Воздействие ГЭС на окружающую среду

При сооружении ГЭС обычно преследуют цель: выработки электроэнергии, улучшения  условий судоходства по реке и  орошения земель. ГЭС обычно имеют  водохранилища, позволяющие запасать воду и регулировать ее расход и, следовательно, рабочую мощность станции так, чтобы  обеспечить наиболее выгодный режим  для энергосистемы в целом.

Процесс регулирования заключается  в следующем. В период времени, когда  нагрузка энергосистемы мала (или  естественный приток воды в реке велик), гидроэлектростанция расходует  воду в количестве, меньшем естественного  притока. При этом вода накапливается  в водохранилище, а рабочая мощность станции относительно мала. В другой период времени, когда нагрузка системы  велика (или приток воды мал), гидроэлектростанция  расходует воду в количестве, превышающем  естественный приток. При этом расходуется  вода, накопленная в водохранилище, а рабочая мощность станции увеличивается  до максимальной. В зависимости от объема водохранилища период регулирования  или время, необходимое для наполнения и срабатывания водохранилища, может  составлять сутки, неделю, несколько  месяцев и более. В течение  этого времени гидроэлектростанция  может израсходовать строго определенное количество воды, определяемое естественным притоком.

При совместной работе гидроэлектростанций  с тепловыми и атомными станциями  нагрузку энергосистемы распределяют между ними так, чтобы при заданном расходе воды в течение рассматриваемого периода обеспечить спрос на электрическую энергию с минимальным расходом топлива (или минимальными затратами на топливо) в системе. Опыт эксплуатации энергосистем показывает, что в течение большей части года гидроэлектростанции целесообразно использовать в пиковом режиме. Это означает, что в течение суток рабочая мощность гидроэлектростанции должна изменяться в широких пределах — от минимальной в часы, когда нагрузка энергосистемы мала, до максимальной в часы наибольшей нагрузки системы. При таком использовании гидроэлектростанции нагрузка тепловых станций выравнивается и работа их становится более экономичной.

В периоды паводка, когда естественный приток воды в реке велик, целесообразно  использовать гидроэлектростанции  круглосуточно с рабочей мощностью, близкой к максимальной, и таким  образом уменьшить холостой сброс  воды через плотину. Наиболее выгодный режим гидроэлектростанции зависит  от множества факторов и должен быть определен соответствующим расчетом.

Работа гидроэлектростанций характеризуется  частыми пусками и остановами агрегатов, быстрым изменением рабочей  мощности от нуля до номинальной. Гидравлические турбины по своей природе приспособлены  к такому режиму. Для гидрогенераторов этот режим также приемлем, так  как в отличие от паротурбинных  генераторов осевая длина гидрогенератора  относительно мала и температурные  деформации стержней обмотки проявляются  меньше. Процесс пуска гидроагрегата  и набора мощности полностью автоматизирован  и требует всего несколько  минут.

Гидростанции целесообразно строить  на горных и полуторных реках. На равнинных  реках их сооружение может приводить  к затоплению больших площадей пойменных  лугов и пахотных земель, лесов, снижению рыбных запасов и другим последствиям[5].

3. Воздействие ГЭС на окружающую среду.

Создание ГЭС связано  с затоплением земельных ресурсов. Всего в настоящее время в  мире затоплено более 350 тыс. км². В  это число входят земельные площади, пригодные для сельскохозяйственного  использования. Перед затоплением  земель не всегда проводится лесоочистка, поэтому оставшийся лес медленно разлагается, образуя фенолы, тем  самым, загрязняя водохранилище. Кроме  того, в прибрежной полосе водохранилища  меняется уровень грунтовых вод, что приводит к заболачиванию  местности и исключает использование  этой местности в качестве сельскохозяйственных угодий.

Рисунок 2 – Изменения  во взаимодействии с атмосферой.

