С давних времён люди, наблюдая за тем, как текут реки, с высоких гор ниспадают «локоны» водопадов, поняли, что можно использовать энергию воды в собственных целях.
Момент осознания этой возможности – стал переломным для цивилизации: на берегах рек и у водопадов стали строить мельницы, лесопилки и прочие технологические сооружения, которые в своей работе использовали силу водных потоков. С изобретением электричества, необходимость в строительства подобного рода сооружений именно у источников воды отпало – для привода в действие механизмов стали использовать энергию электрического тока.
Но её величество вода недолго оставалась в стороне: с быстро растущей потребностью в электроэнергии человек начал задумываться над тем, как получить это самое электричество при минимальных затратах. И вот в конце прошлого века, а точнее – в 80-е годы – началась эксплуатация гидроэлектростанций, преобразующих энергию воды в электрический ток. Конструкции гидроэлектростанций могут быть самыми разнообразными. К примеру малые гидроэлектростанции могут представлять из себя здания из металлоконструкций с установленным в них оборудованием разной мощности.
Среди многих методов получения электричества из энергии водных потоков преобладают два:
Первый из них использует такое явление, как океанские приливы . Процесс прилива объясняется воздействием гравитационного поля луны на огромные массы океанских вод. Действие приливов проявляется в повышении уровня воды в регионе, находящемся на минимальном расстоянии от ночного светила и повторяются с цикличностью 2 раза в сутки и привязаны к положению Луны и времени года. Влияние Солнца на океанские приливы – намного меньше из-за несоизмеримо большего расстояния его от земли по сравнению с Луной.
Высота подъёма уровня воды при приливах не превышает 0,5м. В тех же случаях, когда перемещение воды ограничены, волны могут достигать высоты 5-10м. Действие приливной энергии идёт на то, чтобы заполнит резервуар, образованный дамбой. Поток воды, образующийся при отливе, целесообразно использовать в качестве движущей силы, аналогично тому, как это происходит на гидроэлектростанциях. Мест, подходящих под строительство приливных электростанций, во всём мире не так уж и много. Для обоснованности строительства таких станций необходимо, чтобы разность уровней воды во время прилива и отлива достигала таких показателей, которые позволяли бы использовать образующуюся силу для преобразования в электроэнергию. Некоторые учёные говорят о возможности использования в этих же целей энергию океанских и морских волн. Но степень целесообразности данного предложения весьма смутна, в силу рассеянности данного вида энергии на большой площади и практически невозможности её концентрации.
Кроме энергии приливов-отливов, течений и волн имеется также тепловая энергия океанов, которую, теоретически, возможно использовать на нужды человечества. По некоторым подсчётам при использовании приливов, можно получить 780 миллионов кВт электроэнергии. Под действием солнечных лучей вода из водоёмов испаряется, достигая определённой высоты, конденсируется и затем выпадает в виде дождя. Стекая с более высоких мест в низину, образовывает бурные потоки и водопады . На этом-то этапе и выгодно использование гидроэлектростанций , для преобразования энергии воды в электрическую.
В отличие от первых гидростанций, которые использовали течение рек в их первозданном виде, современные ГЭС строятся на искусственных дамбах, позволяющих многократно увеличить энергетический потенциал реки, путём повышения высоты падения воды.
Прогресс не стоит на месте, и сегодня изобретены турбины, получать достаточное количество энергии при меньших отливах и приливах, чем ранее.
В качестве вывода хочется заметить, что доля энергии, вырабатываемой всеми ГЭС мира, на сегодняшний день составляет всего 20% от всего мирового энергетического запаса. В плане развития данной отрасли в наиболее выгодном положении находятся страны третьего мира.
Иногда так бывает, что появляется хорошее настроение или вдохновение при встрече с интересным человеком и в особенности после общения с ним. Вот и в этот раз, после рассказа Анастасии о прекрасно проведенных выходных днях, о незабываемых впечатлениях, сразу же появилось желание написать о воде, как источнике энергии .
Но в начале, ее короткий рассказ.
