План
1. Видиенергоресурсів, їх використання і запаси. Сучасні способи перетворення різнихвидів енергії в електричну
1.1 Водна енергія вприроді
1.2 Гідроенергетичнийпотенціал регіону
2. Природа водної енергії. Енергія і потужністьводяного потоку. Схеми концентрації напору.Гідроакумулюючі електростанції, припливні електростанції, установки, яківикористовують енергію води і вітру
2.1 Потужність і енергія водотоку
2.3 Греблевий спосібстворення напору
2.4 Дериваційнийспосіб створення напору
2.5 Основні типибудівель ГЕС
2.6 Гідроакумулюючіелектростанції
2.7 Припливніелектростанції
1. Види енергоресурсів, їх використанняі запаси. Сучасні способи перетворення різних видів енергії в електричну
Гідроенергетика – це: 1) галузьенергетики; 2) технічна наука про енергію води, методи її отримання івикористання з метою електроенергетики. Вона пов’язана з іншими галузямиенергетики і водного господарства (меліорація, водний транспорт, водопостачаннята ін).
Гідроенергетика, як наука, включає всебе вивчення методів отримання і використання водної енергії. До методівотримання гідроенергії відносять все, що пов’язане з вибором схеми використанняводного потоку, тобто гідрологічне, гідротехнічне і енерго-економічнеобґрунтування споруд і будівель гідроенергетичного вузла.1.1 Водна енергія в природі
Енергетичніресурси – це природні джерела енергії, які можна перстворити у ті чи інші видиенергії. Первинні джерела енергії поділяються на непоновлювані (вугілля, газ,нафта, уран і т.п.) і поновлювані (енергія річок, вітру, сонця, біоресурси таін).
Сучасні водні ресурси включають всебе річковий стік, вóди озер і водосховищ, грунтові води, прісні іслабомінералізовані напірні води. Чітких кількісних і якісних критеріїв водніресурси не мають.
Потенційні запаси енергоресурсів(гідроенергетичний потенціал) океану становлять 350218·1012 кВт·год, а річок,озер і водосховищ — 33·1012 кВт·год.
Гідроенергетичний потенціал завиключенням втрат при освоєнні (на сучасному етапі розвитку техніки втратистановлять DЕ»36 %), називається технічним потенціалом.
Практичне значення для народногогосподарства має економічний потенціал. Це та частина технічного потенціалу,яку доцільно використовувати при сучасному розвитку енергетики та в недалекомумайбутньому. На даний час економічний потенціал світової гідроенергетикистановить близько 9800 млрд. кВт·год (США – 705, Бразилія – 657, Японія – 132,Швеція – 80 млрд. кВт·год).1.2Гідроенергетичний потенціал регіону
Потенційнігідроенергетичні ресурси України складають близько 42 млрд. кВт·год, економічні– 17 млрд. кВт·год. Середньобагаторічний виробіток електроенергії на кінець80-х років ХХ сторіччя становив близько 10 млрд. кВт·год і використанняекономічного потенціалу країни становило близько 60 %.
Найбільшими виробниками гідроенергіїв Україні є Дніпровський каскад ГЕС (Київська, Канівська, Кременчуцька,Дніпродзержинська ГЕС, Дніпрогес і Каховська ГЕС) загальною установленоюпотужністю Nуст=3,6 млн. кВт з виробіткоменергії Е=9,8 млрд. кВт·год і Дністровська ГЕС Nуст=696 тис. кВт і Е=0,8 млрд. кВт·год.
УДонецько-Придністровському та Південному господарсько-економічних районахгідроресурси використані повністю.
