Види енергоресурсів, їх використання і запаси
План
1.2 Гідроенергетичний потенціал регіону
2.1 Потужність і енергія водотоку
2.3 Греблевий спосіб створення напору
2.4 Дериваційний спосіб створення напору
2.6 Гідроакумулюючі електростанції
1. Види енергоресурсів, їх використання і запаси. Сучасні способи перетворення різних видів енергії в електричну
Гідроенергетика – це: 1) галузь енергетики; 2) технічна наука про енергію води, методи її отримання і використання з метою електроенергетики. Вона пов’язана з іншими галузями енергетики і водного господарства (меліорація, водний транспорт, водопостачання та ін).
Гідроенергетика, як наука, включає в себе вивчення методів отримання і використання водної енергії. До методів отримання гідроенергії відносять все, що пов’язане з вибором схеми використання водного потоку, тобто гідрологічне, гідротехнічне і енерго-економічне обґрунтування споруд і будівель гідроенергетичного вузла.
1.1 Водна енергія в природі
Енергетичні ресурси – це природні джерела енергії, які можна перстворити у ті чи інші види енергії. Первинні джерела енергії поділяються на непоновлювані (вугілля, газ, нафта, уран і т.п.) і поновлювані (енергія річок, вітру, сонця, біоресурси та ін).
Сучасні водні ресурси включають в себе річковий стік, вóди озер і водосховищ, грунтові води, прісні і слабомінералізовані напірні води. Чітких кількісних і якісних критеріїв водні ресурси не мають.
Потенційні запаси енергоресурсів (гідроенергетичний потенціал) океану становлять 350218·1012 кВт·год, а річок, озер і водосховищ - 33·1012 кВт·год.
Гідроенергетичний потенціал за виключенням втрат при освоєнні (на сучасному етапі розвитку техніки втрати становлять DЕ»36 %), називається технічним потенціалом.
Практичне значення для народного господарства має економічний потенціал. Це та частина технічного потенціалу, яку доцільно використовувати при сучасному розвитку енергетики та в недалекому майбутньому. На даний час економічний потенціал світової гідроенергетики становить близько 9800 млрд. кВт·год (США – 705, Бразилія – 657, Японія – 132, Швеція – 80 млрд. кВт·год).
1.2 Гідроенергетичний потенціал регіону
Потенційні гідроенергетичні ресурси України складають близько 42 млрд. кВт·год, економічні – 17 млрд. кВт·год. Середньобагаторічний виробіток електроенергії на кінець 80-х років ХХ сторіччя становив близько 10 млрд. кВт·год і використання економічного потенціалу країни становило близько 60 %.
Найбільшими виробниками гідроенергії в Україні є Дніпровський каскад ГЕС (Київська, Канівська, Кременчуцька, Дніпродзержинська ГЕС, Дніпрогес і Каховська ГЕС) загальною установленою потужністю Nуст=3,6 млн. кВт з виробітком енергії Е=9,8 млрд. кВт·год і Дністровська ГЕС Nуст=696 тис. кВт і Е=0,8 млрд. кВт·год.
У Донецько-Придністровському та Південному господарсько-економічних районах гідроресурси використані повністю.
Реальними джерелами одержання електроенергії на гідроелектричних станціях є річки Південно-Західного господарсько-економічного регіону, а саме гірські та передгірські області: Закарпатська (потенційна потужність Nп=1176 тис. кВт, потенційна енергія Еп=10,3 млрд. кВт·год), Івано-Франківська (Nп=574 тис. кВт, Еп=5,0 млрд. кВт·год), Чернівецька (Nп=301 тис. кВт, Еп=2,6 млрд. кВт·год), Львівська (Nп=296 тис. кВт, Еп=2,6 млрд. кВт·год), Київська (Nп=264 тис. кВт, Еп=2,3 млрд. кВт·год), Черкаська (Nп=212 тис. кВт, Еп=1,8 млрд. кВт·год), Чернігівська (Nп=149 тис. кВт, Еп=1,3 млрд. кВт·год) і Тернопільська (Nп=115 тис. кВт, Еп=1,0 млрд. кВт·год).
Потенційні гідроресурси малих річок України складають Nп=330 тис. кВт, Еп=2,9 млрд. кВт·год і розподіляються наступним чином:
Донецько-Придніпровський район - Nп»110 тис.кВт, Еп»0,9 млрд.кВт·год;
Південно-Західний район - Nп»100 тис. кВт, Еп»1,0 млрд. кВт·год;
Південний район - Nп»120 тис. кВт, Еп»1,0 млрд. кВт·год.
2. Природа водної енергії. Енергія і потужність водяного потоку. Схеми концентрації напору. Гідроакумулюючі електростанції, припливні електростанції, установки, які використовують енергію води і вітру
2.1 Потужність і енергія водотоку
Вода, що тече у річці чи каналі, постійно виконує роботу на подолання внутрішнього опору руху води, опору на тертя у руслі і різні ерозійні впливи (розмив берегів і дна, переміщення наносів і т.п.)