«Река Южный Буг - сердце украинского Подолья. Катамаран, две байдарки и чудесная команда, с которой мы прошли в сплаве более 46 км. Я никогда не могла подумать, что Винницкая область может быть настолько красивой: могущественная река, гранитные скалы, что стоят на его защите и лес, который живет в гармонии с маленькими селами и их жителями.
Последняя стоянка была в поселке Печоры, где когда-то Константин Потоцкий (1816 - 1857) построил невероятный красоты парк и мельницу.
Мы общались с чудесными людьми Всеволодом и его внуком Алешей, которые живут в семейном доме, и развивают зеленый туризм. Что особенно приятно, Алеша приглашает молодежь попробовать пожить в селе. Значит, есть перспектива с созданием рабочих мест переселения городского населения в сельские районы. В это место хочется приехать снова не только из-за природы, но и за сокровищами, которые оставила семья Потоцких».
Среди разнообразия альтернативных видов энергии, особое место занимает вода, как источник энергии . И не случайно, эволюция развития человеческого общества напрямую связано с использованием энергии воды. Человек давно понял, что можно использовать энергию движущейся и падающей воды.
Развитие всей цивилизации обязано этим возможностям, а вначале на берегах рек и у водопадов стали строить мельницы, лесопилки и другие сооружения, которые в своей работе использовали силу водных потоков. Но по мере развития технического прогресса, с изобретением электричества, необходимость в строительстве сооружений у источников воды отпало. В механизмах, в качестве привода стали использовать электрическую энергию.
Однако, с ростом потребления электрической энергии начались интенсивные поиски наиболее дешевого его производства. И человек понял, что самой природой созданы условия для сооружения гидроэлектростанций, преобразующих энергию воды в электрический ток. Занимаясь строительством больших гидростанций, мы незаслуженно забыли малую гидроэнергетику.
И только энтузиасты, изобретатели и самоучки, которые хотели получить независимый источник электрической энергии в своем доме, неустанно совершенствовали конструкции механизмов на использовании энергии малых рек. Об одном из немногих таких энтузиастов я писал в этом материале .
Находясь в постоянном поиске чего-то нового и интересного в направлении малой энергетики, для обеспечения еще одним альтернативным источником энергии частного домовладения я познакомился с материалами компании AGRO-T, который соответствовал моим поискам. В этом материале как раз идет речь о домашней электростанции.
Что мне особенно понравилось, так это детальный анализ применения малых гидротурбин. Их уникальность в сравнении с другими альтернативными источниками энергии солнца и ветра. Привязка таких агрегатов к конкретным условиям. Технические характеристики и производимая электрическая мощность от скорости водяного потока. Даны расчеты и чертежи. Все это подтверждает, что материал представляет интерес исходя из практического опыта и применения.
Судите сами.
« Малые Гидро Турбины (250 - 5000W) предоставляют индивидуальным пользователям интересные бизнес модели.
Пользователи имеют доступ к использованию собственной микро гидроэлектростанции - турбине, получению собственной электроэнергии, а в случае ее излишков, передача ее простыми методами в общую электрическую сеть.
Модель привлекательна в отдаленных районах и не только для стран, которые имеют проблемы с электроэнергией, но и для стран, которые имеют электроэнергию в достатке. Питание в этих отдаленных районам может быть обеспечено из автономной сети, которая не является такой дорогостоящей, как строительство других, более крупных гидросооружений и гидросистем. Малые гидроэлектростанции и микротурбины не являются конкурентами для крупных гидроэлектростанций, они обеспечивают экономически и экологически разумной альтернативной энергией объекты в отдаленных районах.
Все больше и больше индивидуальных пользователей начинают получать электроэнергию через солнечные батареи, ветровые турбины, гидроэлектростанции. Наши Микрогидроэлектростанции использующие воду как источник энергии , могут быть объединены с альтернативными источниками для того, чтобы позволить пользователю создать индивидуальные электрические системы.
Конкуренция в сравнении с солнечными панелями PV (photovoltaic) и дизель-электрическим генератором
Затраты на производство кВт.ч энергии различаются в зависимости от скорости реки амортизационного времени установки.
В целом установка предназначена для 10 лет жизненного цикла.
