Энергия естественного потока обуславливается двумя составляющими — его извлекаемой потенциальной энергией, определяемой разностью начального и конечного уровней участка русла, и кинетической энергией, определяемой скоростью этого потока в той или иной точке. Эти энергии взаимосвязаны — именно разность уровней вызывает течение потока и, следовательно, определяет его кинетическую энергию. В традиционной гидроэнергетике используются оба вида энергии — одновременно или по отдельности, а также с преобразованием из одной формы в другую.
Способы использования потенциальной и кинетической энергии потока.
а — непосредственное использование потенциальной энергии;
б — использование кинетической энергии, полученной из потенциальной;
в — совместное использование кинетической и потенциальной энергии;
г — использование потенциальной энергии, полученной из кинетической;
д — непосредственное использование кинетической энергии.
Розовым цветом выделены взаимодействующие с потоком элементы.
При непосредственном использовании потенциальной энергии создаётся перепад уровней (как правило, с помощью плотины), и вода с верхнего уровня поступает в ковши, прикреплённые к цепи или установленные на колесе. Вся работа совершается за счёт веса воды в этих ковшах при опускании их к нижнему бьефу установки. Если нагрузка мала, установка вертится быстрее и ковши не успевают заполняться до краёв. При возрастании нагрузки ход замедляется и увеличивается заполнение ковшей, а в результате автоматически возрастает и вращающий момент. Плюсом является возможность практически полностью утилизировать всю потенциальную энергию воды. Минусом, помимо необходимости строить плотину, является сложность и ненадёжность цепной конструкции, а случае использования колеса — большие потери или необходимость довольно сложной механики управления наклоном ковшей.
Поэтому используется другой вариант — создаётся свободно падающая струя, в которой потенциальная энергия преобразуется в кинетическую, а внизу ставится колесо или турбина, воспринимающие уже эту кинетическую энергию струи (точнее, её скоростной напор). Такие установки получаются технологичнее, дешевле и надёжнее предыдущего варианта, однако здесь почти всегда неизбежны огромные непроизводительные потери падающей воды.
Если падающую струю заключить в трубу, то непроизводительные потери можно существенно сократить. А если при этом сечение трубы сделать обратно пропорциональным скорости струи в соответствующем месте (исходя из расхода воды в режиме без нагрузки), то потери будут сведены к минимуму и эффективность будет сравнима с непосредственным использованием потенциальной энергии воды, причём сохранятся простота и надёжность схемы с нижней установкой гидроагрегата, использующей скоростной напор. В случае возрастания нагрузки гидроагрегат начинает тормозить струю, и на него воздействует уже не только уменьшающийся скоростной напор, но и возрастающее гидростатическое давление накапливающейся в подающей трубе воды — вплоть до напора водяного столба, соответствующего полной высоте плотины. Но здесь, помимо самого строительства плотины, есть ещё одна проблема. Дело в том, что при непредвиденной резкой остановке гидроагрегата в подающей трубе может возникнуть мощнейший гидроудар. Наглядной иллюстрацией этому является трагическая авария на Саяно-Шушенской ГЭС.
Свободно-поточный гидроагрегат, представляющий собой колесо с полупогружными лопастями, конечно, использует и кинетическую энергию потока, вращаясь под действием скоростного напора. Однако если нагрузка возрастает и колесо замедляет ход, происходит то же самое, что можно наблюдать вокруг лопасти весла при гребле: с той стороны, где поток набегает на лопасть, вырастает «горб» (часть кинетической энергии потока преобразуется в потенциальную), а за лопастью образуется «впадина» за счёт гидродинамического подсоса жидкостью, ускоренно обтекающей нижний край лопасти. Получившаяся вокруг лопасти разность уровней обеспечивает дополнительное усилие, вращающее колесо. Скорость и сечение потока до и после такого колеса при этом могут быть практически одинаковы.
Наконец, полностью погружённый свободно-поточный гидроагрегат приводится в действие только скоростным напором потока, то есть работает за счёт его кинетической энергии. Правда, в этом случае для получения вращения эффективны только винтовые конструкции или конструкции с изменяемым положением лопастей. Минусом здесь является замедление потока при отборе его кинетической энергии, а значит, выход такого гидроагрегата должен иметь бóльшее сечение, чем его вход — в столько же раз, во сколько замедлился поток.
Для всех способов, использующих потенциальную энергию, минусом является необходимость строительства плотины со всеми сопутствующими этому огромными проблемами. Плюс же их в том, что теоретически они способны полностью использовать всю энергию, обеспечиваемую располагаемым перепадом уровней, при этом соотношение скоростей потока в верхнем и нижнем бьефе может быть любым. Дополнительный плюс — водохранилище, которое в таких случаях имеется почти всегда, позволяет аккумулировать и регулировать водосброс, в значительной степени компенсируя его естественную неравномерность.
У свободно-поточных агрегатов плюс заключается в отсутствии необходимости строить дорогую и потенциально опасную плотину, теряя под водохранилищем наиболее плодородные и обжитые приречные земли. А минусом является принципиальная невозможность извлечь всю кинетическую энергию потока, поскольку в таком случае поток придётся полностью остановить, и это будет уже не поток! Кроме того, чтобы пропустить весь объём воды, который, естественно, не изменяется, сечение русла после такого гидроагрегата должно быть больше сечения русла до него — во столько же раз, во сколько замедляется поток. Впрочем, это актуально только тогда, когда подобный гидроагрегат перекрывает существенную долю русла и тем самым создаёт заметный подпор потока. Если сечение агрегата намного меньше сечения русла, это осуществляется автоматически и внешне почти незаметно за счёт перераспределения скоростей воды вокруг агрегата.
Эффект Трещалова
Почему я связываю эффект, который является прямым следствием известных уже много веков физических закономерностей, с именем Трещалова? Потому что именно он рассмотрел и проанализировал этот эффект как отдельное самостоятельное явление. И это имеет вполне конкретные технические последствия, а не является очередной никому ненужной «сферической лошадью в вакууме», изобретённой ради получения учёной степени.