ГЭС в качестве источника энергии использует энергию водного потока. ГЭС строят на реках, сооружая плотины и водохранилища. Для эффективного производства энергии на ГЭС необходимы 2 основных фактора: гарантированное обеспечение водой в течение всего года и возможно больший уклон реки. Сток реки является возобновляемым источником энергии.
Принцип работы ГЭС простой. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопатки гидротурбины, которая приводит в действие электрогенератор. Напор воды создается или платиной или естественным потоком воды. В машинном зале станции расположены гидроагрегаты, преобразующие энергию потока воды в электрическую энергию. Также в здании станции существует большое количество дополнительного оборудования, устройств управления и контроля за работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительное устройство. В состав ГЭС в зависимости от ее назначения могут входить дополнительные сооружения, например, шлюзы и судоподъемники.
В зависимости от вырабатываемой мощности ГЭС делятся на: мощные – от 25МВт и выше; средние – до 25МВт; малые – до 5МВт. Мощность ГЭС зависит от напора и расхода воды, а также от КПД турбины и электрогенераторов. Так как уровень воды в зависимости от сезона постоянно меняется, принято брать цикличную мощность. Различают годичные, месячные, недельные и суточные циклы работы ГЭС.
В зависимости от величины напора воды, ГЭС делят на: высоконапорные – напор>60м; средненапорные – от 25 м; низконапорные – от 3 до 25 м.
Плотинная схема создания напора предусматривает подпор уровня водотока путем сооружения плотины. При этом образуется водохранилище, которое можно использовать в качестве регулируемой емкости, которая дает возможность периодически накапливать запасы воды и более полно использовать энергию водотока.
Плотинная схема создания напора
1 – водохранилище; 2 – плотина; 3 – турбинный трубопровод; 4 – здание ГЭС; 5 – гидравлическая турбина; 6 – электрогенератор; 7 – трансформатор.
В гидроузлах, выполненных по плотинной схеме создания напора, различают русловые и приплотинные здания. ГЭС с русловыми зданиями характеризуется тем, что здание входит в состав водоотпорных сооружений и воспринимает давление воды со стороны верхнего боефа. Боеф – часть водоема, расположенная по течению выше или ниже водонапорных сооружений. В этом случае конструкция здания должна удовлетворять всем требованиям устойчивости и прочности, которое предъявляются к самой плотине. Размеры здания и в частности его высота определяется создаваемым напором, поэтому ГЭС с русловыми зданиями строятся при сравнительно небольших напорах – до 30-40 м. ГЭС с приплотинным зданием характеризуется тем, что здание находится за плотиной и не воспринимает давление воды. На крупных современных ГЭС такого типа напор доходит до 300м.
Естественная схема создания напора позволяет получить перепад воды путем отвода части воды из естественного русла по искусственному водотоку, имеющему меньший продольный уклон. Благодаря этому уровень воды в конце водовода оказывается выше уровня воды в реке. Эта разность уровней создает напор ГЭС.
Деривационная (естественная) схема создания напора
1 – естественное русло реки; 2 – невысокая плотина; 3 – деривационный отвод; 4 – турбинный трубопровод; 5 – здание ГЭС.
Сооружение деривационной ГЭС целесообразно в горных условиях при больших уклонах реки и относительно малых расходах воды. На таких сооружениях можно получить большой напор – до 1000м и более и, соответственно, большую мощность.
Существуют комбинированные схемы, которые предусматривают создание напора с помощью плотин и деривационных сооружений.
Гидравлическая турбина. Гидравлическая турбина преобразует энергию воды в механическую энергию вращения вала. Существуют различные конструкции гидротурбин, но все эти турбины имеют только два лопастных венца. Лопасти 1-го венца позволяют регулировать расход воды через турбину. Второй венец образует лопасти рабочего колеса турбины. Два последовательно расположенных венца турбины составляют ступень турбины, т.е. все гидротурбины являются одноступенчатыми. Ось вращения большинства гидротурбин расположена вертикально. КПД современных гидротурбин и электрогенераторов не превышает 86%.
Вклад гидроэнергетики в мировое производство электроэнергии составляет 5%. Но в ряде стран гидроэнергетика занимает ведущее место. Например, на долю ГЭС в Бразилии, Канаде и Швеции приходится более 50% производства электроэнергии. В России – около 20%.
К положительным сторонам гидроэнергетики можно отнести отсутствие газообразных выбросов, которое имеют место при работе ТЭС, и сравнительно невысокую стоимость получаемой энергии. Наиболее выгодно строить ГЭС на горных реках. При строительстве ГЭС на равнинных реках возникают негативные экономические и экологические последствия.
Влияние ГЭС на окружающую среду
Создание водохранилищ приводит к затоплению больших территорий. В зону затопления может попасть с/х угодья, месторождения полезных ископаемых, промышленные и гражданские сооружении и т.д. Происходит подтопление прилегающих к водохранилищам прилегающих земель. Из-за подъема и снижения уровня воды в водохранилищах происходит разлив и разрушения берегов. В следствии снижения скорости течения и уменьшения перемещения воды по глубине изменяются физико-химические характеристики воды. Качество воды ухудшается. Водохранилища повышают влажность воздуха, изменяют ветровой режим водотока, это приводит к изменению природных условий, поэтому ГЭС необходимо проектировать с минимальным ущербом природе.