Гидроэлектростанции (ГЭС). Принципиальная технологическая схема гидроэлектростанции (ГЭС) . Как работает мощная гидроэлектростанция Принцип работы турбины гэс

ГЭС - это гидроэлектростанция, преобразующая энергию водного потока в электрическую. Поток воды, падая на лопасти, вращает турбины, которые, в свою очередь, приводят в движение генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую. Гидроэлектростанции сооружаются на руслах рек, при этом обычно строятся плотины и водохранилища.

Принцип работы

Основа работы ГЭС - это энергия падающей воды. Из-за разности уровней речная вода образует непрерывный поток от истока к устью. Плотина - неотъемлемая часть практически всех гидроэлектростанций, перекрывает движение воды в русле реки. Перед плотиной образуется водохранилище, создавая значительную разницу уровня воды до и после нее.

Верхний и нижний уровень воды называют бьефом, а разницу между ними - высотой падения или напором. Принцип работы достаточно прост. На нижнем бьефе устанавливается турбина, на лопасти которой направляется поток с верхнего бьефа. Падающий поток воды приводит в движение турбину, а она через механическую связь вращает ротор электрического генератора. Чем больше напор и количество воды, проходящее через турбины, тем выше мощность гидроэлектростанции. Коэффициент полезного действия составляет около 85%.

Особенности

Существует три фактора эффективного производства энергии на гидроэлектростанциях:

  • Круглогодичная гарантированная водообеспеченность.
  • Благоприятствующий рельеф. Наличие каньонов и перепадов способствуют гидростроительству.
  • Больший уклон реки.

Эксплуатация гидроэлектростанция имеет несколько, в том числе сравнительных особенностей:

  • Себестоимость производимой электроэнергии существенно меньше, чем на других видах электростанций.
  • Возобновляемый источник энергии.
  • В зависимости от количества энергии, которое должна производить ГЭС, ее генераторы можно быстро включать и выключать.
  • По сравнению с другими видами электростанций ГЭС намного меньше влияет на воздушную среду.
  • В основном ГЭС - это удаленные от потребителей объекты.
  • Строительство гидроэлектростанций очень капиталоемкое.
  • Водохранилища занимают большие территории.
  • Строительство плотин и устройство водохранилищ перекрывает многим видам рыб пути к нерестилищам, что кардинально меняет характер рыбного хозяйства. Но при этом в самом водохранилище устраиваются рыбоводческие хозяйства, увеличиваются запасы рыбы.

Виды

Гидроэлектростанции разделяют по характеру возведенных сооружений:

  • Приплотинные ГЭС - это самые распространенные в мире станции, в которых напор создается плотиной. Строятся на реках с преимущественно небольшим уклоном. Для создания большого напора под водохранилища затопляются значительные территории.
  • Деривационные - станции, сооружаемые на горных реках с большим уклоном. Нужный напор создается в обходных (деривационных) каналах при сравнительно малом расходе воды. Часть потока реки через водозабор направляется в трубопровод, в котором создается напор, что приводит в движение турбину.
  • Гидроаккумулирующие станции. Они помогают справиться энергосистеме с пиковыми нагрузками. Гидроагрегаты таких станций способны работать в насосном и генераторном режиме. Состоят из двух водохранилищ в разных уровнях, соединенных трубопроводом с гидроагрегатом внутри. При высоких нагрузках вода сбрасывается из верхнего водохранилища в более низкое, при этом происходит вращение турбины и вырабатывается электричество. При низком спросе вода перекачивается назад из низкого хранилища в более высокое.

Гидроэнергетика России

На сегодняшний день в России суммарно вырабатывается более 100 МВт электроэнергии на 102 гидроэлектростанциях. Общая мощность всех гидроагрегатов ГЭС России составляет порядка 45 млн кВт, что соответствует пятому месту в мире. Доля ГЭС в общем количестве вырабатываемой электроэнергии в России составляет 21 % - 165 млрд кВт*ч/год, что также соответствует 5 месту в мире. По количеству потенциальных гидроэнергоресурсов Россия стоит на втором месте после Китая с показателем 852 млрд кВт*ч, но при этом степень их освоения составляет лишь 20%, что существенно ниже, чем практически у всех стран мира, в том числе развивающихся. Для освоения гидропотенциала и развития российской энергетики в 2004 году была создана Федеральная программа по обеспечению надежной эксплуатации функционирующих гидроэлектростанций, завершение действующих строек, проектирование и возведение новых станций.

