Мала гідроенергетика

3. Мала гідроенергетика

Термін "гідроенергетика" визначає область енергетики, що використовує енергію води, що рухається, як правило, річок. Ця енергія перетворюється або в механічну, або найчастіше в електричну. Крім гідроенергетики водними джерелами енергії є морські хвилі й припливи.

Гідроенергетика є найбільш розвиненою областю енергетики на відновлюваних ресурсах. Важливо відзначити, що відновлюваність гідроенергетичних ресурсів також забезпечується енергією Сонця. Дійсно, річки являють собою потоки води, що рухаються під дією сили ваги з більш високих на поверхні Землі місць у більш низькі й, зрештою, упадають у Світовий океан. Під дією сонячного випромінювання вода випаровується з поверхні Світового океану, пара її піднімається у верхні шари атмосфери, конденсується в хмари, і випадає у вигляді дощу, поповнюючи виснажені джерела рік (мал. 3.1). Таким чином, використана енергія рік є перетвореною в механічну енергією Сонця.

Рисунок 3.1 – Схема перетворення сонячної енергії в гравітаційну потенційну енергію води

Часто буває, що в силу тих або інших змін атмосферних умов цей кругообіг порушується, річки міліють або навіть повністю висихають. Іншим крайнім випадком є порушення цього кругообігу, що приводить до повеней.

Гідроелектростанції і їхнє устаткування використовуються дуже довго, турбіни, наприклад, близько 50 років. Це пояснюється умовами їхньої експлуатації: рівномірний режим роботи при відсутності екстремальних температурних і інших навантажень. Внаслідок цього вартість виробляємої на ГЕС електроенергії низка й багато які з них працюють із високим економічним ефектом. Наприклад, Норвегія робить 90% електроенергії на ГЕС. Виробляєму ГЕС енергію дуже легко регулювати, що важливо при її використанні в енергосистемах з більшими коливаннями навантаження.

Найбільш складними проблемами гідроенергетики є: збиток, який наноситься навколишньому середовищу (особливо від затоплення великих площ при створенні водоймищ), замулювання гребель, корозія гідротурбін і в порівнянні з тепловими електростанціями більші капітальні витрати на їхнє спорудження. Тому особливо перспективним у цей час є використання гідроенергетичних ресурсів малих рік без створення штучних водоймищ.

Оцінка потужності водного потоку. Нехай Q обсяг води, що надходить у робочому органі гідроенергетичної установки в одиницю часу (витрата, вимірювана в м³/с), H - висота падіння рідини (напір, вимірюваний у метрах), ρ - щільність води (кг/м³), g - прискорення сили ваги (9,8 м/с²). Тоді потужність водного потоку Р - визначається по формулі:

 (3.1)

Основним робочим органом гідроенергетичних установок, безпосередньо перетворюючих енергію води, що рухається, у кінетичну енергію свого обертання, є гідротурбіни, які підрозділяються на:

1)  активні гідротурбіни, робоче колесо яких обертається у повітрі потоком, що натікає на його лопатки потоком води;

2)  реактивні гідротурбіни, робоче колесо яких повністю занурено у воду й обертається в основному за рахунок різниці тисків перед і за колесом.

В активній гідротурбіні водний потік перед турбіною за допомогою водовода й сопла формується в струмінь, що направляється на ковші, розташовані на ободі колеса, приводячи його в обертання.

При швидкості потоку води 1,0 м/с енергетична щільність приблизно оцінюється в 500 Вт/м² (при поперечному розрізі ріки). Але для найменших гідроустановок тільки 60% енергії може бути теоретично отримано, тому їхня ефективність рідко досягає 50%, тобто реально використовується тільки 250 Вт/м² енергії за допомогою використання реального потоку води. Потужність, отримана від використання потоку води, пропорційна кубу швидкості води. Якщо швидкість потоку становить 2 м/с, то щільність повинна піднятися до 2000 Вт/м² і так далі.

У цей час використовуються наступні типи турбін:

1)  Турбіна Пелтона (Pelton turbine РТ);

2)  Турбіна Франциска (Francis turbine РТ);

3)  МВТ Турбіна (Michel-Banki turbine);

4)  Турбіна Каплана (Kaplan turbine КТ) або турбогвинтовий гідравлічний двигун;

5)  Турбіна Дерайза (Deriaz turbine TD).

Вибір типу турбіни залежить від цілого ряду показників, насамперед від висоти потоку бігу води й інших показників, таких як вартість турбіни й експлуатаційні витрати, надійність та інше. На мал. 3.2 наведені границі застосування вищезгаданих турбін, що рекомендуються, залежно від напору, обсягу води, а також потужності кожної машини.

Рисунок 3.2 - Границі рекомендованого використання турбін

Важливим показником при виборі певного типорозміру тієї або іншої турбіни є співвідношення числа обертів колеса ротора, напору й відносної швидкості n_с, що визначається як

 (3.2)

де n - є дійсним числом обертів у той або інший період часу (швидкість обертання).