Vodní elektrárna

Vodní elektrárna ( VVE ) - elektrárna využívající jako zdroj energie pohyb vodních hmot v kanálových vodních tocích a přílivové pohyby ; typ hydraulické konstrukce . Vodní elektrárny se obvykle staví na řekách . Pro efektivní výrobu elektřiny ve vodních elektrárnách jsou nezbytné dva hlavní faktory: zaručená dodávka vody po celý rok a možné velké spády řeky, upřednostňující vodní stavby kaňonovité topografie.

Jak to funguje

Princip fungování vodní elektrárny spočívá v tom, že energie tlaku vody se přeměňuje na elektřinu pomocí hydroelektrárny .

Potřebný tlak vody je zajištěn výstavbou přehrady a nádrže a v důsledku toho koncentrace řeky v určitém místě; nebo přirozeným tokem vody, často s derivací . V některých případech se k získání potřebné hlavy používá jak hráz, tak derivace společně.

V hydroelektrické jednotce voda vstupuje do lopatek hydroturbíny , která pohání hydrogenerátor a přímo vyrábí elektřinu. Veškerá energetická zařízení jsou umístěna v budově vodní elektrárny. Podle účelu má budova své specifické členění. Ve strojovně je umístěn elektrický generátor . Nechybí ani nejrůznější doplňková zařízení, zařízení pro řízení a monitorování provozu vodní elektrárny, trafostanice , rozvaděče a mnoho dalšího.

Funkce

• Náklady na elektřinu v ruských VE jsou více než dvakrát nižší než v tepelných elektrárnách [1] .
• Turbíny HPP umožňují provoz ve všech režimech od prvního po maximální výkon a umožňují v případě potřeby plynule měnit výkon, fungující jako regulátor výroby elektřiny.
• Hydraulická jednotka získává výkon velmi rychle po dodávce vody (z nuly na plný výkon - od 30 sekund do 2 minut), což umožňuje použití vodní elektrárny v manévrovatelném režimu.
• Tok řeky je obnovitelným zdrojem energie .
• Výstavba vodních elektráren je obvykle kapitálově náročnější než tepelných elektráren.
• Účinné vodní elektrárny jsou často od spotřebitelů vzdálenější než tepelné elektrárny.
• Nádrže často zabírají velké plochy, ale zhruba od roku 1963 se začaly používat ochranné stavby ( Kyjevskaja HPP ), které omezovaly plochu nádrže a v důsledku toho omezovaly plochu zatopené vody. povrch (pole, louky, vesnice).
• Přehrady často mění charakter rybího hospodářství , protože blokují cestu k místům tření pro stěhovavé ryby, ale často podporují zvýšení rybích populací v samotné nádrži a realizaci chovu ryb.
• Vodní nádrže na jedné straně zlepšují plavbu , ale na druhé straně vyžadují použití plavebních komor k přemístění lodí z jednoho bazénu do druhého.
• Nádrže dělají klima mírnější .

Klasifikace

Vodní elektrárny se dělí podle vyrobené energie :

• výkonný - vyrábí od 25 MW a více;
• střední - do 25 MW;
• malé vodní elektrárny  - do 5 MW.

Výkon vodní elektrárny závisí na tlaku a průtoku vody a také na účinnosti použitých turbín a generátorů. Vzhledem k tomu, že podle přírodních zákonitostí se hladina vody neustále mění, v závislosti na ročním období a také z řady důvodů, je zvykem brát cyklický výkon jako výraz pro výkon vodní elektrárny. Jedná se například o roční, měsíční, týdenní nebo denní cykly provozu vodní elektrárny.

Vodní elektrárny se také dělí podle maximálního využití tlaku vody :

• vysoký tlak - více než 60 m;
• střední tlak - od 25 m;
• nízký tlak - od 3 do 25 m.

