Гидроэлектростанции кпд: Каков КПД гидроэлектростанции, если каждую минуту с плотины высотой 36м падает вода, объемом 15000 м…

Статьи :: Журнал «Гидротехника» — Наука и технологии

Работы по модернизации действующего оборудования всегда были весьма эффективными и ведутся на всех ГЭС мира практически постоянно, начиная с первых лет эксплуатации. Необходимость проведения таких работ вызвана в первую очередьотличием фактических режимов работы от проектных. Характер работ по модернизации действующего оборудования весьма разнообразен, но чаще всего ставит целью повышение мощности гидромашин, имеющих изначально «скрытый» резерв.

К сожалению, в России отсутствуют законодательные акты, обязующие и стимулирующие повышение энергоотдачи гидроузлов. Примером может служить ситуация, сложившаяся на Вилюйской ГЭС-II. Фактические напоры на ГЭС (Н = 62–67 м) оказались много выше расчетного Н_р = 55 м. В результате радиально-осевая турбина проектной мощностью N_т = 88 МВт не может работать в оптимальной по КПД зоне эксплуатационной характеристики из-за ограничения по генератору. Предложение завода-изготовителя ПО АТ ХТЗ и ЦКТИ выполнить комплексные исследования по увеличению эффективности использования водотока (КПД) и повышению мощности машин остается невостребованным руководством ГЭС уже более 30 лет.

Проблема технического перевооружения ГЭС не может и не должна решаться комиссионным обследованием оборудования. На каждом конкретном объекте требуется выполнение комплекса работ по оценке эффективности использования водотока на ГЭС и определению остаточного ресурса основных узлов гидротурбин после их сверхдлительного срока службы. Эти работы должны выполняться организациями, имеющими опыт проведения соответствующих исследований и необходимую техническую базу.

До аварии на Саяно-Шушенской ГЭС работы по замене оборудования в России практически не велись. Отношение к реконструкции действующих ГЭС резко изменилось в лучшую сторону после катастрофы на Саяно-Шушенской ГЭС. Сегодня техническое перевооружение ведется на Жигулевской, Волгоградской, Саратовской, Братской, Усть-Илимской, Новосибирской, Усть-Хантайской ГЭС, планируется на Красноярской, Воткинской, Нижегородской, Верхне-Туломской, Иркутской ГЭС.

Рассматривая проблему реконструкции, необходимо принимать во внимание, что изготовленные в довоенные и послевоенные годы гидротурбины создавались по совершенно иной концепции развития энергетики, чем существующей сегодня. Современная гидроэнергетика ориентирована на получение максимальной выработки энергии от проходящего через турбины объема водотока, тогда как перед гидроэнергетикой предыдущих десятилетий ставилась задача всемерного удешевления гидротехнического строительства и ускоренного наращивания гидроэнергетического потенциала страны. Изменения в концепции развития энергетики сказались и на технических требованиях к современным гидромашинам.

Из всего многообразия показателей, характеризующих технический уровень гидротурбин, важнейшим является КПД. Разница по КПД современных гидротурбин и построенных в предыдущие десятилетия увеличивается с возрастом оборудования. По сравнению с довоенным уровнем, максимальное значение КПД поворотно-лопастных турбин на напор 20 м увеличилось в России на 6%, а для расходов, где обычно выбирается расчетный режим турбины, — на 10%.

Сегодня заказчики требуют максимальный КПД не ниже 90% на модели. Максимальное значение КПД 94% не является уже необычным для натурной турбины, а для уникальных разработок достигает в натуре 95–96% на осевых машинах и 96–97% на радиально-осевых турбинах.

Существуют ли реальные перспективы дальнейшего повышения КПД? На этот вопрос должен быть дан положительный ответ, поскольку среднеэксплуатационный КПД современных рабочих колес (работающих в диапазоне широкого изменения напора и мощностной нагрузки) ощутимо ниже максимального. Задача повышения среднеэксплуатационного КПД гидромашин решается применением генераторов с переменной частотой вращения. Такие генераторы путем изменения частоты вращения позволяют работать турбинам с максимальным КПД при всех эксплуатационных напорах. За счет роста среднеэксплуатационного КПД турбин увеличивается выработка энергии от того же объема воды на 8–12%. Применение в гидроэнергетике агрегатов с переменной частотой вращения является мировой ведущей тенденцией как при реконструкции действующих, так и при строительстве новых ГЭС и ГАЭС.

