Гидроэнергия — это электричество, которое вырабатывается с помощью генератора, приводимого в движение движением воды. Гидроэлектростанция обычно состоит из плотин, которые строятся для того, чтобы перекрыть воду рек, сформировать водохранилища или собрать воду, нагнетаемую в плотину. Когда вода стекает, давление после блока направляет дренажные трубы к турбине. Это вращает турбину, которая, в свою очередь, вращает генератор, вырабатывающий гидроэлектроэнергию. Гидроэлектростанция имеет множество типов, которые мы рассмотрим позже.
Хотя зависимость от традиционных и некоторых других источников, таких как уголь, нефть, природный газ и т.д., создала нагрузку на планету, мы живем, нанося ущерб окружающей среде и загрязняя воздух. Чтобы получить энергию из этих ископаемых видов топлива, их необходимо сжечь. При сжигании они выделяют парниковые газы, такие как N2O, CH4, CO2, и H2O. Парниковые газы испускают и поглощают излучение.
Среди упомянутых парниковых газов наиболее распространенным является CO2. Он составляет более 80% от общего количества парниковых газов. Проблема повышенного содержания С02 заключается в том, что он поглощает и испускает инфракрасное излучение. Это приводит к повышению температуры поверхности Земли и ближайшей к поверхности атмосферы, что влечет за собой множество потенциальных проблем.
По мере повышения температуры на Земле ледяные шапки начинают таять и выбрасывать огромное количество воды в океаны, что приводит к повышению уровня моря. Следствием этого является перемещение миллионов людей, живущих в районах, расположенных на уровне моря. В нынешней экологической ситуации потребность в возобновляемых источниках энергии начинает расти. Энергия считается возобновляемой, если она поступает из безграничного источника.
Пояснение:
В 2015 году на долю гидроэнергетики приходилось 16,6% мировой электроэнергии и 70% всех возобновляемых источников энергии. В ближайшие двадцать пять лет ожидается ежегодный рост примерно на 3,1%.
Относительно низкие затраты на гидроэнергетику делают ее дешевым ресурсом возобновляемой электроэнергии. В отличие от угольных или газовых электростанций, гидроэлектростанция не расходует воду. Типичные затраты на энергию для гидроэлектростанции мощностью более 10 МВт составляют 3-5 центов за кВт/ч. С помощью плотин и водохранилищ это также эластичный источник. Энергия, вырабатываемая гидроэлектростанцией, поднимается и опускается очень быстро (всего за несколько секунд), чтобы приспособиться к колебаниям потребностей в энергии. При строительстве гидроэлектростанции не образуется никаких прямых отходов.
Исторически гидроэнергия использовалась для орошения сельскохозяйственных культур, мукомольного производства и перекачки воды. Но в 19 веке ее использование распространилось на производство электроэнергии в небольших по тем временам масштабах.
Поскольку для работы гидроэлектростанции требуется только вертикальное движение воды. Причина выбора гидроэлектроэнергии среди других видов возобновляемой энергии заключается в том, что она используется в огромном количестве в год по сравнению с остальными. Различные статистические данные показывают, что в 2017 году потребление гидроэлектроэнергии составило 4065 ТВт-ч (тераватт-часов), в то время как совокупное потребление энергии другими возобновляемыми источниками энергии составило примерно 2200 ТВт-ч. Кроме того, если сравнить использование гидроэнергии с использованием традиционного биотоплива (ископаемого топлива), то можно обнаружить, что только гидроэнергия способна полностью заменить биотопливо в качестве возобновляемого источника энергии.
Типы турбин гидроэлектростанций
Существует три основных вида гидравлических турбин: реакционные, гравитационные и импульсные. Тип турбины для гидроэлектростанции выбирается в соответствии с требованиями к напору и расходу, при этом в выборе турбин участвуют и некоторые другие факторы, такие как стоимость, эффективность и глубина турбины.