Список крупнейших ГЭС России

  • Красноярская ГЭС — г. Дивногорск, на реке Енисей.
  • Братская ГЭС — г. Братск, р. Ангара.
  • Усть-Илимская — г. Усть-Илимск, р. Ангара.
  • Саяно-Шушенская ГЭС — г. Саяногорск.
  • Богучанская ГЭС — на реке. Ангара.
  • Жигулёвская ГЭС — г. Жигулевск, р. Волга.
  • Волжская ГЭС — г. Волжский, Волгоградская обл, река Волга.
  • Чебоксарская — г. Новочебоксарск, река Волга.
  • Бурейская ГЭС — пос. Талакан, река Бурея.
  • Нижнекамская ГЭС — Челны, р. Кама.
  • Воткинская — г. Чайковский, р. Кама.
  • Чиркейская — река. Сулак.
  • Загорская ГАЭС — река. Кунья.
  • Зейская — г. Зея, р. Зея.
  • Саратовская ГЭС — река. Волга.

Волжская ГЭС

В прошлом Сталинградская и Волгоградская ГЭС, а ныне «Волжская», расположенная в одноименном городе Волжский на реке Волга, средненапорная станция руслового типа. На сегодняшний день считается крупнейшей гидроэлектростанцией в Европе. Количество гидроагрегатов - 22, электрическая мощность - 2592,5 МВт, среднегодовое количество вырабатываемой электроэнергии 11,1 млрд кВт*ч. Пропускная способность гидроузла - 25000 м3/с. Большая часть вырабатываемой электроэнергии поставляется местным потребителям.

Возведение ГЭС стартовало в 1950 году. Пуск первого гидроагрегата был осуществлен в декабре 1958. В полном объеме Волжская гидроэлектростанция заработала в сентябре 1961 года. Ввод в эксплуатацию сыграл важнейшую роль в объединении значимых энергосистем Поволжья, Центра, Юга и энергоснабжения Нижнего Поволжья и Донбасса. Уже в 2000-х годах было произведено несколько модернизаций, что позволило увеличить общую мощность станции. Кроме производства электроэнергии Волжская ГЭС используется для орошения засушливых земельных массивов Заволжья. На сооружениях гидроузла устроены автодорожные и железнодорожные переходы через Волгу, обеспечивающие связь районов Поволжья между собой.

Гидроэлектростанция

Гидроэлектроста́нция (ГЭС) - электростанция , в качестве источника энергии использующая энергию водного потока . Гидроэлектростанции обычно строят на реках , сооружая плотины и водохранилища .

Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимы два основных фактора: гарантированная обеспеченность водой круглый год и возможно большие уклоны реки, благоприятствуют гидростроительству каньонобразные виды рельефа.

Особенности

Принцип работы

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Крупнейшие ГЭС в мире

Наименование Мощность,
ГВт 		Среднегодовая
выработка, млрд кВт·ч 		Собственник География
Три ущелья 22,40 100,00 р. Янцзы , г. Сандоупин, Китай
Итайпу 14,00 100,00 Итайпу-Бинасионал р. Парана , г. Фос-ду-Игуасу , Бразилия /Парагвай
Гури 10,30 40,00 р. Карони , Венесуэла
Черчилл-Фолс 5,43 35,00 Newfoundland and Labrador Hydro р. Черчилл, Канада
Тукуруи 8,30 21,00 Eletrobrás р. Токантинс , Бразилия

Гидроэлектростанции России

По состоянию на 2009 год в России имеется 15 гидроэлектростанций свыше 1000 МВт (действующих, достраиваемых или находящихся в замороженном строительстве), и более сотни гидроэлектростанций меньшей мощности.

Крупнейшие гидроэлектростанции России

Наименование Мощность,
ГВт 		Среднегодовая
выработка, млрд кВт·ч 		Собственник География
Саяно-Шушенская ГЭС 2,56 (6,40) 23,50 ОАО РусГидро р. Енисей , г. Саяногорск
Красноярская ГЭС 6,00 20,40 ОАО «Красноярская ГЭС» р. Енисей , г. Дивногорск
Братская ГЭС 4,52 22,60 ОАО Иркутскэнерго , РФФИ р. Ангара , г. Братск
Усть-Илимская ГЭС 3,84 21,70 ОАО Иркутскэнерго , РФФИ р. Ангара , г. Усть-Илимск
Богучанская ГЭС 3,00 17,60 ОАО «Богучанская ГЭС», ОАО РусГидро р. Ангара , г. Кодинск
Волжская ГЭС 2,58 12,30 ОАО РусГидро р. Волга , г. Волжский
Жигулёвская ГЭС 2,32 10,50 ОАО РусГидро р. Волга , г. Жигулевск
Бурейская ГЭС 2,01 7,10 ОАО РусГидро р. Бурея , пос. Талакан
Чебоксарская ГЭС 1,40 (0,8) 3,31 (2,2) ОАО РусГидро р. Волга , г. Новочебоксарск
Саратовская ГЭС 1,36 5,7 ОАО РусГидро р. Волга , г. Балаково
Зейская ГЭС 1,33 4,91 ОАО РусГидро р. Зея , г. Зея
Нижнекамская ГЭС 1,25 (0,45) 2,67 (1,8) ОАО «Генерирующая компания», ОАО «Татэнерго » р. Кама , г. Набережные Челны
Загорская ГАЭС 1,20 1,95 ОАО РусГидро р. Кунья , пос. Богородское
Воткинская ГЭС 1,02 2,60 ОАО РусГидро р. Кама , г. Чайковский
Чиркейская ГЭС 1,00 2,47 ОАО РусГидро р. Сулак , п. Дубки