Принятая в советские годы методика выбора параметров гидротурбин исходила из предположения, что основную часть времени гидромашины будут работать на оптимальных по КПД режимах (с наибольшим уровнем КПД) и только в часы пика электропотребления использоваться на режиме номинальной мощности. Однако в реальных условиях характер использования мощности гидроагрегатов в энергосистеме оказался в большинстве случаев иным. Основную часть времени турбины работали в советские годы на максимальных мощностях; причем с годами происходило разуплотнение графика энергопотребления и увеличивалась продолжительность работы машины с максимальной мощностью (на режиме с пониженным уровнем КПД).

Среди гидроэнергетиков широко распространено мнение, что только заменой существующей лопастной системы на современную (новую) можно существенно повысить КПД и мощность действующей гидротурбины. Это положение является справедливым для радиально-осевых турбин, однако в осевых гидромашинах решающее значение имеют габаритные размеры гидроблока реконструируемых ГЭС (в первую очередь высота отсасывающей трубы). Без изменения конструкции рабочего колеса в целом (числа лопастей, втулочного отношения, диаметра горловины камеры) повысить энергетические качества реконструируемой турбины только за счет лопастной системы практически невозможно.

Реконструкция осевых гидротурбин, созданных в советское время, не гарантирует достижения современного максимального уровня КПД машин из-за несоответствия габаритов существующих гидроблоков сегодняшним требованиям.

Наиболее достоверно влияние на КПД несоответствия габаритов существующего гидроблока требуемым для нового колеса определяется по модельным испытаниям. При этом гидроблок модели должен быть геометрически подобен натурному гидроблоку. Такие исследования обычно выполняются для всех крупных ГЭС, где планируется реконструкция оборудования.

В технической литературе нередко можно встретить мнение, что гидромашины с большим сроком службы имеют предельный износ и им грозит в ближайшее время «лавинообразный» поток отказов. Однако на большинстве ГЭС гидроагрегаты продолжают успешно работать до настоящего времени, хотя имеют срок службы в 2 и более раза выше, чем нормативный. Это противоречие объясняется отсутствием объективных исследований надежности гидротурбин, давно отработавших свой нормативный срок службы.

Зарубежные исследования также подтверждают сохранение гидромашинами высокой надежности за пределами нормативного срока службы оборудования. Повышенная надежность технологического оборудования с большим сроком службы объясняется рядом причин. Одна из них связана с особенностями принятой в СССР методики экономического обоснования установленной мощности ГЭС. Основной характеристикой ГЭС как энергоисточника является средняя многолетняя выработка электроэнергии, которая при прочих равных условиях определяется нормой годового стока. Норма годового стока находится как среднеарифметическое значение наблюдаемых стоков за 40–60 лет. В зависимости от водности года выработка колеблется в широких пределах: в маловодные сокращается в 1,6–2,3 раза, а в многоводные повышается в 2,1–4,9 раза. Следовательно, выработка электроэнергии на каждой конкретной ГЭС в каждом конкретном году определяется вероятностным характером годового стока, а для ГЭС с регулирующей способностью водохранилищ менее сезонного и от внутригодового распределения стока.

Другим фактором, определяющим высокую надежность созданных в советские годы гидромашин, является их повышенная удельная металлоемкость. Изготовленные в довоенное и послевоенное время гидромашины имели большую металлоемкость, которая в дальнейшем директивно снижалась.

Наконец, надежность энергетического оборудования зависит также от единичной мощности машин. С повышением мощности машин уменьшается конструктивная жесткость ее узлов. Созданные 50 и более лет назад гидромашины имели небольшую единичную мощность (как правило, не более 100 МВт) и повышенную металлоемкость.

Несмотря на индивидуальность ГЭС, существуют общие требования к реконструкции оборудования: выбор типа и параметров нового рабочего колеса должен производиться с учетом конструктивных особенностей существующего гидроблока и реально сложившихся режимных условий.

Для определения условий эксплуатации оборудования на реконструируемой ГЭС необходимы следующие данные: распределение объемов воды, проходящих через турбину при различных напорах; закономерность использования мощности агрегата в энергосистеме; характеристика кавитационных условий работы гидротурбины.

На сайте размещена сокращенная версия статьи. Полную версию читайте в журнале.

Передовые разработки «омолодили» самую северную российскую ГЭС

19 октября 2021
13:09

Анна Переверзева

Завершена реконструкция самой северной в России Усть-Хантайской ГЭС, длившаяся с 2014 года. Все основные показатели работы станции удалось увеличить.

На Таймыре полностью модернизировали Усть-Хантайскую ГЭС. На станции запустили последний из семи замененных гидроагрегатов. На весь проект ушло около семи лет в суровых условиях севера. Инженеры проделали уникальную работу. В итоге жители получили не только более мощную, и более экологичную ГЭС.

