Гидроэнергетика

ВВЕДЕНИЕ 

Без сомнения, энергообеспечение – одна из наиболее актуальных проблем человечества. Мировые  запасы нефти и газа стремительно уменьшаются и недалёк тот  день, когда они будут полностью  исчерпаны. Это понимают все, и поэтому  с каждым годом всё большее  число специалистов изучает возможности  их равноценной замены. Сегодня существует несколько направлений альтернативной энергетики: использование солнечной  энергии и энергии ветра, биоэнергетика, геотермальная энергетика.

Каждое  их этих направлений отличается определёнными  достоинствами и недостатками. И  поэтому необходимо определиться: какой  альтернативный источник энергии лучше  всего подходит для удовлетворения нужд человечества и в то же время  наносит минимальный ущерб природе.

В данной работе мы поговорим о потенциале гидроэнергетики, рассмотрим её сильные и слабые стороны, затронем экологические аспекты эксплуатации гидроэлектростанций.

Глава1 Гидроэлектростанция. Устройство и принцип работы.

Человек всегда жил возле водоёмов и не мог не обращать внимание на огромный потенциал воды как источника энергии. Поэтому история гидроэнергетики ведёт своё начало ещё с древних времён. Уже тогда люди научились с помощью воды производить помол зерна или дутьё воздуха при выплавке металла.

Постепенно  механизмы совершенствовались, и  водяные колёса становились всё  более эффективными. В конце девятнадцатого века наступил современный этап в  развитии гидроэнергетики.

Но полномасштабное  использование водных ресурсов началось только в двадцатом столетии, а  точнее – в тридцатых годах, когда  вода начала использоваться человеком  для получения электричества. Именно в это время в мире начинается строительство крупных гидроэлектростанций.

Гидроэлектростанция представляет собой комплекс различных  сооружений и оборудования, использование  которых позволяет преобразовывать  энергию воды в электроэнергию. Гидротехнические сооружения обеспечивают необходимую  концентрацию потока воды, а дальнейшие процессы производятся при помощи соответствующего оборудования.

Гидроэлектростанции возводятся на реках, сооружая плотины  и водохранилища. Большое значение для эффективности работы станции  имеет выбор места. Необходимо наличие  двух факторов: гарантированная обеспеченность водой в течение всего года и как можно больший уклон  реки. Гидроэлектростанции разделяются  на плотинные (необходимый уровень  реки обеспечивается за счёт строительства  плотины) и деривационные (производится отвод воды из речного русла к  месту с большой разностью  уровней).

Работа  гидроэлектростанций основана на использовании  кинетической энергии падающей воды. Для преобразования этой энергии  применяются турбина и генератор. Сначала эти устройства вырабатывают механическую энергию, а затем уже  электроэнергию. Турбины и генераторы могут устанавливаться непосредственно  в дамбе или возле неё. В  некоторых случаях используется трубопровод, посредством которого вода, находящаяся под давлением, подводится ниже уровня дамбы или  к водозаборному узлу ГЭС.

Индикаторами  мощности гидроэлектростанций являются две переменные: расход воды, который  измеряется в кубических метрах и  гидростатический напор. Последний  показатель представляет собой разность высот между начальной и конечной точкой падения воды. Проект станции  может основываться на каком-то одном  из этих показателей или на обоих.

Современные технологии производства гидроэлектроэнергии  позволяют получать довольно высокий  КПД. Иногда он в два раза превышает  аналогичные показатели обычных  теплоэлектростанций. Во многом такая  эффективность обеспечивается особенностями  оборудования гидроэлектростанций. Оно  очень надёжно, да и пользоваться им просто.

Кроме того, всё используемое оборудование обладает ещё одним важным преимуществом. Это длительный срок службы, что  объясняется отсутствием теплоты  в процессе производства. И действительно  часто менять оборудование не нужно, поломки случаются крайне редко.

Минимальный срок службы электростанций – около  пятидесяти лет. А на просторах бывшего  Советского Союза успешно функционируют  станции, построенные в двадцатых  или тридцатых годах прошлого века. Управление гидроэлектростанциями  осуществляется через центральный  узел, и вследствие этого в большинстве  случаев там работает небольшой  персонал.