Примечания:

Другие гидроэлектростанции России

Предыстория развития гидростроения в России

В Советский период развития энергетики упор делался на особую роль единого народнохозяйственного плана электрификации страны - ГОЭЛРО , который был утвержден 22 декабря 1920 года. Этот день был объявлен в СССР профессиональным праздником - Днём энергетика . Глава плана, посвященная гидроэнергетике - называлась «Электрификация и водная энергия». В ней указывалось, что гидроэлектростанции могут быть экономически выгодными, главным образом, в случае комплексного использования: для выработки электроэнергии, улучшения условий судоходства или мелиорации . Предполагалось, что в течение 10-15 лет в стране можно соорудить ГЭС общей мощностью 21 254 тыс. лошадиных сил (около 15 млн кВт), в том числе в европейской части России - мощностью 7394, в Туркестане - 3020, в Сибири - 10 840 тыс. л.с. На ближайшие 10 лет намечалось сооружение ГЭС мощностью 950 тыс. кВт, однако в последующем было запланировано сооружение десяти ГЭС общей рабочей мощностью первых очередей 535 тыс. кВт.

Хотя уже за год до этого в 1919 году Совет труда и обороны признал строительства Волховской и Свирской гидростанций объектами, имеющими оборонное значение. В том же году началась подготовка к возведению Волховской ГЭС, первой из гидроэлектростанций возведенных по плану ГОЭЛРО.

Однако и до начала строительства Волховской ГЭС Россия имела достаточно богатый опыт промышленного гидростроительства, в основном, частными компаниями и концессиями . Информация об этих ГЭС, построенных в России за последнее десятилетие 19-го века и первые 20 лет двадцатого столетия достаточно разрознена, противоречива и требует специальных исторических исследований.

Наиболее достоверным считается, что первой гидроэлектростанцией в России была Березовская (Зыряновская) ГЭС, построенная в Рудном Алтае на реке Березовка (приток р. Бухтармы) в 1892 году. Она была четырехтурбинная общей мощностью 200 кВт и предназначалась для обеспечения электричеством шахтного водоотлива из Зыряновского рудника.

На роль первой также претендует Ныгринская ГЭС, которая появилась в Иркутской губернии на реке Ныгри (приток р. Вачи) в 1896 году. Энергетическое оборудование станции состояло из двух турбин с общим горизонтальным валом, вращавшим три динамо-машины мощностью по 100 кВт. Первичное напряжение преобразовывалось четырьмя трансформаторами трехфазного тока до 10 кВ и передавалось по двум высоковольтным линиям на соседние прииски. Это были первые в России высоковольтные ЛЭП. Одну линию (длиной 9 км) проложили через гольцы к прииску Негаданному, другую (14 км) - вверх по долине Ныгри до устья ключа Сухой Лог, где в те годы действовал прииск Ивановский. На приисках напряжение трансформировалось до 220 В. Благодаря электроэнергии Ныгринской ГЭС в шахтах установили электрические подъемники. Кроме того, электрифицировали приисковую железную дорогу, служившую для вывоза отработанной породы, которая стала первой в России электрифицированной железной дорогой.

Преимущества

  • использование возобновляемой энергии.
  • очень дешевая электроэнергия.
  • работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу.
  • быстрый (относительно ТЭЦ/ТЭС) выход на режим выдачи рабочей мощности после включения станции.

Недостатки

  • затопление пахотных земель
  • строительство ведется только там, где есть большие запасы энергии воды
  • на горных реках опасны из-за высокой сейсмичности районов
  • сокращенные и нерегулируемые попуски воды из водохранилищ по 10-15 дней (вплоть до их отсутствия), приводят к перестройке уникальных пойменных экосистем по всему руслу рек, как следствие, загрязнение рек, сокращение трофических цепей, снижение численности рыб, элиминация беспозвоночных водных животных, повышение агрессивности компонентов гнуса (мошки) из-за недоедания на личиночных стадиях, исчезновение мест гнездования многих видов перелетных птиц, недостаточное увлажнение пойменной почвы, негативные растительные сукцессии (обеднение фитомассы), сокращение потока биогенных веществ в океаны.

Крупнейшие аварии и происшествия

Примечания

См. также

Гидроэлектростанция в Викисловаре
Гидроэлектростанция на Викискладе

Ссылки

  • Карта крупнейших ГЭС России (GIF, данные 2003 года)

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.