Самая северная в России гидроэлектростанция в свои 50 с лишним лет заработала с новой силой. На Усть-Хантайской ГЭС заменили все семь гидроагрегатов. Беспрецедентная работа длилась с 2014 года. Каждый пусковой комплекс весом в 1400 тонн доставляли баржей по труднопроходимой реке Хантайке в короткую северную навигацию. ​

«Реконструкция проводилась в условиях действующего оборудования. Надо было выделить зону, где будут работать люди. Заменялось все, не только первичное оборудование (это турбина, генератор), но и вторичка. Релейная защита, автоматика – это все современные цифровые разработки», – рассказывает Алексей Потапов, директор Усть-Хантайской ГЭС.

Задача стояла непростая – существенно увеличить все основные показатели работы станции. И она выполнена за счет уникальных инженерных решений.

«Мы изменили конструкцию рабочего колеса с поворотно-лопастной на радиально-осевую. Инженеры смогли найти уникальное решение, так что мы, не меняя конструктива машины, посадили туда колесо нового типа. Это уникально для нашей страны. Я не знаю, где бы еще такое решение применялось», – объясняет Сергей Липин, генеральный директор АО «Норильско-Таймырская энергетическая компания».

На Таймыр с большой земли не идут не только дороги, но и линии электропередачи. Энергосистема полуострова полностью изолирована от единой энергосистемы России. Так что от Усть-Хантайской ГЭС зависит и жизнь населения региона, и работа стратегически важных предприятий: рудников, металлургических заводов, морского порта.

«Это повышение эффективности работы модернизируемой ГЭС, повышение КПД и установленной мощности на 70 мегаватт, увеличение выработки электроэнергии до 2,4 млрд киловатт-часов. И вообще обеспечение энергобезопасности региона Норильска и Таймыра в целом», – говорит Николай Шульгинов, министр энергетики РФ.

К тому же, модернизация приблизила ГЭС к новым экологическим стандартам. И не только потому, что в новых агрегатах не используется машинное масло, которое может загрязнять реку. Дело в высоком коэффициенте полезного действия – почти 95 процентов.

«Более высокий КПД для ГЭС – это когда мы из одного и того же объема воды, проходящей через турбину, получаем больше энергии. Это приводит к уменьшению потребности в сжигании природного газа на тепловых электростанциях. Из-за этого и возникает экологический эффект», – поясняет Евгений Федоров, вице-президент по энергетике ПАО ГМК «Норникель».

Благодаря этому уже произведена первая партия углеродно-нейтрального никеля в 5 тысяч тонн. Теперь объемы экологичной продукции будут только расти. Уже есть программа по замене гидроагрегатов еще одной ГЭС, расположенной на Таймыре, Курейской. К реализации приступят в 2023 году.

экономика
экология
реконструкция
энергетика
ГЭС
электроэнергия
Таймыр
общество
новости

Производство гидроэлектроэнергии

Гидроэнергетика

Гидроэнергетика, использующая потенциальную энергию рек, в настоящее время обеспечивает 17,5 % мировой электроэнергии (99 % в Норвегии, 57 % в Канаде, 55 % в Швейцарии, 40 % в Швеции, 7 % в США). За исключением нескольких стран с ее избытком, гидромощность обычно используется для удовлетворения пиковых нагрузок, потому что ее очень легко остановить и запустить. В развитых странах это не лучший вариант на будущее, потому что большинство крупных участков в этих странах, имеющих потенциал для использования гравитации таким образом, либо уже эксплуатируются, либо недоступны по другим причинам, таким как экологические соображения. Рост к 2030 году ожидается в основном в Китае и Латинской Америке.

Гидроэнергия доступна во многих формах: потенциальная энергия высокого напора воды, удерживаемой в плотинах, кинетическая энергия течений рек и приливных плотин, а также кинетическая энергия движения волн по относительно статичным водным массам. Было разработано множество оригинальных способов использования этой энергии, но большинство из них связано с направлением потока воды через турбину для выработки электроэнергии. Те, которые обычно не предполагают использование движения воды для приведения в действие какого-либо другого гидравлического или пневматического механизма для выполнения той же задачи.

Водяные турбины

Как и паровые турбины, водяные турбины могут зависеть от импульса рабочей жидкости на лопасти турбины или от реакции между рабочей жидкостью и лопастями для вращения вала турбины, который, в свою очередь, приводит в движение генератор. Несколько различных семейств турбин были разработаны для оптимизации производительности для конкретных условий водоснабжения.

