Энергия речных потоков с концентрированным перепадом (напором)

Любая движущаяся жидкость затрачивает на обеспечение своего движения имеющийся у нее запас энергии, расходуемый на преодоление сил трения, называемый гидравлическими потерями энергии:

,

где V — скорость потока; x — коэффициент гидравлического сопротивления.

Если с помощью искусственных мероприятий мы сможем уменьшить гидравлические потери, то сэкономленную их долю можно будет использовать для производства электроэнергии или механической энергии.

Гидравлические потери определяются всего лишь двумя сомножителями, и уменьшить их можно, уменьшив значения каждого из сомножителей или одновременно обоих из них. Выбирая для уменьшения значения один из сомножителей, мы фактически определяем принципиальный тип гидроэнергетической установки, которых, в соответствии с числом сомножителей, может быть только два. Этот тип связан со способом создания напора. Технически способ создания напора реализуется с помощью строительства плотины или деривации — искусственного русла. За счет строительства плотины углубляется и расширяется русло реки перед ней, то есть увеличивается площадь поперечного сечения потока и за счет этого уменьшается его скорость V. За счет строительства деривации спрямляется путь движения потока, снижается шероховатость ложа и снижается значение коэффициента гидравлического сопротивления.

Энергия водотока, которую можно использовать на некотором участке реки (см. рис. 7.1):

Э_уч = [Дж],

где: r — плотность воды, кг/м³; g — ускорение свободного падения, м/с²; W — объем стока воды за определенный период времени, м³; Н_уч = Z₁ – Z₂ — разность уровней свободной поверхности водотока в пределах рассматриваемого участка, м.

 

 

Рис. 7.1. Схемы естественных водотоков и водоемов

 

Мощность водотока на рассматриваемом участке в промежутке времени t

[Вт],

где: Q — средний за этот промежуток времени расход воды, м³/с.

Для водотоков с чистой пресной водой r = 1000 кг/м³ и при g = 9,81 м/с² формулы энергии и мощности принимают вид:

, кВт∙ч,

, кВт.

Обычно падение уровня водотока Н_уч равномерно распределено по его длине (рис. 7.1, схема I). Лишь в немногих местах имеются значительные перепады уровней, сосредоточенные на небольшом участке русла, водопады (рис. 7.1, схема II). В некоторых случаях можно использовать разность между уровнями воды в руслах двух близкорасположенных водотоков. Аналогичные условия создаются, если водоток образует в плане петлю (рис. 7.1, схема III). Разность уровней горных озер и русл рек, текущих на сравнительно небольшом от них удалении (рис. 7.1, схема IV), также может быть использована для получения энергии.

Механическая энергия речного стока (гидравлическая или водная энергия) может быть посредством гидроэлектростанций, турбин и генераторов преобразована в электрическую энергию. Механическая энергия водных ресурсов, выраженная в киловаттах среднегодовой электрической мощности или киловатт-часах электрической энергии, представляет собой запасы водноэнергетических ресурсов, которые обычно называются гидроэнергетическими ресурсами или гидроэнергетическим потенциалом (гидроэнергетическими запасами).

Различают три категории гидроэнергетических ресурсов (потенциала, запасов):

– теоретический (валовой) гидроэнергетический потенциал (потенциальные запасы энергии водотоков);

– технический гидроэнергетический потенциал (технические запасы или ресурсы);

– экономический гидроэнергетический потенциал (экономические запасы или ресурсы).

Валовой гидроэнергетический потенциал речных потоков подсчитывается в предположении, что весь сток будет использован для выработки электрической энергии без потерь при преобразовании водной энергии в электрическую, то есть при КПД = 1.

Подсчет валового гидроэнергетического потенциала ведется на основе данных водноэнергетических изысканий. Получаемые при этом значения мощности и энергии принято относить к протяженности участка реки для определения удельных значений гидроэнергоресурсов на единицу длины водотока. Определенные таким образом ресурсы регистрируются в форме записей и графиков (рис. 7.2) в так называемом гидроэнергетическом кадастре и называются кадастровыми. Кадастровые мощности могут быть представлены для расходов воды различной обеспеченности (повторяемости во времени). Обычно расчеты по среднемноголетним значениям стока и расходов дополняются расчетами по значениям обеспеченностью 95% без учета возможностей регулирования стока. При составлении кадастра обычно намечаются места (створы) возможного расположения гидроэлектростанций.