На первый взгляд, гидроэлектростанция штука довольно простая - льётся вода, крутится генератор, вырабатывается электричество. На самом деле современная ГЭС - система с очень сложным оборудованием и тысячами датчиков, управляемая компьютерами.

Сегодня я расскажу о том, что мало кто из обычных людей знает о ГЭС.


Сейчас я нахожусь на стройплощадке Усть-Среднеканской ГЭС, которая расположена в 400 километрах от Магадана. Подробно о ГЭС и строительстве я ещё расскажу, а сегодня несколько любопытных фактов.

1. ГЭС - возможно единственный крупный инженерный объект, который начинает эксплуатироваться задолго до окончания строительства. На Усть-Среднеканской ГЭС ещё не до конца возведена плотина, не до конца построен машинный зал, а первые два гидроагрегата из четырёх уже вырабатывают электричество.

2. Пока ГЭС строится, в её гидроагрегатах работают временные рабочие колёса, рассчитанные на малый напор воды. Когда плотина будет достроена, напор воды повысится и временные колёса заменят постоянными для высокого напора с другой формой лопастей.

3. Несмотря на то, что строительство ГЭС очень дорогое удовольствие, многие ГЭС окупаются ещё до того, как их достраивают до конца. Кстати, Усть-Среднеканская ГЭС продаёт электричество по 1.10 руб за кВтч.

4. Перед тем, как попасть на турбину ГЭС, вода закручивается с помощью огромной стальной улитки - спиральной камеры. Сейчас на Усть-Среднеканской ГЭС как раз заканчивается монтаж спиральной камеры третьего энергоагрегата и мне удалось увидеть и сфотографировать её. Когда энергоагрегат будет достроен, гигантская улитка окажется в толще бетона.

Чтобы осознать размеры конструкции, обратите внимание на рабочих, занимающихся монтажом спиральной камеры.

5. Рабочее колесо гидроагрегата всегда крутится с одинаковой скоростью, обеспечивая стабильную частоту 50 герц. Для меня всегда было загадкой, как поддерживается стабильная скорость вращения. Оказалось, просто с помощью изменения потока воды. Лопатки, управляемые компьютером, постоянно находятся в движении, уменьшая и увеличивая поток воды. Задача системы добиться точной скорости вращения независимо от усилия, с которым крутится вал генератора (а оно зависит от вырабатываемой мощности).

6. Напряжение, выдаваемое генератором, регулируется с помощью изменения напряжения возбуждения. Это постоянное напряжение, которое подаётся на электромагнит ротора. При этом напряжение, которое генерируется обмоткой статора зависит от силы магнитного поля. На фото у меня над головой вращается многотонный ротор.

7. Генератор ГЭС вырабатывает напряжение 15.75 кВ. На Усть-Среднеканской ГЭС установлены генераторы, имеющие номинальную мощность 142.5 МВт (142500000 Вт) и ток в проводах, отводящих выработанное электричество от генератора, может достигать 6150 А. Поэтому эти провода, а точнее шины, имеют огромное сечение и заключены вот в такие трубы.

Любая коммутация при таких токах превращается в большую проблему. Вот так выглядит простой выключатель. Конечно, на токе в шесть тысяч ампер и напряжении пятнадцать тысяч вольт он становится совсем непростым.

8. Повышающие трансформаторы обычно стоят на улице за машинным залом ГЭС (для передачи потребителям напряжение, полученное с генераторов, повышается чаще всего до 220 кВ).

9. По проводам линий электропередач передаётся не только электроэнергия на частоте 50 Гц, но и информационные сигналы на высокой частоте. С помощью них, например, можно с высокой точностью определить место аварии на ЛЭП. На электростанциях и подстанциях ставятся специальные фильтры высокочастотного сигнала. Наверняка, вы такие штуки видели, но вряд ли знали, для чего они.

10. Вся коммутация на высоких напряжениях происходит в среде элегаза (фторид серы, имеющий очень низкую электропроводность), поэтому провода выглядят, как трубы и электрика больше напоминает сантехнику. :)

p.s. Спасибо сотрудникам Усть-Среднеканской ГЭС Илье Горбунову и Вячеславу Сладкевичу (он на фото) за подробные ответы на мои многочисленные вопросы, а так же компании Русгидро за возможность своими глазами посмотреть на строительство и работу такого грандиозного сооружения.

2016, Алексей Надёжин

Основная тема моего блога - техника в жизни человека. Я пишу обзоры, делюсь опытом, рассказываю о всяких интересных штуках. А ещё я делаю репортажи из интересных мест и рассказываю об интересных событиях.
Добавьте меня в друзья

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.

. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её.

 

Возможно, будет полезно почитать: