Зачем вода электростанциям?

Как работает гидроэлектростанция? Просто как дважды два

При этом этот ресурс возобновляемый. Развитием гидроэнергетики в стране в основном занимается компания «РусГидро» — ей принадлежат более 90 объектов возобновляемой энергетики. РусГидро управляет самой мощной в России Саяно-Шушенской ГЭС, девятью станциями Волжско-Камского каскада. Кроме того, у РусГидро несколько мощных ГЭС на Дальнем Востоке (Бурейская, Зейская, Колымская), а также несколько десятков гидростанций на Северном Кавказе и др.

Шаг 1. Создать напор.

Гидроэлектростанции (ГЭС) обычно строят там, где много воды и есть перепад высот. Мог бы подойти водопад, где вода стремительно летит вниз и создает большой напор. Но не везде, где нужны гидростанции, есть водопады. Поэтому люди придумали, как использовать более спокойную воду для выработки энергии. Они сами создают перепады уровней воды с помощью плотин.

Для этого реку перегораживают, то есть поперек реки возводят высокую стенку – плотину, которая подпирает воду. За счет нее вода с одной стороны (энергетики называют ее верхним бьефом) копится и поднимается, с другой ( в нижнем бьефе) – сохраняется на низком уровне. Разницу между уровнями называют напором.

Уровень верхнего бьефа для каждой плотины разный и колеблется в течение года. К началу половодья гидроэнергетики опустошают водохранилища своих ГЭС, чтобы встретить «большую воду». В период половодья и паводков уровень воды повышается, чтобы к осени достигнуть максимально возможных значений. А зимой, когда естественный приток реки снижается, вода, накопленная в водохранилище, используется для различных нужд, в том числе и выработки электроэнергии. Иногда к ГЭС притекает слишком много воды, излишки которой надо сливать. Для этого на каждом гидроузле есть специальное сооружение, называемое водосбросом. Когда он открыт еще говорят, что на ГЭС холостые сбросы.

Шаг 2. Найти энергию.

Вода, находящаяся в верхнем бьефе, обладает потенциальной энергией, которую человечество научилось превращать в электрическую. Для этого нужно воду из верхнего бьефа по специальным водоводам подать к гидроагрегатам, которые, пропустив через себя воду, сделают всю работу за вас.

Гидроагрегат – это такое устройство, состоящее из турбины, генератора и вала их соединяющего. Чем больше напор, тем больше гидроагрегат может выработать энергии.

Шаг 3. Превратить потенциальную энергию в электрическую.

Гидротурбины располагаются в здании ГЭС. Они бывают разные по конструкции, но принцип действия у них похож. Вода, под напором, созданным плотиной давит на лопасти и раскручивает турбину. Вращение с помощью вала передается на гидрогенератор – устройство, которое вырабатывает электроэнергию.

А как же вода? А с ней ничего не случается! Раскрутив турбину, она целая и невредимая поступает в нижний бьеф.

Шаг 4. Преобразовать энергию.

С генератора по специальным токопроводам энергия поступает на трансформаторы для повышения напряжения и уменьшения силы тока. Это необходимо для уменьшения потерь при передаче электроэнергии. Оттуда энергия поступает на распределительное устройство, после чего передается по проводам в энергосистему . Все вместе это называется схемой выдачи мощности.

Шаг 5. Передать энергию.

В нашей стране существуют разные энергосистемы. Есть Единая энергосистема России (ЕЭС), которая объединяет 79 регионов. И энергия большинства ГЭС и других электростанций этих регионов поступает именно в ЕЭС. Но на Дальнем Востоке и Севере есть изолированные энергосистемы, где электростанция питает энрегосистему региона, не связанную с ЕЭС. Например, Колымская и Усть-Среднеканская ГЭС в Магаданской области обеспечивают до 95% потребностей региона в электроэнергии.

Внутри энергосистем энергия передается по линиям электропередач (ЛЭП), еще их называют высоковольтными линиями (ВЛ). Они позволяют передать электроэнергию на большие нрасстояния. Чем больше напряжение — тем дальше расстояние на которое может быть передана электроэнергия

Шаг 6. Подготовить энергию для конкретного потребителя.

По высоковольтным линиям течет ток очень высокого напряжения (до 500 киловольт), которое подходит не всем. Поэтому, прежде чем попасть в каждую квартиру, энергия вновь проходит преобразование на специальных подстанциях и трансформаторных пунктах, где напряжение преобразуется в относительно безопасные 380В и затем раздается по квартирам в виде однофазного напряжения 220 В.

Как используют силу воды? Что такое гидроэлектростанция?

Автор: Робин · Опубликовано 11.11.2009 · Обновлено 25.04.2016

Человек может на определенных этапах вмешиваться в есте­ственный круговорот воды и таким образом добывать ее энер­гию. Так, например, делают в местах, где потоки воды ручьев и рек прокладывают себе обратный путь к морю. При этом чело­век использует массу водного потока, который направляется на лопасть турбины, установленной под текущей или падающей водой…

Раньше сила текущей воды использовалась по прямому назначе­нию, к примеру — чтобы привести в действие жернова водяной мельницы.

В данном случае вода ручьев и рек направлялась на водяное колесо, которое было связано с мельницей напрямую. Вода падала на колесо сверху и своим весом приводила его в дви­жение (это так называемое «водяное колесо верхнего удара»), или же нижняя часть колеса располагалась в воде, и оно враща­лось под воздействием потока (колесо «нижнего удара»).

В неко­торых средневековых костелах такое водяное колесо приводило в движение не только мельницу для помола зерна, но (при помо­щи системы осей и зубчатых колес) большие кухонные машины для дробления и взбивания.

Позже водяные колеса стали произ­водить энергию для промышленных установок. Недостаток по­лученной таким путем водной энергии — то, что она должна быть потреблена на месте производства.

Сегодня на водяных си­ловых станциях (гидроэлектростанциях) производится элект­роэнергия. Произведенный электрический ток направляется туда, где он необходим.

Как «укрощается» энергия воды на электростанциях?

Вода обладает неимоверной силой. Она вырыла долины, изреза­ла горы, придала определенные формы целым территориям. Чтобы добыть из воды ее энергию, воду нужно приручить. В большинстве случаев для этого строят плотины, которые перегораживают потокам воды путь в море, накапливают воду, созда­вая искусственные водоемы. С помощью плотины вода выраба­тывает энергию, которую в зависимости от потребности можно накапливать или сразу же потреблять.

Энергия освобождается, когда из отвесных каналов вода сбрасы­вается через плотину вниз. На электростанциях эта вода приводит в движение турбины, превращающие механическую энер­гию в электрическую. По проводам ток с электростанции на­правляется потребителям. Произведенный таким образом ток называют гидроэлектрическим (греческим словом «гидро» обо­значаются предметы или явления, связанные с водой).

Гидроэлектростанция – электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока. ГЭС обычно строят на реках, сооружая плотины, и водохранилищах.

Принцип работы ГЭС основан на преобразовании энергии падающей воды в энергию вращения турбины. Турбины связаны с генератором, преобразующим энергию вращающейся турбины в электрическую. Первые гидроэлектростанции относились к проточному типу: вода реки просто пропускалась через турбину. Для такого типа ГЭС требуется большой перепад уровней реки, например, как на Ниагарском водопаде, где и была построена такая первая гидроэлектростанция.

На современных гидроэлектростанциях возводятся громадные плотины для увеличения объема воды, равномерно пропускаемой через турбины. Вода из водохранилища по напорному трубопроводу направляется на горизонтально вращающиеся лопасти турбины, соединенной с генератором.

Читайте также  Гараж из профильной трубы своими руками

Обычно на гидроэлектростанции используется много турбогенераторных агрегатов. 60—70% энергии падающей воды преобразуется в электрическую энергию.

Добыча электроэнергии гидроэлектростанциями

Добыча электроэнергии гидроэнергетикой происходит с использованием энергии движущейся воды. Дожди, тающий снег обычно с холмов и гор создают ручьи и реки, которые в конечном итоге текут в океан. Энергия этой движущейся воды может быть существенной (по рафтингу известно).

Эта энергия используется на протяжении веков. Еще древние греки использовали колеса воды, чтобы размолоть пшеницу в муку. Помещенное в реке, колесо под воздействием воды поворачивается. Кинетическая энергия реки вращает колесо и преобразуется в механическую энергию, на которой работает мельница.

Развитие гидроэнергетики

В конце XIX века гидроэнергетика стала источником для добычи электроэнергии. Первая ГЭС была построена в Ниагара-Фолс в 1879 году. В 1881 году уличные фонари в городе Ниагара-Фолс были запитаны энергией гидроэнергетики. В 1882 году первая гидроэлектростанция (ГЭС) в мире начала действовать в Соединенных Штатах в Эпплтон, Висконсин. На самом деле ГЭС и угольные электростанции добычу электроэнергии производят аналогичным образом. В обоих случаях используется для включения пропеллер, называемый турбиной, которая затем поворачивает через вал и вращает электрический генератор, который производит электричество. Угольные электростанции используют пар для вращения турбинных лопаток, а гидроэлектростанции используют падающую воду – результаты совпадают.

Во всем мире источник энергии гидроэлектростанции производят около 24 процентов электроэнергии в мире обеспечивая более 1 миллиарда человек энергией. ГЭС в мире имеет выход в общей сложности 675 000 мегаватт, энергетический эквивалент 3,6 миллиарда баррелей нефти, согласно мировой лаборатории возобновляемых источников энергии.

Как получается электричество из воды

Электричество из воды гидроэлектростанции получают благодаря воде. Типичная ГЭС представляет собой систему с трех частей:

  • электростанции, где производится электричество;
  • плотина, которая может быть открыта или закрыта для управления потоком воды;
  • водохранилище, где вода может храниться.

Вода за плотиной протекает через плотину и толкает винт в турбине, вращая его. Турбина вращает генератор для добычи электроэнергии. Количество добытой электроэнергии, которая может быть сгенерирована зависит сколько воды движется через систему. Электричество может передаваться на заводы и предприятия через общую энергосистему.

ГЭС обеспечивает почти пятую часть электроэнергии в мире. Китай, Канада, Бразилия, Соединенные Штаты Америки и Россия пять крупнейших производителей гидроэлектроэнергии. Одна из крупнейших гидроэлектростанций в мире —«Три ущелья» на реке Янцзы в Китае. Плотина имеет 2,3 км в ширину и 185 метров в высоту.

Гидроэнергетика является самым дешевым способом получения электроэнергии сегодня. Это потому, что после того, как была построена плотина и оборудование установлено, источник энергии — проточная вода — бесплатно. Это источник чистого топлива, возобновляемый ежегодно со снегов и осадков.

Количество электроэнергии, которое производит ГЭС зависит от двух факторов:

  1. Высоты водопада: чем с большей высоты вода падает, тем больше энергии она имеет. Как правило расстояние, с которого вода падает зависит от размера плотины. Чем выше плотины, дальше вода падает, и тем больше энергии она имеет. Ученые говорят, что сила падающей воды «пропорционально» расстоянию падения.
  2. Количества падающей воды. Больше воды, протекающей через турбину будет производить больше энергии. Количество воды на турбине зависит от количество воды текущей вниз по реке. Большие реки имеют более проточную воду и могут производить больше энергии.

Добыча электроэнергии в гидроэнергетике легко регулируема, операторы могут контролировать поток воды через турбину для производства электроэнергии по требованию. Кроме того искусственные водохранилища могут использоваться для отдыха, плавания или гребли.

Но перекрытие рек может уничтожить или нарушить дикую природу и другие природные ресурсы. Некоторым видам рыбы, как лосось, могут быть перекрыты пути на нерест. Гидроэлектростанции могут также вызвать низкий уровень растворенного кислорода в воде, которая является вредной для обитания речной фауны.

Осмотическая электростанция: чистая энергия соленой воды

Сразу необходимо предупредить: в заголовке нет ошибки, о космической энергии, созвучной названию, рассказа не будет. Ее мы оставим эзотерикам и фантастам. А речь пойдет о привычном явлении, с которым мы в течение всей жизни сосуществуем рядом.

Многие ли знают, за счет каких процессов соки в деревьях поднимаются на значительную высоту? Для секвойи она составляет более 100 метров. Происходит эта транспортировка соков в зону фотосинтеза за счет работы физического эффекта – осмоса. Заключается он в простом явлении: в двух растворах разной концентрации, помещенных в сосуд с полупроницаемой (проницаемой только для молекул растворителя) мембраной, спустя некоторое время появляется разность уровней. В дословном переводе с греческого языка осмос – это толчок, давление.

А теперь от живой природы вернемся к технике. Если в сосуд с перегородкой поместить морскую и пресную воду, то за счет разной концентрации растворенных солей появляется осмотическое давление и уровень морской воды поднимется. Молекулы воды перемещаются из зоны высокой их концентрации в зону раствора, где примесей больше, а молекул воды меньше.

Перепад в уровнях воды дальше используется обычным образом: это знакомая работа гидроэлектростанций. Вопрос только состоит в том, насколько эффект осмоса пригоден для промышленного применения? Расчеты показывают, что при солености морской воды 35 г/литр за счет явления осмоса создается перепад давления 2 389 464 Паскаля или около 24 атмосфер. На практике это эквивалентно плотине высотой 240 метров.

Но кроме давления еще очень важной характеристикой является селективность мембран и их проницаемость. Ведь турбины вырабатывают энергию не от перепада давления, а благодаря расходу воды. Вот здесь, до недавнего времени, существовали очень серьезные трудности. Подходящая осмотическая мембрана должна выдерживать давление, превышающее в 20 раз давление в привычном водопроводе. При этом иметь высокую пористость, но задерживать молекулы солей. Сочетание противоречивых требований долго не позволяло использовать осмос в промышленных целях.

При решении задач опреснения воды была изобретена мембрана Лоэба, которая выдерживала колоссальное давление и задерживала минеральные соли и частицы до 5 микрон. Применить мембраны Лоэба для прямого осмоса (выработки электроэнергии) долго не удавалось, т.к. они были чрезвычайно дороги, капризны в эксплуатации и обладали низкой проницаемостью.

Прорыв в использовании осмотических мембран наступил в конце 80-х годов, когда норвежские ученые Хольт и Торсен предложили использовать модифицированную полиэтиленовую пленку на керамической основе. Совершенствование структуры дешевого полиэтилена позволило создать конструкцию спиральных мембран, пригодных для использования в производстве осмотической энергии. Для проверки технологии получения энергии от эффекта осмоса в 2009 году была построена и запущена первая в мире экспериментальная осмотическая электростанция.

Норвежская энергетическая компания Statkraft, получив государственный грант, и затратив более 20 млн. долларов, стала пионером в новом виде энергетики. Построенная осмотическая электростанция вырабатывает около 4 кВт мощности, которой хватает для работы . двух электрических чайников. Но цели постройки станции гораздо серьезней: ведь отработка технологии и испытание в реальных условиях материалов для мембран открывают путь к созданию значительно более мощных сооружений.

Читайте также  Чем выровнять бетонный пол на улице?

Коммерческая привлекательность станций начинается с эффективности съема мощности более 5 Вт с квадратного метра мембран. На норвежской станции в Тофте это значение едва превышает 1 Вт/м2. Но уже сегодня испытываются мембраны с эффективностью 2,4 Вт/м2, а к 2015 году ожидается достижение рентабельного значения 5 Вт/м2.

