Гидроэлектроэнергия. 
Ресурсная и технологическая база возобновляемых источников электроэнергии

Гидроэлектроэнергия вырабатывается за счет движения воды. Это относится к электроэнергии, вырабатываемой морскими приливными электростанциями или речными гидростанциями, либо гравитацией.

Морская гидроэлектроэнергия включает в себя энергию волн, приливов и отливов, а также энергию, получаемую от разности солености и температур океана.

Гидроэлектроэнергия получается при естественном круговороте воды или стоков, которые собираются в реках и озерах в результате дождей и снегопадов. Электричество вырабатывается либо от естественного течения реки, образуя электроэнергию непрерывно и изменяется в зависимости от природной скорости потока, либо путем выборочного спуска воды из водохранилищ в зависимости от необходимости.

Гидроэлектроэнергия образуется, когда вода проходит через турбину, приводя в движение генератор. Во время этого процесса энергия воды передается турбине, так как она вызывает крутящий момент через вращательное движение воды вокруг турбины. Гидравлические турбины имеют ряд лопастей, установленных на вращающемся валу или на вращающейся пластине. Водяная струя бьет в лопасть турбины, которая присоединена к генератору с помощью вала, и поворачивает их. Этот импульс переносится непосредственно или через редуктор на вал генератора. Как и в любых других электростанциях, электроэнергия распределяется в места спроса посредством линий электропередач.

Гидроэлектростанции на реках Гидроэлектростанции на реках имеют различные размеры и обычно подпадают под один из следующих видов:

плотинные ГЭС;

русловые ГЭС; или гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

Все они используют турбины для выработки электроэнергии при движении воды. На вид выбираемого объекта обычно влияют вопросы технической пригодности (например, особенности рельефа и водообеспеченность) и вида вырабатываемого электричества (базовая или пиковая нагрузка).

Плотинные ГЭС Принцип работы плотинных ГЭС основан на хранении воды в водохранилищах, которая может быть спущена для выборочного электроснабжения. Когда затворы плотины открываются, сила притяжения тянет воду через «напорный водовод» (канал между резервуаром и турбиной).

Плотины увеличивают давление потока посредством наращивания хранимого объема воды. Спущенная вода проходит через «напорный водовод». Как только вода проходит через турбину, она возвращается в реку вниз по течению.

Русловые ГЭС Русловые ГЭС вырабатывают гидроэлектроэнергию для немедленной передачи и/или потребления с ограниченной возможностью или без возможности хранения. Хранение, которое доступно в ограниченном виде, называется «водохранилищем». Станции без водохранилища обычно служат в качестве пиковых электростанций, а станции с водохранилищем могут служить либо базовыми, либо пиковыми генераторами.

Русловые ГЭС идеально подходят для рек с минимальным стоком в сухую погоду или регулируемых большими по размеру плотинами при наличии водохранилища, расположенного вверх по течению.

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) ГАЭС работает посредством перемещения воды между бассейнами, расположенными на разных уровнях. В периоды низкого спроса на электроэнергию дополнительная выработка мощности используется для перекачки воды в верхний бассейн; при наличии спроса вода спускается обратно в нижний бассейн, вращая турбину.

Гидроаккумулирующие электростанции используются в основном для выработки электроэнергии в периоды максимального спроса. Такие схемы в настоящее время обеспечивают наиболее коммерчески важную крупномасштабную систему накопления энергии и улучшение суточного коэффициента нагрузки энергосистемы.

Морская гидроэлектроэнергия Сегодня энергия морских волн осваивается в основном только на прибрежной полосе, где уверенно скользят сёрфинги. Однако, на поверхности морей и океанов можно вырабатывать энергию, накапливаемую морскими волнами практически на всей акватории Мирового Океана. Морские волны в основном носят разрушительный характер, размывая береговую линию и находящиеся там постройки.

Попытки использования энергии морских волн, как источника энергии предпринимаются достаточно давно. Существует множество разработок волновых преобразователей, часть из которых реализуется в той или иной мере. Наиболее известные проекты — поплавковая ГАЭС, ГЭС, плот Коккерела, качающаяся «утка» Солтера, колеблющийся водяной столб, пульсирующий водяной столб Массуды.

Поплавковые ГЭС Гидроаккумулирующая электростанция на энергии морских волн В основе установки — 2 поплавка, способных двигаться друг относительно друга. Верхний раскачивается волнами, нижний соединен с дном при помощи цепи и якоря. Между поплавками находится «насосная станция» (цилиндр с поршнем двойного действия, который качает воду при движении вниз и вверх) и клапанами с выходными трубами. Автоматическая подстройка высоты положения верхнего поплавка в зависимости от уровня моря, который меняется в прилив и отлив — телескопическая труба, раздвигающаяся и складывающаяся под действием сил Архимеда и тяжести. К этой «приливной» колонне крепится насос с верхним поплавком. Вода подается на сушу, в горы. В горах устраивается бассейн, в котором вода накапливается и выпускается обратно в море, по пути вращая турбину электростанции, идентичной традиционной ГЭС, но без дамбы.