V závislosti na tlaku vody se ve vodních elektrárnách používají různé typy turbín . Pro vysokotlaké - korečkové a radiálně-axiální turbíny s kovovými spirálami. Na středotlakých VE jsou instalovány rotační lopatkové a radiálně-axiální turbíny, na nízkotlakých VE jsou instalovány rotační lopatkové turbíny v železobetonových komorách.

Princip činnosti všech typů turbín je podobný – proud vody vstupuje do lopatek turbíny, které se začnou otáčet. Mechanická energie se tak přenáší do hydroelektrického generátoru, který vyrábí elektřinu. Turbíny se liší v některých technických charakteristikách, stejně jako komory - ocelové nebo železobetonové a jsou určeny pro různé tlaky vody.

Vodní elektrárny jsou také rozděleny v závislosti na principu využívání přírodních zdrojů a podle toho na výsledném tlaku vody. Zde jsou následující HPP:

• přehradní vodní elektrárny . Jedná se o nejběžnější typy vodních elektráren. Tlak vody v nich vzniká instalací hráze, která řeku zcela zablokuje, případně zvedne hladinu vody v ní na požadovanou úroveň. Takové vodní elektrárny se staví na vysokovodních nížinných řekách, stejně jako na horských řekách, v místech, kde je koryto užší, stlačené.
• přehradní vodní elektrárny . Vyrobeno s vyšším tlakem vody. V tomto případě je řeka hrází zcela zablokována a samotná budova vodní elektrárny se nachází za hrází, v její spodní části. Voda je v tomto případě přiváděna do turbín speciálními tlakovými tunely, nikoli přímo, jako v průtočných vodních elektrárnách .
• diverzní HPP . Takové elektrárny se staví v místech, kde je spád řeky velký. Potřebný tlak vody ve vodní elektrárně tohoto typu vzniká derivací . Voda je z koryta odváděna speciálními drenážními systémy. Ty jsou narovnány a jejich sklon je mnohem menší než průměrný sklon řeky. Díky tomu je voda přiváděna přímo do budovy elektrárny. Převodní VE mohou být různého typu - netlakové nebo s přetlakovým převáděním. V případě odklonu tlaku se potrubí pokládá s velkým podélným sklonem. V jiném případě se na začátku derivace vytvoří na řece vyšší hráz a nádrž - toto schéma se také nazývá smíšená derivace, protože se používají oba způsoby vytvoření potřebného tlaku vody.
• přečerpávacích elektráren (PSPP). Takové stanice jsou schopny akumulovat vyrobenou elektřinu a uvést ji do provozu v době špiček. Princip činnosti je následující: v určitých obdobích (nikoli ve špičce) jednotky PSP fungují jako čerpadla z externích zdrojů energie a čerpají vodu do speciálně vybavených horních bazénů. Když je potřeba, voda z nich vstupuje do tlakového potrubí a pohání turbíny.

Složení vodních elektráren, v závislosti na jejich účelu, může také zahrnovat další stavby, jako jsou zdymadla nebo lodní výtahy , usnadňující plavbu nádrží, rybí průchody , stavby pro příjem vody používané pro zavlažování a mnoho dalšího.

Hodnota vodní elektrárny spočívá v tom, že k výrobě elektrické energie využívají obnovitelné přírodní zdroje . Vzhledem k tomu, že pro vodní elektrárny není potřeba další palivo, jsou konečné náklady na vyrobenou elektřinu mnohem nižší než při použití jiných typů elektráren [2] .

