Введение
Люди очень давно научились использовать энергию воды для того, чтобы вращать рабочие колеса мельниц, станков, пилорам. Но постепенно доля гидроэнергии в общем количестве энергии, используемой человеком, уменьшилась. Это связано с ограниченной возможностью передачи энергии воды на большие расстояния. С появлением электрической турбины, приводимой в движение водой, у гидроэнергетики появились новые перспективы.
Одни из первых гидроэлектрических установок мощностью всего в несколько сотен ват были сооружены в 1876-1881 годах в Штангассе и Лауфене (Германия) и в Грейсайде (Англия). Развитие ГЭС и их промышленное использование тесно связано с проблемой передачи электроэнергии на расстояние. Сооружение линии электропередачи (170 км) от Лауфенской ГЭС до Франкфурта-на-Майне (Германия) для снабжения электроэнергией Международная электротехническая выставки (1891) открыла широкие возможности для развития ГЭС. В 1892 году промышленный ток дала ГЭС, построенная на водопаде в Бюлахе (Швейцария), почти одновременно в 1893 были построены ГЭС в Гельшене (Швеция), на реке Изар (Германия) и в Калифорнии (США). В 1896 году вступила в строй Ниагарская ГЭС (США) постоянного тока; в 1898 дала ток ГЭС Рейнфельд (Германия), а в 1901 стали под нагрузку гидрогенераторы ГЭС Жонат (Франция).
Убедительными сведеньями о первой в мире ГЭС можно считать и информацию о первой гидроэлектростанции Хорватии в городке Шибеник (1885 год). Напряжение переменного тока мощностью 230 кВт служило для городского освещения.
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. Полученная энергия освещала производственные помещения, обеспечивала работу телефонной станции, и питала электронасосы для откачки воды из рудниковых шахт.
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 Негаданный и 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.
На 2012 год гидроэнергетика обеспечивает производство до 21% всей электроэнергии в мире, установленная энергетическая мощность гидроэлектростанций (ГЭС) достигает 715 ГВт. Лидерами по выработке гидроэнергии в абсолютных значениях являются: Китай, Канада, Бразилия; а на душу населения - Норвегия, Исландия и Канада. Крупнейшими мировыми гидроэлектростанциями являются:
· Три ущелья (Китай, река Янцзы) - 22,4 ГВт,
· Итайпу (Бразилия, река Парана) - 14 ГВт,
· Гури (Венесуэла, река Карони) 10,3 ГВт,
· Тукуруи (Бразилия, река Токантинс) - 8,3 ГВт,
· Гранд-Кули (США, река Колумбия) - 6,8 ГВт,
· Саяно-Шушенская (Россия, река Енисей) 6,4 ГВт,
· Красноярская (Россия, река Енисей) 6 ГВт,
· Робер-Бурасса (Канада, река Ла-Гранд) 5,6 ГВт,
· Черчилл-Фолс (Канада, река Черчил) - 5,4 ГВт,
По состоянию на 2011 год в России имеется 15 действующих, достраиваемых и находящихся в замороженном строительстве гидравлических электростанций свыше 1000 МВт и более сотни гидроэлектростанций меньшей мощности.
При этом по экономическому потенциалу гидроэнергоресурсов Россия занимает второе место и мире (порядка 852 млрд. кВт ч.) после Китая, однако, по степени их освоения - 20% - уступает практически всем развитым странам и многим развивающимся государствам. Степень износа оборудования большинства российских гидростанций превышает 40%, а по некоторым ГЭС этот показатель достигает 70%, что связано с системной проблемой всей гидроэнергетической отрасли и ее хроническим недофинансированием.
Основные виды ГЭС
Русловые и плотинные ГЭС
Это наиболее распространенные виды гидроэлектрических станций. Напор воды в них создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое.
- плотина; 2 - затворы; 3 - максимальный уровень верхнего бьефа; 4 - минимальный уровень верхнего бьефа; 5 - гидравлический подъёмник; 6 - сороудерживающая решётка; 7 гидрогенератор; 8 - гидравлическая турбина; 9 - минимальный уровень нижнего бьефа; 10 - максимальный паводковый уровень
Приплотинные ГЭС
Строятся при более высоких напорах воды. В этом случае река полностью перегораживается плотиной, а само здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части. Вода, в этом случае, подводится к турбинам через специальные напорные тоннели, а не непосредственно, как в русловых ГЭС.
- плотина; 2 - водовод; 3 - площадка электротехнического оборудования высокого напряжения; 4 - здание машинного зала ГЭС.
Деривационные гидроэлектростанции:
Деривационные гидроэлектростанции. Такие электростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимая концентрация воды в ГЭС такого типа создается посредством деривации. Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы. Последние - спрямлены, и их уклон значительно меньший, нежели средний уклон реки. В итоге вода подводится непосредственно к зданию ГЭС. Деривационные ГЭС могут быть разного вида - безнапорные или с напорной деривацией. В случае с напорной деривацией, водовод прокладывается с большим продольным уклоном. В другом случае в начале деривации на реке создается более высокая плотина, и создается водохранилище - такая схема еще называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимой концентрации воды.
Схема деривационной гидроэлектрической станции: 1 - плотина; 2 водоподъёмник; 3 - отстойник; 4 - деривационный канал; 5 - бассейн суточного регулирования; 6 - напорный бассейн; 7 - турбинный водовод; 8 - распределительное устройство; 9 - здание ГЭС; 10 - водосброс; 11 - подъездные пути
Гидроаккумулирующие электростанции:
Такие ГАЭС способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные периоды (не пиковой нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы от внешних источников энергии и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность, вода из них поступает в напорный трубопровод и приводит в действие турбины.
Приливные ГЭС (ПЭС):
Особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. В приливных электростанциях используется перепад уровней воды (колебания уровня воды у берега могут достигать 12 метров), образующийся во время прилива и отлива. Для этого отделяют прибрежный бассейн невысокой плотиной, которая задерживает приливную воду при отливе. Затем воду выпускают, и она вращает гидротурбины которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для последующей работы в отсутствие приливов и отливов).