Стоимость использования дизельного топлива для получения электроэнергии 0,30 Euro/кВт.ч
Солнечные панели становятся конкурентоспособными с 0,17 Euro/kВт.ч
Малая гидроэнергетика наиболее конкурентоспособна с 0,10 до 0,15 Euro/kВт.ч
Малые гидроэлектростанции могут быть объединены с солнечными панелями и дизельгенераторами
Рынок, где могут применяться такие мини ГЭС по сегментам (приоритет по размеру рынка).
Децентрализованная электрификация (пример: дома расположенные недалеко от водоема)
Модульные установки в системе каналов разных стран
Зеленая электроэнергия при подключении к общей сети
Сельскохозяйственный рынок (с дизельным приводом ирригационных насосов для поливных ситем, фермы, пастбища)
Мобильные и временные сооружения (для работы удаленных антенных комплексов, зарядных станций и оборудования, службы быстрого реагирования MЧС)
Выпускаемая продукция - минитурбины до 5 kВт, для рек с течением от 1,0 м/с
Преимущества использования.
Выпускается в двух вариантах: "плавающий" с поплавками для работы на поверхности и "углубленный" в воде с креплением якорями ко дну реки, канала или чеков
Возможность масштабирования, модульная система, т.е. использование нескольких агрегатов по 5kВт. До 1000 мВт,в одной системе.
Один агрегат позволяет в год произвести до 42.000 kВт.ч, больше чем соответствующие ветровые и солнечные установки
В отличии от других гидросистем строительство не разрушает ландшафт и экосистему водоема и не меняют русло реки
Получаемый постоянный или переменный ток может поступать как общую сеть, так и использоваться для зарядки блоков акуумуляторных батарей
В ночное время, при малом использовании электроэнергии, ее избыток может передаваться для работы других потребителей
Оборудование недорогое, легко транспортируется и перемещается в случае необходимости, легко собирается в рабочий комплект и просто в эксплуатации
Оборудование успешно работает на малых реках, где невозможно и неэффективно строительсво обычных гидросооружений с плотинами
Оборудование позволяет обеспечить электроэнергией места где отсутствует общая сеть, например сельскохозяйственные сооружения, небольшие поселения, удаленные туристические комплексы, выносные пункты питания
Оборудование легко развертывается для применения во время чрезвычайных ситуаций, эффективно заменяет дизельные электростанции (использование гидротурбин в 2-5 раз дешевле использования дизельэлектростанций, не требуется подвоз дизельного топлива, масел)»
Опыт компании подтверждает, что применение малых турбин позволяет использовать воду как источник энергии весьма эффективно и вполне финансово доступно. Это вызовет несомненный интерес у жителей, домостроения которых находятся вблизи малых рек. Такие технологии доступны многим людям, как тем, которые не имеют близко расположенных электрических сетей, так и тем, кто хочет иметь независимый источник электроснабжения.
Значительно более высоким КПД обладают гидроэлектростанции (ГЭС) ввиду отсутствия на них термодинамического цикла (преобразования тепловой энергии в механическую). На ГЭС используется энергия рек . Путем сооружения плотины создается разность уровней воды. Вода, перетекая с верхнего уровня на нижний либо по специальным трубам – турбинным трубопроводам, либо по выполненным в теле плотины каналам, приобретает большую скорость. Струя воды поступает далее на лопасти гидротурбины. Ротор гидротурбины приводится во вращение под воздействием центробежной силы струи воды. Таким образом, на ГЭС осуществляется преобразование:
