Гидроэлектростанция (ГЭС): виды, принцип работы, как устроена и самые крупные
Без гидроэлектростанций невозможно представить современную жизнь. Энергия, вырабатываемая ГЭС, служит для обеспечения комфортной жизни человека. В нашей статье вы узнаете, что такое гидроэлектростанция, что нужно для ее строительства, какие самые популярные ГЭС существуют и многое другое.
Что такое ГЭС
Гидроэлектростанция – это электростанция, использующая энергию напора воды для преобразования в электроэнергию. Обычно ГЭС строят на реках.
У ГЭС множество преимуществ. Самое главное – в том, что используется возобновляемая энергия. При этом затраты труда самые минимальные, эксплуатация очень простая. Не происходит вредных выбросов в атмосферу.
Условия для строительства ГЭС
Есть несколько условий, при которых может быть построена гидроэлектростанция.
Перечислим их:
Наличие мощной реки, текущей под углом и обеспечивающей круглогодичный доступ воды
Вода активно испаряется из-за работы гидроэлектростанции. Если течение реки мощное, то оно будет вовремя компенсировать ту воду, которая испарилась.
Близкое расположение мест добычи сырья и различных стройматериалов
Могут возникнуть проблемы с доставкой необходимых стройматериалов и сырья. Поэтому лучше, если поблизости от гидроэлектростанции будет расположен, например, карьер, из которого можно будет добыть некоторое сырье.
Устойчивость почвы
В местах строительства ГЭС происходит большая нагрузка на почву. Так что нужно выбрать место с очень устойчивой почвой. Она должна выдерживать высокое давление.
Особенности получения гидроэнергии
Есть некоторые особенности добычи энергии из воды.
Перечислим их:
- Энергию воды перерабатывают в электричество.
- Это самый дешёвый способ получения энергии.
- Также это один из наиболее экологичных способов получения энергии.
- Низкое количество вредоносных отходов.
- Вода в реке постоянно возобновляется.
- В водохранилище появляется больше рыб.
- Есть мощные очистительные системы.
Классификация и виды ГЭС
Есть несколько подразделений ГЭС. Рассмотрим подробно каждую из них.
По принципу действия
По принципу работы ГЭС выделяются следующие виды:
- Плотинные ГЭС. Является самым распространённым типом. Для их работы строят плотины. Такая ГЭС может устанавливаться как у равнины, так и в месте сужения русла рек.
- Приплотинные. Их строят за плотиной при очень сильном напоре воды. Вода поступает по тоннелям.
- Деривационные. Они строятся с уклоном, в самом низу реки. Благодаря уклону вода не задерживается на долгое время.
- Гидроаккумулирующие (сокращённое название – ГАЭС). Для них строят верхний и нижний бассейн. Гидростанция при этом размещается рядом с нижним. ГАЭС осуществляет сбор электричества и использует его во время больших нагрузок.
По мощности
По мощности выделяют следующие виды ГЭС:
- Малые. Их мощность составляет до 5МВт.
- Средние. От 5 до 25МВт.
- Мощные. Более 25МВт.
По напору воды
От напора водных масс зависит, какие будут использоваться турбины. Ведь для разной нагрузки нужны разные турбины.
- Низконапорные. Их напор составляет от 3 до 25 метров.
- Средненапорные. От 25 до 60 метров.
- Высоконапорные. Более 60 метров.
Устройство и конструкция гидроэлектростанции
Главной частью гидростанции является машинный зал. В нем расположены все необходимые приспособления для переработки энергии водных масс – это турбины, генераторы и другое.
Рядом с гидростанцией устанавливают гидротехнические сооружения, такие как:
- Плотина (другое название – дамба);
- Очистительные сооружения;
- Резервуар для уравнивания;
- Трансформаторные станции.
Технические нюансы
Так как напор воды всегда разный, производительность ГЭС тоже разная. Как уже говорили ранее, в зависимости от напора воды необходим разный тип турбин.
Так, для высоконапорных станций используют ковшевую конструкцию. Вода в неё подается из сопел.
Если напор ниже, то применяются радиально-осевые или же поворотно-лопостные аппараты. Они подгружаются полностью в воду, у них может быть разный наклон, количество лопастей, строение и т.д.
Камеры для турбин делают из стали или железобетона. Здание гидростанции может находиться внутри плотины или рядом с ней, или же далеко от воды. В состав станций могут входить шлюзы, рыбоходы, водобросы.