Выходная мощность турбины

В общем случае турбина преобразует кинетическую энергию рабочего тела, в данном случае воды, во вращательное движение вала турбины.

Швейцарский математик

Леонард Эйлер показал в 1754 году, что крутящий момент на валу равен изменению углового момента потока воды при его отклонении лопастями турбины, а вырабатываемая мощность равна крутящему моменту на валу, умноженному на скорость вращения турбины. вал. См. следующую схему.

Обратите внимание, что этот результат не зависит от конфигурации турбины или того, что происходит внутри турбины. Все, что имеет значение, — это изменение углового момента жидкости между входом и выходом турбины.

Эффективность производства гидроэлектроэнергии

Производство гидроэлектроэнергии на сегодняшний день является наиболее эффективным методом крупномасштабного производства электроэнергии. См. сравнительную таблицу. Энергетические потоки сконцентрированы и ими можно управлять. Процесс преобразования улавливает кинетическую энергию и преобразует ее непосредственно в электрическую энергию. Отсутствуют неэффективные промежуточные термодинамические или химические процессы и потери тепла. Однако общая эффективность никогда не может быть 100%, поскольку извлечение 100% кинетической энергии текущей воды означает, что поток должен будет остановиться.

Эффективность преобразования гидроэлектростанции зависит в основном от типа используемой водяной турбины и может достигать 95% для крупных установок. Небольшие станции с выходной мощностью менее 5 МВт могут иметь эффективность от 80 до 85 %.

Однако извлекать мощность из низкого расхода трудно.

Примечание: Теоретический предел эффективности преобразования Бетца, равный 59.3%, что представляет собой максимальный КПД, который может быть получен от ветровой турбины, не применяется к гидравлическим турбинам, поскольку существует множество вариантов конструкций турбин и больше возможностей управления потоками воды. Это означает, что существуют эквивалентные изменения потенциального КПД турбины, многие из которых могут превышать предел Бетца.

Узнайте больше об исторических разработках в области гидроэнергетики и других примерах.

Типы турбин

Выбор наиболее подходящей турбины зависит от расхода воды и напора или давления воды.

• Импульсные турбины

Импульсные турбины требуют тангенциального потока воды с одной стороны рабочего колеса турбины (ротора) и поэтому должны работать только в частичном погружении. Они лучше всего подходят для приложений с высоким напором, но низким объемным расходом, например, на мелководье с быстрым течением, хотя они используются в широком диапазоне ситуаций с напором от 15 до почти 2000 метров.

• Реакционные турбины

Реакционные турбины предназначены для работы с рабочим колесом турбины, полностью погруженным в воду или заключенным в кожух для удержания давления воды. Они подходят для более низких напоров воды до 500 метров и являются наиболее часто используемыми турбинами высокой мощности.

См. также Паровые турбины

Энергия плотин (потенциальная энергия)

• Характеристики питания
  

  Плотина гидроэлектростанции использует потенциальную энергию воды, удерживаемой в плотине, для приведения в действие водяной турбины, которая, в свою очередь, приводит в действие электрический генератор. Таким образом, доступная энергия зависит от напора воды над турбиной и объема воды, протекающей через нее. Турбины, как правило, реактивного типа, лопасти которых полностью погружены в поток воды.   На приведенной ниже схеме показана типичная конфигурация турбины и генератора, используемая в плотине.

  Источник Инженерный корпус армии США

  Источник: TVA

  Строительные работы, связанные с выработкой гидроэлектроэнергии от плотины, обычно во много раз превышают стоимость турбин и связанного с ними оборудования для выработки электроэнергии. Однако плотины обеспечивают большой резервуар для воды, из которого можно контролировать поток воды и, следовательно, выходную мощность генератора. Резервуар также служит буфером снабжения, сохраняя излишки воды в дождливые периоды и выпуская ее в засушливые периоды. Накопление ила за плотиной может вызвать проблемы с техническим обслуживанием.

  Доступная мощность

  Потенциальная энергия на единицу объема = ρgh

  Где ρ — плотность воды (10 ³ кг/м ³ ), h — напор воды и г — гравитационная постоянная (10 м/с ² )

  Мощность P от плотины определяется

  P = ηρghQ

  Где Q — объем воды, протекающей в секунду (расход в м ³ в секунду), а η — КПД турбины.

   

  Для воды, текущей со скоростью один кубический метр в секунду с напором в один метр, генерируемая мощность эквивалентна 10 кВт при условии эффективности преобразования энергии 100% или чуть более 9кВт с КПД турбины от 90% до 95%.

