских волн - интересная проблема. К решению ее еще только приступают. Тут многое предстоит изучать, изобретать, конструировать.

Строительство крупных энергетических гигантов - будь то ГЭС, ГАЭС или ПЭС - каждый раз экзамен для строителей. Здесь соединяется труд рабочих самой высокой квалификации и разных специальностей - от мастеров бетонных работ до монтажников-верхолазов.

Гидроэлектрические станции для выработки электрической энергии используют энергию падающей воды. Речная вода из-за разности уровней непрерывным потоком перемещается от истока к устью. Если построить такое сооружение как плотина, которая перекроет движение воды реки, то уровень воды перед плотиной будет намного больше чем после нее.

Разность между верхним и нижним уровнем (бьефом) называют напором, или еще могут называть высотой падения. Принцип работы гидроэлектростанции довольно прост – на уровне нижнего бьефа устанавливают турбину и направляют на ее лопатки поток воды с верхнего бьефа. Под действием силы падающего водяного потока турбина начнет вращаться, приводя в движение ротор электрического генератора, с которым связана механически. Мощность гидроэлектростанций напрямую зависит от величины напора, а также от количества воды, которая пройдет через все турбины гидроэлектрической станции. Коэффициент полезного действия (КПД) гидроэлектрических станций значительно выше тепловых и составляет порядка 85%.

По характеру воздвигнутых сооружений гидроэлектростанции разделяют на:

• Приплотинные – в них напор создается плотиной. Такие сооружения строятся на равнинных реках с небольшим напором. Это связано с тем, что для получения большого напора необходимо создавать водохранилища, которые затопляют значительные территории;

• Деривационные – значительный напор здесь создается за счет деривационных (обходных) каналов. Гидроэлектростанции такого типа сооружают на горных реках, из-за больших уклонов, которые создают нужный напор при относительно малом расходе воды;

Крупные гидроэлектростанции не работают изолировано от других электрических станций. Наиболее часто применяют работу гидроэлектростанций параллельно с тепловыми, тем самым создавая оптимальный режим потребления топлива ТЭС и гидроэнергии ГЭС. Это процесс заключатся в следующем – зимой, когда уровень воды в реках идет на спад и, соответственно, ГЭС не могут работать на полную мощность, тогда часть нагрузки ГЭС берет на себя ТЭС, а летом, когда уровень воды в реках увеличивается, ГЭС начинают работать на полную мощность, а ТЭС снижает выработок электрической энергии, снижая тем самым потребления органического топлива. Таким образом происходит экономия средств на твердом топливе, что снижает стоимость электрической энергии.

Гидроэлектростанции имеют ряд преимуществ над тепловыми электростанциями, а именно:

• Процесс выработки электроэнергии на гидроэлектростанции намного проще, чем на тепловой;
• КПД гидроэлектростанции значительно выше ТЭС;
• Себестоимость производства электроэнергии на крупных ГЭС примерно в 5 раз ниже чем на ТЭС сравнимой мощности. Это объясняется очень просто – на ГЭС нет необходимости в подвозе органического топлива, а это минус цена за само топливо и транспортировку его. На ГЭС нет топливных устройств и служб, которые необходимо для его обслуживания, что уменьшает количество обслуживающего персонала и затраты на запасные части и техническое обслуживание.

Главным недостатком ГЭС является их длительное сооружения и очень высокая стоимость.