2.1. Энергия и мощность водотоков

Главнейшей особенностью гидроэлектростанций, отличающей их от других источников энергии, является использование ими естественно возобновляемых гидроэнергетических ресурсов.

О мощи водной энергии древнекитайский философ Лао-цзы (IV–III вв. до н.э.) писал: «хотя в мире нет предмета, который был бы слабее и нежнее воды, но она может разрушить самый твердый предмет».

Водная энергия (гидроэнергия) – механическая энергия воды водотока (например реки) с продольным уклоном (падением), по которому вода движется под действием собственной массы, а также потенциальная энергия воды в искусственных (водохранилища) или естественных (озера) водоемах, расположенных на определенной высоте над уровнем моря.

Развитие гидроэнергетики на всех этапах характеризуется неуклонным увеличением мощностей строящихся ГЭС и повышением эффективности использования местных гидроэнергетических ресурсов. За период чуть более 100 лет мощность ГЭС возросла в сотни раз. Сегодня мощность крупнейших в мире ГЭС Итайпу на р. Парана (Бразилия–Парагвай) составляет 12600 МВт, а ГЭС «Три ущелья» на р. Янцзы (Китай) – 18200 МВт.

Ниагарский водопад

Огромную силу Ниагарского водопада долго рассматривали как источник энергии.

Ниагарский водопад – общее название трех водопадов (справа – «Подкова», иногда называемый Канадским водопадом, слева – Американский водопад и водопад «Фата») на реке Ниагара – мощнейший в Северной Америке. Высота водопадов составляет 53 м, а объем падающей воды достигает 5720 м 3 /с. Наиболее мощными гидроэлектростанциями на реке Ниагара являются «Сэр Адам Бек 1» и «Сэр Адам Бек 2», находящиеся на канадской стороне, а также гидроэлектростанция Роберт Мозес (Robert Moses) и насосная станция «Левистон» (Lewiston Pump Generating Plant) на американской стороне. Их совокупная мощность составляет 4,4 ГВт.

ГЭС вырабатывает электроэнергию в результате преобразования энергии водного потока. Реки, спускаясь с гор и возвышенностей к морям и озерам, обладают постоянно возобновляемой природой энергией. В естественных условиях эта энергия тратится на преодоление сил трения при взаимодействии потока с руслом, на преодоление порогов и других препятствий, перемещение наносов.

Энергию водотока за время t на выделен ном участке реки между сечениями 1-1 и 2-2 (рис. 2.1) можно определить как разность энергии потока в этих сечениях на основании уравнения Бернулли:

где Эв – энергия водотока на выделенном участке, Дж; t – время, с; g – 9,81 – ускорение свободного падения м/с2; ρ – плотность жидкости, кг/м3 (для водотоков с чистой пресной водой ρ=1000 кг/м3); W – объем стока воды, м3; Z1 и Z2 – геометрическая высота над плоскостью сравнения в сечениях 1-1 и 2-2, м; P 1 и P 2 – давление в сечениях 1-1 и 2-2, Па; V 1 и V 2 – средняя скорость воды в сечениях 1-1 и 2-2, м/с; a – коэффициент кинетической энергии (Кориолиса).

Учитывая, что в естественных условиях разность кинетической энергии в сечениях 1-1 и 2-2 крайне незначительна, ею можно пренебречь. Тогда для водотоков с чистой пресной водой энергию и мощность водотока можно определить по формулам

Э в = 9,81 WH в;

Э в = N в t ;

N в = 9,81 QH в,

где напор на выделенном участке H в = Z 1 – Z 2 равен разности уровней (падению уровня) свободной поверхности водотока на выделенном участке реки; Q – средний расход реки на выделенном участке, м 3 /с; N в – средняя мощность водотока за время t на выделенном участке, кВт.

Рис. 2.1. Схемы естественных водоемов

На некоторых реках самой природой созданы сосредоточенные перепады уровней – водопады. В ряде случаев они использовались для создания напора ГЭС.

Водопады Игуасу, Южная Америка

На ГЭС можно использовать также перепад между уровнями воды двух смежных рек в местах их сравнительно небольшого удаления.

Энергия реки на ГЭС преобразовывается в электроэнергию при создании на выделенном участке реки сосредоточенного перепада (напора).

Для получения электроэнергии также может использоваться энергия приливно-отливных колебаний морей и океанов, энергия волн, потоков с высокими скоростями течения.

Водопад Виктория, Африка