Сила «Бечения реки» (кинетическая энергия)

• Характеристики питания

Русловые установки не зависят от затопления больших участков земли для образования дамб. Вместо этого необходимое постоянное водоснабжение может быть получено из естественных озер и водохранилищ, расположенных выше по течению. Обычно они используются для небольших схем, генерирующих выходную мощность менее 10 МВт.

Вода из быстро текущей реки или ручья отводится через турбину, часто колесо Пелтона, которое приводит в действие электрический генератор. Местный напор воды может быть по существу ненамного больше нуля, а турбина предназначена для преобразования кинетической энергии протекающей воды в энергию вращения турбины и генератора. Таким образом, доступная энергия зависит от количества воды, протекающей через турбину, и квадрата ее скорости.

Импульсные турбины, которые только частично погружены в воду, чаще используются в русловых установках с быстрым течением, в то время как в более глубоких реках с медленным течением и большим напором воды могут использоваться полностью погруженные реактивные турбины Каплана для извлечения энергии из воды. поток.

 

Русловые проекты намного дешевле, чем плотины, из-за более простых требований к строительным работам. Однако они чувствительны к колебаниям количества осадков или потока воды, которые снижают или даже отключают потенциальную выработку электроэнергии в периоды засухи. Чтобы избежать проблем, связанных с сезонным речным стоком или даже суточными колебаниями, русловые установки могут включать дополнительный ограниченный объем «искусственного» хранилища воды, называемого «прудом», для поддержания работы станции в засушливые периоды. .

С другой стороны, в условиях паводка установка может быть не в состоянии выдержать более высокие скорости потока, и вода должна быть отведена вокруг турбины, теряющей потенциальную генерирующую способность увеличенного потока воды.

Из-за этих ограничений, если строительство плотины невозможно, речным сооружениям также может потребоваться предусмотреть некоторые формы резервного питания, такие как аккумуляторные батареи, аварийные генераторы или даже подключение к сети. Дополнительные сведения о вариантах резервного копирования см. в разделе «Улавливание возобновляемых источников энергии».

 

Доступная мощность

Максимальная выходная мощность турбины, используемой в русле реки, равна кинетической энергии (½ мВ ² ) воды, падающей на лопасти. С учетом КПД η турбины и ее установки максимальная выходная мощность P _max равна

P _max =½ηρQv ²

, где v — скорость потока воды, а Q — объем воды, протекающей через турбину в секунду.

Q задается

Q = А v

, где A – охватываемая площадь лопаток турбины.

Так

P _макс. =½ηρAv ³

Это соотношение также применимо к турбинам с кожухами, используемым для улавливания энергии приливных течений (см. ниже), и является прямым аналогом уравнения для теоретической мощности, вырабатываемой ветряными турбинами. Обратите внимание, что выходная мощность пропорциональна кубу скорости воды.

 

Таким образом, мощность, вырабатываемая одним кубометром воды, протекающей со скоростью один метр в секунду через турбину со 100%-ным КПД, составит 0,5 кВт или чуть меньше, учитывая неэффективность системы. Это только одна двадцатая часть мощности, генерируемой таким же объемным потоком от плотины наверху. Для выработки той же мощности при том же объеме воды из русла речной установки скорость потока воды должна быть √20 метров в секунду (4,5 м/сек).

 

Приливная сила

• Характеристики питания

Использование силы приливов может быть достигнуто путем размещения двунаправленных турбин на пути приливных потоков воды в заливах и устьях рек. Чтобы быть жизнеспособным, ему нужен большой диапазон приливов и требуется создание барьера через залив или устье, чтобы направлять воду через турбины, когда прилив приходит и уходит. Хотя приливная энергия, собранная в приливных водоемах, использовалась со времен Римской империи для приведения в действие мельниц, современных установок мало. Первая электростанция, использующая энергию приливов и отливов в больших масштабах для производства электроэнергии, была построена в Рансе во Франции в 1919 году.66. Другие последовали в Канаде и России.

 

 

Энергия приливов наиболее близка из всех прерывистых возобновляемых источников к тому, чтобы обеспечить неограниченную, непрерывную и предсказуемую выходную мощность, но, к сожалению, в мире мало подходящих площадок, а экологические ограничения до сих пор препятствовали их всеобщему признанию.

Водяные турбины с кожухом, размещенные в глубоководных приливных течениях, демонстрируют лучший потенциал для эксплуатации, хотя связанные с ними строительные работы более сложны, и несколько проектов находятся в стадии разработки.

Энергия доступна только от шести до двенадцати часов в день в зависимости от приливов и отливов.

