Гидроэнергетика

В данной работе описаны гидроэнергия, ее виды. А также какие виды возобновляемых источников энергии существуют.
Работа была защищена в июле 2013 года, в Университете Машиностроения, оценка пять. ...

Введение
1. Использование энергии воды
1.1. История использования гидроэнергии
1.2. Конструкция и работа ГЭС
1.3. Достоинства и недостатки гидроэнергетики
1.4. Малая гидроэнергетика
1.5. Перспективы развития гидроэнергетики в России и за рубежом
Заключение

В последние десятилетия на мировом энергетическом рынке все более остро ощущается разрыв между постоянно возрастающим спросом и ограниченным предложением. Однако увеличение выбросов парниковых газов (в первую очередь СО2), образующихся при сжигании углеводородных источников энергии (газа, угля, нефти и др.) является одной из главнейших глобальных экологических проблем. Атомная энергетика также оказалась достаточно уязвимой и опасной отраслью, о чем свидетельствуют недавние события в Японии. Все это подталкивает государственные органы, частные энергетические компании обратить свое пристальное внимание на возобновляемые источники энергии.

Гидроэлектростанции возводятся на реках, сооружая плотины и водохранилища. Большое значение для эффективности работы станции имеет выбор места. Необходимо наличие двух факторов: гарантированная обеспеченность водой в течение всего года и как можно больший уклон реки [3].Мощность, а. следовательно, выработка и размер сооружений современных гидроэлектростанций различаются в сотни тысяч раз – от 12000 МВт до нескольких сотен ватт. Эти ГЭС могут быть подразделены по различным признакам и отнесены к разным типам. Например, по величине напора ГЭС делятся на низконапорные (при напорах ниже 20 – 25 м), средненапорные (от 20 – 25 до 70 – 75 м) и высоконапорные (свыше 70 – 75 м); по мощности – на крупные (свыше 50 – 75 тыс.кВт), средние (от 3 – 5 до 50 – 75 тыс.кВт) и малые (до 3 – 5 тыс. к.Вт).По расположению плотины и схеме сооружений ГЭС – русловые, приплотинные, деривационные. Также можно классифицировать ГЭС по типу установленных турбин. Эти классификации, конечно, не являются совершенно независимыми: характеристика по одному из принципов, в конечном счете, характеризует ГЭС в целом. Так, с увеличением напора мощность ГЭС при неизменном расходе линейно растет, выработка также линейно увеличивается, но она ограничена величиной стока реки. 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.При увеличении напора с 2-5 метров до 10-15 метров гидроэлектростанция переходит из категории русловых ГЭС (рис. 3) в категорию приплотинных (рис. 4).Рис. 3. Схема русловой ГЭС.Рис. 4. Схема приплотинной ГЭС. Одновременно тип гидравлической турбины меняется с горизонтальной прямоточной на вертикальные пропеллерную (рис. 5а) или поворотно-лопастную (рис. 5б). С ростом напора выше 15-20 метров тип турбины меняется на радиально-осевой (турбина Френсиса) (рис. 5в).Аб в гРис. 5. Схема гидравлической турбины: а – вертикальная пропеллерная, б – вертикальная поворотно-лопастная, в – радиально-осевая, г – активная ковшовая.Дальнейший рост напора приводит к изменению типа ГЭС на деривационный (рис.6). При этом при достижении напора выше 100 м возможно изменение типа турбины на активную ковшовую (турбина Пельтона) (рис. 5г). Рис. 6. Схема деривационной ГЭС.На рис. 7 приведена диаграмма, позволяющая продемонстрировать области применения различных типов гидравлических турбин в зависимости от напора, расхода через турбину и её мощности. Но при этом необходимо отметить, что соображения стоимости, простоты обслуживания и производства могут заставить проектировщиков выбрать турбину и не в соответствии с данной диаграммой. Общий принцип изменения размеров основных энергетических сооружений ГЭС следующий: чем больше расход воды через ГЭС, тем более масштабны гидротехнические сооружения, включая размеры самих турбин, и чем выше напор ГЭС, тем меньше при том же расходе размеры основных сооружений ГЭС, включая размеры самих турбин.Рис. 7. Применение различных типов гидравлических турбин в зависимости от напора, расхода через турбину и её мощности.Гидравлические турбины кроме различия по вышеприведенным типам отличаются и принципом действия. Так, первые из перечисленных выше гидравлических турбин являются реактивными турбинами, а ковшовая турбина – активной турбиной. Реактивные турбины используют как прямое давление потока приходящей на их лопасти воды, так и реактивный импульс воды, сходящей уже в обратную сторону с лопастей турбины. Активные турбины используют только прямое давление воды на лопатки [12].Таким образом, турбины ГЭС преобразует энергию движущейся под напором воды в механическую энергию вращения. Вместе с рабочим колесом турбины вращается и вал, связывающий рабочее колесо с ротором генератора переменного тока. Благодаря явлению электромагнитной индукции происходит преобразование механической энергии в энергию электрического тока. Генератор вырабатывает переменный ток напряжением от 10 до 18 тыс. вольт. Но электроэнергию в таком виде невыгодно передавать на большие расстояния. Если повысить напряжение в 10 – 15 раз, тогда сила тока упадет, и он, проходя по проводам, будет меньше нагревать их. Станет меньше потерь, не понадобятся толстые и тяжелые провода.Напряжение повышают на электростанции трансформаторы (рис. 8). Это стержни-сердечники, собранные из тонких листов мягкой стали. На каждом — две обмотки: одна с небольшим числом витков толстой медной проволоки, вторая с немногочисленными витками более тонкого провода. Мы подаем напряжение, скажем, в 10 тыс. вольт на первичную обмотку, а со вторичной получаем сразу 100 или 200 тыс. вольт — во столько раз больше, во сколько больше витков на вторичной обмотке. Чтобы трансформаторы не сильно нагревались при работе, их погружают в баки с жидким маслом, хорошо отводящим тепло. Итак, чем выше напряжение (и, значит, меньше сила тока), тем выгоднее передавать энергию.  Рис. 8. Схема работы ГЭС.Существует еще одна разновидность ГЭС – это гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). ГАЭС способны запасать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты наибольших 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.В состав гидроэлектрических станций, в зависимости от их назначения, также могут входить дополнительные сооружения, такие как шлюзы или судоподъемники, способствующие навигации по водоему, рыбопропускные, водозаборные сооружения, используемые для ирригации, и многое другое.  Достоинства и недостатки гидроэнергетикиГлавным достоинством гидроэнергетики является использование возобновляемого источника энергии.Хотя у гидроэнергетики довольно низкий коэффициент использования установленной мощности (50 % по сравнению с 80-85% атомной энергетики), КПД использование гидростанций довольно высок. Во многом такая эффективность обеспечивается особенностями оборудования ГЭС. Оно очень надёжно, поломки случаются редко, часто менять оборудование не нужно: основное гидрооборудование меняется раз в 30 – 50 лет. Длительный срок службы объясняется отсутствием теплоты в процессе производства.Срок службы основных гидротехнических сооружений ГЭС  составляет 100 лет. На практике при  проведении необходимых ремонтных работ такие сооружения,  в первую очередь плотины, считаются практически вечными. На просторах бывшего Советского Союза успешно функционируют  станции, построенные в двадцатых или тридцатых годах прошлого века, а в Испании до сих пор эксплуатируются каменные плотины, построенные еще древними римлянами [6].В настоящее время функционируют гидроэлектростанции самой разной мощности. В связи с этим гидроэнергетику условно подразделяют на большую и малую. Большими считаются станции с мощностью более 10 Мвт, все остальные  соответственно признаны малыми.Для создания больших гидроэлектростанций  необходим ряд условий. Прежде всего, это хорошая инфраструктура, например, дороги, необходимые во время строительства объекта. Кроме этого, необходимо иметь  доступ к энергосетям, что позволит обеспечить электричеством большое  количество людей. Большие ГЭС являются либо государственной собственностью, либо принадлежат крупным компаниям. Для управления и обслуживания больших  станций необходим штат высококвалифицированных специалистов.По  причине большого размера станции  и возможности увеличении нагрузки себестоимость производимой энергии  довольно низка. Развитие большой гидроэнергетики возможно в тех случаях, когда  существует необходимость в большом централизованном энергопотреблении. Как правило, большие гидроэлектростанции обслуживают нужды крупной промышленности и мегаполисов. Если потенциал действительно велик, то большая гидроэнергетика в состоянии внести существенный вклад в общенациональное энергообеспечение.Гидроэнергетика предоставляет системные услуги (частоту, мощность) и является ключевым элементом обеспечения системной надежности Единой Энергосистемы России, располагая более 90% резерва регулировочной мощности. Благодаря тому, что гидротурбины допускают работу во всех режимах от нулевой до максимальной мощности, они позволяют плавно изменять мощность при необходимости. Из всех существующих типов электростанций именно ГЭС являются наиболее маневренными и способны при необходимости быстро существенно увеличить объемы выработки, покрывая пиковые нагрузки. Кроме этого, выработка электроэнергии российскими ГЭС обеспечивает ежегодную экономию 50 млн тонн условного топлива, а потенциал экономии составляет 250 млн тонн. Работа ГЭС позволяет снижать выбросы СО2 в атмосферу на величину до 60 млн тонн в год, что обеспечивает России практически неограниченный потенциал прироста мощностей энергетики в условиях жестких требований по ограничению выбросов парниковых газов. Кроме своего прямого назначения (производства электроэнергии с использованием возобновляемых ресурсов) гидроэнергетика дополнительно решает ряд важнейших для общества и государства задач. К ним относятся создание систем питьевого и промышленного водоснабжения, развитие судоходства, создание ирригационных систем в интересах сельского хозяйства, рыборазведение, регулирование стока рек, позволяющее осуществлять борьбу с паводками и наводнениями, обеспечивая безопасность населения [13].Но функционирование крупных ГЭС несет с собой и ряд проблем. Так, строительство ГЭС более капиталоемкое, нежели тепловых. Часто эффективные ГЭС более удалены от потребителя, чем ТЭЦ и ТЭС, т.к. строительство электростанции ведется только там, где есть большие запасы энергии воды. На горных реках с большим гидропотенциалом возведение гидротехнических сооружений связано с определенными рисами из-за возможных землетрясений.Существует  также проблема речного судоходства. В принципе, сооружение ГЭС оказывает  двоякое воздействие на судоходство: повышение глубины реки в верхнем  бьефе, что для судоходства выгодно, и необходимость (при сквозном движении судов) сооружения шлюзов, что влечет за собой дополнительные капиталовложения. Водохранилища часто занимают значительные территории, вызывая затопление сельскохозяйственных и лесных угодий, населенных пунктов [5]. Хотя с 60-х гг. начали использовать защитные сооружения для ограничении площади водохранилища, что уменьшает затопление прилежащих земель и снижает экономические траты (уменьшается размер упущенной выгоды). Экологические проблемы являются наиболее существенными при эксплуатации больших ГЭС. Сокращенные и нерегулируемые спуски воды из водохранилищ по 10-15 дней (вплоть до их отсутствия) приводят к перестройке уникальных пойменных экосистем по всему руслу рек. В результате этого наблюдается загрязнение рек, сокращение трофических цепей, снижение численности рыб, элиминация беспозвоночных водных животных, повышение агрессивности компонентов гнуса (мошки) из-за недоедания на личиночных стадиях, исчезновение мест гнездования многих видов перелетных птиц, недостаточное увлажнение пойменной почвы, негативные растительные сукцессии (обеднение фитомассы), сокращение потока биогенных веществ в океаны.Несмотря на то, что создание водохранилищ часто благоприятствуют увеличению запасов рыбы в самом водохранилище и осуществлению рыбоводства, плотины зачастую изменяют характер рыбного хозяйства, поскольку перекрывают путь к нерестилищам проходным рыбам. Это приводит если не к полному исчезновению некоторых популяций ценных видов рыб, то к существенному снижению их численности и сокращению ареала (Угорь европейский, лососевые, осетровые). Кроме этого уровень воды в реках, на которых построены плотины ГЭС, подвержен  колебаниям, определяемым электрической загрузкой ГЭС и, следовательно, количеством воды, которая должна протекать через ее турбины. Нередки случаи, когда икра, выметанная рыбами на мелководьях, гибнет (засыхает) вследствие понижения уровня воды.Вода мелководий интенсивно прогревается солнцем, что создает благоприятные условия для развития сине-зеленых водорослей. Они в большинстве случаев не используются и, разрастаясь, гниют, заражают воду и  атмосферу. Все вышеперечисленные проблемы возникают даже при штатном режиме работы. Однако крупные ГЭС представляют огромную угрозу не только окружающей среде, но и населению, народному хозяйству. Любая крупная плотина – это режимный объект, допуск на который ограничен. При постройке плотины предусматриваются как меры по ее защите, так и возможности ее подрыва в случае необходимости. Военные всех стран рассматривают любую плотину как оружие массового поражения, способное уничтожить войска, сооружения и коммуникации противника. Для любой плотины рассчитаны время и площадь поражения в случае ее разрушения. В истории существует подобный пример. В 1938 году в ходе Японско-Китайской войны Китай намеренно разрушил дамбы, контролировавшие реку Хуанхэ, для нанесения удара по японским войскам. Мирное население при этом оповещено не было. В результате применения энергии воды как оружия погибло, по разным оценкам, от 500 до 900 тыс. человек. Наступление японских войск на подступах к г. Чжэнчжоу было остановлено.Аварии на гидроэлектростанциях могут случаться и в мирное время, например в результате резкого ухудшения погодных условий. В 1975 году в Китае произошла авария на водохранилище Банкяо. Из-за выпадения большого количества осадков во время прохождения тайфуна «Нина» водохранилище местной ГЭС переполнилось. Несмотря на попытки исправить сложившуюся ситуацию произошло разрушение плотины и затопление нижележащих территорий. В результате каскадного разрушения плотин ниже по течению сразу погибло 26 тыс. человек, после затопления утонуло еще 145 тыс. Всего число пострадавших составило 11 млн. Авария на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 году произошла в результате несоблюдения правил эксплуатации (несвоевременный ремонт, превышение допустимых нагрузок и т.п.) В результате аварии погибло 75 человек, оборудованию и помещениям станции был нанесён серьёзный ущерб, произошло загрязнение воды нефтепродуктами, было нарушено водоснабжение некоторых поселков. Кроме этого недостаточно изучен вопрос, как нивелировать экологические последствия при выводе ГЭС из эксплуатации, так как ни одну из крупнейших гидроэлектростанций еще не выводили. Ясно одно: вывод ГЭС из эксплуатации потребует больших бюджетных затрат. Малая гидроэнергетикаМалые ГЭС обычно обладают всеми преимуществами больших, но при  этом выгодно отличаются и отсутствием некоторых недостатков, присущих большим станциям. К малым гидроэлектростанциям (МГЭС) относятся гидроэлектростанции, вырабатывающие сравнительно малое количество энергии, в среднем с мощностью до 5 – 10 МВт (по классификации, принятой в Швеции, Латвии с мощностью до 2 МВт, в США и России – до 30 МВт). Лидером в использовании малой гидроэнергетики в настоящее время является Китай: там эксплуатируется более 90 тысяч малых ГЭС.В настоящее время в стране действует около сотни ГЭС мощностью до 6 МВт, с суммарной мощностью 90 МВт и выработкой около 200 млн кВт·ч в год. Современные технологии малой гидроэнергетики позволяют генерировать качественную электроэнергию при минимальных эксплуатационных затратах и незначительной нагрузке на экосистемы. Несмотря на то, что удельные экономические показатели МГЭС обычно хуже, чем у больших гидроэлектростанций, малые ГЭС: – позволяют использовать потенциал малых рек и водотоков;– оказывают меньшую нагрузку на экосистему рек;– позволяют строить малые ГЭС без существенного затопления земель и без перекрытия полного створа реки;– способствуют развитию местной промышленности;– позволяют решать социальные проблемы региона;– требуют меньших первоначальных капитальных затрат и затрат на эксплуатацию.Создание малых водохранилищ оказывает положительное влияние на состояние водных систем малых рек, активизируя их способность к самоочищению и повышению качества воды. Аэрация воды при прохождении через турбину способствует улучшению кислородного режима водотоков, идет накопление биогенных элементов, повышается рыбопродуктивность. Зарегулированность стока малых рек приводит как к улучшению качества воды, для развития ихтиофауны. Водность малых рек в заселенных сельскохозяйственных районах постоянно снижается, особенно в меженный период. Водохранилища будут служить регулирующими емкостями для управления годовым стоком малых рек, способствовать повышению уровня грунтовых вод на пойменных территориях. Сооружение МГЭС на малых реках позволит решить не только энергетические, но и ряд рекреационных и экологических проблем обширных сельскохозяйственных территорий [4].Мировой опыт показывает, что освоение гидропотенциала малых рек решает проблемы энергоснабжения мелких потребителей. Например, в Китае малые ГЭС обеспечивают 30 процентов энергопотребления в сельских районах. Перспективы развития гидроэнергетики в России и за рубежомСейчас крупнейшими производителями гидроэнергии (включая гидроаккумулирующие станции) в абсолютных значениях являются Китай, Канада, Бразилия, США и Россия. Абсолютный лидер по выработке гидроэнергии на душу населения – Исландия. Кроме нее, этот показатель наиболее высок в Норвегии (доля ГЭС в суммарной выработке – 98 процентов), Канаде и Швеции. Однако в развитых странах уже освоена большая часть экономически целесообразного гидропотенциала, в частности в Европе это 75 процентов, в Северной Америке – около 70 процентов, и возможности для строительства крупных ГЭС практически исчерпаны. В то же время Африка (21 процент мировых гидроэнергетических ресурсов) и Азия (39 процентов) вносят в мировую выработку гидроэлектроэнергии лишь 5 и 18 процентов, соответственно. Южная Америка и Австралия вместе взятые, располагая примерно 15 процентами ресурсов, дают только 11 процентов производимой в мире гидроэлектроэнергии. Общий технический гидроэнергопотенциал России составляет 1670 млрд кВт-ч годовой выработки. Преобладающая его часть размещена в восточных районах страны, где сосредоточены огромнейшие запасы гидроресурсов Ангары, Енисея, Оби, Иртыша, Лены, Витима и других рек, природные условия которых позволяют сооружать мощные ГЭС. Экономический потенциал, как приемлемая для практического использования часть гидроэнергоресурсов, определен в целом по России в размере 850 млрд кВт-ч.