Гидроэнергетические ресурсы

Гидравлическая энергия является возобновляемым источником энергии.

Территория, с которой стекает вода в реку, называется водосборным бассейном данной реки. Линия — а, б, в, г, д, проходящая по повышенным местам и отделяющая друг от друга соседние бассейны, называется водораздельной линией или водоразделителем (рис. 17.1).

К водосборному бассейну моря относятся водосборные бассейны всех рек, впадающих в данное море.

Количество воды, протекающей через поперечное сечение водотока в 1 с, называется расходом воды Q (м³/с или л/с).

Хронологический график изменения расходов воды во времени называется гидрографом. Строить гидрограф позволяют результаты регулярных измерений расходов воды в реке. Форма гидрографа зависит от типа питания реки (снеговое, дождевое, ледниковое и т.п.). На рис. 17.2 показан типичный гидрограф реки с преимущественно снеговым питанием. Гидрограф характеризуется максимальным, минимальным и средним значениями расхода воды за рассматриваемый период.

Суммарный объем воды, прошедший через поперечное сечение водотока от какого-либо начального момента времени t₀ до некоторого конечного t_к, называется стоком W. При известном гидрографе сток определяется по следующим формулам (м³ или км³):

для непрерывной функции Q(t)

(17.1)

для дискретной функции Q(t)

(17.2)

где Q_i — средний расход в i-м интервале времени (i Î [1, n]).

Среднегодовой сток всех рек мира составляет 32 тыс. км³; в табл. 17.1 приведены данные о речном стоке отдельных стран мира.

Запасы поверхностного стока по территории России распределены неравномерно, что весьма неблагоприятно для народного хозяйства, в том числе и для энергетики. Более 80 % речного стока российских рек приходится на еще мало освоенные территории бассейнов Северного Ледовитого и Тихого океанов.

Данные о речном стоке отдельных стран мира
Таблица 17.1 Страна	Площадь территории, млн км2	Суммарный средний многолетний объем стока, км3/год	Удельная водность в среднем за год с 1 км2, л/с
Россия	17,075		7,4
Бразилия	8,51		11,9
США	9,36		9,8
Китай	9,90		8,3
Канада	9,98		24,0
Норвегия	0,32		35,8
Франция	0,551		19,7
Югославия	0,256		15,2
Польша	0,312		5,9

Особенностью стока реки является его неравномерное распределение как по годам, так и в течение года.

Многолетняя неравномерность стока неблагоприятна для всех отраслей народного хозяйства и прежде всего для энергетики. Различают: многоводные, средневодные и маловодные годы. В маловодные годы обычно значительно снижается выработка энергии на гидроэлектростанциях.

Неравномерность стока в течение года неблагоприятна для энергетики. Для большинства рек России маловодный период наблюдается зимой, когда потребность в электроэнергии наибольшая.

Механическая энергия речного стока (или гидравлическая энергия) может быть преобразована в электрическую посредством гидротурбин и генераторов.

В естественных условиях энергия водотока расходуется на преодоление внутреннего сопротивления движения воды, сопротивления на трение на стенках русла, размыв дна, берегов и т.п. Численные значения можем определить следующим образом. Водоток разбиваем на ряд участков, начиная от истока до устья. Определяем полную энергию потока жидкости в начальном Э₁ и конечном Э₂ створах участка. Теряемая на участке энергия будет равна разности Э₂ и Э₁

(17.3)

где r — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения; W — объем стока жидкости на участке; H_1—2 — удельная потенциальная энергия потока жидкости, называемая напором и численно равная падению уровня свободной поверхности водотока на данном участке.

Значения плотности жидкости r в зависимости от температуры изменяются незначительно. Ускорение свободного падения g на Крайнем Севере составляет 9,825 м/с², в средней полосе России — 9,81 м/с² и на юге страны 9,782 м/с².

Разделив Э_1—2 на время t, получим среднюю мощность водотока на данном участке

(17.4)

Для расчета принимается r = 1000 г/м³, g = 9,81 м/с². Подставив расчетные значения r, g, Q_1—2 (м³/с) и Н_1—2 (м), получим мощность водотока, кВт:

(17.5)

Формулы (17.3) и (17.5) выражают потенциальную (теоретическую) выработку энергии и мощность на рассматриваемом участке водотока.

Суммируя потенциальные энергетические ресурсы по участкам водотока, получаем потенциальные энергетические ресурсы реки.

Аналогично получаем теоретические запасы гидроэнергии для региона, страны, континента, мира.

Гидроэнергетические ресурсы подразделяют на потенциальные (теоретические), технические и экономические.

Потенциальные гидроэнергетические ресурсы — это теоретические запасы, определяемые по формуле

(17.6)

где Э — энергия, кВт · ч; Q_i — средний годовой расход реки на i-м рассматриваемом участке, м³/с; H_i — падение уровня реки на участке, м.

Они подсчитываются в предположении, что весь сток будет использован для выработки электроэнергии без потерь при преобразовании гидравлической энергии в электрическую, т.е. коэффициент полезного действия h = 1.

Мировые потенциальные гидроэнергетические ресурсы оцениваются в 35х10³ млрд кВт · ч в год и 4000 ГВт среднегодовой мощности. Потенциальные ресурсы России составляют 2896 млрд кВт · ч при среднегодовой мощности 330 ГВт.

Технические гидроэнергетические ресурсы всегда меньше потенциальных, так как они учитывают потери:

· напоров — гидравлические в водоводах, бьефах, на неиспользуемых участках водотоков;

· расходов — испарение из водохранилищ, фильтрацию, холостые сбросы и т.п.;

· энергии в оборудовании.

Они характеризуют техническую возможность получения энергии на современном этапе.

Технические гидроэнергетические ресурсы России составляют 1670 млрд кВт · ч в год, в том числе по малым ГЭС — 382 млрд кВт · ч в год. Выработка электроэнергии на действующих ГЭС России в 2002 г. составила 170,4 млрд кВт · ч, в том числе на малых ГЭС — 2,2 млрд кВт · ч.

Экономические гидроэнергетические ресурсы — это часть технических ресурсов, которую по современным представлениям целесообразно использовать в обозримой перспективе. Они существенно зависят от прогресса в энергетике, удаленности ГЭС от места подключения к энергосистеме, обеспеченности рассматриваемого региона другими энергетическими ресурсами, их стоимостью, качеством и т.п. Экономические гидро­ энергетические ресурсы переменны во времени и зависят от многих изменяющихся факторов. В настоящее время в мире наблюдается тенденция роста оценки экономических гидроэнергетических ресурсов.