Поэтому теоретически их КПД может достигать 90%. Кроме того, ГЭС являются маневренными станциями, время пуска их агрегатов исчисляется минутами. Гидроэнергетика представляет отрасль науки и техники по использованию энергии движущийся воды (как правило, рек) для производства электрической, а иногда и механической энергии. Это наиболее развитая область энергетики на возобновляемых ресурсах. Важно отметить, что в конечном итоге возобновляемость гидроэнергетических ресурсов также обеспечивается энергией Солнца. Действительно, реки представляют собой поток воды, движущийся под действием силы тяжести с более высоких на поверхности Земли мест в более низкие, и, в конце концов, впадают в Мировой океан. Под действием солнечного излучения вода испаряется с поверхности Мирового океана, пар ее поднимается в верхние слоя атмосферы, конденсируется в облака, выпадает в виде дождя, пополняя истощаемые водные запасы рек. Таким образом, используемая энергия рек является преобразованной механической энергией Солнца . Часто бывает, что в силу тех или иных изменений атмосферных условий этот кругооборот нарушается, реки мелеют или даже полностью высыхают. Другим крайним случаем является нарушение этого кругооборота, приводящее к наводнениям. Для исключения этих обстоятельств на реках перед гидроэлектростанциями строят плотины, формируются водохранилища, с помощью которых регулируется постоянный напор и расход воды. В странах, расположенных на берегах морей и океанов, возможно строительство приливных ГЭС, которые используют энергию приливов, возникающих за счет сил гравитационного взаимодействия Земли, Луны и Солнца. Опыт строительства и эксплуатации приливных ГЭС имеется, например, во Франции (1985 г.) и в бывшем СССР на Баренцовом море. В XX в. строились также ГЭС небольшой мощности, где в качестве преобразователя кинетической энергии воды в механическую энергию для вращения электрогенератора использовались водяные турбины. Энергия, заключенная в текущей воде, многие тысячелетия верно служит человеку. Огромным аккумулятором энергии является мировой океан, поглощающий большую ее часть, поступающую от Солнца. В нем плещут волны, происходят приливы и отливы, возникают могучие океанские течения. На земле рождаются многочисленные реки, несущие огромные массы воды в моря и океаны. И люди раньше всего научились использовать энергию рек в качестве путей сообщения. Когда наступил золотой век электричества, произошло возрождение водяного колеса в виде водяной турбины. Считают, что современная гидроэнергетика родилась в 1891 г.
В нашей стране гидроэлектростанции начали строить в 30-х годах прошлого века. Первенцем была Чигиринская ГРЭС на реке Друть в Могилевской области. В довоенные годы был построен ряд небольших гидроэлектростанций на малых реках. Большинство из них в годы войны были разрушены, а в первые послевоенные годы восстановлены и построены новые. К концу 1956 г. в нашей республики насчитывалось 162 ГЭС общей установленной мощностью 11854 кВт. Однако, начиная с 60-х годов, они начали закрываться, не выдержав конкуренции с большой энергетикой. В последние годы во многих странах мира, особенно в Японии, Англии, странах Скандинавии, возрастающий интерес проявляется к получению энергии от морских волн, в результате чего эксперименты переросли в стадию реализации проектов. Создано большое количество различных центров, поглощающих и преобразовывающих волновую энергию. В результате воздействия сил притяжения Луны и Солнца происходят периодические колебания уровня моря и атмосферного давления, что приводит к образованию приливных волн, которые и используются для выработки электроэнергии на приливных электростанциях (ПЭС). Из современных приливных электростанций наиболее хорошо известны крупномасштабная электростанция Ране мощностью 240 МВт (Бретань, Франция), построенная в 1967 году на приливах высотой до 13 м, и небольшая, но принципиально важная опытная станция мощностью 400 кВт в Кислой Губе на побережье Баренцева моря (Россия) . Блоки этой ПЭС буксировались на плаву в нужные места для включения ее в местные энергосети в часы максимальной нагрузки электроэнергии потребителями. Неожиданной возможностью океанской энергетики оказалось выращивание с плотов в океане быстрорастущих гигантских водорослей, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены природного газа. Большое распространению получает использование биомассы для получения электроэнергии. Большое внимание приобрела «океанотермическая энергоконверсия» (ОТЭК), то есть получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосами глубинными океанскими водами, например, при использовании в замкнутом цикле турбины таких легко испаряющихся жидкостей, как пропан, фреон или аммоний.
