Гидроэлектростанции и их роль в энергетике

Гидроэлектроэнергия является одним из наиболее распространённых и доступных видов электроэнергии, широко используемых в таких странах, как Китай, Россия, Бразилия, США, Норвегия и др. Так, по данным Департамента информационного обеспечения в области энергетики США, в 2008 году около 70% от общего объема возобновляемой энергии, потребляемой в стране, было произведено с помощью гидроэлектростанций.

Технология использования энергии водных потоков имеет долгую историю, что обусловлено сравнительной легкодоступностью источников и практически полным отсутствием выбросов, которые могут оказать негативное влияние на окружающую среду.

Для производства электричества гидроэлектростанции используют энергию естественного тока воды – при этом данная технология может использоваться как на крупных, так и малых предприятиях.

В зависимости от вырабатываемой мощности гидроэлектростанции подразделяются на:

• Крупные – электростанции мощностью от 30 МВт и выше;
• Малые – станции мощностью от 100 кВт до 30 МВт;
• Микрогидроэлектростанции – станции мощностью до 100 кВт, используемые для обеспечения электричеством дома, фермы или небольшой деревни.

Крупные гидроэлектростанции

Крупные гидроэлектрические станции используются для обеспечения энергией центральных и изолированных энергосетей. В США, например, в настоящий момент гидроэлектростанции функционируют по меньшей мере в 34 штатах, и их совокупная мощность составляет более 80 000 МВт.

Плотинные гидроэлектростанции

Наиболее распространённым видом гидроэлектростанций является плотинная ГЭС. В данном случае используется плотина для перегораживания русла рек и создания водохранилища. Когда вода освобождается, она поступает на лопасти гидротурбины, которые приводят в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию. Спуск воды производится либо для поддержания уровня в водоеме, либо когда возникает спрос на электроэнергию.

Гидроаккумулирующие электростанции

Гидроэлектростанции с плотинами могут также использоваться для аккумулирования электроэнергии. Во время пиков потребления такие гидроаккумулирующие предприятия функционируют по принципу традиционных ГЭС: вода поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться. Механическая энергия, таким образом, передается на гидрогенератор, который и вырабатывает электроэнергию. Однако во время провалов энергопотребления станция использует дешевую электроэнергию из энергосети; лопасти турбины крутятся в обратном направлении, и вода перекачивается из нижнего резервуара в водохранилище.

Деривационные гидроэлектростанции

Конструкция деривационных гидроэлектрических станций не требует наличия большой плотины (однако небольшие плотины все-таки иногда используются). В данном случае для приведения в движение турбины часть водного потока реки перенаправляется в водоотводный канал или трубу.

Технологии получения гидроэнергии не раз подвергались резкой критике в связи с изменением облика дикой природы, затруднением миграции рыб и ухудшением качества воды и режимов течений. В результате многие ученые предсказывают упадок отрасли к 2020 году. Многие из этих проблем уже удалось решить с помощью лестничных рыбоходов, рыбозаградительных решеток, турбин с новой конструкцией и регулярной аэрации водохранилищ.

Микрогидроэлектростанции

Микрогидроэлектростанции – это установки мощностью менее 100 кВт, используемые для получения механической энергии или электричества для ферм, хозяйств и небольших поселков.

Все гидроэлектрические системы используют энергию потока воды для производства электричества или механической энергии. Хотя существует несколько способов использования водных ресурсов для обеспечения энергоснабжения, на микрогидроэлектростанциях, как правило, используются так называемые русловые системы, которые не требуют наличия большого водохранилища.

В таких системах часть водного потока перенаправляется в водопроводящие сооружения – каналы, трубы или напорные водоводы – и поступает на лопасть турбины или водяное колесо. Текущая вода вращает колесо или турбину, которое передает крутящее усилие на вал. Движение может использоваться для механических процессов, например, перекачивания воды или для приведения в действие генератора постоянного или переменного тока, производящего электричество.

Русловые микроГЭС состоят из:

·         Водопроводящего сооружения – канала, трубы или напорного водовода – по которому поступает вода.

·         Турбины, насоса или водяного колеса, которые превращают энергию потока воды в энергию вращения.

·         Генератор постоянного или переменного тока, преобразующий вращательную энергию в электричество.

·         Электропроводка, по которой поставляется электричество.

В конструкции многих русловых гидростанций также часто используется инвертор, для преобразования низковольтного постоянного тока, производимого системой, в переменный ток с напряжением 120 или 240 вольт. 

Выпускаемые в продажу турбины и генераторы обычно продаются в комплексе. Самодельные установки требуют соотнесения мощности и скорости вращения лопастей турбины с возможностями генератора.

От того, соединена ли гидроэлектрическая микросистема с электросетью или функционирует автономно, будет зависеть слаженность работы всех ее компонентов. Например, в некоторых автономных системах используются батареи для аккумулирования производимого электричества. Однако, поскольку нагрузка гидроэлектрических систем в большой степени зависит от сезона, батареи могут быть не самым практичным решением. Используемые батареи должны располагаться как можно ближе к турбине, поскольку передача низковольтного электричества на длинные дистанции весьма затруднительна.

Плотины и другие элементы деривационных гидросистем редко используются в гидроэлектрических микростанциях. Они требуют дополнительных расходов и квалифицированной помощи инженера-строителя. Кроме того, плотины осложняют процесс технического обслуживания станции и увеличивают риск нанесения вреда окружающей среде. 

Подготовлено на основе материалов, размещенных на сайте Министерства энергетики США http://www.eere.energy.gov/

перевод с английского – Наталья Пристром