Реальнимиджерелами одержання електроенергії на гідроелектричних станціях є річкиПівденно-Західного господарсько-економічного регіону, а саме гірські тапередгірські області: Закарпатська (потенційна потужність Nп=1176 тис. кВт, потенційна енергіяЕп=10,3 млрд. кВт·год), Івано-Франківська (Nп=574 тис. кВт, Еп=5,0 млрд.кВт·год), Чернівецька (Nп=301 тис. кВт, Еп=2,6 млрд. кВт·год), Львівська (Nп=296 тис. кВт, Еп=2,6 млрд.кВт·год), Київська (Nп=264тис. кВт, Еп=2,3 млрд. кВт·год), Черкаська (Nп=212 тис. кВт, Еп=1,8 млрд.кВт·год), Чернігівська (Nп=149 тис. кВт, Еп=1,3 млрд. кВт·год) і Тернопільська (Nп=115 тис. кВт, Еп=1,0 млрд.кВт·год).
Потенційнігідроресурси малих річок України складають Nп=330 тис. кВт, Еп=2,9 млрд. кВт·годі розподіляються наступним чином:
Донецько-Придніпровськийрайон — Nп»110 тис.кВт, Еп»0,9 млрд.кВт·год;
Південно-Західнийрайон — Nп»100 тис. кВт, Еп»1,0 млрд. кВт·год;
Південний район — Nп»120 тис. кВт, Еп»1,0 млрд. кВт·год.
2. Природа водної енергії. Енергія і потужність водяногопотоку. Схеми концентрації напору. Гідроакумулюючі електростанції, припливніелектростанції, установки, які використовують енергію води і вітру 2.1Потужність і енергія водотоку
Вода, що тече урічці чи каналі, постійно виконує роботу на подолання внутрішнього опору рухуводи, опору на тертя у руслі і різні ерозійні впливи (розмив берегів і дна,переміщення наносів і т.п.)
Визначаємо силутяги води:
/>F=m·g·sin a,
де m – маса води між створами А і В.
Виконана потокомробота рівна:
A=F·L=m·g·sina·L=r·w·L·g·sin a·L,
де w — площа поперечного перерізу потоку, м2, r — густина води, м3/с.
Замінимо значеннядовжини ділянки L на добуток vt, де v – швидкість потоку, м/с, t –час, за який потік проходитьвід створу А до створу В, с.
Отримуємозалежність A=r·g·w·v·t·sin a·L. Підставляючи у рівняння значеннявитрати Q=v·w та напору (падіння річки міжстворами) Н= sin a·L, отримуємо остаточне значеннявеличини роботи потоку:
A=rgQtH.
Потужність – церобота, яка виконана за одиницю часу:
N=/>=rgQH, [кВт].
При значенняхгустини води r=1000 кг/м3, прискорення вільного падіння g=9,81 м/с2, витрати Q у м3/с і напорах Н у метрах, отримуємо
N=9,81QH, [кВт].
Енергія водотоку– це потужність, яка виконана за одиницю часу t, год:
E=Nt=9,81QHt,[кВт·год].
Підставляючизначення об’єму стоку річки, що проходить через розрахункові створи за час t=3600с, W=3600·Q·t, отримуємо залежність для визначенняенергії:
/>, [кВт·год].
2.2 Принципроботи ГЕС, її потужність і виробіток енергії
На ГЕС механічнаенергія води перетворюється у електричну. Вода під дією сили тяжіння перетікаєіз верхнього у нижній б’єф і обертає робоче колесо турбіни, на одному валу зяким знаходиться ротор генератора електричного струму. Гідротурбіна разом ізгідрогенератором називається гідроагрегат. У турбіні гідравлічна енергія водиперетворюється у механічну енергію обертання робочого колеса разом із роторомгенератора. У генераторі механічна енергія обертів перетворюється у електричну.
Для роботи ГЕС необхідна витрата води(Q) і напір (Н).
Потужність гідроагрегата (Na) і ГЕС в цілому (NГЕС) визначаються за залежностями:
Na=9,81QHhтhг; NГЕС=zaNa, [кВт];
виробіток електроенергії рівний:
/> [кВт·год],
де hт i hг – коефіцієнти корисної дії, відповідно,турбіни і генератора;
za – кількість гідроагрегатів ГЕС.2.3 Греблевий спосіб створення напору
Суть створеннягреблевого напору полягає у тому, що річка у створі перегороджується підпірноюспорудою (глухою та водозливною греблями, русловою ГЕС та ін.), за рахунок чогостворюється водосховище, різниця рівнів якого і рівнів у нижньому б’єфі створюєнапір (рис. 2.2).
