Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС

З прадавніх-давен енергія була найважливішим чинником, що визначає життя людини і розвиток цивілізації. Історія енергетики, починаючи від часів, коли людини оволоділа вогнем, потім енергією річок, вітру, сонця, тепловою та атомною енергією, відображає постійний пошук, великі відкриття, накопичення і передачу від покоління до покоління знань, найважливіших досягнень в області пізнання законів природи.

У першій книзі «Від вогню і води до електрики» науково-пізнавального видання «Енергетика: історія, сучасність і майбутнє» подано уявлення про еволюцію Землі, історію освоєння людиною енергії річок, вітру зі стародавніх часів до епохи електроенергетики, висвітлено початок використання сонячної енергії і її потенціал, а також відкриття і використання основних видів викопних енергетичних ресурсів (вугілля, нафти, газу, урану).

У другій книзі видання «Пізнання й досвід – шлях до сучасної енергетики» наводиться історія розвитку вчення про теплоту і використання теплової енергії, досліджень і відкриття основних законів електрики, створення перших електростанцій і систем передачі електроенергії, досліджень і використання атомної енергії, створення перших атомних електростанцій.

Знання, накопичені людством протягом тисячоліть, успіхи в пізнанні навколишнього світу, досягнуті в епоху Відродження і подальший період завдяки роботам геніальних учених Леонардо да Вінчі, Коперника, Галілея, Кеплера, Ньютона і багатьох інших, стали основою подальшого розвитку науки і техніки. І справедливі слова Ньютона: «Якщо ми бачили далі за інших, то це тому, що стояли на плечах гігантів». Великий внесок у встановлення закономірностей і властивостей теплових явищ, розвиток термодинаміки і теорії теплопередачі зробили видатні вчені: російський учений М. В. Ломоносов (1711– 1765), французькі Е. Маріотт (1620–1684), Ж. Гей-Люссак (1778–1850), С. Карно (1796–1832), німецькі Г. Гельмгольц (1821– 1894), Ю. Майєр (1814–1878), Р. Клаузіус (1822–1888), англійські Р. Бойль (1627–1691), Д. Джоуль (1818–1889), У. Томсон (лорд Кельвін) (1824–1907), Д. Максвелл (1831–1879), американські Б. Румфорд (1753–1814), Д. Гіббс (1839–1903) і багато ін.

Розвиток термодинаміки і теорії теплопередачі дозволив вирішити багато практичних задач. Саме з потребами виробництва пов'язаний бурхливий розвиток науки. Накопичення нових практичних знань у XVI–XVIII ст. завдяки працям учених і винахідників забезпечило подальший розвиток техніки. Як зазначав ще великий давньогрецький учений і філософ Арістотель (384–322 до н.е.), «Діяння є жива єдність теорії з практикою».

Промислова революція в XVII–XVIII ст. спричинила швидке зростання потреби в механічній енергії, насамперед для гірничодобувної і металургійної промисловості, яку вже неможливо було задовольнити за рахунок використання водяних коліс і вітряків.

З винаходом теплового двигуна в ХVIII ст. людина отримала на ті часи необмежене джерело енергії, перетворюючи на механічну енергію теплоту, накопичену в деревині, вугіллі, торфі, а промислові підприємства вже могли розміщуватися в будь-якому місці, а не тільки біля річки.

Перші парові машини англійських винахідників Т. Севері (1650–1715), Т. Ньюкомена (1663–1729) знайшли застосування в промисловості в ХVIII ст. як парові водопідйомники. Ці перші недосконалі парові машини стали основою для створення універсальних парових двигунів.

Досконаліша парова машина російського винахідника І. І. Ползунова (1728–1766), призначена для приведення в дію повітродувних міхів, була вже агрегатом безперервної дії.

Проте тільки англійському винахіднику Д. Уатту (1736–1819) вдалося створити універсальну парову машину, в якій рушійною силою став не атмосферний тиск, а пружність пари підвищеного тиску, що приводить у дію поршень.

Д. Уатт заклав основи будови і роботи сучасних парових машин. Парові машини Д. Уатта з кінця ХVIII ст. отримали широке розповсюдження в промисловості. Використання в середині ХІХ ст. перегрітої пари з температурою до 350°С за пропозицією французького вченого Г. А. Гірна дозволило значно підвищити к.к.д. парових машин.

Парова машина є одним із визначних винаходів, що змінив картину світу, дав могутній імпульс розвитку промисловості та транспорту. Її створення є яскравим прикладом того, як писав французький філософ М. Монтень (1537–1592), що «воістину людський розум – великий майстер творити дива».

Проте тихохідна парова машина з низьким к.к.д. уже не відповідала новим вимогам, зумовленим наприкінці ХІХ ст. будівництвом електростанцій, і на зміну паровим машинам прийшли швидкохідні компактні парові турбіни великої потужності з високим к.к.д.

Найважливішу роль у їх створенні зіграли подальші наукові дослідження в області термодинаміки, теорії теплопередачі.

Довгим був шлях від прототипу активної турбіни, винайденої італійським архітектором Д. Бранко в 1629 р., до першої активної турбіни промислового призначення, побудованої інженером Лавалем у 1889 р.

Англійський інженер Ч. Парсонс у 1889 р. отримав патент на багатоступінчасту реактивну турбіну, а з'єднавши турбіну з електрогенератором, створив перший турбогенератор для електростанції. Істотний внесок у вдосконалення турбін зробили американський інженер Ч. Кертіс, французький О. Рато, швейцарський Г. Целлі та багато інших. У результаті наприкінці ХIХ ст. було створено активні та реактивні турбіни, які надалі використовувалися в турбогенераторах електростанцій.

Найважливіше значення для розвитку сучасної цивілізації мали дослідження, пов'язані з електрикою, – від перших спостережень явища магнетизму, описаних ще давньогрецьким філософом і вченим Фалесом Мілетським (625–547 до н.е.), до перших досліджень явищ магнетизму і електрики видатним англійським ученим У. Гільбертом (1544–1603), дослідження німецького фізика О. Геріке (1602–1686), англійського С. Грея (1666–1735), французького Ш. Дюфе (1698–1739), американського Б. Франкліна (1706–1790), французького Ш. Кулона (1736–1806) і багатьох інших, а також створення першої електричної машини тертя О. Геріке, винахід електричної індукційної машини німецькими фізиками В. Гольцем і А. Теплером.

Видатними досягненнями стали досліди основоположника електрофізіології італійського вченого Л. Гальвані (1737–1798) і відкриття електричного струму італійським фізиком А. Вольта (1745–1827), створення ним досить могутніх джерел постійного електричного струму – «вольтового стовпа» і гальванічної батареї.

У XIX ст. роботами видатних німецьких фізиків Г. Ома (1787–1854), Г. Кірхгофа (1824–1998), Г. Герца (1857–1894), датського Х. Ерстеда (1777–1851), французького А. Ампера (1775–1836), англійських М. Фарадея (1791–1867), Д. Максвелла (1831–1879), Д. Джоуля (1818–1889), російських Е. Х. Ленца (1804–1865), В. В. Петрова (1761–1834) і багатьох інших були досліджені властивості електричного струму, встановлені основні закони електричного кола, на підставі яких були створені перші електричні генератори й електродвигуни.

Перша магнітоелектрична машина, що використовує явище електромагнітної індукції, була створена в 1832 р. у Франції братами Піксії. Найважливіші удосконалення в конструкцію динамо-машин, що служать для перетворення енергії руху в електричну, внесли видатний німецький електротехнік В. Сіменс, бельгієць Т. Грамм та ін. Були створені динамо-машини змінного струму.

Для роботи динамо-машин (генераторів) використовувалися парові, газові та гідравлічні турбіни.

Перша у світі велика центральна електростанція, призначена для електричного освітлення, була введена в дію в 1882 р. в Нью-Йорку. На ній було встановлено 6 пародинамо-машин конструкції геніального винахідника і організатора Т. Едісона. Такі електростанції швидко отримали широке розповсюдження у США та Європі.

Ефективність централізованого виробництва електроенергії була забезпечена застосуванням системи її передачі споживачам дротами на значні відстані. Вперше передача електроенергії постійним струмом потужністю в 1 к.с. лінією завдовжки 4 км була здійснена в 1873 р. у м. Відень французьким електротехніком І. Фонтеном, а вже в 1891 р.

відбулася передача електроенергії трифазним змінним струмом напругою 8500 В від ГЕС потужністю 300 к.с. у Лауфені (Німеччина) на відстань 175 км.

Велика заслуга у створенні перших великих систем передачі електроенергії змінним струмом належить російському електротехніку М. Доліво-Добровольському, сербському – Н. Теслі та ін.

Наприкінці XIX ст. були створені ефективні парові та гідравлічні турбіни, розроблені генератори змінного струму, побудовані перші промислові електростанції, здійснена передача електроенергії на значні відстані, що забезпечило подальший швидкий розвиток електроенергетики.

Передбачаючи велике майбутнє використання електричної енергії, В. Сіменс у 1867 р. писав: «Сучасній техніці надані засоби деше вим і зручним способом викликати елек тричні струми необмеженої сили».

Відкриття явища радіоактивності французьким ученим А. Беккерелем у 1896 р. можна віднести до числа найвидатніших досягнень сучасної науки. Воно зробило величезний вплив на її розвиток, дозволило значно поглибити знання в області структури і властивостей матерії, процесів у Всесвіті, оволодіти атомною енергією.

За порівняно короткий проміжок часу протягом першої половини ХХ ст. завдяки роботам видатних учених різних країн – Марії і П'єра Кюрі, Е. Резерфорда, Ф. Содді, С. Мейєра, О. Гана, Н. Бора, І. і Ф. Жоліо-Кюрі, Е. Фермі, І. В. Курчатова, Я. Б. Зельдовича, Ю. Б. Харитона, Г. М. Флерова, Г. Сіборга і багатьох інших – учення про радіоактивність і ядерна фізика отримали стрімкий розвиток. Це знайшло практичне застосування в 1954 р. на першій в світі Обнінській атомній електростанції потужністю в 5 МВт.

Людство отримало нове колосальне джерело енергії.

Воістину захоплює відважність людського розуму, що перетворює світ.

«Жадібний розум людський. Він не може ні зупинитися, ні перебувати у спокої, а пори вається все далі й далі», – писав англійський філософ Ф. Бекон (1561–1626).

Завдяки досягненням багатьох поколінь учених, винахідників, інженерів були забезпечені необхідні умови для настання нової ери – ери сучасної електроенергетики.