РОЗДІЛ 2. Гідроенергетика

Багато тисячоліть служить людині енергія, укладена в поточній воді. Запаси її на Землі колосальні. Недарма деякі вчені вважають, що нашу планету вірніше було б називати не Земля, а Вода - адже близько трьох чвертей поверхні планети покриті водою. Величезним акумулятором енергії служить Світовий океан, що поглинає більшу її частину, що надходить від Сонця. Тут хлюпають хвилі, відбуваються припливи й відливи, виникають могутні океанські плини. Народжуються могутні ріки, що несуть величезні маси води в моря й океани. Зрозуміло, що людство в пошуках енергії не могло пройти повз настільки гігантських запасів енергії. Однак, раніше всього люди навчилися використовувати енергію рік.

Понад 2000 років тому в гірських районах Близького Сходу вже користувалися водяним колесом у вигляді вала з лопатками, зануреного в потік води. Пристрій такого колеса показано на рис. 2.1. Принцип роботи цього пристрою наступний. Потік води, відведений зі струмка або річки, давить на лопатки, передаючи їм свою кінетичну енергію.

Рис. 2.1. Перші водяні колеса.

Лопатки приходять в обертовий рух вал, з яким скріплений мірошницький жернов, який разом з валом обертається. Саме так працювали перші "механізовані" млини для зерна. Але їх споруджували тільки в гірських районах, де є річки й струмки з більшим перепадом і сильним напором. На повільно поточних потоках водяні колеса з горизонтально розміщеними лопатками малоефективні. Кроком уперед було водяне колесо Вітрувія (1 в. н.е.), схема якого показано на Рисунку 2.2. Це вертикальне колесо з більшими лопатками й горизонтальним валом. Вал колеса зв'язаний за допомогою дерев'яних зубчастих коліс, з вертикально встановленим валом, до якого приєднаний мірошницький жернов. Подібні млини й сьогодні можна зустріти в ряді країн.

Пристрою, у яких енергія води використовується для здійснення роботи, прийнято називати водяними (або гідравлічними.) двигунами. Найпростіші й самі прадавні з них - описані вище водяні колеса. Розрізняють колеса з верхнім, середнім і нижнім підведенням води. Водяне колесо, показане на рис. 2.2, працює за допомогою нижнього підведення води.

У сучасній гідроелектростанції маса води з великою швидкістю спрямовується на лопатки турбін. Вода із греблі тече через захисну сітку й регульований затвор – по сталевому трубопроводу до турбіни, над якою встановлений генератор. Механічна енергія води за допомогою турбіни передається генераторам і в них перетвориться в електричну енергію. Після здійснення роботи вода стікає в ріку через тунель, що поступово розширюється, втрачаючи при цьому свою швидкість. Схема такої гідроелектростанції показано на рис. 2.3. На цьому Рис.: 1- гребля; 2 - захисна сітка; 3 - сталевий трубопровід; 4 - турбіна з генератором; 5 - тунель, що розширюється, відводить воду; 6 -трансформатор; 7,8 - верхній і нижній рівні води.

Рис. 2.2. Колесо Вітрувія

Рис. 2.3. Спрощена схема гідроелектростанції

Сучасні гідроелектростанції класифікуються по потужності на наступні типи: дрібні (із установленою електричною потужністю до 0,2 МВт), малі ( до 2 МВт), середні (до 20 МВт) і великі (понад 20 МВт). Другий критерій, по якому розділяються гідроелектростанції - напір води. Розрізняють низьконапірні ГЕС (напір до 10 м), середнього напору (до 100 м) і високонапорні (понад 100 м). У рідких випадках греблі високонапірних ГЕС досягають висоти 240 м. Такі греблі зосереджують перед турбінами водну енергію, накопичуючи воду й піднімаючи її рівень. Слід зазначити, що будівля греблі великої гідроелектростанції є дуже складним технічним завданням. Це обумовлене тим, що для будівництва сучасної гідроелектростанції необхідно потужною греблею перегородити ріку й побудувати цілий комплекс складних інженерних споруджень. В енергетичному комплексі України гідроелектростанції посідають третє місце після теплових та атомних. Сумарна встановлена потужність ГЕС України нині становить 9% від загальної потужності об'єднаної енергетичної системи країни. Середньорічний виробіток електроенергії гідроелектростанціями дорівнює 10,8 млрд. кВт•год. Встановлено, що економічні та технічні можливості використання гідроенергоресурсів України дорівнюють близько 20 млрд. кВт•год., а нині використовується не більше 50%. Основний використовуваний потенціал зосереджений на ГЕС Дніпровського каскаду з 6 гідроелектростанції на річці Дніпро (потужність – 3,8 ГВт,

Рис. 2.4. Спрощена схема сучасної гідроелектростанції

виробіток – 9,9 ГВттод): Дністровський каскад ( гідроелектростанцій), Південний Буг (2 гідроелектростанції)

Сумарна встановлена потужність гідроагрегатів на ГЕС цих двох компаній - 4700 МВт.

• Загальна площа водосховищ – 6950 км2;

• Повний об'єм акумульованої води – 43,8 км3.

Окрім ГЕС і ГАЕС, в Україні нині експлуатуються 49 так званих малих ГЕС, які виробляють понад 200 млн. кВт•год електроенергії.

На Рис.2.4, у спрощеному виді показана будова сучасної гідроелектричної станції. Усі витрати, на будівництво ГЕС великі, але вони компенсуються тим, що не доводиться платити (у всякому разі, у явній формі) за джерело енергії - воду. Потужність сучасних ГЕС, спроектованих на високому інженерному рівні, перевищує 100 МВт, а К.К.Д. становить 95% (водяні колеса мають К.К.Д. 50-85%). Але поки повною мірою, використовується лише невелика частина гідроенергетичного потенціалу землі. Щорічно величезні потоки води, що утворювалися від дощів і танення снігів, стікають у моря й океани, залишаючись невикористаними. Якби вдалося затримати їх за допомогою гребель, людство одержало б додатково колосальну кількість енергії.

Останнім часом зусилля інженерів багатьох країн спрямовані на зниження вартості гідроелектростанцій. У цьому напрямку цікаво відзначити використання малих гідроелектростанцій, установлюваних на не більших ріках. На сьогоднішній день використання енергії невеликих водотоків за допомогою малих гідроелектростанцій представляє одне з найбільш ефективних напрямків розвитку альтернативної енергетики. Це обумовлене наступними причинами. При використанні малих гідроелектростанцій не виникають проблем властивих великої гідроелектростанції, а саме відсутня необхідність будівництва складних і дорогих гребель, гідроспоруд і затоплення місцевості. Міні гідроелектростанції можна встановлювати на не більших ріках і струмках, використовувати природні перепади висот на озерних водоскидах, розташованих поблизу місць безпосереднього споживання електроенергії.

У якості прикладу, на Рис 2.5. показаний пристрій міні гідроелектростанції - водяне колесо. Як видне з малюнка це колесо з лопатами, установлене перпендикулярно поверхні води. Колесо занурене в потік води менше ніж наполовину. Вода, впливаючи на лопаті, обертає колесо. Обертання передається на електричний генератор, який перетворить механічну енергію обертового руху в постійне або в змінну електричну напругу.

Основна вимога до таких пристроїв – це досить сильний потік води. Швидкість бігу води, для таких міні гідроелектростанцій повинна становити не менше 2-3 метрів за секунду. До переваг цього типу міні гідроелектростанцій ставиться їхня простота й мобільність, до недоліків ставиться мала продуктивність.