Как работает гидроэлектростанция — принцип работы, преимущества и недостатки

Дословная расшифровка аббревиатуры ГЭС: это гидроэлектрическая станция. Электростанция – это технологическая система, вырабатывающая электричество, трансформируя другие виды энергии. Приставка гидро- указывает, что они строятся на реках, преобразуют энергию воды.

Динамическая сила потока действует на лопаточные механизмы, они трансформируют кинетическую энергию в механическую, которая  и вращает ротор генератора электротока.

В технологической системе гидроэлектростанции в качестве источника энергии используются восполняемые природные ресурсы рек. Мощность потока увеличивается при создании плотин, образуется водохранилище. Оно обеспечивает бесперебойную круглогодичную работу станции.

При определении мест расположения электростанции учитываются силы естественных речных потоков и ресурсы рельефа, способные обеспечить их мощность.

Классификация ГЭС

Гидроэлектрические станции разделяются по степени напора водяного русла. В зависимости от него производится выбор генератора тока.

  • У низконапорных высота падения воды от 3 до 25 м, применяются поворотнолопастные турбины.
  • У средненапорных – от 25 до 60 м, турбины поворотно-осевые и радиально-осевые.
  • у высоконапорных – свыше 60 м, радиально-осевые и ковшовые турбины.

По принципу устройства в рельефе гидроэлектростанции подразделяются на несколько категорий:

  • в русловых и плотинных необходимый напор обеспечивается возведением водохранилищ, аккумулирующих воду и поднимающих её уровень на нужную высотную отметку;
  • принцип приплотинных станций основан на использовании станции в качестве сдерживающей воду плотины, турбины располагаются в нижней части, к ним вода устремляется по напорному тоннелю;
  • деривационные ГЭС используют естественную силу потока реки на высоких уклонных рельефах, водоотводы сглаживают угол потока, направляют его к генераторам тока (безнапорная деривация); напорная или смешанная деривация подразумевает создание водохранилища на верхней отметке, это позволяет увеличить напор отводимого потока;
  • гирляндная ГЭС – свободно-проточная; в речной проток опускаются трос с нанизанными на него роторами, вращающимися от движения воды (трос выполняет функцию вала, вращающего генератор тока); устанавливаются гирлянды единично или веером; поперек русла или под углом к течению, это бесплотинная ГЭС.

Как работает гидроэлектростанция

Гидроэлектростанции любого вида преобразуют силу воды в электрическую энергию. То есть, механический принцип работы ГЭС такой же, как у водного колеса: лопасти вращают вал. Только в электростанциях движение вала передается генератору. Любой вид электрогенератора по сути – замкнутый контур в магнитном поле. При вращении контура в нем создается поток электронов. Гидроэлектростанция – это целая система таких генераторов большой мощности.

Схема гидроэлектростанции

Способ создания напора

Напор обеспечивается перепадом уровня воды на коротком отрезке речного русла. Для этого создаются гидротехнические сооружения.

В станциях деривационного типа используется уровневый резерв рельефа в случае непригодного для строительства гидроэлектростанции русла реки (больший уклон реки, неровный рельеф и т.п.). Вода подводится к ГЭС по искусственному руслу или закрытому каналу. Такие гидроэлектростанции располагаются вдали от естественных водохранилищ и основного русла реки. Постоянность напора обеспечивается созданием уравнительного резервуара.

В станциях плотинного типа непрерывный поток обеспечивается водохранилищем, он же служит регулирующим водоемом. Станция в этом случае составляет единую систему с гидротехническим сооружением. На реках со средним напором 30-40 м (Волжский каскад) русловое здание встраивается в плотину, давление создается со стороны верхнего бьефа. При большом напоре (Красноярская ГЭС) воды возводятся приплотинные здания, они располагаются за основным гидротехническим сооружением, сдерживающим массу воды (находятся ниже плотины).

В станциях комбинированного типа напор создается одновременно сдерживающей воду плотиной и поступлением воды из деривационного канала.

Мощность ГЭС

Основной характеристикой ГЭС является показатель расчетной мощности, она исчисляется в Мегаваттах (Мвт). По этому показателю гидроэлектростанции подразделяются на малые (до 5 Мвт), средние (от 5 до 25 Мвт) и мощные (свыше 25 Мвт).