Výhody a nevýhody

výhody:

• využívání obnovitelné energie ;
• velmi levná elektřina;
• práce není doprovázena škodlivými emisemi do atmosféry;
• rychlý (vzhledem k CHP/TPP) přístup do režimu provozního výkonu po zapnutí stanice.
• jednoduchá obsluha
• minimální mzdové náklady

nedostatky:

• zaplavování orné půdy ;
• výstavba se provádí pouze tam, kde jsou velké zásoby vodní energie;
• horské řeky jsou nebezpečné kvůli vysoké seismicitě oblastí;
• environmentální problémy: snížené a neregulované vypouštění vody z nádrží po dobu 10-15 dnů (až do jejich nepřítomnosti), vede k restrukturalizaci jedinečných lužních ekosystémů v celém korytě řeky, v důsledku toho znečištění řek , omezení potravních řetězců , snížení počet ryb , likvidace vodních bezobratlých pakomárů ( pakomárů ) v důsledku podvýživy v larválních stádiích , zánik hnízdišť pro řadu druhů stěhovavých ptáků , nedostatečná vlhkost v nivních půdách , negativní rostlina sukcese (vyčerpání fytomasy ), pokles toku živin do oceánů.

Historie

Vodní energie se od starověku používá k mletí mouky a dalším účelům. Jako pohon v tomto případě sloužil kolový mechanismus, roztáčený proudem vody. V polovině 70. let 18. století francouzský inženýr Bernard Forest de Belidor ve svém publikovaném díle Architecture Hydraulique popsal hydraulické stroje se svislou a vodorovnou osou otáčení. Koncem 19. století se objevily elektrické generátory , které mohly pracovat v kombinaci s hydraulickým pohonem. Rostoucí poptávka po elektřině v důsledku průmyslové revoluce dala impuls k jejich rozvoji. V roce 1878 byla uvedena do provozu „první vodní elektrárna na světě“, kterou navrhl anglický vynálezce William George Armstrong v Northumberlandu v Anglii. Byla to jednotka navržená k napájení jedné obloukové lampy v jeho umělecké galerii. Stará elektrárna číslo 1 Schoelkopf poblíž Niagarských vodopádů v USA začala vyrábět elektřinu v roce 1881. První Edisonova vodní elektrárna pro účely osvětlení, Vulcan Street , zahájila provoz 30. září 1882 v Appletonu , Wisconsin , USA, a vyrobila asi 12,5 kilowattů energie.

Když ale vyvstala otázka průmyslového využití elektřiny, ukázalo se, že pro stejnosměrný proud je potřeba příliš silná měděná kabeláž. Při vybavování dolu Gold King Mine v Coloradu byl proto upřednostněn projekt Westinghouse založený na patentech Nikoly Tesly, tedy dvoufázový systém střídavého proudu. Vodní elektrárna Ames v Coloradu je dodnes považována za první komerčně významné a úspěšné průmyslové využití elektrického proudu. Až do tohoto okamžiku byla veškerá aplikace redukována především na domácí a městské potřeby pro osvětlení domů a ulic stejnosměrným proudem. A vodní elektrárna Ames byla zařazena do „Seznamu významných míst a událostí IEEE“ ( en: Seznam milníků IEEE ). Sám Tesla ve své autobiografii napsal, že se odmítl na projektu podílet, protože věřil, že frekvence střídavého proudu by měla být 60 Hz, a ne 133, jak zamýšleli inženýři z Westinghouse. Teslovo stanovisko bylo zohledněno při vybavování vodní elektrárny u Niagarských vodopádů o dva roky později, frekvence 60 Hz je v USA stále standardem. Střídavý proud se tak stal de facto standardem pro výstavbu vodních elektráren, což byl důležitý mezník v průběhu „ války proudů “. Obě dvě fáze (pro motory Nikola Tesla) a tři fáze (pro projekty Dolivo-Dobrovolského ) byly použity s transformátory pro odpovídající počet fází. Nyní se všude používají tři fáze.

V roce 1886 bylo v USA a Kanadě již 45 vodních elektráren. V roce 1889 jich bylo jen v USA 200. Na začátku 20. století bylo v horách poblíž městských oblastí postaveno obchodními společnostmi mnoho malých vodních elektráren. Do roku 1920 bylo až 40 % elektřiny vyrobené ve Spojených státech vyrobeno z vodních elektráren. V roce 1925 se v Grenoblu (Francie) konala Mezinárodní výstava vodní energie a cestovního ruchu , které se zúčastnilo přes milion lidí. Jedním z mezníků ve vývoji vodní energie jak ve Spojených státech , tak ve světě jako celku byla ve 30. letech minulého století výstavba přehrady Hoover Dam .

