Задачу снятия пиков потребления энергии решают гидроакумули - рующие станции (ГАЭС), работая следующим образом. В интервалы времени, когда электрическая нагрузка в объединенных системах минимальная, ГАЭС перекачивает воду из нижнего водохранилища в верхнее и потребляет при этом электроэнергию из системы. В режиме непродолжительных «пиков» — максимальных значений нагрузки — ГАЭС работает в генераторном режиме и тратит накопленную в верх­нем водохранилище воду.

ГАЭС стали особенно эффективными после появления оборот­ных гидротурбин, которые выполняют функции и турбин, и насо­сов. Перспективы применения ГАЭС во многом зависят от КПД, под которым относительно этих станций понимается отношение энергии, выработанной станцией в генераторном режиме, к энергии, израсхо­дованной в насосном режиме.

Экономия топлива при использовании ГАЭС достигается за счет догрузки теплового оборудования для зарядки ГАЭС. При этом потре­бляется меньше топлива, чем для производства пиковой электроэнер­гии на ТЭС или газотурбинной электростанции. Кроме того, режим ее зарядки оказывает содействие введению в эксплуатацию базовых электростанций, которые будут вырабатывать энергию с меньшими удельными затратами топлива.

Первые ГАЭС в начале XX ст. имели КПД, не больше 40%, в совре­менных ГАЭС КПД составляет 70—75%. К преимуществам ГАЭС, кроме относительно высокого значения КПД, относится также и низ­кая стоимость строительных работ. В отличие от обычных гидроэлек­тростанций, здесь нет необходимости перекрывать речки, строить высокие дамбы с длинными туннелями и т. п.

Принцип действия (аккумулирования) гидроаккумулирующей станции заключается в преобразовании электрической энергии, полу­чаемой от других электростанций, в потенциальную энергию воды. При обратном преобразовании накопленная энергия отдается в энер­госистему главным образом для покрытия пиков нагрузки (подроб­ности на http://pusk. by/bse/).

Гидротехнические сооружения ГАЭС (рис.4.3) состоят из двух бас­сейнов, расположенных на разных уровнях, и соединительного тру­бопровода. Гидроагрегаты, установленные в здании ГАЭС у нижнего конца трубопровода, могут быть:

♦ или трехмашинными, состоящими из соединенных на одном валу обратимой электрической машины (двигатель-генератор), гидротурбины и насоса;

♦

или двухмашинными — обратимая электромашина и обратимая гидромашина, которая в зависимости от направления вращения может работать как насос или как турбина. В конце 1960-х гг. на вновь вводимых ГАЭС стали устанавливать более экономичные двухмашинные агрегаты.

Электроэнергия, вырабатываемая недогруженными электростан­циями энергосистемы (в основном в ночные часы суток), использу­ется ГАЭС для перекачивания насосами воды из нижнего водоема в верхний, аккумулирующий бассейн. В периоды пиков нагрузки вода из верхнего бассейна по трубопроводу подводится к гидроагрегатам ГАЭС, включенным на работу в турбинном режиме. Выработанная при этом электроэнергия отдается в сеть энергосистемы, а вода нака­пливается в нижнем водоеме.

Количество аккумулированной электроэнергии определяется емко­стью бассейнов и рабочим напором ГАЭС. Верхний бассейн ГАЭС может быть искусственным или естественным (например, озеро); нижним бассейном нередко служит водоем, образовавшийся вслед­ствие перекрытия реки плотиной.

Одно из достоинств ГАЭС состоит в том, что они не подвержены воздействию сезонных колебаний стока. Гидроагрегаты ГАЭС в зави­симости от высоты напора оборудуются поворотно-лопастными, диа­гональными, радиально-осевыми и ковшовыми гидротурбинами.

Время пуска и смены режимов работы ГАЭС измеряется несколь­кими минутами, что предопределяет их высокую эксплуатационную маневренность. Регулировочный диапазон ГАЭС, из самого принципа ее работы, близок двукратной установленной мощности, что является одним из основных ее достоинств.

Способность ГАЭС покрывать пики нагрузки и повышать спрос на электроэнергию в ночные часы суток делает их действенным сред­ством для выравнивания режима работы энергосистемы и, в частно­сти, крупных паротурбинных энергоблоков. ГАЭС могут быть с суточ­ным, недельным и сезонным полным циклом регулирования.