 

Доступная мощность

Максимальная выходная мощность водяной турбины с кожухом, используемой в приложениях для получения энергии приливов, равна кинетической энергии воды, падающей на лопасти, аналогично расчету «бег реки» выше. Берем эффективность η турбины и ее установки с учетом максимальной выходной мощности P _max дается

P _макс. =½ηρAv ³

, где v — скорость потока воды, а A — площадь охвата лопастей.

 

Турбина диаметром один метр с потоком воды один метр в секунду, протекающим через нее, будет генерировать 0,4 кВт электроэнергии при условии КПД 100%. Точно так же турбина диаметром 3 метра с потоком воды 3 метра в секунду будет производить 32 кВт энергии.

Мощность волны

• Характеристики питания

Энергия, доступная в результате движения волн на поверхности океана, почти ограничена, но ее оказалось очень трудно уловить. Было предложено много оригинальных систем, но, за исключением очень небольших установок, очень немногие из них производят электроэнергию в коммерческих целях, и большинству из них помешали практические проблемы.

Некоторые из этих предложений описаны ниже. Большинство из них все еще находятся на экспериментальной стадии, и многие из них не масштабируются в системы с высокой пропускной способностью.

 

• Системы преобразования энергии
• Осциллирующая поплавковая система

Одним из самых простых и распространенных решений является система колеблющихся поплавков, в которой поплавок размещается внутри цилиндрического буя, открытого снизу и пришвартованного к морскому дну. Внутри цилиндра поплавок движется вверх и вниз по поверхности волн, когда они проходят через буй.

Для преобразования движения поплавка в электрическую энергию использовались различные методы. К ним относятся: —

• Гидравлические системы, в которых воздух сжимается в пневматическом резервуаре над поплавком при его движении вверх на гребнях волн. После прохождения гребней воздух расширяется и толкает поплавок вниз в следующие впадины волн. Затем гидравлическая система использует возвратно-поступательное движение поплавка для прокачки воды через водяную турбину, которая приводит в действие роторный электрический генератор.0077
• Пневматические системы, в которых воздух, вытесняемый в цилиндре, используется для приведения в действие воздушной турбины, приводящей в движение генератор.
• Линейные генераторы для преобразования возвратно-поступательного движения поплавка непосредственно в электроэнергию.
• Вместо выработки электроэнергии на борту буя некоторые системы перекачивают гидравлическую жидкость на берег для питания береговых генераторов.
• Система осциллирующих лопастей

В этой системе используются большие весла, пришвартованные ко дну океана, чтобы имитировать колебание морских растений в присутствии океанских волн. Лопасти прикреплены к специальным шарнирным соединениям в основании, которые используют колебательное движение лопастей для прокачки воды через турбогенератор.

• Осциллирующая система Snake

В змеиной системе используется ряд плавающих цилиндрических секций, соединенных шарнирными соединениями.
Плавающая змея привязана к морскому дну и сохраняет положение лицом к волнам. Волновое движение шарниров используется для прокачки масла под высоким давлением через
гидромоторы через сглаживающие аккумуляторы.
гидравлические двигатели, в свою очередь, приводят в действие электрические генераторы для производства
электрическая мощность.

• Осциллирующая водяная колонна

Водяные столбы образуются внутри больших бетонных сооружений, построенных на береговой линии или на плотах. Конструкция открыта как сверху, так и снизу. Нижний конец погружен в море, а отверстие наверху заполняет воздушная турбина. Подъем и опускание водяного столба внутри конструкции приводит в движение воздушный столб над ней, заставляя воздух проходить через турбогенератор. Турбина имеет подвижные лопасти, которые вращаются для поддержания однонаправленного вращения при обратном движении столба воздуха.

 

• Система датчика давления

В системе гидравлического насоса используется погружной газонаполненный бак с жесткими стенками и основанием и гибкой сильфонной верхней частью. Газ в резервуаре сжимается и расширяется в ответ на изменения давления от волн, проходящих над головой, заставляя верхнюю часть подниматься и опускаться. Рычаг, прикрепленный к центру верхней части, приводит в движение поршни, которые перекачивают воду под давлением на берег для приведения в действие гидравлических генераторов.

 

• Системы захвата волн

В системах захвата волн используется сужающийся пандус для направления волн в приподнятый резервуар. Волны, входящие в воронку широким фронтом, концентрируются в сужающемся канале, что приводит к увеличению амплитуды волны. Увеличенная высота волны в сочетании с импульсом воды достаточна, чтобы поднять некоторое количество воды вверх по склону и в резервуар, расположенный над уровнем моря. Затем вода из водохранилища может быть выпущена через гидроэлектрическую турбину, расположенную под водохранилищем, для выработки электроэнергии.