Большие амплитуды колебаний  уровней воды на некоторых водохранилищах неблагоприятно сказываются на воспроизводстве  рыбы; плотины преграждают путь (на нерест) проходным рыбам; на некоторых  водохранилищах развиваются процессы эвтрофирования, в основном обусловленные  сбросом в реки и водоёмы сточных  вод, содержащих большое количество биогенных элементов. Биологическая  продуктивность водохранилищ увеличивается  при попадании в них с речной водой биогенных элементов (азота, фосфора, калия). Вследствие этого в  водоёмах усиленно развиваются сине-зеленые  водоросли, происходит т.н. цветение воды. На окисление обильно отмирающих водорослей расходуется большое количество растворённого в воде кислорода, в анаэробных условиях из их белка выделяется ядовитый сероводород, и вода становится мёртвой. Этот процесс развивается сначала в придонных слоях воды, затем постепенно захватывает большие водные массы – происходит эвтрофирование водоёма. Такая вода непригодна для водоснабжения, в ней резко снижается рыбная продуктивность. Интенсивность развития процесса эвтрофирования зависит от степени проточности водоёма и от его глубины. Как правило, самоочищение воды в озёрах и водохранилищах происходит медленнее, чем в реках, поэтому по мере роста числа водохранилищ на реке её самоочищающая способность уменьшается. 
            Для ГЭС характерно изменение гидрологического режима рек – происходит изменение и перераспределение стока, изменение уровневого режима, изменение режимов течений, волнового, термического и ледового. Скорости течения воды могут уменьшаться в десятки раз, а в отдельных зонах водохранилища могут возникать полностью застойные участки. Специфичны изменения термического режима водных масс водохранилища, который отличается как от речного, так и от озёрного. Изменение ледового режима выражается в сдвиге сроков ледостава, увеличении толщины ледяного покрова водохранилища на 15-20%, в то время как у водосливов образуются полыньи. Изменяется тепловой режим в нижнем бьефе: осенью поступает более тёплая вода, нагретая в водохранилище за лето, а весной – холоднее на 2-4ºC в результате охлаждения в зимние месяцы. Эти отклонения от естественных условий распространяются на сотни километров от плотины электростанции.

Изменение гидрологического режима и затопление территорий вызывает изменение гидрохимического режима водных масс. В верхнем бьефе массы  воды насыщаются органическими веществами, поступающими с речным стоком и вымываемыми  из затопленных почв, а в нижнем – обедняются, т.к. минеральные вещества из-за малых скоростей течения  осаждаются на дно. Так, в результате регулирования стока Волги поступление минеральных веществ в Каспийское море сократилось почти в три раза. Резко изменились условия стока Дона в Азовское море, что вызвало изменение водообмена Азовского и Чёрного морей и изменение солевого состава Азовского моря.

Как в верхнем, так и  в нижнем бьефе изменяется газовый  состав и газообмен воды. В результате изменения русловых режимов в  водохранилищах образуются наносы.

Создание водохранилищ может  вызвать землетрясения даже в  асейсмичных районах из-за просачивания воды в границы разломов. Подтверждением этому служат землетрясения в  долинах рек Миссисипи, Чайры (Индия) др.

Урон, наносимый ГЭС, во многом можно уменьшить или компенсировать. Эффективным способом уменьшения затопления территорий является увеличение количества ГЭС в каскаде с уменьшением  на каждой ступени напора и, следовательно, зеркала водохранилищ. Несмотря на снижение энергетических показателей, низконапорные гидроузлы, обеспечивающие минимальное затопление земель, лежат  в основе всех современных разработок. Затопление земель также компенсируется культивацией почв в других районах  и повышением рыбной продуктивности водохранилищ. Ведь с каждого гектара  акватории можно получать больше животного белка, чем с сельскохозяйственных угодий. Для достижения этого служат рыбные заводы. Также следует уменьшать  площадь затопляемой земли на единицу создаваемой мощности. Для  облегчения прохода рыбы через сооружения гидроузла изучают поведение  рыб у гидротехнических сооружений, их отношение к потоку и температуре  воды, к рельефу дна и освещённости; создают рыбопропускные шлюзы –  с помощью специальных приспособлений её привлекают в рыбонакопитель, а  затем из предплотинных участков реки переводят в водохранилище. Радикальным же способом предупреждения эвтрофирования водоёмов является прекращение сброса сточных вод[6].

4. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Основным видом "бесплатной" неиссякаемой энергии по справедливости считается Солнце. Оно ежесекундно излучает энергию в тысячи миллиардов раз большую, чем при ядерном взрыве 1 кг урана (U2351).

Самый простой способ использования  энергии Солнца - солнечные коллекторы, в состав которых входит поглотитель (зачерненный металлический, чаще всего  алюминиевый лист с трубками, по которым протекает теплоноситель). Коллекторы устанавливаются неподвижно на крышах домов под углом к  горизонту, равным широте местности  или монтируются в кровлю. В  зависимости от условий инсоляции  в коллекторах теплоноситель  нагревается на 40-50° больше, чем  температура окружающей среды. Такие  системы применяются в индивидуальном жилье, практически полностью покрывая потребность населения в горячей  воде; в районных отопительных установках, а также для получения технологической  тепловой энергии в промышленности. Солнечные коллекторы производятся во многих городах России, и стоимость  их вполне доступна.