Преимущества у подобной установки следующие. В поплавке нет проводов, магнитов, катушек, контактов и герметичных отсеков для оборудования, что делает его гораздо более дешевым, простым и надежным. Турбины и электрогенераторы волновой станции, расположенные на берегу, — давно опробованная и испытанная на ГЭС техника. В отличие от традиционной ГАЭС, Searaser не требует нижнего водохранилища. В отличие от волновых электростанций, эта установка решает проблему неравномерности силы волн.

Плот Коккерела Другой вариант преобразователей энергии такого типа — контурный плот Коккереля, который был испытан в проливе Солент вблизи города Саутгемптона.

Вариант построения ВЭС по принципу плота Коккерела был реализован в проекте «Волновая ферма» компанией Pelamis Wave Power. Четыре секции устройства, соединенные шарнирно, под воздействием волн изгибаются, что приводит в действие гидроцилиндры, которые перекачивают масло на гидромоторы привода генераторов. Вырабатываемая электроэнергия по кабелю, опущенному на дно, передается на берег.

Лабораторные испытания модели плота в масштабе 1/100 показали, что его эффективность составляет около 45 процентов. Это ниже, чем у «утки» Солтера, но плот привлекает другим достоинством: близость конструкции к традиционным судостроительным.

«Утка» Солтера Профессор Эдинбургского университета Стефан Солтер придумал «колеблющееся крыло», преобразователь, отслеживающий профиль волны. Система поплавков (20−30 штук) движется вверх-вниз, между поплавками расположены турбины (в натурных испытаниях в бассейне система поглощала до 90% энергии волны), электричество по подводному кабелю передается на землю. Первые испытания в море начались в 1977 году. Предполагается расположить станцию западнее Гебридских островов, предполагаемая мощность — около 100 МВт.

Серьезными недостатками для «уток Солтера» оказались следующие:

• — необходимость передачи медленного колебательного движения на привод генератора.
• — необходимость снятия мощности с плавающего на значительной глубине устройства большой протяженности.
• — необходимость, вследствие высокой чувствительности системы к направлению волн, отслеживать изменение их направления для получения высокого КПД преобразования.
• — большие ударные нагрузки от воздействия максимальных волн.
• — затруднения при сборке и монтаже из? за сложности формы «утки».

Колеблющийся водяной столб Другой вид волновых установок — с пневматическим преобразователем — использует энергию колеблющегося водяного столба.

Принцип действия здесь таков. При набегании волны на частично погруженную полость, открытую под водой, столб жидкости в полости колеблется, вызывая изменения давления в газе над жидкостью. Полость может быть связана с атмосферой через турбину. Поток регулируется так, чтобы проходить через турбину в одном направлении.

Как вариант — используется турбина Уэльса. Это воздушная турбина низкого давления, имеющая симметричную аэродинамическую поверхность лопаток, позволяющую им вращаться всегда в одну сторону, независимо от направления потока воздуха или жидкости. Достигается это тем, что рабочее тело, попадая на лопатку, разделяется непропорционально — отклонение в одну сторону всегда больше, чем в другую. Принцип работы турбины Уэльса схож с принципом подъема крыла самолета.

Известны как минимум два примера коммерческого использования устройств на этом принципе — сигнальные буи, внедренные в Японии и в Великобритании.

Главное преимущество устройств на принципе водяного колеблющегося столба состоит в том, что скорость воздуха перед турбиной может быть значительно увеличена за счет уменьшения проходного сечения канала. Это позволяет сочетать медленное волновое движение с высокочастотным вращением турбины. Кроме того, здесь создается возможность удалить генерирующее устройство из зоны непосредственного воздействия соленой морской воды.

Более крупное и впервые включенное в энергосеть устройство построено в Тофтестоллене (Норвегия). Здесь водяной столб используется в 500 киловаттной установке, построенной на краю отвесной скалы. Кроме того, национальная электрическая лаборатория Великобритании предлагает конструкцию, устанавливаемую непосредственно на морском дне.

Недостатками таких преобразователей являются низкий КПД и большая материалоемкость.

Достоинства гидроэнергетики Использование возобновляемой энергии. Очень дешевая электроэнергия. Работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу. Быстрый (относительно ТЭЦ/ТЭС) выход на режим выдачи рабочей мощности после включения станции.

Недостатки гидроэнергетики Затопление пахотных земель. Строительство ведётся там, где есть большие запасы энергии воды, на горных реках опасны из-за высокой сейсмичности районов. Сокращенные и нерегулируемые попуски воды из водохранилищ по 10−15 дней приводят к перестройке уникальных пойменных экосистем по всему руслу рек, как следствие, загрязнение рек, сокращение трофических цепей, снижение численности рыб, элиминация беспозвоночных водных животных, повышение агрессивности компонентов гнуса (мошки) из-за недоедания на личиночных стадиях, исчезновение мест гнездования многих видов перелётных птиц, недостаточное увлажнение пойменной почвы, негативные растительные сукцессии (обеднение фитомассы), сокращение потока биогенных веществ в океаны.