Это показатели годового цикла работы гидроэлектростанций. Рассчитывается мощность суточных, недельных и месячных циклов, поскольку на работу станции влияют сезонные условия. В разные времена года меняется уровень воды и, соответственно, сила потока.

Конструкция плотины

Главная задача плотины (дамбы) – перекрытие русла реки. В гидроузле русловых ГЭС перекрывающая воду плотина совмещается с водосливом, он располагается в соседстве с глухой частью. Через встроенные патрены контролируется фильтрация воды. Глухие плотины, полностью перекрывающие русло реки, устанавливаются на электростанциях деривационного типа. Они возводятся в гористых районах на реках с крутым сбросом воды. В этом случае вода направляется к ГЭС по искусственному руслу.

Для высоконапорных ГЭС возводятся бетонные плотины трех типов. Строительство арочного типа уместно в горном рельефе при перепадах до 300 м (Чиркейская электростанция). Соединяющая берега арка сдерживает давление воды на верхнем бъефе. В контрфорсных плотинах напор воды сдерживают жесткие ребра из железобетонных плит, соединенных балками (Зейскал ГЭС—115 м). Гравитационные плотины самые мощные по конструкции, для них требуется много бетона. Они выдерживают давление воды благодаря большому весу (Красноярская электростанция).

Земляные плотины бывают: а) намывными, жидкий грунт разжижается в условиях карьера и набрасывается на стенку, при высыхании твердеет; б) насыпными, горизонтальные слои насыпаются и уплотняются поэтапно. Верхняя часть таких плотин укрепляется железобетоном, нижняя – растительностью. Высота таких плотин достигает 300 м (Нурекская гидроэлектростанция).

Для возведения каменных дамб используется плотный скальный грунт и полнотелый кирпич высокой прочности (малая гидроэлектростанция п. Пороги, Челябинская область).

Машинный зал

Это часть гидроэлектростанции, где происходит выработка электроэнергии. На монтажной площадке устанавливаются гидроагрегаты, состоящие из гидротурбины и генератора тока. Машинный зал расположен на нижнем бьефе, поток воды приводит в действие турбины. Бывают станции с вертикальным и горизонтальным расположением турбин. Длина машинного зала зависит от типа используемых турбин, их количества. Машинный зал оснащен мостовым краном, его пути расположены на опорах. С помощью этого подъемного устройства турбины и генераторы заменяются. Управление турбинами и генераторами производится из здания электростанции.

Преимущества и недостатки

Плюсы и минусы ГЭС очевидны. Главное достоинство – возможность использовать природные возобновляемые ресурсы. Экономические преимущества гидроэлектростанций: 1) цена на электричество, вырабатываемое гидроэлектростанцией ниже, чем у ЭС других типов, 2) низкая себестоимость строительства. Мощность ГЭС легко регулировать отключением и включением гидроагрегатов без ущерба для работы станции в целом. Они эксплуатируются долгие годы.

К минусам можно отнести экологические последствия использования гидроэлектростанций. Строительство ГЭС нарушает природный рельеф, низинные места в округе попадают в зоны затопления водоемами. Хотя при работе ГЭС нет вредных выбросов, влияющих на окружающую среду, ощутимо пагубное воздействие на популяции рыбы. Нарушаются естественные промысловые пути. Но для промышленного разведения рыбы, наоборот, создаются условия.

Перспективы развития гидроэнергетики

Огромный энергетический потенциал многих рек пока не используется. По расчетам специалистов, мировой объем производства электроэнергии можно увеличить до 20 000 млрд. кВт/ч. Но гидроэнергетика во многом зависит от развития других отраслей, особенно турбиностроения. Пока неизбежны потери при передаче электроэнергии потребителям, так как гидроэлектростанции расположены в отдалении от мегаполисов. Неосвоенные речные ресурсы сосредоточены в районах с низкой плотностью населения. Толчком для развития гидроэнергетики могут стать новые технологии развития технологий аккумулирования и транспортировки электроэнергии.

Ссылка на основную публикацию