Принцип работы, схема гидроэлектростанции
Для начала строят плотины. Далее вода начинает скапливаться в искусственном водохранилище, а оттуда она попадает в уравнительный резервуар. Далее поток воды проходит по турбинам. Лопасти начинают вращаться. От этого выделяется энергия, которая передаётся гидрогенератору. Так и получается, что энергия воды становится электроэнергией.
Роль плотины
Основным элементом гидроэлектростанции является плотина. Это очень большие перемычки, которые держат поток воды. Они могут быть разные в зависимости от конструкции. Например, гравитационные, арочные плотины и другие.
Цель плотины одна – удержать большую массу воды. С помощью плотины можно сконцентрировать потоки воды, направляя их на лопасти турбины. Благодаря обращению генератора создается электроэнергия.
Технологии производства электричества
Принцип работы ГЭС основывается на энергии падающих масс воды. Они перерабатываются в электрическую энергию посредством турбин и генератора. Турбины можно установить как в плотине, так и возле неё. Иногда применяют трубопровод. Через него может проходить вода, которая находится ниже уровня плотины.
Особенности возведения и эксплуатации
Вид ГЭС определяют по особенностям рельефа, водного потока. Для постройки генератора используются унифицированные элементы.
Оборудование, которое используется на гидроэлектростанции, износостойкое. Оно долго может находиться в эксплуатации и имеет совсем небольшие требования к обслуживанию. При этом устройство каждой станции особенное.
Преимущества и недостатки ГЭС
Можно выделить как преимущества, так и недостатки в работе гидроэлектростанций. Все они указаны здесь относительно тепловых и атомных электростанций.
Факторы, влияющие на выбор площадки для гидроэлектростанции
Расположение при строительстве гидроэлектростанции очень важно. Помимо строительства плотины, существуют и другие факторы. и неспособность решить их может привести к нескольким проблемам, включая затопление районов, прилегающих к станции.
Сырье
Материалы, используемые при строительстве плотин, определяют, будет ли она служить долго или эффективно служить своей цели. Материалы, из которых сделаны стены плотины, должны выдерживать силу воды. Это означает, что место для плотины должно быть в месте, где эти материалы, такие как цемент и балласт, могут быть легко найдены. Крайне важно использовать высококачественные материалы для предотвращения стихийных бедствий, таких как затопление водой в районах вблизи плотины.
Речной путь
Лучшее место для гидроэлектростанции должно быть вдоль пути реки. Это должно быть по крайней мере в каньоне реки или в месте, где река сужается. Это позволяет собирать воду или отводить реку. Если гидроэлектростанция стремится хранить максимум воды на плотине, объем бассейна, расположенного над плотиной, должен быть рассчитан, чтобы гарантировать, что плотина не страдает от проблем недостаточного водоснабжения, что, в свою очередь, повлияет на ход турбин.
Геологическое строение
Станция должна быть расположена в месте, где земля или каменная структура, на которой будет построена плотина, достаточно прочны, чтобы выдержать вес и силу воды в плотине. Стены должны обладать способностью удерживать и поддерживать как видимые, так и невидимые силы, как искусственные, так и естественные. Каменная структура должна выдерживать землетрясение и не допускать просачивания воды, поскольку это ослабляет плотину. Стены должны быть водонепроницаемыми, чтобы не быть ослабленными водой.
Достаточное количество воды
Поток воды к месту, где расположена плотина, должен быть достаточным для ее заполнения. Гидроэлектростанции, как правило, большие, что приводит к потере большого количества воды в результате испарения. Поток воды из реки должен быть достаточно высоким, чтобы компенсировать эту потерю воды, не влияя на количество произведенной электроэнергии.
Факторы, влияющие на формирование дельты
Большинство рек в конечном итоге впадают в океан. В точке пересечения между рекой и океаном образуется масса треугольной формы, называемая дельтой. Кончик треугольника находится у реки, а основание — у океана. В дельте течет множество ручьев, создавая множество маленьких островков. Много исследований имеет .
Факторы, влияющие на рост микроорганизмов
Микроорганизмы похожи на более сложные организмы в том, что им требуется множество материалов из окружающей среды, чтобы функционировать и выполнять две основные задачи — поставлять достаточно энергии для управления своими процессами и извлекать строительные блоки для ремонта или размножения.
Факторы, влияющие на температуру кипения
Температура кипения жидкости — это температура, при которой она превращается в пар. Жидкости превращаются в пар, когда их давление пара равно давлению окружающего воздуха. Давление паров жидкости — это давление, оказываемое жидкостью, когда ее жидкое и газообразное состояния достигли равновесия. Давление Самый большой .
