5.1. Основные понятия. Гидроресурсы Земли. Классификация ГЭС

Гидравлическая электростанция (ГЭС) - электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования механической энергии водного потока.
Гидравлическая энергия является возобновляемым источником энергии. Гидравлическая (механическая) энергия речного стока может быть преобразована в электрическую энергию с помощью гидротурбин и генератора.
Гидравлическая турбина вместе с генератором и возбудителем называется гидрогенератором.
Количество воды, протекающей через поперечное водотока в 1 с, называется расход воды Q (м3/с).
Среднегодовой сток всех рек мира составляет 32 тыс. км3. Расход воды наиболее крупных рек планеты приведен в табл. 5.1


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. Запасы поверхностного стока по территории России распределены неравномерно, что весьма неблагоприятно для хозяйства страны, в том числе и для энергетики. Более 80 % речного стока российских рек приходится на ещё мало освоенные территории бассейнов Северного Ледовитого и Тихого океа-нов.
Особенностью стока реки является его неравномерное распределение, как по годам, так и в течение года.
Неравномерность стока в течение года неблагоприятна для энергетики. Для большинства рек России маловодный период наблюдается зимой, когда потребность в электроэнергии наибольшая.
Суммарный объём воды, прошедшей через поперечное сечение водотока за некоторое время называется стоком W (м³, км³).
Мощность водотока

где — удельная потенциальная энергия жидкости, называемая напором и численно равная падению уровня свободной поверхности водотока.
Выражение для мощности водотока определяет потенциальную (теоретическую) выработку энергии и мощность. Механическая энергия речного стока (или гидравлическая энергия) может быть преобразована в электрическую энергию посредством гидротурбин и генераторов.
Самые мощные ГЭС в мире: Санься (Китай) на реке Янцзы 22,4 ГВт; Итайпу (Бразилия, Парагвай) на реке Парана 14,0 ГВт; Гури (Венесуэла) на реке Карони 10,3 ГВт. В России самая мощная (в настоящее время без учёта Саяно-Шушинской ГЭС) Красноярская ГЭС 6,0 ГВт. Наибольшая мощность гидрогенератора 750 МВт на ГЭС Итайпу (Бразилия, Парагвай); всего 18 таких блоков.
В настоящее время применяют три основные схемы использования гидроэнергии:
- плотинная, при которой напор воды создаётся плотиной;
- деривационная, при которой напор создаётся с помощью деривации (обходной водовод), выполняемой в виде канала, туннеля или трубопровода;
- плотинно - деривационная, в которой напор создаётся плотиной и деривацией.
Плотинная схема использования гидроэнергии обычно выполняется при больших расходах воды и малых уклонах реки. Посредством плотины река подпирается и создаётся напор воды Н. Водное пространство, расположенное выше плотины называется верхним бьефом (франц. вief), ниже плотины - нижним бьефом. Плотинная схема в зависимости от напора воды может быть русловой или приплотинной.
Русловая ГЭС строится при сравнительно небольших напорах. В этом случае здание ГЭС (машинное здание) находится в плотине. Русловыми ГЭС являются электростанции Волжско-Камского каскада. На рис. 5.1 показан вид на Волжскую ГЭС (г. Самара) со стороны нижнего бьефа.
При средних и больших напорах, превышающих диаметр турбины более чем 6 раз, здание ГЭС находится за плотиной со стороны нижнего бьефа. Такая ГЭС называется приплотинной. Вода к турбинам ГЭС подводится водоводами, размещёнными в теле или поверх бетонной плотины. Примерами таких ГЭС являются: Братская, Красноярская, Саяно-Шушенская (рис.5.2).
ГЭС по деривационной схеме строятся при малых расходах воды и больших уклонах реки. В деривационной схеме плотина возводится невысокой,


При создании водохранилища ГЭС плотины являются основными гидротехническими сооружениями и входят в состав напорного фронта. Используются две группы плотин: бетонные (железобетонные) и грунтовые.
Бетонные плотины подразделяются на гравитационные, контрфорсные и арочные.
Гравитационная плотина является массивной, её устойчивость обеспечивается собственным весом (гравитацией). Плотина, не допускающая перелив воды через гребень, называется глухой (рис.5.3,а). Плотина, выполненная с поверхностным водосливом или отверстиями для пропуска воды, называется водосливной (рис.5.3,б).
Контрфорсная плотина выполняется в виде вертикальных железобетонных рёбер (контрфорсов), на которые со стороны верхнего бьефа наклонно укладываются железобетонные плиты, воспринимающие давление воды. Контрфорсы соединяются между собой балками жёсткости (рис.5.3,в).
В узких ущельях на скальном основании возводят арочные плотины. Арочная плотина, выполненная в виде свода, воспринимает давление воды и передаёт часть нагрузки на скальные берега и скальное основание (рис.5.3,г).

Плотины из грунтовых материалов разделяются на земляные и каменные. Земляные плотины по виду возведения могут быть насыпные и намывные. Каменные плотины подразделяются на каменно-набросные и каменной кладки.
На деривационных ГЭС в качестве подводящей или отводящей деривации используются гидротехнические сооружения: туннели, каналы или трубопроводы.
Регулирование стока реки осуществляется водохранилищем.
Водохранилищем называется искусственный водоём, образующийся перед плотиной. Основное отличие водохранилища от естественного водоёма заключается в его возможности регулирования речного стока и уровневого режима.
Регулирование стока - это процесс перераспределения его водохранилищем в соответствии с требованиями водохозяйственного комплекса. Речной сток аккумулируется в водохранилище в периоды, когда естественная приточность воды превышает потребности в ней, и расходуется в периоды, когда потребность в воде превышает приточность.
Основные виды регулирования стока: суточное, недельное, годичное и многолетнее.
Суточное регулирование предназначено для обеспечения неравномерного расхода воды через агрегаты ГЭС в соответствии с требованиями суточных колебаний нагрузки энергосистемы.
Недельное регулирование обеспечивает неравное потребление воды агрегатами ГЭС в течение недели в соответствии с требованием недельных колебаний нагрузки энергосистемы. В выходные дни нагрузка в энергосистеме падает.
Годичное регулирование позволяет перераспределять сток воды в течение года в соответствии с потребностями энергосистемы и водопотребителей. Цикл регулирования равен 1 году. В многоводные периоды водохранилище наполняется, а в маловодные - срабатывается. Для проведения годичного регулирования требуется объём водохранилища, составляющий 5—10 % среднегодового стока при частичном (сезонном) и 40—60 % при полном годичном регулировании.
Водохранилище годичного регулирования позволяет осуществлять суточное и недельное регулирование.