V Rusku

Nejspolehlivější je , že první vodní elektrárnou v Rusku byla vodní elektrárna Berezovská (Zyrjanovská) (nyní území Republiky Kazachstán), postavená v Rudném Altaji na řece Berezovce (přítok řeky Bukhtarma ) v roce 1892 . Jednalo se o čtyřturbinu o celkovém výkonu 200 kW a měla zajišťovat elektřinu pro odvodňování dolu z dolu Zyryanovsky [3] . První průmyslová vodní elektrárna v Rusku byla Bely Ugol HPP v Essentuki, postavená v roce 1903 ( Bely Ugol HPP ).

Za roli prvního také tvrdí vodní elektrárnu Nygrinskaya , která se objevila v provincii Irkutsk na řece Nygri ( přítok řeky Vacha ) v roce 1896 . Energetické zařízení stanice tvořily dvě turbíny se společným horizontálním hřídelem, které roztáčely tři 100 kW dynama. Primární napětí bylo převáděno čtyřmi třífázovými transformátory proudu do 10 kV a přenášeno dvěma vysokonapěťovými vedeními do sousedních dolů . Jednalo se o první vysokonapěťové přenosové linky v Rusku . Jedna linka (9 km dlouhá) byla položena přes goltsy do dolu Negadanny, druhá (14 km) - nahoru údolím Nygri k ústí pramene Suchoj Log, kde v těch letech fungoval důl Ivanovsky. V dolech bylo napětí transformováno na 220 V. Díky elektřině Nygrinskaja byly v dolech instalovány elektrické výtahy. Kromě toho byla elektrifikována důlní železnice, která sloužila k dopravě hlušiny, která se stala první elektrifikovanou železnicí v Rusku [4] .

Za jednu z prvních lze považovat vodní elektrárnu , postavený v roce 1897 belgickými těžařskými průmyslníky v soutěsce Alagir v Severní Osetii , 7 km od moderní Zaramagskaja HPP-1 . Sloužil pro potřeby Sadonské báňské správy. Jeho výkon byl 552 kW. [5]

Rusko mělo poměrně bohaté zkušenosti s průmyslovou hydrostavbou, především soukromými společnostmi a koncesemi . Informace o těchto VE postavených v Rusku během poslední dekády 19. století a prvních 20 let 20. století jsou značně roztříštěné, protichůdné a vyžadují speciální historický výzkum.

V sovětském období rozvoje energetiky byl kladen důraz na zvláštní roli jednotného národohospodářského plánu elektrifikace země - GOELRO , který byl schválen 22. prosince 1920 . Tento den byl v SSSR prohlášen za profesionální svátek - Den energetiků . Kapitola plánu věnovaná vodní energii nesla název „Elektrifikace a vodní energie“. Poukázalo na to, že vodní elektrárny mohou být ekonomicky přínosné především v případě komplexního využití: k výrobě elektřiny, zlepšení plavebních podmínek nebo rekultivacím . Předpokládalo se, že do 10-15 let bude možné v zemi postavit vodní elektrárny o celkovém výkonu 21 254 tisíc koňských sil (15632 MW), a to i v evropské části Ruska - o výkonu 5438 MW, v r. Turkestán  - 2221 MW, na Sibiři  - 7972 MW Na dalších 10 let se počítalo s výstavbou VE o výkonu 950 MW, následně se však počítalo s výstavbou deseti VE s celkovým provozním výkonem prvních etap 535 MW. .