Большие запасы энергии содержаться в местах впадения пресноводных рек в моря и соленые водоемы. При наличии перепадов солености возникает осмотическое давление, которое может быть использовано для производства энергии, например, с помощью мембранных установок и другими способами. Остается заманчивой идея использования потока теплой воды Гольфстрима, несущего ее вблизи берегов Флориды со скоростью 5 миль в час. Наконец, не следует забывать, что химическая формула воды НОН (Н 2 О) содержит газ водород, который после извлечения из воды может использоваться в качестве горючего для самолетов, автомобилей, автобусов, как используется в настоящее время для этих целей сжиженный газ, газ метан. И опыт использования водорода в качестве топлива уже есть. На базе кузова и шасси автобуса MERSEDES-BENZ создан электробус на топливных элементах, получивший название NEBUS. В качестве топлива для него используется водород, который размещается в баллонах, установленных на крыше автобуса. NEBUS тяжелее базового автобуса на 3500 кг. При этом масса баллонов с водородом составляет 1900 кг. Силовая установка машины разработана канадской компанией Ballard. По габаритам она примерно соответствует дизелю, применяемому на автобусе этого типа. Мощность батареи топливных элементов – 250 кВт, пробег – 200 км. Для приведения в движение автобуса, рассчитанного на 42 места, применяются асинхронные двигатели мощностью 75 кВт. Количество вредных выхлопных газов, уровень шума у него меньше, чем у автобусов аналогичного класса 1. Гидроэнергетика базируется на использовании возобновляемых гидроэнергетических ресурсов, представляющих собой преобразованную энергию Солнца. Например, в Норвегии более 90 % электроэнергии вырабатывается на ГЭС. Стоимость 1 кВт-ч этой энергии обычно не более 0,04 доллара США, и она легко регулируется по мощности. Наряду с преимуществами у ГЭС имеются и недостатки, которые в ряде случаев ограничивают возможности их строительства и использования. Прежде всего это экологический ущерб, связанный с заполнением водой больших площадей при создании водохранилищ. В процессе эксплуатации станций происходит заиливание водохранилищ и плотин, изменяется климат, нарушаются условия для миграции рыб и др. Для ГЭС также характерны большие капитальные затраты на строительство .
Наша республика – преимущественно равнинная страна. В Государственной программе отмечается, что потенциальная мощность всех водотоков Беларуси равна 850 МВт. Технически возможно использовать около 520 МВт, экономически целесообразно – 250 МВт. В качестве основных направлений гидроэнергетики в Беларуси определены реконструкция и восстановление существующих ГЭС и сооружение новых различной мощности. Гидроэлектростанции подразделяются: в конструктивном отношении по схеме и составу основных гидротехнических сооружений на приплотинные и деривационные, сооружаемые на крупных, средних и малых реках; в народнохозяйственном отношении на крупные, средние и малые; по величине напора на низконапорные, средненапорные и высоконапорные. Различают также гидроэлектростанции по характеру регулирования речного стока их водохранилищами: с длительным (многолетним, годовым и сезонным), краткосрочным (суточным или недельным) регулированием и совсем без регулирования. В приплотинных ГЭС водосток регулируется посредством плотин. В деривационных ГЭС большая или существенная часть напора создается посредством безнапорных или напорных деривационных водоводов. В качестве безнапорного деривационного водовода могут быть использованы каналы, лотки, безнапорные туннели или сочетание этих типов водоводов. С самого начала (примерно с 80-х годов прошлого столетия) для производства электроэнергии в гидроэнергетике использовались в основном гидравлические турбины. Энергетическая программа Республики Беларусь до 2010 г. в качестве основных направлений развития малой гидроэнергетики в стране предусматривает:
– восстановление ранее действовавших малых гидроэлектростанций на существующих водохранилищах путем капитального ремонта и частичной замены оборудования;
– строительство новых малых ГЭС на водохранилищах неэнергетического назначения без затопления;
– создание малых ГЭС на промышленных водосбросах;
– сооружение бесплотинных (русловых) ГЭС на реках со значительными расходами воды.
Общую мощность малых ГЭС в республике предполагается довести к 2010 г. до 100 МВт. Бассейны рек Западная Двина и Неман, протекающих по территории Беларуси, относятся к зонам высокого гидроэнергетического потенциала, и использование его еще в 40-х годах XX в. намечалось путем строительства многоступенчатых каскадов ГЭС. Гидроресурсы Беларуси оцениваются в 850-1000 МВт.