/>
Характернимивідмітками водосховища є:
— нормальний підпертийрівень (ÑНПР) – це верхня межа рівня води, при якому ГЕС і іншіспоруди гідровузла працюють тривалий час із збереженням нормальних запасівнадійності, передбачених технічними умовами;
— рівень мертвогооб’єму (ÑРМО) – мінімальний рівень водосховища, до якого можливе йогоспрацювання;
— форсованийпідпертий рівень (ÑФПР) – максимальний можливий рівень води за умови надійностіспоруд при проходженні паводкових витрат.
Об’єм води, якийзаключний між ÑНПР і ÑРМО називається корисним об’ємомводосховища (Wкор), а об’єм води,закумульований нижче ÑРМО – мертвим об’ємом (WМО). Об’єм води, який заключний між ÑФПР і ÑНПР називається резервнимоб’ємом водосховища (Wрез).
Різниці відмітокверхнього і нижнього б’єфів створюють напори. Розрізняють статичні (Нст) такорисні (Нкор) напори.
Нст, макс=ÑНПР-ÑНБмін, Нст, мін=ÑРМО-ÑНБQгес.
Корисні напориГЕС менші від статичних на величину втрат напору (hw), яка у залежності від компонуваннягідровузлів приймається у межах 5¸15 % (для руслових ГЕС 5 % від НСТ,для пригреблевих – 10% від НСТ, для дериваційних – 15 % від НСТ):
Нкор=Нст-hw, hw=(1,05…1,15)Hст.2.4 Дериваційний спосіб створення напору
На гірськихрічках із значним похилом концентрація напору, як правило, здійснюється подериваційній схемі. При цьому напір створюється не греблевим способом, а зарахунок напірної /тунелі/ чи безнапірної /лотки, канали і т.п./ деривації.
У дериваційній схемі виділяютьголовний вузол споруд, деривацію та станційний вузол споруд.
Пригреблево-дериваційна схема має переваги привідповідних топографічних та інженерно-геологічних умовах. Так, на гірськійрічці може бути побудована порівняно висока гребля, яка дозволяєвикористовувати частину падіння річки і створити водосховище для регулюваннявитрат. Далі із верхнього бєфу вода може бути відведена у деривацію, якадозволяє використовувати падіння річки нижче греблі.
У результаті гребля і деривація разом працюють настворення напору.2.5 Основні типи будівель ГЕС
Будівля ГЕСпризначена для розташування у ній гідроагрегатів і допоміжного обладнання.Складається будівля ГЕС, як правило, із агрегатного блоку, верхньої будівлі імонтажної площадки.
Гідроелектричні станціїкласифікуються:
— за схемою концентрації напору:руслові, коли будівля ГЕС входить до складу водонапірного фронту ібезпосередньо сприймає напір; пригреблеві, коли будівля ГЕС розташована загреблею і не сприймає напорів і дериваційні, коли напір створюється за рахунокнапірної чи безнапірної деривації;
— за способом скидання води ізверхнього у нижній б’єф: не суміщені з водоскидами, коли надлишки водискидаються через водозливну греблю і суміщені з придонними чи поверхневимиводоскидами;
— за типом верхньої будівлі ГЕС:закриті (з внутрішнім розміщенням підйомно-транспортного обладнання);напіввідкриті (низька машинна зала із зйомною кришкою і основний кранрозташований за її межами) і відкриті (машинна зала відкрита, генераторзакритий зйомним ковпаком, основне і допоміжне обладнання обслуговуєтьсякозловим або мостовим краном);
— за положенням відносно поверхніземлі: наземні, напівпідземні і підземні;
— в залежності від положення осі агрегату:з горизонтальними агрегатами (низьконапірні при Н до 10¸15 м) із вертикальними гідроагрегатами.2.6 Гідроакумулюючі електростанції
Гідроакумулюючіелектростанції (ГАЕС) почергово виконують функції насосної (НС) тагідроелектричної станцій (ГЕС).