 

• Системы переливов волн

Это плавучие системы, подобные наземной системе, описанной выше. Они фокусируют волны на конусообразной рампе, что приводит к увеличению их амплитуды. Гребни волн перехлестывают рампу и сливаются в низкую плотину. Затем вода из низкой плотины течет через гидроэлектрические турбины обратно в море под плавучим сооружением.

 

• Рычажные системы

Разработаны различные системы улавливания энергии на основе рычагов. Длинные рычаги могут быть установлены на стальных сваях или на плавучих платформах. К концам рычагов прикреплены большие поплавки или буи, которые двигаются вверх и вниз вместе с волнами.

Движение плеч рычага нагнетает жидкость в центральный гидроаккумулятор и через турбину генератора. В качестве альтернативы вода под высоким давлением может быть перекачана на берег для питания береговых генераторов.

 

• Технические проблемы

Огромные технические проблемы связаны с разработкой практических систем для улавливания волновой энергии.

• Изменчивость морских условий

Морские условия, как известно, изменчивы, и система должна быть в состоянии справиться с широким диапазоном амплитуд и частот волн, а также с изменениями направлений течений.

• Согласование генерирующего оборудования с волновыми характеристиками

Требуются механизмы для преобразования мощности нерегулярных колебательных механических сил, вызванных волнами, в электрическую энергию, синхронизированную с сетью. Это может быть связано с дорогой силовой электроникой.

Типичные вращающиеся машины, используемые для производства электроэнергии, работают с синхронной скоростью 1200 об/мин. (20 оборотов в секунду), тогда как частота волн, приводящих в движение генератор, вероятно, будет между 5 и 10 секундами за цикл. Для соответствия этому соотношению рабочих скоростей 200:1 необходима механическая система зубчатых передач, возможно, в сочетании с низкоскоростными генераторами специального назначения, включающими большое количество пар полюсов.

Одним из способов решения всех этих проблем является использование гидроаккумуляторов либо на месте, либо на берегу, чтобы сгладить подачу энергии к генератору.

• Строительство оборудования

Для систем разумного размера будут задействованы очень большие механические силы, преобразующие энергию волн в механическую энергию для приведения в действие электрического генератора.

• Размещение и швартовка оборудования

Должны быть предусмотрены прочные кожухи для защиты генерирующего оборудования от суровых условий окружающей среды.

Удерживать установку на месте также особенно сложно на глубокой воде.

• Передача энергии

Бронированные и изолированные кабели с малыми потерями или трубы высокого давления должны быть разработаны для доставки электрической или гидравлической энергии обратно на берег.

• Устойчивость к штормовому урону

Штормовой урон представляет серьезную угрозу. Частота появления волн любой конкретной амплитуды следует распределению Рэлея, аналогичному тому, которое применяется к скорости ветра. Хотя частота серьезных штормов может быть довольно небольшой, волны, амплитуда которых в десять раз превышает среднюю, можно ожидать раз в 50 лет. Из приведенного ниже расчета мощности мощность волны пропорциональна квадрату амплитуды волны. Это означает, что установка должна быть спроектирована таким образом, чтобы выдерживать силы, в сто раз превышающие нормальный рабочий уровень. Это значительно увеличивает затраты.

 

Доступная мощность

Мощность волны на единицу длины фронта волны P _L определяется (Twiddel & Weir. Renewable Energy Resources) как

P _L =ρga ² λ/4T

Где ρ плотность воды (10 ³ кг/м ³ ), a — амплитуда волны (половина высоты волны), g — гравитационная постоянная (10 м/с ² ), λ — длина волны колебания и T периода волны.

Таким образом, для волны с амплитудой 1,5 метра, длиной 100 метров и периодом 5 секунд мощность на метр фронта волны составит 75 кВт.

Тепловая энергия океана

Безграничная тепловая энергия более теплых океанов мира также может быть использована для производства электроэнергии почти так же, как геотермальное тепло используется для производства электроэнергии. К сожалению, эффективность преобразования очень низка, а экономическую целесообразность трудно обосновать при текущих ценах на энергоносители. Процесс и возможности более подробно описаны в разделе «Преобразование тепловой энергии океана» (ПТЭО) на страницах «Геотермальная энергия».

См. также Генераторы

Вернуться к Обзор электроснабжения

Гидроэлектроэнергетика: преимущества производства и использования

• Школы водных наук ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА  • Темы поверхностных вод • Темы использования воды  •

Следующая информация является ссылкой на информацию, представленную Itaipu Binacional. Контент на этой странице взят непосредственно с их сайта.