Электроэнергия от светового потока может производиться двумя путями: путем прямого преобразования в  фотоэлектрических установках, либо за счет нагрева теплоносителя, который  производит работу в том или ином термодинамическом цикле. Прямое фотоэлектрическое  преобразование солнечного излучения  в электрическую энергию используется на фотоэлектрических или солнечных  станциях, работающих параллельно с  сетью, а также в составе гибридных  установок для автономных систем ("экодомов" и пр.). Возможно также  комбинированное производство электрической  и тепловой энергии. В перспективе  предполагается, что солнечной энергии будет придаваться большое значение вследствие ее щадящего воздействия на окружающую среду по сравнению с большинством других источников энергии. Это со временем выльется в относительную экономичность, однако пока удельные капитальные вложения в фотоэлектрические установки превышают традиционные в пять и более раз.

Скорость и направление ветра меняются подчас очень быстро и непредсказуемо, что делает его менее "надежным", чем Солнце. Таким образом, возникают две проблемы, которые необходимо решить в целях полноценного использования энергии ветра. Во-первых, это возможность "ловить" кинетическую энергию ветра с максимальной площади. Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока. Вторая проблема пока решается с трудом. Может быть, одним из решений станет внедрение новой технологии по созданию и использованию искусственных вихревых потоков.

Наиболее распространенным типом  ветровых установок (ВЭУ) является турбина  крыльчатого типа с горизонтальным валом и числом лопастей от 1 до 3 в фиксированном положении с  небольшой регулировкой угла наклона. Турбина, мультипликатор и электрогенератор размещаются в гондоле, установленной  на верху мачты. В последних моделях  ВЭУ используются асинхронные генераторы переменной мощности, а задачу кондиционирования  вырабатываемой энергии выполняет  электроника. Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной  скорости их вращения, возможностью соединяться  непосредственно с генератором  электрического тока без мультипликатора  и высоким коэффициентом использования  энергии ветра.

Другая популярная разновидность  ВЭУ - карусельные ветродвигатели. Они  тихоходны, и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без  риска потерпеть аварию при сильном  порыве ветра. Тихоходность выдвигает  одно ограничивающее требование - использование  многополюсного генератора, работающего  на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов неэффективно из-за низкого КПД последних. Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем, "откуда дует ветер", что весьма существенно для приземных рыскающих потоков.

Экономический потенциал малых и мини-ГЭС составляет примерно 10% от общего экономического потенциала. Но используется этот потенциал менее чем на 1%. Сейчас начинается процесс восстановления разрушенных и строительства новых малых и мини-ГЭС. Однако малые ГЭС, построенные путем полного перегораживания русла рек плотинами, обладают всеми недостатками наших гигантов энергетики (ГЭС) и строго говоря, вряд ли могут быть отнесены к экологически чистым видам энергии.

 Бесплотинные микро-ГЭС для речек, речушек и даже ручьев существуют уже давно. Бесплотинная ГЭС мощностью в 0,5 КВт. в комплекте с аккумулятором обеспечит энергией крестьянское хозяйство или геологическую экспедицию, отгонное пастбище или небольшую мастерскую. Роторная установка диаметром 300 мм и весом всего 60 кг выводится на стремнину, притапливается на придонную "лыжу" и тросами закрепляется с двух берегов. Бесплотинная мини-ГЭС, успешно зарекомендовавшая себя на речках Горного Алтая, доработана до уровня опытного образца.

Энергию приливов вполне можно "приручить" на приливных ГЭС, которые демонстрируют достаточно хорошие экономические показатели, но ресурс их ограничен - требуются специфические природные условия - узкий вход в бухту и т.п. Совокупная энергия приливов оценивается в 0,09*1015 кВт*час в год[7].

5. Принципы действия и особенности влияния на окружающую среду

Принцип работы гидроэлектростанции  состоит в следующем. В результате действия гидротехнических сооружений ГЭС (плотины, водохранилища, шлюзов) на реке образуется большой перепад  в уровне воды, и, как результат, образуется большой напор воды. Вода падает сверху вниз прямо на лопасти турбины (гидротурбины), и приводит ее в движение. Гидротурбина вращается, и заставляет вращаться генератор. А генератор  в свою очередь начинает вырабатывать электрическую энергию.

Рисунок 3 – Схема плотины  гидроэлектростанции.

  Поток воды, который  падает на лопасти турбины,  образуется из-за того, что сверху  находится плотина. Плотина обычно  сооружается на равнинных реках,  ввиду малого уклона воды в  реке. На горных же реках плотина  сооружается реже, обычно для  эффективной работы горной гидроэлектростанции  достаточно деривации – естественного  движения воды сверху вниз. На  горных реках уклон русла очень  большой, может достигать 30-40 процентов.  На горных реках, где уклон  воды недостаточно большой, могут  сооружаться плотины. И тогда  используются вместе и плотина,  и деривация. 
             Напор воды обеспечивается также сооружением вместе с плотиной и водохранилища. Водохранилище обычно сооружается сверху, и обеспечивает резкий перепад уровня воды[8].