В годинизменшення навантажень енергосистеми, наприклад, вночі, ГАЕС працює як насоснастанція, споживаючи потужність у насосному режимі NHP і перекачує (акумулює) воду подачею QH у верхній б’єф (ВБ), розташованийвище по рельєфу.
Вранці і ввечері,коли електроспоживання в енергосистемі зростає, вода із верхнього б’єфувитратою QT проходить через турбіни унижній б’єф (НБ). В ці години ГАЕС працює як гідроелектростанція, видаючи навідкритий розподільчий пристрій (ВРП) потужність у турбінному режимі NTP, яка по лініях електропередач (ЛЕП)надходить до споживача.
По схеміакумулювання розрізняють:
— ГАЕС простогоакумулювання – без притоку води у верхній б’єф, коли він виконаний у форміштучної водойми;
— ГЕС-ГАЕСзмішаного типу – коли є притік води у верхній б’єф, достатній для йогоспрацювання додатковими блоками ГЕС у турбінному режимі;
— ГАЕС у схеміперерозподілу стоку–коли будівлі насосної і гідроелектричної станцій розміщеніроздільно.
По тривалості акумулювання ГАЕСбувають добового, тижневого і сезонного акумулювання.
По схемі гідросилового обладнаннярозрізняють ГАЕС чотири-, три- і двомашинної схеми компонування гідроагрегатів.
На даний час вУкраїні експлуатуються Київська і Теребля-Рікська ГАЕС, будуються двігідроакумулюючі електростанції: Новодністровська (р. Дністер) і Ташлицька (р.Пд. Буг в Південноукраїнському енергокомплексі). Заплановано будівництвоКанівської ГАЕС на р. Дніпро.2.7 Припливні електростанції
Великийенергетичний потенціал мають моря і океани. Вони створюють енергію хвиль і припливів,градієнту солоності, хімічних зв’язків газів та ін.
Припливні електростанції (ПЕС) використовують коливанняприпливів і відпливів морів та океанів, які відбуваються двічі на добу.Амплітуда коливань припливів змінюється від максимальної в сигізію домінімальної у квадратури.
Найбільші припливи на Земліспостерігаються у затоці Фанді (Канада, 19 м), у затоках Брістоль (Великобританія) і Сен-Мало (Франція) – до 14 м, на північно-західному березі США — до 10 м. З країн СНД найбільший потен-ціал енергії припливів має Росія. Висота припливів становить: уПеньжинській затоці – до 13,2 м, на Охотському і Білому морях – до 10 м, біля Мурманська – до 7,2 м.
Світовий енергопотенціал припливівоцінюється в 1 млрд. кВтгод, що у 2,5 рази більшевиробітку електроенергії усіх існуючих ГЕС.
За умовами роботи розрізняють ПЕСодностороннього руху води, двостороннього руху води і ПЕС з підкачкою водинасосами.
У 1963-68 рр. на Баренцовому моріпобудовано експериментальну Кислогубську ПЕС потужністю NПЕС=400 кВт, а у 1966 р у Франції побудованоПЕС Ранс (NПЕС=240 МВт).
На даний час проектуються Кольська іМезенська ПЕС (Росія), ПЕС Фанді і Коубквід (Канада), а також ПЕС у Індії,Північній та Південній Кореї, Австралії, Аргентині.
Моря України мають низький потенціал енергії припливів.Крім того, береги Чорного та Азовського морів є курортною зоною з розвинутоюінфраструктурою, і розвиток даної території в напрямку рекреації є більшперспективним. До недоліків електростанцій, що використовують енергію морів іокеанів відносять те, що вони завдають значної шкоди морській флорі і фауні.