Осмотическая электростанция в Тофте

Но есть обнадеживающая информация из исследовательского центра Франции. Работая с материалами на основе углеродных нанотрубок, ученые получили на образцах эффективность отбора энергии осмоса около 4000 Вт/м2. А это уже не просто рентабельно, а превышает эффективность практически всех традиционных источников энергии.

Еще более впечатляющие перспективы обещает применение графеновых пленок. Мембрана толщиной в один атомный слой становится полностью проницаема для молекул воды, задерживая при этом любые другие примеси. Эффективность такого материала может превышать 10 кВт/м2. В гонку по созданию мембран высокой эффективности включились ведущие корпорации Японии и Америки.

Если удастся в течении ближайшего десятилетия решить проблему мембран для осмотических станций, то новый источник энергии займет ведущее место в обеспечении человечества экологически чистыми энергоносителями. В отличие от энергии ветра и солнца, установки прямого осмоса могут работать круглые сутки и не зависят от погодных условий.

Мировой резерв энергии осмоса огромен — ежегодный сброс пресных речных вод составляет более 3700 кубических километров. Если удастся использовать только 10% этого объема, то можно вырабатывать более 1,5ТВт/часов электрической энергии, т.е. около 50% европейского потребления.

Но не только этот источник может помочь решить энергетическую проблему. При наличии высокоэффективных мембран можно использовать энергию глубин океана. Дело в том, что соленость воды зависит от температуры, а она на разных глубинах разная.

Используя температурные градиенты солености, можно не привязываться к устьям рек в строительстве станций, а просто размещать их в акватории океанов. Но это уже задача отдаленного будущего. Хотя практика показывает, что делать прогнозы в технике – это неблагодарное занятие. И будущее уже завтра может постучаться в нашу действительность.

Волновые электростанции

Пост опубликован: 26 февраля, 2017

Волновая электростанция — это электрическая станция, которая располагается в водной природной среде с целью получения электроэнергии из кинетической энергии водных масс. Океаны обладают колоссальной энергией, но человек пока только начинает ее осваивать. Именно эту задачу и выполняют волновые электростанции.

Принцип работы

Принцип работы волновой электростанции основан на преобразовании кинетической энергии волн в электрическую. Существует несколько способов устройства подобных станций различных по принципу работы и конструкции.

  1. Принцип «осциллирующего водяного столба». В этом конструктивном варианте волны,
    осуществляя толчковые движения, заполняют собой специально изготовленные камеры, в которых содержатся воздушные массы. Воздух сжимается, создается избыточное давление, под действием которого он поступает на турбину, вращая ее лопастные механизмы. Вращательное движение турбины передается на генератор, который вырабатывает электрический ток.
  2. Принцип «колеблющегося тела». На принципе «колеблющегося тела» работают разнообразные буи, «морские змеи» и др. В этом варианте конструкции несколько секций соединяются в конвертер, между которыми на подвижных платформах монтируются гидравлические поршни. К поршню (группе поршней) подсоединён гидравлический двигатель, он приводит во вращательное движение электрический генератор. Под раскачивающимся действием волн конвертер приводит в движение поршни, а они, в свою очередь, приводят в работу гидравлический двигатель и соответственно генератор.
  3. Установка с «искусственным атоллом». Это бетонное сооружение состоит из корпуса, на которомразмещается поверхность для наката волн. В средней части располагается накопительный резервуар (бассейн). Из него через приёмное отверстие вода поступает на гидротурбину. Генератор устанавливается в верхней части сооружения. Для поднятия воды в бассейн, который расположен выше уровня моря, используют эффект «набегания волны» на специальную наклонную поверхность.

Волновые электростанции в России

В России, как и во всех странах, имеющих выход к морскому побережью, после многих лет затишья, возвращается интерес к источникам энергии, способным восстанавливаться, к ним относятся и волновые электростанции.