1) ИМПУЛЬСНАЯ ТУРБИНА
Импульсные турбины обычно используют скорость воды, чтобы пересечь путь потока и выпустить его под атмосферным давлением. Вода попадает в каждое ведро в коридоре. В нижнюю часть турбины вода не засасывается. Вода попадает на ротор, а затем вытекает из основания корпуса турбины. Импульсные турбины обычно подходят для применений с низким расходом и высоким напором.
i) Турбина поперечного потока
Турбины поперечного потока имеют цилиндрическую форму и используют удлиненное сопло с прямоугольным сечением, направленное к изогнутым лопастям цилиндрического бегуна. Поперечноточные турбины напоминают «сепараторную воздуходувку». Поперечноточные турбины проталкивают воду через лопасти два раза. На первом этапе вода поступает снаружи, а на втором — изнутри наружу. Входные направляющие лопатки турбины направляют поток непосредственно в ограниченную часть коридора. Турбины поперечного потока имеют высокую скорость потока и меньший напор, чем турбины с колесом Пелтона.
ii) Турбины Пельтона
Турбины с колесом Пельтона имеют один или несколько свободных сопел, которые отводят воду в расширенное пространство и попадают на ступицу бегуна. Эти турбины не требуют впускного коллектора. Таким образом, путь потока в этих турбинах должен лежать выше крайнего хвостового водовода, чтобы обеспечить работу при атмосферном давлении.
- Бегунок
- Ковш
- Тормозная струя
- Сопло и устройство регулирования потока
- Кожух
iii) Турбины Турго
Турбины Турго похожи на турбины Пельтона, но сопла встречаются с уровнем бегунка под углом (обычно 20°-25°). В этих турбинах с одной стороны вода поступает в коридор, а с другой стороны вытекает. Таким образом, поток не ограничивается сточной жидкостью, которая нарушает поступающую внутрь водяную струю (аналогичную функцию выполняет турбина с колесом Пельтона).
- Она имеет компактную конструкцию.
- Безопасная для здоровья конструкция, а также монтаж
- Предназначена для номинальной защиты
- Доступны конфигурации с одинарным, двойным или тройным распылением
- Фиксированная, переменная ручная или полностью автоматическая настройка расхода
- Может быть изготовлен из различных материалов в соответствии с требованиями заказчика.
- Каждая турбина имеет выходную мощность 10 мегаватт.
2) РЕАКЦИОННАЯ ТУРБИНА
Реакционная турбина — самый известный тип турбин гидроэлектростанций. Реакционные турбины вырабатывают электроэнергию за счет взаимного действия проточной воды и давления. Реакционная турбина помещается непосредственно в воду, проходящую через лопасти, а не ударяет по ним один раз. По сравнению с импульсными турбинами, реакционные турбины обычно используются в местах с высоким напором и большим расходом. Все типы реакционных турбин имеют диффузор под проточной частью, называемый «черновой трубой (или черновой трубой)», через которую выходит вода. Поскольку труба разделения потока замедляет скорость потока, создается сила всасывания ниже пути потока, увеличивая эффективную высоту.
Относительные коэффициенты полезного действия
Турбина, работающая на определенной скорости, производит определенный поток. Если речной поток недостаточен для удовлетворения этой потребности, турбина начнет истощаться, и ее производительность быстро снизится. Тогда нужно закрыть ее или изменить ее внутреннюю форму. Этот процесс называется регулированием. Регулируемая турбина может перемещать свои входные лопатки или лопатки рабочего колеса для увеличения или уменьшения всасываемого потока. Разные турбины поглощают меньший поток, что неизбежно приводит к снижению эффективности. Поэтому ключевым фактором при сравнении различных типов турбин является их относительная эффективность в расчетной точке и эффективность при уменьшении потока. Например, турбины Каплана и Пелтона остаются высокоэффективными, даже если они работают ниже расчетного расхода на гидроэлектростанции. В отличие от них, турбины поперечного потока и турбины Френсиса менее эффективны при работе ниже половины нормального расхода.
Преимущества гидроэнергетики
1) Гибкость:
Этот вид энергии является гибким источником электроэнергии. Он может очень быстро подниматься и опускаться через гидроэлектростанцию для удовлетворения меняющихся потребностей в энергии. На гидроэлектростанции турбина запускается всего за несколько минут. От холодного пуска до полной зарядки проходит 60-90 секунд. Это намного короче, чем у паровой электростанции или газовой турбины. Даже при избыточной выработке электроэнергии она может быстро снизить количество вырабатываемой электроэнергии. Поэтому, помимо опорожнения бассейна или покрытия потребностей ниже по течению, ограниченная мощность гидроэлектростанции обычно не используется для выработки основной электроэнергии.
2) Низкая стоимость:
Основное преимущество обычной гидравлической плотины с водохранилищем — хранение воды в виде высококачественной чистой энергии для последующего использования по низкой цене. Средняя цена электроэнергии для гидроэлектростанций мощностью более 10 МВт составляет 3-5 центов за кВт/ч. Если гидроэлектроэнергия используется как текущий пик для удовлетворения потребностей, она имеет большую ценность, чем базовая электроэнергия, чем прерывистая электроэнергия.
Экономический срок службы гидроэлектростанции очень длительный, и некоторые станции могут использоваться через 50-100 лет. У нее низкие трудозатраты на эксплуатацию, поскольку система автоматизирована, и во время нормальной работы на месте находится всего несколько человек.
Если плотина используется многократно, добавление гидроэлектростанции при относительно низкой стоимости строительства может стать полезным источником дохода для компенсации эксплуатационных расходов плотины. Однако некоторые данные показывают, что без адекватных мер по управлению рисками в большинстве стран стоимость строительства крупных плотин слишком высока, а время строительства слишком велико, что приводит к корректировке риска. Это показывает, что впоследствии невозможно получить прибыль.
3) Пригодность для промышленного применения:
Хотя многие гидроэнергетические проекты поставляют электроэнергию в общественные сети, некоторые проекты обслуживают определенные промышленные компании. Например, специальный гидроэнергетический проект обычно строится для обеспечения большого количества электроэнергии, необходимой для завода по электролизу алюминия. В годы Второй мировой войны для поддержки компании Alcoa в Беллингхеме, штат Вашингтон, после войны было разрешено построить плотину Грейт-Керри, чтобы обеспечить ирригацию и энергию (в дополнение к алюминиевой энергии) для американских граждан. Я решил сделать это. В Суринаме строительство водохранилища Broco Pond призвано способствовать развитию Alcoa Industries. Новозеландская электростанция Манапури предназначена для питания алюминиевых литейных заводов в Тивай Пойнт.
4) Сокращение выбросов CO2:
Гидроэлектростанции не потребляют топливо и поэтому не производят углекислый газ. Углекислый газ впервые вырабатывается во время строительства проекта. Ежегодно водохранилище выделяет некоторое количество метана, но жизненный цикл выбросов парниковых газов от гидроэнергетики обычно самый низкий. В 2011 году гидроэнергетика заменила 3 миллиарда тонн углекислого газа, чем ископаемое топливо при том же производстве. Ветровая энергия занимает второе место. Атомная энергия — третья, а солнечная — четвертая. Гидроэнергетика оказывает незначительное влияние на выбросы парниковых газов, особенно в умеренном климате. Влияние выбросов парниковых газов может наблюдаться в тропических регионах, поскольку электростанции и водохранилища производят больше метана в тропических регионах.
Эти электростанции имеют низкий уровень выбросов парниковых газов по сравнению с солнечными электростанциями и другими электростанциями, работающими на ископаемом топливе. Как и другие неископаемые виды топлива, гидроэлектростанции не выбрасывают оксиды азота, диоксид серы и другие частицы.
5) Безопасность:
Гидроэнергетика безопаснее, чем другие виды ископаемого топлива и ядерная энергия. Она не содержит топлива (кроме воды).
Недостатки гидроэнергетики
1) Ущерб экосистемам и потеря земель
Большие водохранилища, соединенные с традиционной гидроэлектростанцией, могут затопить большие территории выше по течению от плотин и уничтожить биологически ценные и полезные низины и луга, болота и долинные леса. Строительство крупных плотин обычно связано с перемещением людей и диких животных. Но плотины могут препятствовать течению реки и наносить ущерб местным экосистемам. Фрагментация окружающей среды обитания, вызванная водохранилищами, часто усугубляет потерю земли.
Гидроэнергетические проекты могут нанести ущерб водным экосистемам до и после строительства станции. Гидроэнергетика изменила экологию реки в нижнем течении. Вода, вытекающая из турбин, обычно свободна от взвешенных отложений, которые могут вызвать лучшую эрозию и потерю берегов. Створки турбин часто временно открываются и быстро наблюдаются.
2) Потеря воды в результате испарения:
Исследование Национального института возобновляемых источников энергии 2011 года показало, что гидроэлектростанции США производят от 5,39 до 68,14 кубических метров гидроэлектроэнергии на мегаватт-час (мегаватт-час (от 1425 до 18000 галлонов США)). Средний показатель составил 17,00 м 3 / МВт-ч (4 491 галлонов США / МВт-ч). Таким образом, над потерей электроэнергии технология генерации использует градирни, включая солнечную энергию на 3,27 м 3 / МВт-ч (865 американских галлонов / МВт-ч) при 2,98 кубических метров / CSP резервуар мегаватт-часов (786 галлонов/мегаватт-час). Если водохранилище используется несколько раз (водоснабжение, отдых, защита от наводнений и т.д.), то испарение всех водохранилищ происходит за счет гидроэлектроэнергии.