Гидроэлектрические  станции также разделяются в  зависимости от принципа использования природных ресурсов, и, соответственно, образующейся концентрации воды. Здесь можно выделить следующие ГЭС:

• русловые и приплотинные ГЭС. Это наиболее распространенные виды гидроэлектрических станций. Напор воды в них создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое.
• плотинные ГЭС. Строятся при более высоких напорах воды. В этом случае река полностью перегораживается плотиной, а само здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части. Вода, в этом случае, подводится к турбинам через специальные напорные тоннели, а не непосредственно, как в русловых ГЭС.
• деривационные гидроэлектростанции. Такие электростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимая концентрация воды в ГЭС такого типа создается посредством деривации. Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы. Последние — спрямлены, и их уклон значительно меньший, нежели средний уклон реки. В итоге вода подводится непосредственно к зданию ГЭС. Деривационные ГЭС могут быть разного вида — безнапорные или с напорной деривацией. В случае с напорной деривацией, водовод прокладывается с большим продольным уклоном. В другом случае в начале деривации на реке создается более высокая плотина, и создается водохранилище — такая схема еще называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимой концентрации воды.
• гидроаккумулирующие электростанции. Такие ГАЭС способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные периоды (не пиковой нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы от внешних источников энергии и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность, вода из них поступает в напорный трубопровод и приводит в действие турбины.

В состав гидроэлектрических станций, в зависимости от их назначения, также могут входить дополнительные сооружения, такие как шлюзы или  судоподъемники, способствующие навигации  по водоему, рыбопропускные, водозаборные сооружения, используемые для ирригации  и многое другое.

Ценность гидроэлектрической станции состоит в том, что  для производства электрической  энергии, они используют возобновляемые природные ресурсы. Ввиду того, что потребности в дополнительном топливе для ГЭС нет, конечная стоимость получаемой электроэнергии значительно ниже, чем при использовании других видов электростанций.  

Глава 2 . Достоинства и  недостатки гидроэнергетики

  Достоинства

Основные  преимущества гидроэнергетики очевидны. Разумеется, главным преимуществом  гидроресурсов является их возобновляемость: запас воды практически неисчерпаем. При этом гидроресурсы значительно опережают в развитии остальные виды возобновляемых источников энергии и способны обеспечивать энергией большие города и целые регионы.

Кроме того, пользоваться этим источником энергии  можно достаточно просто, что подтверждается длительной историей гидроэнергетики. Например, генераторы гидроэлектростанций  можно включать или выключать  в зависимости от энергопотребления. Себестоимость строительства гидроэлектростанций  является довольно низкой. эксплуатация гидроэлектростанций не приводит к загрязнению природы вредными веществами

Недостатки.

Гидроэнергетические объекты оказывают существенное влияние на окружающую природную  среду. Это влияние является локальным. Однако сооружение каскадов крупных  водохранилищ, намечая переброска части  стока рек Сибири в Среднюю  Азию и другие крупные водохозяйственные мероприятия могут изменить природные условия в региональном масштабе. При рассмотрении влияния гидроэнергетических объектов на окружающую среду необходимо различать период строительства гидроэнергетических объектов и период их эксплуатации.

Первый период сравнительно кратковременный - несколько  лет. В это время в районе строительства  нарушается естественный ландшафт. В  связи с прокладкой дорог, постройкой промышленной базы и посёлка резко  повышается уровень шума. Вода, используемая для разнообразных строительных работ, возвращается в реку с механическими  примесями - частицами песка, глины  и т. п. Возможно загрязнение воды коммунально-бытовыми стоками строительного  посёлка. Подъём уровня воды в верхнем  бьефе начинается обычно в период строительства. В результате производного при этом наполнении водохранилища  изменяются расходы и уровни воды в нижнем бьефе.

В период эксплуатации происходит разносторонне влияние  гидроэнергетических объектов на окружающую среду. Наиболее существенное влияние  на природу оказывают водохранилища:

1. Затопление в верхнем  бьефе. Создание водохранилищ ведёт за собой затопление территории .В зону затопления могут попасть сельскохозяйственные угодья, месторождения полезных ископаемых, промышленные и гражданские сооружения, памятники старины, дороги, лесные массивы, места постоянного обитания животных и растений и т. д. Наиболее заселены и освоены прирусловые участки реки и районы в устьях притоков. На склонах гор мало сельскохозяйственных угодий, обычно там отсутствуют промышленные объекты. Поэтому создание водохранилищ в горных условиях приносит значительно меньший ущерб, чем на равнинах.

