Структурные схемы гидроэлектростанций

Лекция 7

Энергия движущейся воды. Гидроэнергетика

Водные ресурсы

Вода является одним из наиболее распространенных и наиболее подвижных тел Природы. Она участвует во всех физических, химических и биологических процессах, совершающихся на Земле. Вода – самый главный элемент живой природы - «есть вода – есть жизнь».

Водными ресурсами называются поверхностные и подземные воды, используемые или которые могут быть использованы для различных целей жизнеобеспечения общества.

В связи с постоянным перемещением воды в природе, ее круговоротом, водные ресурсы являются возобновляемыми, и количество воды в гидросфере не уменьшается, а по некоторым данным увеличивается, в связи с образованием большого количества воды при сжигании углеводородного топлива.

Часть водных ресурсов, которая может быть использована для производства электроэнергии, относится к гидроэнергетическим ресурсам. Для выработки электрической энергии могут быть использованы приливы и отливы мирового океана, морские волны, глобальные морские течения, такие как, например, Гольфстрим и Куросиво, вода рек и тепло океана.

Работа водного потока

Гидравлическая энергия рек представляет собой работу, которую совершает текущая в них вода. В естественном состоянии эта работа расходуется на преодоление внутреннего сопротивления движению воды, сопротивление на трение в русле и различное эрозионное воздействие - размыв дна и берегов русла, перемещение продуктов размыва.

Эксергия воды определяется «падением» реки, т.е. разностью уровней воды в начале и в конце рассматриваемого участка водотока и расходом в единицу времени.

Рисунок 7.1

Если падение участка водотока (реки) длиной L,м, составляет H, м, то при расходе воды Q, м³/сек, работа текущей воды в течение 1 сек, т.е. мощность водотока N на рассматриваемом участке, составляет:

, Вт или Дж\с (7.1)

где – плотность воды, равная 1000кг/м³; g – ускорение свободного падения м/с²;

N=9,81QH, кВт. (7.2)

Энергия водотока Э, определяемая произведением мощности N на время t, сек, составляет, кВт ч,

(7.3)

где W=Qt – объем протекающей воды, м³.

Формулы мощности водотока выражают потенциальную мощность и теоретическую выработку электроэнергии. Реальная или техническая мощность будет меньше за счет потерь в гидротехнических сооружениях, подводящих воду из реки к турбинам, в самих турбинах и генераторах ГЭС, учитываемых коэффициентом полезного действия . Тогда полезная мощность будет:

N=9,81QH , кВт . (7.4)

И соответственно электроэнергия

. кВт ч . (7.5)

. Обычно разность уровней воды в верховьях и устьях равнинных рек иногда достигает несколько десятков метров, а в горной местности перепад высот, создающий напор ГЭС достигает многих сотен метров.

Расход воды в реке можно определить, измеряя среднюю скорость речного потока v м/сек и площадь сечения реки в месте замера S м².

Q=S м² vм/с, м³/сек . (7.6)

Место входа воды в гидротехнические сооружения гидроэлектростанции носит название «верхний бьеф», места выхода воды из турбины станции называется «нижний бьеф».

Структурные схемы гидроэлектростанций

Для превращения речного стока в гидроэнергетические ресурсы и электроэнергию необходимо несколько компонентов:

- водохранилище, образующееся при перегораживании русла реки плотиной, создающей напор воды перед турбиной;

- деривация – каналы и трубопроводы, подающие воду в турбины;

- турбины, преобразующие, поступательное движение воды во вращательное движение ротора;

- электрогенераторы.

Водохранилище отличается от естественного водоема – озера - тем, что оно сооружается на реке специально для регулирования речного стока и имеет переменный уровень, зависящий от величины поступления воды и расхода ее через турбины ГЭС.

Многие крупные реки планеты - Волга, Ангара, Днепр, Кама, Миссури, Колорадо, Парана, Иртыш, Или уже перегорожены плотинами и превращены в каскады водохранилищ. Ожидается, что через 30-50 лет такая судьба постигнет большинство рек, а в перспективе предполагается, что зарегулированию подвергнется 2/3 рек Земли. На р.Или в дополнении к Капчагайской ГЭС планируется строительство второй ГЭС, на реке Большая Алматинка работает каскад из 9 ГЭС.