3) Заиление и дефицит стока:
Когда вода течет, она может переносить вниз по течению более тяжелые частицы, чем она сама. Это оказывает пагубное влияние на плотину и последующие электростанции, особенно на реки и силосные бассейны. Ил заполняет водохранилище, снижает его способность контролировать паводки. Он оказывает горизонтальное давление на расположенную выше по течению часть плотины. Во время паводка некоторые отложения могут заполниться песком, стать непригодными для использования или стать плоскими.
Изменения в речном потоке связаны с энергией, вырабатываемой плотиной. Низкий речной сток уменьшает количество живой воды в водохранилище и количество воды, доступной для гидроэнергетики. Из-за снижения речного стока районы, в значительной степени зависящие от гидроэнергетики, могут испытывать недостаток энергии.
Изменение климата может увеличить риск возникновения заторов на дорогах. Исследование реки Колорадо в США показало, что умеренное изменение климата может уменьшить дренаж реки на 40%. Например, повышение температуры на 2 градуса Цельсия может уменьшить количество осадков на 10%). Бразилия особенно уязвима из-за высокой зависимости от гидроэнергетики. На рубеже веков повышение температуры, сокращение водного потока и изменение условий выпадения осадков может снизить общее производство энергии на 7% в год.
4) Выбросы метана:
Более низкое положительное воздействие было обнаружено в тропиках, так как было замечено, что отложения тропических электростанций производят большое количество метана. Это происходит потому, что растительный материал на затопленной территории разлагается в анаэробной среде и образует метан (парниковый газ). Всемирная комиссия по плотинам сообщает, что водохранилище больше, чем мощность электростанции. В водохранилище окружающие леса не вырубались до тех пор, пока в нем не накопилась вода. Выбросы газа из водохранилищ могут быть выше, чем из обычных водоемов.
В водохранилищах Канады и Северной Европы выбросы парниковых газов обычно составляют всего от двух процентов до восьми процентов от обычной выработки электроэнергии на ископаемом топливе. Новый способ подводного обезлесения в подводных лесах может облегчить результаты распада лесов.
5) Переселение:
Для гидроэлектростанции, плотины нужно место, и люди переселяются, которые живут в районе запланированных водохранилищ. В 2000 году Всемирная комиссия по плотинам подсчитала, что от 400 до 80 миллионов человек по всему миру были эвакуированы с плотины.
Типы гидроэлектростанций
В настоящее время функционирует несколько видов возобновляемых источников энергии, таких как гидроэлектроэнергия, солнечная тепловая энергия, солнечное электричество, энергия ветра, волн, тепловой насос, и это лишь некоторые из них. Хотя существует такое огромное количество возобновляемых источников энергии, выбор типа энергии для использования является такой же важной темой, как и использование возобновляемой энергии. При выборе вида возобновляемой энергии необходимо учитывать несколько факторов, включая влияние на окружающую среду, стоимость, эффективность и источник энергии.
В действительности гидроэлектростанции и угольные станции производят электроэнергию одинаково. Во взаимных ситуациях источник энергии расходуется на вращение компонента в форме пропеллера, называемого турбиной. Турбина вращает электрическую ось генератора. Гидроэлектростанция, работающая на угле, использует пар для вращения лопастей турбины. Гидроэлектростанция использует сточные воды для привода турбин.
На гидроэнергетику — метод возобновляемой энергии приходится около шестой части мировой электроэнергии. Загрязнений меньше, чем при использовании парового двигателя. В некоторых странах, таких как Квебек и Норвегия, максимальное количество электроэнергии получают именно таким способом.
Плотина накапливает большое количество воды в резервуаре для воды. Водозабор находится около нижней стороны плотины. Гравитация толкает воду в плотину через напорные трубы. В конце напорной линии пропеллер турбины вращается и выпускает воду. Вал турбины вращается, и генератор вырабатывает электрическую энергию. Кабель питания соединяется с генератором, который обеспечивает ваш и мой дом электроэнергией. Вода продолжает бежать через двигатели, через пропеллер и попадает в реку рядом с плотиной.
Для полного понимания работы гидроэлектростанции необходимо рассмотреть передачу нескольких видов энергии. Существует три основных типа гидроэлектростанций: водохранилища, насосно-аккумулирующие станции и речные гидроэлектростанции.
