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

З найдавніших часів використання енергії річок було важливим фактором, що визначав розвиток цивілізації. На цьому шляху довжиною більш ніж в три тисячі років вдосконалювався водяний двигун від найпростіших водяних коліс , що використовувались у стародавньому світі з метою подання води для зрошення, водопостачання, для водяних млинів і водяних двигунів, що забезпечували в епоху промислової революції зростаючі потреби в механічній енергії на заводах і рудниках, до гідроагрегатів сучасних ГЕС.
Швидкий розвиток і успіхи електроенергетики наприкінці ХІХ століття стали основою для принципово нового етапу використання гідроенергетичних ресурсів шляхом перетворення енергії води в електроенергію на ГЕС.

Могутність енергії води

На кінець ХІХ століття вже були створені ефективні гідравлічні турбіни, електрогенератори змінного струму, здійснено передавання електроенергії на значні відстані. Великий вклад у розвиток гідроенергетики зробив російський інженер М.О. Доліво-Добровольський, під керівництвом якого у 1891 році була споруджена перша промислова ГЕС потужністю 220 кВт з генератором трифазного струму (у містечку Лауфен на р. Неккар, Німеччина). Вперше від неї була здійснена передача електроенергії змінним струмом напругою 8,5 кВ на відстань 170 км у Франкфурті-на-Майні.

У Німеччині у Рейнфельді у 1898 р. була споруджена відносно велика ГЕС потужністю 16,8 тис. кВт з напором 3,2 м, а у 1911 р. ГЕС Аугст Вілен потужністю 44 тис. к. с., у США у 1900 р. – Ніагарська ГЕС Адамс потужністю 500 тис. к. с. з напором 41,2 м, у 1912 р. – ГЕС Ксокук потужністю 180 тис. к. с. та інші, у Франції у 1901 р. – ГЕС Жонаж потужністю 11,2 тис. к. с. У Швейцарії у 1909 р. була спорудженя перша ГАЕС.

У Росії у 1892 р. під керівництвом інженера Кокшарова була побудована гідроенергетична установка потужністю 150 кВт на р. Березовка на Алтаї для електропостачання шахтного водовідливу на Зиряновському руднику. У 1896 році під керівництвом В.М. Чикальова та Р.Е.Классона була споруджена гідроелектрична установка на р. Охті потужністю біля 290 кВт для електропостачання Охтинського порохового заводу, у 1903 р. – ГЕС на Північному Кавказі на р. Подкумок потужністю 990 к. с., у 1909 р. – Гіндукушська ГЕС на р. Мургаб потужністю 1590 к. с.

На Україні в 1893 р. для електричного освітлення Ілинецького цукрового заводу на розміщеному недалеко від нього водяному млині була встановлена гідроелектроустановка потужністю 40 к. с.

На початку ХХ ст. в Росії споруджувались тільки невеликі ГЕС, хоч і були запропоновані проекти відносно крупних ГЕС. Ще в 1892 р. інженер М.М. Бенардос запропонував проект ГЕС потужністю до 15 МВт на р. Неві біля Іванівських порогів з передаванням електроенергії до Санкт-Петербургу, у 1894 році інженер В.Ф. Добротворський розробив проект ГЕС потужністю 24 МВт на р. Нарва біля Нарвських порогів, а у 1895–1899 рр. – потужністю 37 МВт на водоспаді Іматра і на порогах р. Волхов. Проекти використання енергії Дніпра в районі знаменитих Дніпровських порогів та створення судноплавного шляху через пороги розробляли інж. М.С. Лелявський (1893 р.), В.Є. Тімонов (1894 р.), С.П. Максимов та Г.О. Графтіо (1905 р.), А.М. Рундо та Д.І. Юскевич (1910 р.), інж. Шаппюї та проф. Гольє, проф. Б.О.Бахметєв (1913 р.), інж. Ф.П. Моргуненков (1913 р.), І.А. Розов (1915 р.), проф. В.Д. Ніколаї (1919 р.).

У Росії в цей період будувались в основному ТЕС, що забезпечували більш швидке отримання прибутків та потребували менших капіталовкладень у порівнянні з ГЕС. Так, у 1913 р. загальна потужність ГЕС складала біля 16 МВт з виробленням 35 млн. кВт·год, а сумарна потужність всіх електростанцій – біля 1100 МВт з виробленням 1945 млн. кВт·год. Потужність найбільшої ГЕС дорівнювала 1,3 МВт, а ТЕС – 40 МВт.

У цілому у світі на самому початку ХХ століття загальна потужність всіх ГЕС складала порядку 1000 МВт. На цих перших ГЕС якість гідросилового обладнання була невисока, к.к.д. гідротурбін не перевищував 0,80–0,84. Умови роботи гідротехнічних споруд, їх конструкції були дуже недосконалими.

Спорудження та експлуатація перших ГЕС заклали фундамент майбутнього розвитку гідроенергетики, що пройшла довгий і трудний шлях від перших далеких від вдосконалення ГЕС потужністю в сотні кіловат до сучасних ГЕС, потужність яких складає мільйони кіловат.

На основі набутого досвіду вдосконалювались конструкції гідротехнічних споруд та технологічне обладнання, збільшувалась ефективність ГЕС. При цьому найважливіше значення мали такі переваги ГЕС, як використання відновлювальних природою гідроенергоресурсів, відсутність забруднення навколишнього середовища, простота експлуатації, забезпечення за рахунок комплексного використання водосховищ потреб водопостачання, потреб водного транспорту.

Проекти широкого використання гідроенергоресурсів розроблялись у США, країнах Європи, а будівництво ГЕС в країнах Європи розгорнулось в подальшому після першої світової війни, коли виникла необхідність відновлювати економіку.