Как устроена плотина и как она возводится
Одной из самых важных составляющих любой промышленной экономики являются электростанции, с помощью таких станций экономика обеспечивается электроэнергией. Во многих странах большое распространение получили гидроэлектростанции, или ГЭС, это те страны, которые имеют большой водный ресурс, в частности — реки. Обычно такие станции называются плотинами, состоят из специальных бетонированных дамб и целого комплекса сооружений, в которых размещается оборудование, с помощью которого «извлекается» электроэнергия из водяного потока, проходящего через дамбы. Следует хотя бы в общих чертах рассмотреть работу таких ГЭС и понять, по каким принципам они строятся.
Как работают плотины
Итак, плотины, или, что точнее, гидроэлектростанции — это гидротехнические сооружения, с помощью которых вырабатывается электрическая энергия в больших количествах. При этом используется энергия масс падающей воды, предварительно накопленной в сопутствующих плотинам водохранилищах. Преобразователем энергии кинетической в механическую является турбина, от которой физические усилия передаются на электрический генератор, который уже, в свою очередь, преобразует эту энергию в электричество.
Однако классификация ГЭС весьма обширна. Существуют не только гигантские станции, каждая из которых способна обеспечить электроэнергией миллионы людей и даже целые промышленные районы. Достаточно широко распространены совсем небольшие плотины, так называемые «микро-гидроэлектростанции», которые используются в основном для питания электроэнергией каких-нибудь небольших предприятий, или же всего нескольких жилых домов.
С точки зрения гражданского строительства, типичная плотина представляет собой стену, выполненную из твердого материала, перегораживающую реку так, чтобы блокировать ее поток и накопить массу воды. Основной целью большинства плотин является создание постоянного резервуара воды для последующего ее использования. Плотина должна быть водонепроницаемой, чтобы вода не вытекала через плотину без всякой пользы, нарушая гидрологический режим расположенной ниже по течению части реки и не являлась причиной затопления территорий. Поэтому существенной частью плотины является специальная «непроницаемая мембрана», то есть водонепроницаемая часть плотины, которая предотвращает утечку воды.
Однако плотина должна быть не только водонепроницаемой, но и устойчивой. Естественный земляной вал или каменный утес, с опорой на которые запруда построена (так называемые учредительство запруды) должны также быть водонепроницаемыми. Также должна хорошо держать массы запруженной воды и долина реки выше по течению, в которой резервуар хранения формируется. Если эти природные зоны не являются водонепроницаемыми, то вода может вытекать из резервуара, даже если сама плотина водонепроницаема. Утечка воды может происходить через естественные полости земли (пещеры, разломы скал), поэтому перед устройством плотины вся местность хорошо исследуется с применением самых современных средств геологической диагностики.
Устойчивость самой плотины достигается с помощью максимального упрочнения ее стен. Плотина должна противостоять не только давлению воды, собранной в озере выше по течению, но и собственному весу, особенно если, по крайней мере, часть стены плотины насыщена водой. Чем выше плотина, тем больше глубина водохранилища за плотиной, и тем больше давление воды на подводную часть стены дамбы. Также плотина должна противостоять другим силам, которым она может время от времени подвергаться, например, тряске от землетрясений. Угроза, которую землетрясения представляют для плотин, широко варьируется в зависимости от региона мира, в котором находится плотина. Поэтому при проектировании любых плотин в обязательном порядке к изысканиям подключаются и опытные специалисты-сейсмологи.
Для того чтобы вода из водохранилища не перетекала через верхний край дамбы в случае ее переизбытка, плотина должна иметь некоторый путь для выпуска «лишней» воды в контролируемом количестве по мере необходимости. В зависимости от назначения плотины вода может быть выпущена в трубопровод для снабжения города водой, или на ГЭС для получения электроэнергии, или просто производится выпуск излишка воды в русло реки без всякого использования, только лишь с целью снижения избыточного давления.