Ačkoli již o rok dříve, v roce 1919 , Rada obrany pracujících a rolníků uznala výstavbu vodních elektráren Volchov a Svir jako objektů obranného významu. V témže roce byly zahájeny přípravy na výstavbu vodní elektrárny Volchovskaja, první z vodních elektráren vybudovaných podle plánu GOELRO [7] .

Vodní elektrárny ve světě

Největší vodní elektrárny

Největší ruské vodní elektrárny

Od roku 2017 má Rusko 15 provozovaných vodních elektráren nad 1000 MW a více než sto vodních elektráren menšího výkonu.

Poznámky:

1. ↑ 1 2 3 4 Energie a výroba na projektované úrovni nádrže; v současnosti je skutečná kapacita a výkon mnohem nižší, jak je uvedeno v závorkách.

Velké nehody a incidenty

• Největší nehodou v historii vodní energie je selhání přehrady čínské přehrady Banqiao na řece Ruhe v provincii Henan v důsledku tajfunu Nina v roce 1975 . Počet obětí je více než 170 tisíc lidí, 11 milionů bylo zraněno.
• 17. květen 1943  - operace britských jednotek Chastise s cílem podkopat přehrady na řekách Möhne ( nádrž Möhnesee ) a Eder (nádrž Edersee), která měla za následek smrt 1268 lidí, včetně asi 700 sovětských válečných zajatců.
• 9. října 1963  - jedna z největších hydraulických nehod na přehradě Vaiont v severní Itálii , zemřelo více než dva tisíce lidí.
• V noci na 11. února 2005 se v provincii Balúčistán na jihozápadě Pákistánu kvůli vydatným dešťům protrhla 150metrová vodní elektrárna u města Pašni. V důsledku toho bylo několik vesnic zaplaveno, zemřelo více než 135 lidí.
• Dne 5. října 2007 se na řece Chu ve vietnamské provincii Thanh Hoa po prudkém vzestupu hladiny protrhla hráz budované vodní elektrárny Kyadat. V záplavové zóně se ukázalo asi 5 tisíc domů, zemřelo 35 lidí.
• 17. srpna 2009  - havárie vodní elektrárny Sayano-Shushenskaya (nejvýkonnější v Rusku). V důsledku neštěstí zemřelo 75 lidí a došlo k vážnému poškození zařízení a prostor stanice.

Viz také

• vodní síla
• Hydraulická konstrukce
• Malá vodní elektrárna
• Hydroelektrický
• Vodní elektrárna
• Protiregulátor
• přílivová elektrárna
• Seznam nejvyšších přehrad na světě

Poznámky

1. ↑ Rozhovor s profesorem Dmitrijem Selyutinem Archivní kopie ze dne 13. února 2016 na Wayback Machine // Vesti , 22. 8. 2009
2. ↑ Hydroelektrárna (HPP) Archivováno 6. ledna 2010 na Wayback Machine // elemo.ru
3. ↑ Berezovská HPP . Získáno 14. listopadu 2010. Archivováno z originálu 12. ledna 2011. (neurčitý)
4. ↑ Energetika Irkutské oblasti. Noviny "Věda na Sibiři" č. 3-4 (2139-2140) 23. ledna 1998 (nepřístupný odkaz) . Získáno 14. listopadu 2010. Archivováno z originálu 15. ledna 2014. (neurčitý) 
5. ↑ Historie vodních elektráren . www.zaramag.rushydro.ru _ Získáno 15. srpna 2021. Archivováno z originálu dne 15. srpna 2021. (neurčitý)
6. ↑ Podle materiálů komise GOELRO
7. ↑ Energetika. Ruští stavitelé. XX století. M.: Mistr, 2003. S.193. ISBN 5-9207-0002-5

Odkazy

  Největší vodní elektrárny na světě  Mapy Google   KMZ (soubor štítků KMZ pro Google Earth )

• Mapa největších vodních elektráren v Rusku (GIF, data z roku 2003)
• elektrárny