Работа гидравлических станций в значительной мере основывается на законах гидравлики. Она включает в себя гидростатику, изучающую равновесие жидкостей, и гидродинамику, изучающую движение жидкостей.
Территория, с которой стекает вода в реку, называется водосборным бассейном. Линия, проходящая по повышенным местам и отделяющая друг от друга соседние бассейны, называется водораздельной линией.
К водосборному бассейну моря относят водосборные бассейны всех рек, впадающих в данное море.
Количество воды, протекающей через поперечное сечение водотока в 1 с, называется расходом воды Q (м3/с или л/с).
Хронологический график изменения расходов воды во времени называется гидрографом. Его строят по результатам регулярных измерений расходов воды в реке. Суммарный объем воды, прошедший через поперечное сечение водотока за период времени называется стоком W.
Величина стока реки за любой промежуток времени, в течение которого расход воды (Q, м3/с, сохраняет постоянное значение, равна
W= Q t,
где t — число секунд в данном промежутке времени.
При различном расходе воды в течение всего рассматриваемогоинтервала времени (по гидрографу) объем стока определяется по формуле
Среднегодовой сток всех рек мира составляет 32 тыс. км3;
Запасы поверхностного стока по территории России распределены неравномерно, что весьма неблагоприятно для народного хозяйства, в том числе и для энергетики. Более 80% речного стока российских рек приходится на еще мало освоенные территории бассейнов Северного Ледовитого и Тихого океанов.
Особенностью стока реки является его неравномерное распределение как по годам, так и в течение года. Многолетняя неравномерность стока неблагоприятна для всех отраслей народного хозяйства, и прежде всего для энергетики.
Различают многоводные, средневодные и маловодные годы. В маловодные годы обычно значительно снижается выработка энергии на гидроэлектростанциях.
Для большинства рек России маловодный период наблюдается зимой, когда потребность в электроэнергии наибольшая.
Численное значение энергии водотока определяют следующим образом. Водоток разбивают на ряд участков, начиная от истока до устья, и определяют полную энергию потока жидкости в начальном Э1 и конечном Э2 створах участка, используя известное уравнение Бернулли. Теряемая энергия на этом участке будет равна разности Э1 и Э2:
| (5.1) |
где W— объем стока воды, м3;
g — ускорение свободного падения, м/с2;
ρ — плотность жидкости, кг/м3;
z1 и z2 — геометрическая высота над уровнем моря или над произвольно выбранной плоскостью сравнения, м;
Р1 и Р2 - давление, Па;
v 1 и v2 — средняя скорость, м/с;
α1 и α2 — коэффициент кинетической энергии, представляющий собой отношение действительной кинетической энергии к ее величине, полученной по средней скорости.
Разделив выражение (5.1) на время t, получим среднюю мощность водотока на данном участке:
| (5.2) |
Поскольку в естественных условиях разность кинетических энергий
незначительна, а давление одинаково, то выражения (5.1) и (5.2) принимают вид:
| (5.3) |
| (5.4) |
где Hуч = z1 — z2 — разность уровней (падение уровней) свободной поверхности водотока в пределах рассматриваемого участка, м.
Для водотоков с чистой пресной водой ρ = 1000 кг/м3 и при g = 9,81 м/с2 формула (5.4) приводится к удобному виду, кВт:
| (5.5) |
Формулы (5.3) и (5.5) выражают теоретическую (потенциаль-ую) энергию и мощность на рассматриваемом участке.
Суммируя потенциальные энергетические ресурсы по участкам водотока, получаем потенциальные энергетические ресурсы реки.
Гидроэнергетические ресурсы подразделяются на теоретические (потенциальные), технические и экономические.
Теоретические гидроэнергетические ресурсы — это теоретические запасы, определяемые по формуле
где Э — энергия, кВт • ч;
Qi — средний годовой расход реки на рассматриваемом участке, м3/с;
Нi — падение уровня реки на этом участке, м;
n — число участков;
8760 — число часов в году.
Они подсчитываются в предположении, что весь сток будет использован для выработки электроэнергии без потерь при преобразовании гидравлической энергии в электрическую.
Технические гидроэнергетические ресурсы — всегда меньше теоретических, так как они учитывают потери:
• гидравлических напоров в водоводах, бьефах, на неиспользуемых участках водотоков;
• расходов воды на испарение из водохранилищ, фильтрацию, холостые сбросы и т.п.;
• энергии в различном гидроэнергетическом оборудовании. Технические ресурсы характеризуют возможность получения энергии на современном этапе.
Экономические гидроэнергетические ресурсы — это часть технических ресурсов, которую по современным представлениям целесообразно использовать в обозримой перспективе. Они существенно зависят от прогресса в энергетике, удаленности ГЭС от места подключения к энергосистеме, обеспеченности рассматриваемого региона другими энергетическими ресурсами, их стоимостью, качеством и т.п.