Визначаємо силу тяги води:
F=m·g·sin a,
де m – маса води між створами А і В.
Виконана потоком робота рівна:
A=F·L=m·g·sina·L=r·w·L·g·sin a·L,
де w - площа поперечного перерізу потоку, м2, r - густина води, м3/с.
Замінимо значення довжини ділянки L на добуток vt, де v – швидкість потоку, м/с, t –час, за який потік проходить від створу А до створу В, с.
Отримуємо залежність A=r·g·w·v·t·sin a·L. Підставляючи у рівняння значення витрати Q=v·w та напору (падіння річки між створами) Н= sin a·L, отримуємо остаточне значення величини роботи потоку:
A=rgQtH.
Потужність – це робота, яка виконана за одиницю часу:
N==rgQH, [кВт].
При значеннях густини води r=1000 кг/м3, прискорення вільного падіння g=9,81 м/с2, витрати Q у м3/с і напорах Н у метрах, отримуємо
N=9,81QH, [кВт].
Енергія водотоку – це потужність, яка виконана за одиницю часу t, год:
E=Nt=9,81QHt, [кВт·год].
Підставляючи значення об’єму стоку річки, що проходить через розрахункові створи за час t=3600с, W=3600·Q·t, отримуємо залежність для визначення енергії:
, [кВт·год].
2.2 Принцип роботи ГЕС, її потужність і виробіток енергії
На ГЕС механічна енергія води перетворюється у електричну. Вода під дією сили тяжіння перетікає із верхнього у нижній б’єф і обертає робоче колесо турбіни, на одному валу з яким знаходиться ротор генератора електричного струму. Гідротурбіна разом із гідрогенератором називається гідроагрегат. У турбіні гідравлічна енергія води перетворюється у механічну енергію обертання робочого колеса разом із ротором генератора. У генераторі механічна енергія обертів перетворюється у електричну.
Для роботи ГЕС необхідна витрата води (Q) і напір (Н).
Потужність гідроагрегата (Na) і ГЕС в цілому (NГЕС) визначаються за залежностями:
Na=9,81QHhтhг; NГЕС=zaNa, [кВт];
виробіток електроенергії рівний:
[кВт·год],
де hт i hг – коефіцієнти корисної дії, відповідно, турбіни і генератора;
za – кількість гідроагрегатів ГЕС.
2.3 Греблевий спосіб створення напору
Суть створення греблевого напору полягає у тому, що річка у створі перегороджується підпірною спорудою (глухою та водозливною греблями, русловою ГЕС та ін.), за рахунок чого створюється водосховище, різниця рівнів якого і рівнів у нижньому б’єфі створює напір (рис. 2.2).
Характерними відмітками водосховища є:
- нормальний підпертий рівень (ÑНПР) – це верхня межа рівня води, при якому ГЕС і інші споруди гідровузла працюють тривалий час із збереженням нормальних запасів надійності, передбачених технічними умовами;
- рівень мертвого об’єму (ÑРМО) – мінімальний рівень водосховища, до якого можливе його спрацювання;
- форсований підпертий рівень (ÑФПР) – максимальний можливий рівень води за умови надійності споруд при проходженні паводкових витрат.
Об’єм води, який заключний між ÑНПР і ÑРМО називається корисним об’ємом водосховища (Wкор), а об’єм води, закумульований нижче ÑРМО – мертвим об’ємом (WМО). Об’єм води, який заключний між ÑФПР і ÑНПР називається резервним об’ємом водосховища (Wрез).
Різниці відміток верхнього і нижнього б’єфів створюють напори. Розрізняють статичні (Нст) та корисні (Нкор) напори.
Нст,макс=ÑНПР-ÑНБмін, Нст,мін=ÑРМО-ÑНБQгес.
Корисні напори ГЕС менші від статичних на величину втрат напору (hw), яка у залежності від компонування гідровузлів приймається у межах 5¸15 % (для руслових ГЕС 5 % від НСТ, для пригреблевих – 10% від НСТ, для дериваційних – 15 % від НСТ):
Нкор=Нст-hw, hw=(1,05...1,15)Hст.
2.4 Дериваційний спосіб створення напору
На гірських річках із значним похилом концентрація напору, як правило, здійснюється по дериваційній схемі. При цьому напір створюється не греблевим способом, а за рахунок напірної /тунелі/ чи безнапірної /лотки, канали і т.п./ деривації.
У дериваційній схемі виділяють головний вузол споруд, деривацію та станційний вузол споруд.
Пригреблево-дериваційна схема має переваги при відповідних топографічних та інженерно-геологічних умовах. Так, на гірській річці може бути побудована порівняно висока гребля, яка дозволяє використовувати частину падіння річки і створити водосховище для регулювання витрат. Далі із верхнього бєфу вода може бути відведена у деривацію, яка дозволяє використовувати падіння річки нижче греблі.
У результаті гребля і деривація разом працюють на створення напору.
