Гидроэнергия

Геофизическая энергия

Преобразование потенциальной энергии воды, накопленной в водоемах в механическую энергию вращения с целью приведения в действие мельниц и других механизмов применяется со времен Римской империи. Преобразование гидроэнергии в электрическую энергию стало возможным в конце XIX в. благодаря открытиям физики и техническому прогрессу. Крупные гидроэлектростанции начали появляться на рубеже XIX и XX вв.

Почти вся гидравлическая энергия представляет собой одну из форм солнечной энергии и потому относится к возобновляемым природным энергоресурсам. Под лучами солнца испаряется вода из озер, рек и морей. Образуются тучи, идет дождь, и вода в конце концов возвращается в водные бассейны, то есть туда, откуда испарилась. С таким круговоротом воды в природе связаны колоссальные количества энергии. Географическая область умеренного климата высотой над уровнем моря близко 2500 м и количеством осадков порядка 1000 мм/год теоретически могла бы непрерывно давать более 750 кВт с каждого квадратного километра площади. На самом деле можно использовать лишь малую часть всего количества осадков и лишь незначительную часть высоты, с которой они стекают. Кроме того, обычно КПД современных гидротурбин и генераторов не превышает 86%. Тем не менее, производительность гидроэлектростанций в США составляет около 75 000 МВт, и по крайней мере еще 50 000 МВт можно получить дополнительно.

Уровень развития гидроэнергетики в разных странах и на разных континентах неодинаковый. Больше всего гидроэлектроэнергии вырабатывают Соединенные Штаты Америки, за ними идут Россия, Украина, Канада, Япония, Бразилия, КНР и Норвегия.

Потенциал гидроэнергетических ресурсов мира составляет более 2200 ГВт. Данные о потенциальных гидроэнергетических ресурсах разных регионов мира и объемы их использования приведены в таблице 2. 4.

Гидроэнергетические ресурсы на Земле оцениваются величиной в 32900 ТВт·ч в год, из них около 25% по техническим и экономическим условиям оказываются пригодными для использования.

Таблица 2.4 – Потенциальные гидроэнергетические ресурсы мира

Физические принципы процесса преобразования энергии падающей воды в электроэнергию довольно просты, однако техническое их воплощение достаточно трудоемко. Вода под напором, создаваемым плотиной, направляется в водовод, который заканчивается турбиной. Турбина вращает вал, к которому присоединен ротор генератора. Выработка электроэнергии зависит от потенциальной энергии воды, запасенной в водоеме, и КПД ее преобразования в электроэнергию. Мощность ГЭС зависит как от количества воды, так и от перепада между водной поверхностью водохранилища и уровнем установки гидроагрегатов; этот перепад называется напором. Вода поступающая на турбину под высоким напором, имеет большую потенциальную энергию, чем при малом напоре, поэтому на высоконапорной ГЭС требуется меньший расход воды для получения одинаковой мощности. Чем выше напор, тем меньше необходимые габариты турбины, что удешевляет стоимость всего сооружения.

В СНГ насчитывается около 775 тыс. рек общей протяженностью более 5 млн. километров. Общий объем среднемноголетнего речного стока составляет 4720 км³. К числу крупнейших рек относят Енисей - среднемноголетний сток 623 км³, Лена - 508; Обь - 397, Амур -373, Волга – 251, Печора - 131, Нева - 78, Амударья - 72, Днепр -52, Сырдарья - 36 км³.

Другой путь использования водной энергии - приливные гидроэлектростанции (ПЭС). В некоторых районах мирового океана наблюдаётся очень большая амплитуда приливной волны и разность между верхней и нижней отметками прилива достигает 10 м. Если открыть шлюз в дамбе в то время, когда приливная волна набирает высоту, дать возможность заполниться водохранилищу и затем в высшей точке прилива шлюз закрыть, то накопленную воду можно во время отлива пропустить через турбины и таким образом выработать электроэнергию. Более эффективно, если турбины сделать реверсивными, в этом случае они будут работать как при заполнении водохранилища, так и при его опорожнении. Однако выработка электроэнергии на ПЭС возможна лишь в определенные промежутки времени суток, что затрудняет, использование приливной энергии в крупных энергосистемах. Значение суммарного энергетического потенциала, по оценкам специалистов, составляет 13000 МВт. Во Франции построены две ПЭС: одна мощностью 9 МВт, другая мощностью 240 МВт. В РФ эксплуатируется опытная ПЭС на Кольском полуострове мощностью 7 МВт.