Если во время весеннего наводнения река, на которой построена плотина, переполнится, в водохранилище будет поступать очень большой объем паводковой воды. Обычно это намного больше воды, чем можно выпустить через клапан выхода. Поэтому плотина должна иметь некоторые средства, с помощью которых эти большие объемы паводковой воды могут течь вокруг плотины, не нанося ущерба самой плотине; а также территориям, расположенным ниже по течению. Для этого используется специальный водосброс, который в большинстве случаев представляет собой открытый прорезной канал, достаточно большой, чтобы направлять паводковые воды вокруг плотины. Если плотина построена из бетона, водосброс может быть частью самой стены плотины. Однако если плотина земляная, или ее тело состоит из каменной засыпки (грунт и разрушенная порода), водосброс должен быть отдельным сооружением. Дело в том, что паводковые воды не могут течь поверх насыпной плотины, не разрушая ее, так как неконтролируемый водный поток имеет очень большую мощность, а земля или каменная засыпка не могут ей противостоять в должной мере.
Строительство плотины
Для того чтобы построить плотину, инженеры должны сперва осушить часть реки, на которой они хотят разместить дамбу. Обычно это достигается путем отвода реки через тоннель, то есть нужно изменить русло реки, чтобы построить в намеченном месте прочное основание дамбы. Тоннель строится через одну сторону реки вокруг планируемой строительной площадки. Сначала бурится ряд отверстий в скале, взрывчатые вещества помещаются в буровые скважины, разрушенная порода удаляется. Эта процедура повторяется столько раз, сколько необходимо для завершения постройки тоннеля. Готовые водоотводные туннели часто облицовываются бетоном. Если же река равнинная, то просто роется обводной канал, который впоследствии легко перекрыть.
Обычно работы по отводу реки начинаются летом, когда уровень воды в ней самый низкий. Землеройное оборудование используется для того, чтобы построить малую запруду (коффердам) перед площадкой основной конструкции. Это действует как барьер для реки и заставляет ее течь в проделанный туннель. Другой коффердам строится ниже по течению от основной конструкции, он необходим для того, чтобы предотвратить обратный поток воды в район строительства. Вся вода, которая все же просачивается через коффердамы, активно откачивается специальными водяными насосами.
Водоотводные туннели не всегда необходимы при строительстве бетонных плотин. Иногда река просто направляется через большую трубу и плотину, построенную вокруг нее.
Методы строительства, используемые при строительстве плотины, зависят от типа строящейся плотины. Первый этап строительства включает удаление всех оставшихся после отвода реки скальных образований. Скалы взрываются, их остатки в виде щебня впоследствии можно использовать для строительных работ.
Строительство водохранилища – это один из самых ответственных этапов строительства всей ГЭС. Дно этой гигантской запруды должно быть хорошо проверено на наличие природных трещин, через которые могла бы уходить вода. Если трещины имеются, они расширяются бурением и в них под высоким давлением закачивается специальный водостойкий цементный раствор. В ряде случаев, особенно если плотина строится на равнинной реке, дно хорошо бетонируется, причем перед армированием основного массива покрытия производится подбетонка природной поверхности. Чтобы вода не просачивалась в породу по краям плотины, необходимо устраивать специальные бетонные плинтуса.
При строительстве плотины также возводятся и сопутствующие сооружения, главным из которых является здание самой электростанции, где размещаются генераторы. Сами турбины находятся в теле плотины. После полного завершения всего строительства водозаборный тоннель закрывается, и озеро начинает заполняться водой. Закрытие водоотводного туннеля осуществляется в два этапа. Во время низкой подачи большой многоразовый стальной строб опускается через вход. Обходной тоннель после этого преграждается бетонной пробкой. В некоторых дамбах водоотводные выходы устроены по типу штепсельных вилок, чтобы в случае экстренной ситуации воду можно было быстро выпустить.
Видео как работает плотина
Заключение
Любая плотина, даже небольшая, требует не только выполнения очень большого объема земляных и взрывных работ, но и привлечения самых высококвалифицированных специалистов. Также необходима специальная техника в большом количестве, но самое главное – требуются проверенные временем технологии сооружения таких станций, которые имеются только в экономически развитых странах.
В условиях энергоперехода гидрогенерация должна развиваться активнее. Что тормозит развитие ГЭС в России
Объем стока российских рек оценивается в 4,3 тысячи кубических километров в год, а их гидроэнергетический потенциал — в более чем 800 миллиардов киловатт-час в год, из которого освоена только пятая часть. Те же 20 процентов занимает гидрогенерация в энергобалансе страны. И это печально, потому что, например, как отмечали эксперты на круглом столе по гидрогенерации в ходе РЭН-2022, в Лаосе и Мьянме доля этого источника приближается к 90 процентам. В «угольной» Индии реализуется сейчас три десятка крупных проектов. А у нас, как заметил директор Института экономики и регулирования инфраструктурных отраслей НИУ «ВШЭ» Илья Долматов, строительства крупных ГЭС не наблюдается, а в программах ДМП (договоров о предоставлении мощности) доля ГЭС составляет около 3 процентов.
