Структурные схемы гидроэлектростанций
Лекция 7
Энергия движущейся воды. Гидроэнергетика
Водные ресурсы
Вода является одним из наиболее распространенных и наиболее подвижных тел Природы. Она участвует во всех физических, химических и биологических процессах, совершающихся на Земле. Вода – самый главный элемент живой природы - «есть вода – есть жизнь».
Водными ресурсами называются поверхностные и подземные воды, используемые или которые могут быть использованы для различных целей жизнеобеспечения общества.
В связи с постоянным перемещением воды в природе, ее круговоротом, водные ресурсы являются возобновляемыми, и количество воды в гидросфере не уменьшается, а по некоторым данным увеличивается, в связи с образованием большого количества воды при сжигании углеводородного топлива.
Часть водных ресурсов, которая может быть использована для производства электроэнергии, относится к гидроэнергетическим ресурсам. Для выработки электрической энергии могут быть использованы приливы и отливы мирового океана, морские волны, глобальные морские течения, такие как, например, Гольфстрим и Куросиво, вода рек и тепло океана.
Работа водного потока
Гидравлическая энергия рек представляет собой работу, которую совершает текущая в них вода. В естественном состоянии эта работа расходуется на преодоление внутреннего сопротивления движению воды, сопротивление на трение в русле и различное эрозионное воздействие - размыв дна и берегов русла, перемещение продуктов размыва.
Эксергия воды определяется «падением» реки, т.е. разностью уровней воды в начале и в конце рассматриваемого участка водотока и расходом в единицу времени.
Рисунок 7.1
Если падение участка водотока (реки) длиной L,м, составляет H, м, то при расходе воды Q, м3/сек, работа текущей воды в течение 1 сек, т.е. мощность водотока N на рассматриваемом участке, составляет:
, Вт или Дж\с (7.1)
где 
– плотность воды, равная 1000кг/м3; g – ускорение свободного падения м/с2;
N=9,81QH, кВт. (7.2)
Энергия водотока Э, определяемая произведением мощности N на время t, сек, составляет, кВт 
ч,
(7.3)
где W=Qt – объем протекающей воды, м3.
Формулы мощности водотока выражают потенциальную мощность и теоретическую выработку электроэнергии. Реальная или техническая мощность будет меньше за счет потерь в гидротехнических сооружениях, подводящих воду из реки к турбинам, в самих турбинах и генераторах ГЭС, учитываемых коэффициентом полезного действия 
. Тогда полезная мощность будет:
N=9,81QH , кВт . (7.4)
И соответственно электроэнергия
. кВт ч . (7.5)
. Обычно разность уровней воды в верховьях и устьях равнинных рек иногда достигает несколько десятков метров, а в горной местности перепад высот, создающий напор ГЭС достигает многих сотен метров.
Расход воды в реке можно определить, измеряя среднюю скорость речного потока v м/сек и площадь сечения реки в месте замера S м2.
Q=S м2 vм/с, м3/сек . (7.6)
Место входа воды в гидротехнические сооружения гидроэлектростанции носит название «верхний бьеф», места выхода воды из турбины станции называется «нижний бьеф».
Структурные схемы гидроэлектростанций
Для превращения речного стока в гидроэнергетические ресурсы и электроэнергию необходимо несколько компонентов:
- водохранилище, образующееся при перегораживании русла реки плотиной, создающей напор воды перед турбиной;
- деривация – каналы и трубопроводы, подающие воду в турбины;
- турбины, преобразующие, поступательное движение воды во вращательное движение ротора;
- электрогенераторы.
Водохранилище отличается от естественного водоема – озера - тем, что оно сооружается на реке специально для регулирования речного стока и имеет переменный уровень, зависящий от величины поступления воды и расхода ее через турбины ГЭС.
Многие крупные реки планеты - Волга, Ангара, Днепр, Кама, Миссури, Колорадо, Парана, Иртыш, Или уже перегорожены плотинами и превращены в каскады водохранилищ. Ожидается, что через 30-50 лет такая судьба постигнет большинство рек, а в перспективе предполагается, что зарегулированию подвергнется 2/3 рек Земли. На р.Или в дополнении к Капчагайской ГЭС планируется строительство второй ГЭС, на реке Большая Алматинка работает каскад из 9 ГЭС.