 

 

Рис. 7.2. Кадастровый график гидроэнергетических ресурсов водотока

 

Использовать все потенциальные запасы водной энергии не представляется возможным — это не удается по техническим причинам. При строительстве ГЭС часть энергии будет теряться в гидроэнергетических сооружениях и оборудовании. Полезно использована может быть лишь часть потенциальных гидроэнергоресурсов. Эту часть валового гидроэнергетического потенциала рек, технически возможную к использованию путем создания гидроэлектрических станций, называют техническим гидроэнергетическим потенциалом.

Технический потенциал условен: он зависит от уровня развития науки и технических возможностей использования гидроэнергоресурсов и с течением времени в известных пределах возрастает.

Экономический гидроэнергетический потенциал — часть ресурсов, использование которых в настоящее время экономически целесообразно, что выявляется путем сопоставления экономических показателей ГЭС и других возможных источников получения электроэнергии в рассматриваемом районе (тепловых и атомных электростанций). Учет экономических показателей обязательно должен дополняться учетом экологических показателей электростанций, а сами экономические показатели должны включать учет ресурсных особенностей данного вида топлива.

Экономический потенциал имеет, таким образом, условный характер, так как основа на принятых в настоящее время, а в действительности меняющихся во времени, предельно допустимых технико-экономических показателях электростанций разных типов и не учитывает в полной мере экономической и экологической эффективности комплексного использования водных ресурсов.

Теоретический гидроэнергетический потенциал речного стока Земли составляет около 5,5∙10⁹ кВт или 48∙10¹² кВт∙ч в среднем по водности году. 40% этого потенциала считается технически возможным к освоению. Примерно половина технического потенциала или около 9,7∙10¹² кВт∙ч/г может быть использована по сегодняшним экономическим соображениям. К настоящему времени освоена примерно пятая часть этого экономического гидроэнергопотенциала.

Технические запасы водной энергии России равны 1700 ТВт∙ч среднегодовой выработки (58,7% от теоретического) или 194 млн. кВт среднегодовой мощности.

По сравнению с другими возобновляющимися источниками энергии, как отмечалось выше, традиционная гидравлическая энергия рек имеет два несомненных преимущества:

— возможность и простота достижения высокой степени концентрации источника энергии и

— полная освоенность технологии преобразования в электроэнергию.

Для гидроэнергетики минимальны (по сравнению с другими источниками энергии) затраты на изыскание, проектирование и научное обоснование проектов; совсем отсутствуют затраты на разработку технологии преобразования энергии. Масштабы использования гидравлической энергии рек должны быть существенно увеличены; должны быть использованы также все резервы повышения эффективности гидроэлектростанций, в том числе:

— увеличение единичной мощности установок и гидроагрегатов с целью более полного использования стока и повышения коэффициента полезного использования гидроресурсов;

— расширение, реконструкция и модернизация эксплуатируемых установок с целью повышения коэффициента полезного действия оборудования;

— строительство гидроэлектростанций любой, в том числе и малой мощности, на реках и искусственных водотоках, с целью удовлетворения потребности в электроэнергии изолированных потребителей, экономии органического топлива в объединенных энергосистемах и дизельного топлива, расширения масштабов комплексного использования водных ресурсов.

По сравнению с электростанциями, использующими другие возобновляющиеся источники энергии, гидроэлектростанции имеют важнейшее достоинство — за счет водохранилища они имеют возможность накапливать (аккумулировать) ресурс энергии и использовать его по графику, отвечающему особенностям электропотребления.

Уникальные свойства энергоресурса, используемого на гидравлических электростанциях — воды в водохранилище, — и высокие возможности и простота регулирования мощности гидросиловым оборудованием обусловили то обстоятельство, что на сегодня гидравлическое аккумулирование является единственным способом аккумулирования энергии в промышленных масштабах. Такое аккумулирование в современных электроэнергетических системах совершенно необходимо, что объясняется развитием объединенных энергосистем, широким строительством атомных электростанций, работающих в базисе графика электрической нагрузки, и расширением использования угля в качестве основного топлива тепловых электростанций, которые, работая на этом топливе, обладают относительно низким уровнем маневренности. Сейчас в мире насчитывается свыше 240 действующих ГАЭС суммарной мощностью более 70 млн. кВт.