Солнце испаряет воду с поверхности водоемов, образуются облака, затем идут дожди и вода поступает в реки. С таким круговоротом воды в природе свезено колоссальное количество энергии. Другой источник воды в реках - тающие ледники в горах. Энергия движущейся воды может быть использована для получения других видов энергии, в том числе и электроэнергии. Теоретически гидроэнергия способна обеспечить всю мировую потребность в электроэнергии.
До середины XIX века широко применялись водяные колеса, преобразующие энергию движущейся воды в механическую энергию вращающегося вала. До конца XIX века энергия вращающегося вала использовалась непосредственно, например, для размола зерна или для приведения в действие кузнечных мехов и молота. Позднее появились более быстроходные и эффективные гидравлические турбины.
Гидравлическая турбина преобразует энергию воды, текущей под напором, в механическую энергию вращения вала. Существуют различные конструкции гидротурбин, соответствующие разным скоростям течение и разным напорам воды. В наши дни практически вся механическая энергия, создаваемая гидравлическими турбинами, преобразуется в электроэнергию.
Для получения электроэнергия в значительных количествах на реке необходимо построить плотину, за которой образуется водохранилище. Гидротурбины обычно размещаются в теле плотины. Мощность гидроэлектростанции (ГЭС) зависит от перепада между поверхностью воды в водохранилище и уровнем установки турбины (так называемый напор).
Вода, вращающая гидравлические турбины, обычно поступает из искусственных водохранилищ, созданных в результате перекрытия реки плотиной. Плотина повышает напор воды, поступающей па турбины, и тем самым увеличивает мощность электростанции. Расход воды из водохранилища через турбины можно регулировать. Построив плотину с водохранилищем, можно предотвратить паводковые затопления, а также создать надежный запас воды для снабжения населения, сельского хозяйства и промышленности.
Уровень развития гидроэнергетики в разных странах и на разных континентах неодинаков. Больше всего гидроэлектроэнергии производят США, за ними идут Россия, Украина, Канада, Япония, Бразилия, КНР и Норвегия. Существуют очень крупные ГЭС. Широко известны две большие ГЭС в России: Красноярская (6000 МВт) и Братская (4100 МВт). Самая крупная ГЭС а США - Грэнд-Кули полной мощностью 6480 МВт. Крупные ГЭС построены на Волге. Днепре и на великих сибирских реках. Завершает Волжский каскад гидростанций ГЭС у Волгограда, ежегодно вырабатывающая примерно 11 млрд кВт-ч.
Неосвоенные гидроэнергетические ресурсы Африки, Азии и Южной Америки открывают широкие возможности для строительства новых ГЭС. На Северную Америку, где находится всего примерно 13 % мировых ресурсов гидроэнергетики, приходится около 35 % полной мощности действующих ГЭС. В то же время Африка (21 % мировых гидроэнергетических ресурсов) и Азия (39 %) вносят лишь 5 и 18 % соответственно в мировую выработку гидроэлектроэнергии.
Значительными гидроресурсами располагают регионы средней и Восточной Сибири, имеющие горный рельеф местности, множество малых и средних рек, а также такие реки, как Енисей, Ангара, Лека, Амур. На остальной территории страны по гидроэнергетическому потенциалу выделяются республики Северного Кавказа, западный склон Уральского хребта и Кольский полуостров. Минимальным потенциалом располагают засушливые районы юга России и равнины Западной Сибири.
В Сибири лишь Ангарский и Енисейский каскады ГЭС позволяют использовать часть потенциала крупных рек. На остальной территории Сибири использование энергии движения воды имеет лишь локальный характер (Новосибирская, Усть-Хантайская, Зейская, Вишойская ГЭС и др.). На европейской территории страны максимально возможное количество электроэнергии извлекается в нижнем течении Волги, хотя потенциал гидроэнергетики здесь нс столь велик из-за равнинного рельефа. В то же врем· больший по суммарной мощности потенциал рек Кавказа и Западного Урала используется намного слабее. Энергодефицитное Приморья вообще не имеет ГЭС, хоти этот регион располагает большими гидроресурсами. Это связано с непостоянством режима рек в условиях муссонного климата с регулярно проходящими тайфунами, что ведет к существенному удорожанию строительства.
В европейской части России крупные ГЭС в ближайшее время строиться не будут. Стоимость гидроэнергии зависит от многих факторов, причем текущие затраты относительно невелики. Срок службы ГЭС намного больше, чем других источников энергии.
Во многих странах (Норвегии, Швеции, Швейцарии) большая часть запасов гидроэнергии уже используется. На гидростанциях, например, Норвегии вырабатывается около 90 % производимой в стране электроэнергии. Доля электроэнергии, вырабатываемой на гидроэлектростанциях во всем мире, составляет примерно 20 %. В Великобритании производится электроэнергии на ГЭС относительно мало - всего 2 %. Почти 10 % электроэнергии в CШA вырабатывается на ГЭС. Во Франции 14 % электроэнергии вырабатывается на ГЭС общей установленной мощностью 23 тыс. МВт.
В начале XX века крупные и горные реки мира привлекли к себе внимание как источники энергии, а концу столетия большинство из них было перегорожено каскадами плотин, дающими баснословно дешевую энергию.
Однако это привело к значительному экономическому и экологическому ущербу: земли выше плотин подтоплялись, ниже плотин падал уровень грунтовых вол, терялись огромные пространства плодородных земель, уходившие на дно гигантских водохранилищ, прерывалось естественное течение рек, загнивала вода в водохранилищах, падали рыбные запасы и т. д. На горных реках все эти минусы сводились к минимуму, зато добавлялась еще одна проблема: в случае землетрясения, способного разрушить плотину, катастрофа могла привести к тысячам человеческих жертв. Поэтому современные крупные ГЭС не являются действительно экологически чистыми.
Воздействие гидроэнергетики на окружающую природную среду заключается прежде всего в затоплении значительных массивов земель при заполнении водохранилища, что влечет за собой переселение людей, уничтожение флоры и фауны. Плотины нарушают сложившиеся веками пути миграции рыб. Постройка, например, Цимлянской плотины привела к резкому сокращению численности ценных пород рыб в реке Дон и Азовском море. Сооружение Ассуанской плотины в Египте привело ко многим непредсказуемым последствиям. В частности, уменьшение стока пресной воды в Средиземное море приводит к повышению его солености.
Появление крупных водоемов приводит к локальным, нередко нежелательным, изменениям климата. Оседающие в водохранилищах наносы уменьшают их полезную емкость. Крупные водохранилища создают значительное давление на затопленный участок земли, что повышает потенциальную угрозу землетрясений.
Однако недостатки ГЭС породили идею малых и "мини-ГЭС", которые могут располагаться на небольших реках или даже ручьях, их электрогенераторы будут работать при небольших перепадах воды или движимые лишь силой течения. Эти же мини-ГЭС могут быть установлены и на крупных реках с относительно быстрым течением.
Рис. 1.21. Гидроэлектростанция небольшой мощности.
В 50-60-е годы XX века в России находилось в эксплуатации несколько тысяч мини-ГЭС. Сейчас большинство их находится в состоянии, непригодном для эксплуатации.
В России огромен потенциал малой гидроэнергетики (рис. 1.21). МикроГЭС - надежные и бистроокупаемые источники электроэнергии для сея, дачных поселков, фермерских хозяйств, небольших производств, а также для отдаленных и труднодоступных районов. При сооружении и последующей эксплуатации микро- и малых ГЭС не наносится ущерб окружающей среде.
Технический потенциал всех малых водотоков в Республике Татарстан оценивается по средней мощности, равной 144,3 МВт, и по среднегодовой выработке электроэнергии, равной 1,264 млрд кВт-ч. На территории республики можно построить 67 малых ГЭС установленной мощностью 27 МВт с ежегодной выработкой электроэнергии 68 млн. кВт-ч.
В рамках национальной программы "Энергообеспечение Республики Тыва за счет использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии на 1997-2000 годы" разработана "Концепция развития и схема размещения объектов малой гидроэнергетики на территории Республики Тыва".
В Белоруссии за счет малой гидроэнергетики возможно ежегодно производить дополнительно 800 млн. кВт-ч электроэнергии.
Один из проектов развития малой гидроэнергетики в Украине связан с возобновлением работы законсервированной в свое время Снятинской ГЭС на реке Прут. Эта ГЭС была введена в эксплуатацию в 1959 году и ежегодно производила 4 миллиона кВт-ч электроэнергии. После наводнения в 1974 году станцию законсервировали.
Благодаря развитию технологий и созданию новых конструкционных материалов в России я индустриально развитых странах появилось новое оборудование для малых ГЭС, которые можно размещать на различных стоках промышленных предприятий и тепловых электростанций.