Представители более 170 стран пришли к консенсусу на Всемирной конференции по устойчивому развитию в Йоханнесбурге (2002 г.) и на 3-м Всемирном форуме по водным ресурсам в Киото (2003 г.): гидроэнергетика возобновляема и имеет определенные преимущества Здесь десять причин, ведущих их к такому заключению.

1. Гидроэлектроэнергия является возобновляемым источником энергии.

Гидроэнергетика использует энергию проточной воды без уменьшения ее количества для производства электроэнергии. Таким образом, все гидроэлектростанции малого или большого размера, будь то русло реки или накопительное хранилище, соответствуют концепции возобновляемой энергии.

2. Гидроэнергетика позволяет использовать другие возобновляемые источники.

Гидроэлектростанции с накоплением 9Резервуары 0026 обеспечивают непревзойденную эксплуатационную гибкость, поскольку они могут мгновенно реагировать на колебания спроса на электроэнергию. Гибкость и аккумулирующая способность гидроэлектростанций делают их более эффективными и экономичными при поддержке использования прерывистых источников возобновляемой энергии, таких как солнечная энергия или эолийская энергия.

3. Гидроэнергетика способствует гарантированной стабильности энергии и цен.

Речная вода является бытовым ресурсом, который, в отличие от топлива или природного газа, не подвержен рыночным колебаниям. В дополнение к этому, это единственный крупный возобновляемый источник электроэнергии, а его соотношение затрат и выгод, эффективность, гибкость и надежность помогают оптимизировать использование тепловые электростанции .

4. Гидроэнергетика способствует хранению питьевой воды.

Гидроэлектростанции Резервуары электростанций собирают дождевую воду, которую затем можно использовать для потребления или для орошения. Запасая воду, они защищают грунтовые воды от истощения и снижают нашу уязвимость перед наводнениями и засухами.

5. Гидроэнергетика повышает стабильность и надежность систем электроснабжения.

Работа систем электроснабжения зависит от быстрых и гибких источников генерации для удовлетворения пиковых нагрузок, поддержания уровней напряжения в системе и быстрого восстановления подачи после отключения электроэнергии. Энергия, вырабатываемая гидроэлектростанциями, может быть введена в систему электроснабжения быстрее, чем энергия любого другого источника энергии. Способность гидроэлектростанций достигать максимальной выработки с нуля быстрым и предсказуемым образом делает их исключительно подходящими для реагирования на изменения в потреблении и предоставления вспомогательных услуг электроэнергетической системе, таким образом поддерживая баланс между спросом и предложением электроэнергии.

6. Гидроэнергетика помогает бороться с изменением климата.

Жизненный цикл гидроэлектростанций производит очень небольшое количество парниковых газов (ПГ). Выбрасывая меньше парниковых газов, чем электростанции, работающие на газе, угле или нефти, гидроэлектроэнергия может помочь замедлить глобальное потепление. Хотя освоено только 33% имеющегося гидроэнергетического потенциала, сегодня гидроэлектроэнергия предотвращает выбросы парниковых газов, соответствующие сжиганию 4,4 млн баррелей нефти в день во всем мире.

7. Гидроэлектроэнергия улучшает качество воздуха, которым мы дышим.

Гидроэлектростанции не выбрасывают загрязняющие вещества в атмосферу. Они очень часто заменяют генерацию из ископаемого топлива, тем самым уменьшая кислотные дожди и смог. В дополнение к этому, гидроэлектростанции не производят токсичных побочных продуктов.

8. Гидроэнергетика вносит значительный вклад в развитие.

Гидроэлектростанции снабжают население электроэнергией, автомагистралями, промышленностью и торговлей, тем самым развивая экономику, расширяя доступ к здравоохранению и образованию и повышая качество жизни. Гидроэлектроэнергия – это технология, которая известна и проверена более века. Его последствия хорошо изучены, и ими можно управлять с помощью мер по смягчению последствий и компенсации ущерба. Он предлагает огромный потенциал и доступен там, где развитие наиболее необходимо.

9. Гидроэлектроэнергия означает чистую и дешевую энергию сегодня и завтра.

При среднем сроке службы от 50 до 100 лет гидроэлектростанции представляют собой долгосрочные инвестиции, которые могут принести пользу различным поколениям. Они могут быть легко модернизированы для внедрения новейших технологий и имеют очень низкие эксплуатационные расходы и расходы на техническое обслуживание.

10. Гидроэнергетика является основным инструментом устойчивого развития.

Гидроэнергетические предприятия, которые разрабатываются и эксплуатируются экономически целесообразным, экологически безопасным и социально ответственным образом, представляют наилучшую концепцию устойчивого развития.