Основной задел гидрогенерации был создан, безусловно, в советское время, когда в десятилетие вводилось до 24 гигаватт мощностей. Тем не менее остались недостроенные объекты, завершение которых принесет несомненную пользу регионам и энергетическому сектору страны в целом, считает председатель правления, гендиректор «РусГидро» Виктор Хмарин. Это на 60 процентов готовая Крапивинская ГЭС на 345 мегаватт на реке Томь: суммы на достройку и на ликвидацию недостроя здесь аналогичны. Также компания считает необходимым построить две противопаводковые ГЭС: Селемжинскую на 100 мегаватт и Нижнезейскую на 400 мегаватт. Есть и проекты, необходимые для жизнедеятельности Дальнего Востока: это Мокская ГЭС (1200 мегаватт) в Бурятии и Канкунская (1000 мегаватт) в Якутии. «Компетенции есть, оборудование есть, люди тоже. Но на своем балансе «РусГидро» эти объекты не вытянет», — подчеркнул топ-менеджер компании.
По мнению экспертов, основная причина отсутствия крупных проектов в гидроэнергетике — нехватка господдержки. «Ради строительства ГЭС необходимо переселять людей, выкупать имущество, земельные участки, что влечет серьезные расходы. На это бизнес не готов идти, обычно компании планируют извлечение выгоды в рамках 5-10 лет», — рассказал «РГ» главный энергетик золотодобывающей компании Дмитрий Марков.
Но капиталоемкость и длительный (15-20 лет) срок возведения объекта — не единственные «недостатки» ГЭС. «Реализация таких проектов требует тщательного балансирования между экономической выгодой, социальными и экологическими аспектами. Тормозящими факторами могут быть технологические ограничения, связанные с особенностями гидрологических условий, необходимость проведения дополнительных исследований и обеспечение необходимой инфраструктуры — дорог, линий электропередач, водопроводов и т.д. Кроме того, существует ряд проблем с окружающей средой, включая потенциальное нарушение биологического разнообразия, изменение водных режимов и воздействие на жизнь коренных народов. Эти проблемы могут приводить к дополнительным затратам на экологические мероприятия», — считает гендиректор компании AtreIdea Сергей Белов.
В то же время гидроэнергетика обладает рядом весомых преимуществ перед другими видами генерации. Прежде всего, говорит гендиректор компании «Европейская Электротехника» Илья Каленков, это возможность построить электростанции большой мощности. Также это большая глубина регулирования гидроэлектростанций, возможность, например, снижать их мощность, пропуская часть воды мимо гидротурбины. «Последнее свойство выгодно отличает ГЭС от тепловой или атомной электростанции. АЭС, например, должна все время работать в режиме, близком к номинальному, то есть минимум 85 процентов от нагрузки. У ТЭЦ чуть глубже величина регулирования — примерно 70 процентов нагрузки. А у гидроэлектростанций — фактически от нуля до 100 процентов, причем нагрузка может меняться в очень короткий срок (около 4 минут. — Прим. ред.), регулируя сброс воды», — подчеркнул эксперт.
Вообще, помимо выработки электроэнергии ГЭС обладают и целым рядом других функций — это и борьба с наводнениями, и водоснабжение прилегающих населенных пунктов. Каскады ГЭС фактически увеличивают глубину рек, что позволяет использовать их для полноценного крупнотоннажного судоходства, как, например, на Волге и Каме. Кроме того, большинство плотин ГЭС являются мостовыми сооружениями, по ним открыто движение автотранспорта, добавил Илья Каленков.
Но если массовое строительство крупных ГЭС сейчас возможно лишь гипотетически, то уделять внимание малой гидрогенерации ничто не мешает.
«Строительство малых ГЭС существенно дешевле, быстрее, наносит меньший ущерб окружающей среде. МГЭС особенно актуальны для удаленных и труднодоступных районов, так как для их возведения достаточно малых рек или даже ручьев. Потенциал малой гидроэнергетики в России огромен: на данный момент доля выработки энергии МГЭС в общем энергобалансе страны составляет всего 0,37 процента», — сообщила «РГ» менеджер проектов по устойчивому развитию Школы управления СКОЛКОВО Анастасия Опанасенко.