История гидроэнергетики

Введение   

 Энергетика – область общественного  производства, охватывающая энергетические  ресурсы, выработку, преобразование, передачу и использование различных  видов энергии. Энергетика каждого  государства функционирует в  рамках созданных соответствующих  энергосистем.  

Наиболее  часто в современной энергетике выделяют традиционную и нетрадиционную энергетики. К традиционной энергетике относят крупные ГЭС всех типов, АЭС и ядерные станции всех типов, двигатели внутреннего сгорания, ТЭС и теплоустановки, различные  виды синтетического топлива. К нетрадиционной энергетике относят гелиоэнергетику, биоэнергетику, альтернативную гидроэнергетику, ветроэнергетику и т.д. В данном реферате более подробно будет рассмотрена гидроэнергетика.[1]

1. История гидроэнергетики    

 Человек всегда жил возле водоёмов  и не мог не обращать внимание  на огромный потенциал воды  как источника энергии. Поэтому  история гидроэнергетики ведёт  своё начало ещё с древних  времён. Уже тогда люди научились  с помощью воды производить  помол зерна или дутьё воздуха  при выплавке металла.    

 Постепенно механизмы  совершенствовались, и водяные колёса  становились всё более эффективными. В конце девятнадцатого века  наступил современный этап в  развитии гидроэнергетики.  

Но  полномасштабное использование  водных ресурсов началось только в  двадцатом столетии, а точнее –  в тридцатых годах, когда вода начала использоваться человеком для  получения электричества. Именно в  это время в мире начинается строительство  крупных гидроэлектростанций.  

Гидроэнергетика прошла довольно долгий и интересный путь развития, о котором будет  рассказано в этом разделе.  

Трудно  сказать, когда человек начал  использовать водные ресурсы для  получения энергии. Самые ранние упоминания о подобных процессах  относятся к четвёртому веку до нашей  эры. При этом учёные склонны полагать, что использование воды происходило  параллельно во многих регионах планеты. Кстати, археологи обнаружили свидетельства  того, что водные ресурсы эксплуатировали  и на территории бывшего Советского Союза: на территории современной Армении  и в бассейне реки Амударья.  

Древние греки использовали водяное колесо для облегчения некоторых видов  тяжёлого ручного труда. Например, это  приспособление осуществляло перемол  зерна. Постепенно технологии совершенствовались, количество водяных колёс в европейских  государствах неуклонно росло. Так, в одиннадцатом веке в Англии и  Франции одна мельница приходилась  на двести пятьдесят человек. Согласно утверждениям историков, приблизительно в тринадцатом веке водяные мельницы появляются в средневековой Руси, а точнее – в её юго-западных и  северо-восточных регионах.  

С течением времени увеличивались  и сферы применения устройств. Водяные  мельницы обеспечивали работу сукновальных фабрик и откачивающих насосов, участвовали  в распилке леса, помогали человеку варить пиво, применялись на маслобойнях. До восемнадцатого столетия применялись  исключительно колёса нижнего боя. Позже появились среднебойные и  нижнебойные водяные колёса.  

Достижения  предыдущих столетий уже не могли  удовлетворять потребности человека в девятнадцатом веке. Толчок дальнейшему  развитию гидроэнергетики дало изобретение  водяных турбин. Хотя попытки создания более совершенного по сравнению  с водяным колесом механизма  предпринимались и до этого. Так, ещё в шестнадцатом веке на Урале  использовали быстроходное мутовчатое колесо с вертикальным расположением  вала. В таких механизмах вода попадала на изогнутые лопасти колеса из специального желоба.  

Впоследствии  аналогичным образом были устроены свободноструйные водяные гидротурбины. Но полноценная водяная турбина  была создана только в начале девятнадцатого века. Её создание – заслуга нескольких талантливых изобретателей. Одним  из них русский исследователь  И. Сафонов, который в 1837 году произвёл установку сконструированной им водяной турбине на реке Нейве. Два  года спустя Сафонов усовершенствовал собственное изобретение, установив  несколько переделанную турбину  на одном из местных заводов. Параллельно  с Сафоновым над созданием  водяных турбин работал французский  учёный Фурнейрон. Изобретённое им устройство было представлено в 1834 году. Изобретения, сделанные обоими учёными, быстро завоевали  популярность, и в течение последующих  пятидесяти лет появляется множество  самых разнообразных турбин.   

Уже в конце девятнадцатого века происходит событие, которое фактически откроет  современный этап в истории мировой  гидроэнергетики. В 1891 году русский  инженер М.О. Доливо-Добровольский, проживающий в Германии и покинувший Россию по причине своей политической неблагонадёжности, прибыл в город  Франкфурт-на-Майне для участия  в электротехнической выставке. Там  он должен был продемонстрировать свой изобретение – двигатель переменного  тока. Тогда подобный аттракцион вообще был в новинку, но автор решил  дополнить его ещё одним сооружением.   

Это была гидроэлектростанция. В небольшом  городке Лауффен Доливо-Добровольский  установил генератор трёхфазного  тока, который вращала водяная  турбина небольших размеров. Вырабатываемая электроэнергия поступала на территорию выставки посредством линии передачи. Её длина равнялась 175 километрам. Сегодня никого не удивляют линии протяжённостью в несколько тысяч километров, но в те времена всё это было бесспорной сенсацией. Эпоха гидроэлектростанций началась.  

Несмотря  на открытие Доливо-Добровольского, дальнейшее развитие гидроэнергетики было замедлено  некоторыми объективными факторами. Строительство  крупных гидроэлектростанций, которые  были бы действительно эффективными, оказалось предприятием более сложным, чем экспериментальная установка, показанная на выставке. Ведь чтобы  заставить вращаться большие  турбины, необходим значительный запас  воды.  

В начале двадцатого века такое строительство  представлялось довольно сложным. За первые два десятилетия нового века было построено всего лишь несколько  гидроэлектростанций. Но это было только начало. Уже в тридцатых годах  были сооружены крупные станции, например, ГЭС Гувер в США мощностью  в 1,3 Гиговатт.  

Другим  ярким событием в истории американской гидроэнергетики стало открытие гидроэлектростанции Адамс, расположенной  на Ниагарском водопаде. Её мощность достигала 37 МВт.   Запуск таких мощных гидроэлектростанций  обусловил увеличение объёмов потребляемой энергии в промышленно развитых странах, что, в свою очередь, дало толчок программам освоения гидроэнергетических  потенциалов.   

В начале двадцать первого века гидроэнергетика  обеспечивает до шестидесяти трёх процентов  возобновляемой энергии в мире. Это  девятнадцать процентов всей мировой  электроэнергии. Установленная гидроэнергетическая  мощность составляет 715 Гвт.  

Такие страны как Норвегия, Исландия и  Канада являются лидерами по выработке  гидроэнергии на гражданина. Наиболее активно ведет строительство  гидроэлектростанций Китай. Для  этого государства гидроэнергия является наиболее перспективным источником энергии и, очевидно, он в скором времени станет основным. Кроме того, именно Китай является мировым лидером  по количеству малых гидроэлектростанций.   

Наиболее  крупные ГЭС расположены на территории Китая (Санься на реке Янцзы, Бразилии (Итайпу на реке Парана и Тукуруи  на реке Токантин), Венесуэлы (Гури на реке Карони).[2]

2.Конструкция  и работа ГЭС  

Гидроэлектростанция представляет собой комплекс различных  сооружений и оборудования, использование  которых позволяет преобразовывать  энергию воды в электроэнергию. Гидротехнические сооружения обеспечивают необходимую  концентрацию потока воды, а дальнейшие процессы производятся при помощи соответствующего оборудования.  

 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. Гидроэлектростанции подразделяются: в конструктивном отношении – по схеме и составу основных гидротехнических сооружений – на приплотинные и деривационные, сооружаемые на крупных, средних и малых реках; в народнохозяйственном отношении - 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 величине напора – нанизконапорные (при напорах ниже 20-25 м), средненапорные ( от 20-25 до 70-75 м) ивысоконапорные (свыше 7—75 м ). Различают также гидроэлектростанции похарактеру регулирования речного стока их водохранилищами: с длительным(многолетним, годовым и сезонным), краткосрочным ( суточным или недельным)регулированием и совсем без регулирования.    

 В приплотинных  ГЭС водосток регулируется посредствам плотин. В результате подпора воды, создаваемого плотиной, возникает статическая разность между уровнями верхнего и нижнего бьефов ГЭС, называемая статическим напором.   

 В деривационных  ГЭС большая или существенная часть напора создается посредствам безнапорных или напорных деривационных (обходных водоводов). В качестве безнапорного деривационного водовода могут быть использованы каналы, лотки, безнапорные туннели или сочетание этих типов водоводов.[3] 

Работа  гидроэлектростанций основана на использовании  кинетической энергии падающей воды. Для преобразования этой энергии  применяются турбина и генератор. Сначала эти устройства вырабатывают механическую энергию, а затем уже  электроэнергию. Турбины и генераторы могут устанавливаться непосредственно  в дамбе или возле неё. В  некоторых случаях используется трубопровод, посредством которого вода, находящаяся под давлением, подводится ниже уровня дамбы или  к водозаборному узлу ГЭС.  

Индикаторами  мощности гидроэлектростанций являются две переменные: расход воды, который  измеряется в кубических метрах и  гидростатический напор. Последний  показатель представляет собой разность высот между начальной и конечной точкой падения воды. Проект станции  может основываться на каком-то одном  из этих показателей или на обоих.  

Современные технологии производства гидроэлектроэнергии  позволяют получать довольно высокий  КПД. Иногда он в два раза превышает  аналогичные показатели обычных  теплоэлектростанций. Во многом такая  эффективность обеспечивается особенностями  оборудования гидроэлектростанций. Оно  очень надёжно, да и пользоваться им просто.   

Кроме того, всё используемое оборудование обладает ещё одним важным преимуществом. Это длительный срок службы, что  объясняется отсутствием теплоты  в процессе производства. И действительно  часто менять оборудование не нужно, поломки случаются крайне редко.  

Минимальный срок службы электростанций – около  пятидесяти лет. А на просторах бывшего  Советского Союза успешно функционируют  станции, построенные в двадцатых  или тридцатых годах прошлого века. Управление гидроэлектростанциями  осуществляется через центральный  узел, и вследствие этого в большинстве  случаев там работает небольшой  персонал.  

В настоящее время функционируют  гидроэлектростанции самой разной мощности. В связи с этим ГЭС  обычно разделяют на большие и  малые. 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.  

Малые гидроэлектростанции обычно обладают всеми преимуществами больших, но при  этом предоставляют возможность  подавать энергию децентрализовано. Кстати малые ГЭС выгодно отличаются и отсутствием некоторых недостатков, присущих большим станциям. Это, например, уменьшение или полное отсутствие негативного  влияния на окружающую среду.  

Малая энергетика позволяет каждому региону  использовать собственные ресурсы. На сегодняшний день в мире эксплуатируется  несколько тысяч малых гидроэлектростанций. Малые станции производят электроэнергию в тех случаях, когда уровень  воды в реке достаточен для этого. Если малая гидроэлектростанция  дополнена аккумуляторной системой, то существует возможность накопления полученной энергии, что помогает избежать перебоев в подаче электричества. Особый интерес малая гидроэнергетика  представляет для развивающихся  стран, поскольку не требует сложного и дорогостоящего оборудования.[4] 

3.Гидроэнергетика в Беларуси   

Потенциальные гидроэнергетические ресурсы Республики Беларусь и экологически приемлемые, экономически оправданные возможности  их использования обусловлены расположением в середине ее равнинной территории водораздела между бассейнами Балтийского и Черного морей, который делит страну на две почти равные части, вследствие чего вытекающие отсюда реки не могут достигнуть значительной мощности прежде, чем оставляют ее границы. Это предопределяет строительство в республике главным образом малых гидроэлектростанций.   

Запасы  гидроэнергоресурсов Республики Беларусь составляет теоретический потенциал ее рек - около 7,5 млрд. кВт. часов в средний по водности год, а его часть, которая путем выработки электроэнергии на ГЭС или иными техническими средствами может быть использована (технический потенциал), - 2,5 - 3,0 млрд. кВтч/год.   

В настоящее время экономический  гидроэнергопотенциал в Республике Беларусь составляет 1,3 млрд. кВт-ч/год, или 325 МВт общей установленной  мощности возможных ГЭС в условиях Беларуси. Его оценка проведена на основе сравнения удельных (отнесенных     на     производство     1     кВт-ч     электроэнергии,     в     долл.     США/кВтч) дисконтированных затрат по ГЭС с таковыми по альтернативной тепловой (газатурбинной) электростанции.