1) Водохранилищная гидроэлектростанция
Среди трех типов гидроэлектростанций наиболее распространенным типом, используемым для сбора гидроэлектроэнергии, является водохранилище. В этой системе используется плотина для хранения воды из реки в водохранилище. Во время работы этой гидроэлектростанции вода выходит из водохранилища в пеншток. Вода ударяется о турбину, заставляя ее вращаться. Турбина соединяется с генератором. Генератор работает благодаря движению вала турбины. От генератора (расположенного в здании электростанции) произведенная электроэнергия передается местным жителям по линиям электропередач и сетям. К известным примерам гидроэлектростанций с водохранилищем относятся плотина Гувера (река Колорадо, США) и плотина Три ущелья (река Янцзы, Китай).
Турбины не просто размещают посреди реки или плотины. Чтобы турбина могла легко вращаться. Причина в том, что поток речной воды не обладает достаточной энергией (как кинетической, так и потенциальной), чтобы вращать турбины достаточно быстро, поэтому в результате генератору передается недостаточно энергии. Поэтому в системе водохранилищ гидравлический напор — это разность высот между уровнем воды в верхнем водохранилище и уровнем воды в нижнем водохранилище. Это придает воде, стекающей в турбину, гораздо большую кинетическую и потенциальную энергию. Из-за изменения высоты и увеличения скорости вращения турбины. Эта увеличенная потребляемая энергия затем обеспечивает большую выходную энергию на генератор. Благодаря этому вырабатывается более высокая мощность гидроэлектростанции.
2) Гидроэлектростанция с насосным хранилищем
Насосно-аккумулирующая плотина является продолжением как водохранилища, так и гидроэнергетических систем, работающих в русле реки. Они, как правило, гораздо меньше по объему производства энергии по сравнению с другими типами гидроэлектростанций.
Насосное хранилище — это просто добавление метода перекачки воды. При этом вода из нижнего резервуара возвращается в верхний резервуар для повторного использования в период повышенного спроса на электроэнергию. В непиковые периоды станция меняет направление вращения турбин таким образом, чтобы вода из нижнего резервуара перекачивалась обратно по пенштоку в верхний резервуар для повторного использования при повышенном спросе на электроэнергию.
3) Водосливная гидроэлектростанция
Система гидроэлектростанций на реке является известным методом производства гидроэлектроэнергии. Это система, в которой естественный расход воды используется для вращения турбин. Эти турбины соединяются с генераторами, которые производят гидроэлектроэнергию. Им не хватает потенциальной энергии, которой обладают обычные станции, из-за отсутствия большого перепада высот. Для строительства отводящей станции необходим постоянный расход воды. Без водохранилищ вода направляется вниз иногда за счет снижения напора. Направленная вода по пенштоку проходит через генераторную станцию, где поток воды вращает турбину, идентичную турбине водохранилища. Эта турбина передает механическую энергию генератору, который преобразует ее в электрическую. Как и раньше, эта энергия передается в места, где она необходима, по линиям электропередач.
Эффективность гидроэлектростанции
На сегодняшний день гидроэнергетика является наиболее эффективным методом производства электроэнергии в больших масштабах. Поток энергии можно сблизить и держать под контролем. Процесс преобразования поглощает К.Э. и преобразует ее непосредственно в электрическую энергию. При этом отсутствуют неэффективные термодинамические промежуточные процессы, потери тепла и химические вещества. Чтобы извлечь 100% кинетической энергии из текущей воды, поток должен быть остановлен, поэтому общая эффективность никогда не достигает 100%.
Гидроэнергетика использует кинетическую энергию рек и в настоящее время обеспечивает 17,5% мировой электроэнергии (Норвегия 99%, Швеция 40%, Швейцария 55%, Канада 57% и США 7%). За исключением некоторых стран, гидроэнергетика часто используется для обеспечения пиковой нагрузки, поскольку ее легко остановить и запустить. В промышленно развитых странах это не является основным вариантом будущего. Большинство этих стран развивались потому, что в них есть важные места, где можно использовать гравитацию, или они недоступны по другим причинам (например, экологические факторы). На 2030 год рост воображается в основном в Китае и Латинской Америке.
- (Нет хранимой воды — нет водохранилища) (сток реки)
- Расширение многих других точек, основанных на ирригации, до электростанций.
Заключение:
Гидроэнергетика — самая дешевая форма электроэнергии. Ее использование растет с каждым днем во всем мире. Эффективность преобразования гидроэлектростанции в основном зависит от типа используемой турбины. Для крупных механизмов эффективность преобразования может достигать 95%. КПД малых электростанций мощностью менее 5 МВт составляет от 80% до 85%. Однако получить энергию при низком расходе воды довольно сложно.