Гидроэнергия -- это энергия, сосредоточенная в потоках водных масс в русловых водотоках и приливных движениях. Чаще всего используется энергия падающей воды. Для повышения разности уровней воды, особенно в нижних течениях рек, сооружаются плотины. Первый широко используемый для технологических целей вид энергии. До середины XIX века для этого применялись водяные колёса, преобразующие энергию движущейся воды в механическую энергию вращающегося вала. Позднее появились более быстроходные и эффективные гидротурбины. До конца XIX века энергия вращающегося вала использовалась непосредственно, например для размола зерна на водяных мельницах или для приведения в действие кузнечных мехов и молота. Сейчас практически вся механическая энергия, создаваемая гидротурбинами, преобразуется в электроэнергию.
Преобразование потенциальной энергии воды, накопленной в водоемах в механическую энергию вращения с целью приведения в действие мельниц и других механизмов применяется со времен Римской империи. Преобразование гидроэнергии в электрическую энергию стало возможным в конце XIX в. благодаря открытиям физики и техническому прогрессу. Крупные гидроэлектростанции начали появляться на рубеже XIX и XX вв.
Гидроэнергетические ресурсы на Земле оцениваются величиной в 32900 ТВтч в год, из них около 25% по техническим и экономическим условиям оказываются пригодными для использования. В таблице 1 содержатся данные о гидроэнергоресурсах в различных странах.
Гидроэнергетический потенциал рек бывшего СССР велик - 4000 ТВтч (450 млн. кВт среднегодовой мощности), или 12% от потенциала рек земного шара.
гидроэнергетика авария физический
Таблица 1
Физические принципы процесса преобразования энергии падающей воды в электроэнергию довольно просты, однако техническое их воплощение достаточно трудоемко. Вода под напором, создаваемым плотиной, направляется в водовод, который заканчивается турбиной. Турбина вращает вал, к которому присоединен ротор генератора. Выработка электроэнергии зависит от потенциальной энергии воды, запасенной в водоеме, и КПД ее преобразования в электроэнергию. Мощность ГЭС зависит как от количества воды, так и от перепада между водной поверхностью водохранилища и уровнем установки гидроагрегатов; этот перепад называется напором. Вода поступающая на турбину под высоким напором, имеет большую потенциальную энергию, чем при малом напоре, поэтому на высоконапорной ГЭС требуется меньший расход воды для получения одинаковой мощности. Чем выше напор, тем меньше необходимые габариты турбины, что удешевляет стоимость всего сооружения. В СНГ насчитывается около 775 тыс. рек общей протяженностью более 5 млн. километров. Общий объем среднемноголетнего речного стока составляет 4720 км3. К числу крупнейших рек относят Енисей - среднемноголетний сток 623 км3, Лена - 508; Обь - 397, Амур -373, Волга - 251, Печора - 131, Нева - 78, Амударья - 72, Днепр -52, Сырдарья - 36 км3. Распределение гидроэнергетических ресурсов по территории страны и данные об их использовании по состоянию, на конец 1980 г. приводятся в таблице 2.
Таблица 2
Другой путь использования водной энергии - приливные гидроэлектростанции (ПЭС). В некоторых районах мирового океана наблюдаётся очень большая амплитуда приливной волны и разность между верхней и нижней отметками прилива достигает 10 м. Если открыть шлюз в дамбе в то время, когда приливная волна набирает высоту, дать возможность заполниться водохранилищу и затем в высшей точке прилива шлюз закрыть, то накопленную воду можно во время отлива пропустить через турбины и таким образом выработать электроэнергию. Более эффективно, если турбины сделать реверсивными, в этом случае они будут работать как при заполнении водохранилища, так и при его опорожнении. Однако выработка электроэнергии на ПЭС возможна лишь в определенные промежутки времени суток, что затрудняет, использование приливной энергии в крупных энергосистемах. Значение суммарного энергетического потенциала, по оценкам специалистов, составляет 13000 МВт. Во Франции построены две ПЭС: одна мощностью 9 МВт, другая мощностью 240 МВт. В РФ эксплуатируется опытная ПЭС; на Кольском полуострове мощностью 7 МВт.