2. Подтопление. Подтопление прилежащих к водохранилищу земель происходит вследствие подъёма уровня грунтовых вод. В зоне избыточного увлажнения подтопление влечёт за собой негативны последствия - переувлажнение корней растений и их отмирание. С изменением водно-воздушного режима почвы может произойти заболачивание и оглеение почв, что ухудшает качество почвы и снижает её продуктивность. В засушливых районах подтопление улучшает условия произрастания растений при соответствующих глубинах почвенных вод. В неблагоприятных условиях может происходить засоление почвы.

3. Переработка берегов. Вследствие подъёма и снижения уровня воды в водохранилище при регулировании стока и волновых явлений проходит переработка берегов водохранилища, Она заключается в размыве и обрушении крутых склонов, срезке мысов и кос. Размеры переработки берегов зависят от их геологического строения, режима уровней воды и глубины водохранилища, конфигурации берегов, господствующих ветров и т. п. Относительная стабилизация берегов происходит через 5-20 лет после наполнения водохранилища.

4. Качество воды. Вследствие снижения скорости течения и уменьшения перемещения воды по глубине существенно изменяются физико-химические характеристики воды по отношению к бытовым условиям реки до создания водохранилища. На качество в годы в водохранилище влияет заселённость зоны затопления, видовой и возрастной состав леса, подлеска и лесной подстилки, наличие притоков, режим и глубина сработки водохранилища и т. п. Качество воды ухудшают сточные воды промышленных, горнорудных и животноводческих комплексов, комунально-бытовые сточные воды и вынос удобрений с сельскохозяйственных угодий. Для южных районов неприятным следствием перенасыщения воды в водохранилищах органическими и биогенными веществами(в основном ионами азота и фосфора) является бурное развитие в тёплой воде сине-зелёны водорослей. При создании водохранилищ необходимо тщательно изучить Совместное влияние всех факторов с учётом перспектив строительства каскадов ГЭС и принимать меры для поддержания качества воды. Качество воды - характеристика состава и свойств воды, определяющая пригодность её для конкретных видов водопользования.. Должна производиться тщательная очистка сточных вод, поступающих в водохранилище. Использовать прилегающие земли в сельском хозяйстве надо, применяя передовые методы агротехники, ограничивающие вынос удобрений в водохранилище.

5. Влияние водохранилищ  на микроклимат. Водохранилища повышают влажность воздуха, изменяют ветровой режим прибрежной зоны, а также температурный и ледяной режим водотока. Это приводит к изменению природных условий, а также жизни и хозяйственной деятельности населения, обитания животных, рыб. Степень влияния крупных водохранилищ на микроклимат различна для отдельных регионов страны. Интегральное влияние, оказываемое акваторией на развитие растительности, благоприятно в условиях степной и лесостепной зоны и неблагоприятно в лесной.

6. Влияние водохранилищ  на фауну. Многие животные из зоны затопления вынуждены мигрировать на территорию с более с высокими отметками. При этом видовой состав и численность животных значительно уменьшается. В ряде случаев водохранилища способствуют обогащению фауны новыми видами водоплавающих птиц и в особенности рыб: карасёвых, сазана, щуки и т. п. При ранней сработке водохранилища после весеннего половодья осушаются мелководья, что отрицательно влияет на нерест рыбы в верхнем бьефе. Глубокая зимняя сработка водохранилища в средней полосе страны может повлечь за собой замор рыбы на мелководных участках водохранилища.

Также на окружающую среду влияют гидротехнические сооружения. Возведение платин гидроузлов приводит к подъёму уровней воды в верхнем  бьефе и образованию водохранилищ. Плотины, перегораживающие реки затрудняют проход рыб к местам естественных нерестилищ в верховьях рек. Но платины, здания ГЭС шлюзы каналы и т. п., удачно вписанные в рельеф местности  и хорошо архитектурно оформленные, создают вместе с акваторией верхнего бьефа монументальные и живописные ансамбли.

Разрушения ГЭС  при военных действиях приведёт к спуску воды водохранилища, возникновению  волны высотой десятки метров, которая может уничтожить города, расположенные ниже ГЭС. Строительство  ГЭС приводит к наведённой сейсмичности, в частности в США и Индии  возникали землетрясения, разрушившие  ГЭС.

Вывод

Вне всяких сомнений, гидроэнергетика в перспективе  должна не оказывать негативное воздействие  на окружающую среду или свести его  к минимуму. При этом необходимо добиться максимального использования  гидроресурсов.

Это понимают многие специалисты и поэтому  проблема сохранения природной среды  при активном гидротехническом строительстве  актуальна как никогда. В настоящее время особенно важен точный прогноз возможных последствий строительства гидротехнических объектов.