Гидроэнергия. Разница между верхним и нижним бьефом водохранилища. Располагаемый и используемый потенциал гидроэнергии плотины

1.2  Гидроэнергия

Преобразование гидроэнергии в электрическую энергию стало возможным в конце 19 века благодаря открытиям  в области физики и техническому прогрессу. Крупные ГЭС начали появляться на рубеже 19 и 20 веков. Физические принципы преобразования энергии падающей воды в электрическую энергию довольно просты, однако техническое осуществление такого проекта оказалось в действительности довольно сложным. Строительство плотины требует проведения предварительных работ по изменению русла реки, рытья котлована, и только после этого начинается строительство самой плотины. Она строиться из железобетона путём создания монолитного сооружения. Вода под напором, создаваемым плотиной, направляется в водовод, который заканчивается турбиной. Турбина вращает вал, который соединён с ротором генератора. Количество вырабатываемой электроэнергии на ГЭС  зависит от потенциальной энергии воды, запасённой в водохранилище, и к.п.д. её преобразования в электроэнергию. Мощность ГЭС зависит как от количества воды, так и от перепада между водной поверхностью водохранилища и уровнем установки гидроагрегата:

            (1.1)

где    r - удельный вес воды,  г/см3;

g - ускорение свободного падения, равное 9.81 м/с2;

Q - расход воды через турбину, м3;

Н - напор воды, м.

Разница между верхним и нижним бьефом водохранилища называется напором. Вода, поступающая на турбину под высоким напором, имеет большую потенциальную энергию, чем при малом напоре, и поэтому на высоконапорной ГЭС требуется меньший расход воды для получения одинаковой мощности. Чем выше напор, тем меньше габариты турбины, а это в свою очередь удешевляет стоимость всего сооружения. Но высокий напор не всегда удаётся создать, так как мощность ГЭС и количество вырабатываемой ею электроэнергии в основном зависят от топографических условий в районе размещения водохранилища и тела

Рис.1.4. Располагаемый и используемый потенциал гидроэнергии плотины. К числу высоконапорных ГЭС можно отнести : Вахшскую, Красноярскую, Братскую, Саяно-Шушенскую, ГЭС Гувер в штате Аризона и Асуанский комплекс в Египте. ГЭС Волжского каскада, Новосибирская и Бонневильская на реке Колумбия относятся к категории низконапорных ГЭС. Гидроэнергетический потенциал всех рек мира оценивается в 2857 Гвт, однако маловероятно, что этот потенциал когда-либо будет полностью освоен.

В  мире потенциал гидроэнергии в целом оценивается в 19000  Твт ч / год а  его использование составляет лишь около 9%. Процент использования гидроэнергии в разных регионах, весьма различен, но ещё больше различия по странам. В настоящее время потенциал гидроэнергии использован в Германии на

Рис. 1.5 Поперечный разрез русловой гидроэлектростанции.

1 - затвор водосброса; 2 - паз ремонтного затвора; 3 - основной затвор турбинного водовода; 4 - генератор; 5 - трансформатор; 6 - аварийный затвор; 7 - турбина; ГВБ - горизонт верхнего бьефа; ГНБ - горизонт нижнего бьефа

75%, Швейцарии на 80%, США на 44%, Канаде на 50%, Японии на 65%, Швеции и Италии на 74%, Франции на 90% и России на 21%. Эти данные показывают процент использования гидроэнергии от располагаемого потенциала, который  может быть реализован с применением современных технологий  в области строительства гидросооружений с экономической целесообразностью. Технология производства электроэнергии на ГЭС достаточно совершенна. В среднем в середине 80 годов в расчёте  на полную нагрузку  ГЭС работали по3600 часов в году и хотя располагаемая гидроэнергия непостоянна в течении года,

Рис. 1.6 Поперечный разрез приплотинной гидроэлектростанции

1 - провода на ОРУ; 2 - плоский затвор; 3 - машинный зал; 4 - генератор; 5 - спиральная камера; 6 - отсасывающая труба; 7 - турбина радиально-осевого типа; 8 - турбинный водовод; 9 - глубинный водоприемник; 10 - решетка; 11 - подъемный механизм щитов но её колебания относительно невелики и хорошо прогнозируемы в отличие от других ВИЭ. Большое значение в настоящее время уделяется созданию малых ГЭС на небольших реках и разработке безплотинных ГЭС наплавного типа на реках с высокой скоростью течения. В 30-х и 40-х годах в СССР было построено много ГЭС малой мощности, но со временем издержки на их содержание оказались очень велеки и они постепенно  прекратили своё существование, так как стоимость электроэнергии , получаемой из больших энергообъединений оказалась намного дешевле. В настоящее время с ростом цен на энергоносители малая гидроэнергетика вновь получила право на своё существование. В России в течении  1991 - 2000 годов намечено построить и ввести в эксплуатацию 353 малых и средних ГЭС. Малые ГЭС имеют мощность в несколько десятков киловатт, а средние в несколько мегаватт. В Германии, например, таких ГЭС насчитывается около 20 тысяч