Первая в нашей стране электростанция, основанная на преобразовании энергии волн, построена в 2014 году на Дальнем Востоке в Приморском крае на полуострове Гамова. Это универсальная станция, она способна преобразовывать не только энергию направленных водных масс, но и энергию природных приливов и отливов.

Профильные министерства нашей страны, совместно с руководством государства разработали план развития зеленой энергетики до 2020 года, в соответствии с которым альтернативные энергетические источники будут составлять до 5% от общего количества вырабатываемого электричества в стране. Этим планом предусмотрено и дальнейшее развитие волновых электрических станций.

Волновые электростанции в мире

Первая в мире электростанция на волнах появилась в 1985 году в Норвегии, ее мощность составляла 500 кВт.

Первой в мире промышленной электрической станцией, использующей энергию волн для производства электрической энергии, принято считать Oceanlinx в Австралии. Она начала своё функционирование в 2005 году, потом была произведена ее реконструкция, и в 2009 году станция заработала вновь. Работа станции основана на принципе «осциллирующего водяного столба». Мощность установки сейчас составляет 450 кВт.

Первая коммерческая волновая электростанция начала работу в 2008 году в Агусадоре, Португалия. Это установка-пионер, которая использует непосредственно механическую энергию волны. Работа станции основана на принципе «колеблющегося тела». Разработала проект английская компания Pelamis Wave Power, мощность станции составила 2,3 МВт, и есть возможность увеличения мощности путем монтирования дополнительных секций.

В Великобритании построили самую большую в мире волновую электростанцию Wave Hub, она расположена у полуострова Корнуэлла. Электростанция оборудована 4-мя генераторами мощностью по 150 кВт каждый. Работа станции основана на принципе «колеблющегося тела».

Почему это выгодно?

В существующем мире человек все чаще задумывается о необходимости применения возобновляемых источников энергии при получении электроэнергии. Одним из таких вариантов является энергия морских волн. С учетом того, что мировой океан обладает огромным потенциалом, энергией которого можно обеспечить почти 20% от необходимого количества энергопотребления, то и развитие «зеленой»энергетики как нельзя актуально в наше время.

Это можно объяснить следующим причинами:

  1. Природные богатства планеты находятся на грани истощения, запасы традиционных источников энергии: угля, нефти и газа – подходят к концу.
  2. Атомная энергетика из-за своей потенциальной опасности не получила должного распространения.
  3. «Зеленая» энергетика не вредит окружающей среде и является возобновляемой.
  4. Потенциал волновых электростанций оценивается в 2,0 млн. МВт, что сравнимо по мощности с тысячей работающих атомных станций.

Ученые всего мира продолжают работы по совершенствованию способов преобразования энергии волн океана, и перечисленные выше причины являются важным аргументом для продолжения этих изысканий.

Плюсы и минусы использования

У любого агрегата всегда есть положительные и отрицательные аспекты его использования, и именно соотношение этих параметров определяет целесообразность его применения. Волновые электростанции не являются исключением, рассмотрим все за и против использования этого источника энергии.

К плюсам использования можно отнести:

  • Экологическая безопасность установок;
  • Волновые электростанции могут выполнять защитные функции, путем гашения волн вблизи портовых акваторий и прочей береговой линии;
  • Возобновляемый источник энергии;
  • Низкая себестоимость получаемой электроэнергии;
  • Продолжительный срок эксплуатации.
Читайте также  Самодельный гараж из профнастила

К минусам данного типа электростанций относятся:

  • Малая мощность вырабатываемой энергии;
  • Не стабильный характер работы, вызванный атмосферными явлениями в окружающей среде;
  • Может создавать опасность для хода судов и промышленного лова рыбы.

Приведенные выше «минусы» использования постепенно утрачивают свою актуальность, ученые и конструкторы продолжают свою работу. Разработка новых, более мощных генераторов, позволяет получать большее количество электрической энергии, при тех же исходных параметрах первичной энергии, которой является энергия волн. Решаются задачи по передаче полученной энергии на большие расстояния.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: