2.1. Енергія й потужність водотоків

Найголовнішою особливістю гідроелектростанцій, що відрізняє їх від інших джерел енергії, є використання ними природно поновлюваних гідроенергетичних ресурсів.

Про міць водної енергії давньокитайський філософ Лао-Цзи (IV–III ст. до н.е.) писав:
«хоч у світі немає предмету, який був би слабкіший та ніжніший води, але вона може зруйнувати найтвердіший предмет».

Водна енергія (гідроенергія) – механічна енергія води водотоку (наприклад річки) з поздовжнім ухилом (падінням), яким вода рухається під дією власної маси, а також потенційна енергія води в штучних (водоймища) або природних (озера) водоймах, розташованих на певній висоті над рівнем моря.

Розвиток енергетики на всіх етапах характеризується неухильним ростом потужностей ГЕС, що споруджуються, та підвищенням ефективності використання місцевих гідроенергетичних ресурсів. За період, трохи більший 100 років, потужність ГЕС зросла у сотні разів. На сьогодні потужність найбільших у світі ГЕС Ітайпу на р. Парана (Бразилія–Парагвай) становить 12600 МВт, а ГЕС «Три ущелини» на р. Янцзи (Китай) – 18200 МВт.

Ніагарський водоспад Величезну силу Ніагарського водоспаду довго розглядали як джерело енергії.

Ніагарський водоспад – спільна назва трьох водоспадів (справа – «Підкова», який іноді називають Канадським водоспадом, зліва – Американський водоспад і водоспад «Фата») на річці Ніагара – найпотужнішій у Північній Америці. Висота водоспадів складає 53 м, а об’єм води, що падає, досягає 5720 м3/с. Найпотужнішими гідроелектростанціями на річці Ніагара є «Сер Адам Бек 1» і «Сер Адам Бек 2», що знаходяться на канадській стороні, а також гідроелектростанція Роберт Мозес (Robert Moses) та насосна станція «Левістон» (Lewiston Pump Generating Plant) на американській стороні. Їх спільна потужність становить 4,4 ГВт.

ГЕС виробляє електроенергію в результаті перетворення енергії водного потоку. Ріки, спускаючись із гір і височин до морів і озер, мають постійно поновлювану природою енергію. У природних умовах ця енергія витрачається на подолання сил тертя при взаємодії потоку з руслом, на подолання порогів та інших перешкод, переміщення наносів.

Енергію водотоку за час t на виділеній ділянці ріки між перетинами 1-1 і 2-2 (мал. 2.1) можна визначити як різницю енергії потоку в цих перерізах на підставі рівняння Бернуллі:

де Ев – енергія водотоку на виділеній ділянці, Дж; g – 9,81 – прискорення вільного падіння, м/с2; ? – густина рідини, кг/м3 (для водотоків із чистою прісною водою ?=1000 кг/м3); W – обсяг стоку води, м3; Z1 і Z2 – геометрична висота над площиною порівняння в перерізах 1-1 і 2-2, м; P1 і P2 – тиск у перерізах 1-1 і 2-2, Па; V1 і V2 – середня швидкість води в перерізах 1-1 і 2-2, м/с; a – коефіцієнт кінетичної енергії (Кориоліса).

З огляду на те, що в природних умовах різниця кінетичної енергії в перерізах 1-1 і 2-2 досить незначна, то нею можна знехтувати. Тоді для водотоків із чистою прісною водою енергію й потужність водотоку можна визначити за формулами

Ев = 9,81 WHв;
Ев = Nв t ;
Nв = 9,81 QHв,

де напір на виділеній ділянці Hв=Z1–Z2 дорівнює різниці рівнів (падінню рівня) вільної поверхні водотоку на виділеній ділянці ріки; Q – середня витрата річки на виділеній ділянці, м3/с; Nв – середня потужність водотоку за час t на виділеній ділянці, кВт.

Водоспади Ігуасу, Південна Америка

 Мал. 2.1. Схеми природних водойм

На деяких річках самою природою створені зосереджені перепади рівнів – водоспади. У ряді випадків вони використовувалися для створення напору ГЕС.

На ГЕС можна використовувати також перепад між рівнями води двох суміжних річок у місцях їх порівняно невеликого віддалення.

Енергія річки на ГЕС перетворюється в електроенергію при створенні на виділеній ділянці річки зосередженого перепаду (напору).

Для одержання електроенергії також може використовуватися енергія припливно-відпливних коливань морів і океанів, енергія хвиль, потоків з високими швидкостями плину.

Водоспад Вікторія, Африка