2.5 Основні типи будівель ГЕС
Будівля ГЕС призначена для розташування у ній гідроагрегатів і допоміжного обладнання. Складається будівля ГЕС, як правило, із агрегатного блоку, верхньої будівлі і монтажної площадки.
Гідроелектричні станції класифікуються:
- за схемою концентрації напору: руслові, коли будівля ГЕС входить до складу водонапірного фронту і безпосередньо сприймає напір; пригреблеві, коли будівля ГЕС розташована за греблею і не сприймає напорів і дериваційні, коли напір створюється за рахунок напірної чи безнапірної деривації;
- за способом скидання води із верхнього у нижній б’єф: не суміщені з водоскидами, коли надлишки води скидаються через водозливну греблю і суміщені з придонними чи поверхневими водоскидами;
- за типом верхньої будівлі ГЕС: закриті (з внутрішнім розміщенням підйомно-транспортного обладнання); напіввідкриті (низька машинна зала із зйомною кришкою і основний кран розташований за її межами) і відкриті (машинна зала відкрита, генератор закритий зйомним ковпаком, основне і допоміжне обладнання обслуговується козловим або мостовим краном);
- за положенням відносно поверхні землі: наземні, напівпідземні і підземні;
- в залежності від положення осі агрегату: з горизонтальними агрегатами (низьконапірні при Н до 10¸15 м) і з вертикальними гідроагрегатами.
2.6 Гідроакумулюючі електростанції
Гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС) почергово виконують функції насосної (НС) та гідроелектричної станцій (ГЕС).
В години зменшення навантажень енергосистеми, наприклад, вночі, ГАЕС працює як насосна станція, споживаючи потужність у насосному режимі NHP і перекачує (акумулює) воду подачею QH у верхній б’єф (ВБ), розташований вище по рельєфу.
Вранці і ввечері, коли електроспоживання в енергосистемі зростає, вода із верхнього б’єфу витратою QT проходить через турбіни у нижній б’єф (НБ). В ці години ГАЕС працює як гідроелектростанція, видаючи на відкритий розподільчий пристрій (ВРП) потужність у турбінному режимі NTP, яка по лініях електропередач (ЛЕП) надходить до споживача.
По схемі акумулювання розрізняють:
- ГАЕС простого акумулювання – без притоку води у верхній б’єф, коли він виконаний у формі штучної водойми;
- ГЕС-ГАЕС змішаного типу – коли є притік води у верхній б’єф, достатній для його спрацювання додатковими блоками ГЕС у турбінному режимі;
- ГАЕС у схемі перерозподілу стоку–коли будівлі насосної і гідроелектричної станцій розміщені роздільно.
По тривалості акумулювання ГАЕС бувають добового, тижневого і сезонного акумулювання.
По схемі гідросилового обладнання розрізняють ГАЕС чотири-, три- і двомашинної схеми компонування гідроагрегатів.
На даний час в Україні експлуатуються Київська і Теребля-Рікська ГАЕС, будуються дві гідроакумулюючі електростанції: Новодністровська (р. Дністер) і Ташлицька (р. Пд. Буг в Південноукраїнському енергокомплексі). Заплановано будівництво Канівської ГАЕС на р. Дніпро.
2.7 Припливні електростанції
Великий енергетичний потенціал мають моря і океани. Вони створюють енергію хвиль і припливів, градієнту солоності, хімічних зв’язків газів та ін.
Припливні електростанції (ПЕС) використовують коливання припливів і відпливів морів та океанів, які відбуваються двічі на добу. Амплітуда коливань припливів змінюється від максимальної в сигізію до мінімальної у квадратури.
Найбільші припливи на Землі спостерігаються у затоці Фанді (Канада, 19 м), у затоках Брістоль (Великобританія) і Сен-Мало (Франція) – до 14 м, на північно-західному березі США - до 10 м. З країн СНД найбільший потен-ціал енергії припливів має Росія. Висота припливів становить: у Пеньжинській затоці – до 13,2 м, на Охотському і Білому морях – до 10 м, біля Мурманська – до 7,2 м.
Світовий енергопотенціал припливів оцінюється в 1 млрд. кВтžгод, що у 2,5 рази більше виробітку електроенергії усіх існуючих ГЕС.
За умовами роботи розрізняють ПЕС одностороннього руху води, двостороннього руху води і ПЕС з підкачкою води насосами.
У 1963-68 рр. на Баренцовому морі побудовано експериментальну Кислогубську ПЕС потужністю NПЕС=400 кВт, а у 1966 р у Франції побудовано ПЕС Ранс (NПЕС=240 МВт).
На даний час проектуються Кольська і Мезенська ПЕС (Росія), ПЕС Фанді і Коубквід (Канада), а також ПЕС у Індії, Північній та Південній Кореї, Австралії, Аргентині.
Моря України мають низький потенціал енергії припливів. Крім того, береги Чорного та Азовського морів є курортною зоною з розвинутою інфраструктурою, і розвиток даної території в напрямку рекреації є більш перспективним. До недоліків електростанцій, що використовують енергію морів і океанів відносять те, що вони завдають значної шкоди морській флорі і фауні.
