Общие положения. Гидроэнергетические ресурсы – запасы водной энергии рек, используемые для производства электрической энергии, являются возобновляемыми источниками энергии. Это самый дешевый источник получения электрической энергии, а гидроэлектростанции считаются наиболее эффективным направлением развития энергетики России.
Гидроэлектростанция (ГЭС) – это комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия водотока преобразуется в электрическую энергию. Она состоит из гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание сосредоточенного напора, и энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в электрическую энергию.
В зависимости от напора воды ГЭС подразделяют на высоконапорные (более 80 м), средненапорные (от 25 до 80 м) и низконапорные (до 25 м).
Основными сооружениями ГЭС на равнинной реке являются плотина, создающая водохранилище и сосредоточенный перепад уровней, т. е. напор, и здание ГЭС, в котором размещаются гидротурбины, генераторы, электрическое и механическое оборудование.
Упрощенная схема ГЭС представлена на рис. 3.5.
Плотина 1 создает напор Н между верхним бьефом и нижним бьефом. По водоводу 2 вода поступает на гидротурбину 4, на валу которой размещен генератор 3.
Вода под действием силы тяжести по водоводам движется из верхнего бьефа в нижний, вращая рабочее колесо турбины. Гидротурбина соединена валом с ротором электрического генератора. Турбина и генератор вместе образуют гидрогенератор. В турбине энергия водотока преобразуется в механическую энергию вращения на валу агрегата, а генератор преобразует эту энергию в электрическую. В России построены и успешно эксплуатируются Волжский, Камский, Ангарский, Енисейский и другие каскады ГЭС.
Рис. 3.5. Схема ГЭС
Гидроэлектростанции как источник электрической энергии имеют существенные преимущества перед тепловыми и атомными электростанциями. Они лучше приспособлены для автоматизации, маневренны и требуют меньшего количества обслуживающего персонала.
Экономический потенциал гидроэнергетических ресурсов составляет примерно 30 % от общего потенциала. В России экономический потенциал составляет примерно 850 млрд. кВт·ч/год и освоен приблизительно на 13 % (в Канаде – на 41 %, в США – на 45 %, в Норвегии – на 60 %). Самые крупные ГЭС России – каскад Волжских ГЭС мощностью 2530 МВт и менее, Братская ГЭС – 4500 МВт, Красноярская ГЭС – 6000 МВт, Саяно-Шушенская ГЭС – 6400 МВт и др.
Выработка электроэнергии на действующих ГЭС в России в 2002 году составила 170,4 млрд. кВт·ч.
В настоящее время большой интерес вызывает возможность создания малых ГЭС до 30 МВт. Они могут создаваться в короткие сроки с использованием унифицированного оборудования (гидроагрегатов, строительных конструкций) с высоким уровнем автоматизации систем управления.
При строительстве ГЭС создаются водохранилища, гидроузлы. Экономическая эффективность их использования существенно возрастает, если совместно решаются проблемы гидроэнергетики, рыбоводства, водоснабжения, ирригации и др.