Межотраслевое научно-техническое объединение ИНСЭТ специализируется на разработке, серийном изготовлении и комплектной поставке гидроагрегатов для малых ГЭС единичной мощностью до 5000 кВт и микроГЭС (рис. 1.22)
мощностью от 3 до 100 кВт. С 1993 года гидроагрегатами ИНСЭТ были оснащены малые ГЭС в Кабардино-Балкарии, Башкирии, Белоруссии, Латвии и Грузии.
Рис. 1.23. МикроГЭС АОЗТ "ΜНТО ИНСЭТ"
МикроГЭС АОЗТ "МНТО ИНСЭТ" (рис. 1.23) состоят из следующих частей;
• энергоблока, содержащего гидравлическую турбину, генератор и блок балластной нагрузки, размещённых на опорной раме;
- водозаборного устройства, представляющего собой сетчатый короб, внутри которого установлен водозаборный патрубок с запорным устройством;
- устройства автоматического регулирования напряжения и частоты;
- напорного трубопровода.
Основные характеристики микроГЭС с пропеллерными и диагональными турбинами приведены в табл. 1.8 и 1.9.
Таблица 1.8
Технические характеристики микроГЭС с пропеллерным турбинами
Таблица 1.9
Технические характеристики микроГЭС с диагональными турбинами
АО "Тяжмаш" проектирует, изготавливает и поставляет гидротурбины мощностью до 15 МВт как для вновь строящихся, так и для реконструируемых малых ГЭС (МГЭС), а также производит ремонт и восстановление отдельных узлов, монтаж и наладку оборудования. Гидротурбины для МГЭС могут быть использованы в условиях Севера, Сибири и Дальнего Востока.
Гидроэнергетическое оборудование для малых ГЭС разрабатывает НПО "Ранд". Созданы гидротурбины, позволяющие эффективно использовать низкие капоры, типичные в целом для России. Мощность таких установок составляет от 6-20 кВт до 2,5 МВт в диапазоне напоров от 3 до 80 м.
Оборудование для малых ГЭС включает также гидроагрегаты мощностью от 100 кВт до 2 МВт с напорами от 5 до 130 м.
Ведется строительство малой ГЭС на сбросе Камчатской ТЭЦ-2, изготавливаются гидроагрегаты МГЭС-7 на реке Быстрой на Камчатке. Идут работы по проектированию каскада ГЭС на реке Половинке, Корниловской ГЭС и других малых ГЭС в различных районах Камчатской области.
Санкт-Петербургская фирма "Энерго-Альянс" выпускает поперечноструйные турбины, способные при низких напорах пропускать большое количество воды и производить значительные мощности. В настоящее время фирма в состоянии серийно выпускать турбины на напоры от 1,0 до 15 м и мощностью от 3,5 до 500 кВт.
Гидротурбины ООО "Энерго-Альянс" могут эксплуатироваться при напорах воды от 1 м и развивать при этом мощности порядка 6-8 кВт при наличии необходимых расходов воды. Турбины снабжены устройством для регулирования расхода воды в процессе эксплуатации и автоматическим устройством защиты гидроагрегата от разгона при внезапном отключении энергопотребителей. В настоящее время фирма в состоянии серийно выпускать турбины на напоры от 1 до 8,5 м и мощностью от 3,5 до 225 кВт.
Сейчас многие организации разработали погружные свободнопроточные гидротурбины, использующие для получения мощности скорость течения воды в водотоках и не требующие возведения плотин, перегораживающих реки, что обеспечивает свободный проход рыбы во время нереста.
Практически для размещения погружных гидротурбин можно использовать любые водотоки, имеющие достаточные ширину, глубину и скорость течения воды порядка 3 м/с. Чем выше скорость течения воды, тем большую мощность можно получить при одних и тех же габаритах гидротурбины.
Переносные погружные гидроагрегаты могут найти применение там, где существует необходимость в быстром получении электроэнергии с минимальными временными и финансовыми затратами. Стационарные погружные гидроагрегаты предназначены для выработки переменного тока напряжением 22 - 380 В, частотой 50 Гц.
В некоторых регионах могут создаваться искусственные водохранилища, которые в период малого потребления электроэнергии насосами закачиваете вода. Во время пика потребления электроэнергии накопленный запас воды направляется на лопатки гидротурбин.
На Загорской гидроаккумулирующей электростанции (ГАЭС) в Московской области в 2000 году был пущен последний, шестой, агрегат. Такая станция помогает правильно распределить и потратить вырабатываемую энергию. Ночью, себестоимость энергии ниже из-за небольшою спроса, а днем электричества не хватает. В Германии уже установлено 49 таких ГАЭС.