Наиболее экономичны мощные ГАЭС с напором в несколько сотен метров, сооружаемые на скальном основании. Общий КПД ГАЭС в оптимальных расчетных условиях работы приближается к 0,75; в реальных условиях среднее значение КПД с учетом потерь в электри­ческой сети не превышает 0,66.

ГАЭС целесообразно строить вблизи центров потребления элек­троэнергии, т. к. сооружение протяженных линий электропередачи для кратковременного использования экономически не выгодно. Обычный срок сооружения ГАЭС около 3 лет.

Малые и микрогидроэлектростанции

Малые гидроэлектростанции обычно обладают всеми преимуще­ствами больших ГЭС, но при этом предоставляют возможность пода­вать энергию децентрализовано. Кстати малые ГЭС выгодно отлича­ются и отсутствием некоторых недостатков, присущих большим стан­циям. Это, например, уменьшение или полное отсутствие негативного влияния на окружающую среду.

Малая энергетика позволяет каждому региону использовать соб­ственные ресурсы. На сегодняшний день в мире эксплуатируется несколько тысяч малых гидроэлектростанций. Малые станции произво­дят электроэнергию в тех случаях, когда уровень воды в реке достаточен для этого. Если малая гидроэлектростанция дополнена аккумуляторной системой, то существует возможность накопления полученной энергии, что помогает избежать перебоев в подаче электричества. Особый инте­рес малая гидроэнергетика представляет для развивающихся стран, поскольку не требует сложного и дорогостоящего оборудования.

В России зоны децентрализованного энергоснабжения составляют более 70% территории страны. До сих пор у нас можно встретить насе­ленные пункты, в которых электричества не было никогда. Причем не всегда это поселения Крайнего Севера или Сибири. Электрификация не затронула, например, некоторые уральские поселки — края, кото­рый вряд ли назовешь неблагополучным с точки зрения энергетики.

Между тем, электрификация отдаленных и труднодоступных насе­ленных селений — дело не такое уж и сложное. Так, в любом уголке России найдется речка или ручей, где можно установить микроГЭС.

Малые и микроГЭС — объекты малой гидроэнергетики. Эта часть энергопроизводства занимается использованием энергии водных ресурсов и гидравлических систем с помощью гидроэнергетических установок малой мощности (от 1 до 3000 кВт).

Малая энергетика получила развитие в мире в последние десятиле­тия, в основном из-за стремления избежать экологического ущерба, наносимого водохранилищами крупных ГЭС, из-за возможности обе­спечить энергоснабжение в труднодоступных и изолированных райо­нах, а также, из-за небольших капитальных затрат при строительстве станций и быстрого возврата вложенных средств (в пределах 5 лет).

Поэтому разумен курс на использование именно малых и микро­гидроэлектростанций в связи с тем, что они:

♦ являются альтернативным, надежным и экологически чистым источником электрической энергии;

♦ просты в изготовлении;

♦ не загрязняют водоемы и окружающую среду;

♦ имеют максимально упрощенную конструкцию с минимальным числом регулирующих органов.

♦ полностью автоматизированы, т. е. не требуют присутствия че­ловека при эксплуатации;

♦ требуют минимум затрат на установку и обслуживание в про­цессе эксплуатации;

♦ вырабатываемый ими электрический ток соответствует требо­ваниям ГОСТа по частоте и напряжению, причем станции могут работать как в автономном режиме, т. е. вне электросети энерго­системы области, так и в составе этой электросети;

♦ полный ресурс работы станции — не менее 40 лет (не менее 5 лет до капитального ремонта).

Примечание.

Ну а главное достоинство: объекты малой энергетики не требуют организации больших водохранилищ с соответствующим зато­плением территории и колоссальным материальным ущербом.

По характеру используемых гидроресурсов МГЭС можно разде­лить на следующие категории:

♦ новые русловые или приплотинные станции с небольшими во­дохранилищами;

♦ станции, использующие скоростную энергию свободного тече­ния рек;

♦ станции, использующие существующие перепады уровней воды в самых различных объектах водного хозяйства — от судоход­ных сооружений до водоочистных комплексов.

Использование энергии небольших водотоков с помощью малых ГЭС является одним из наиболее эффективных направлений развития возобновляемых источников энергии и в нашей стране.

Примечание.

МикроГЭС (мощностью до 100 кВт) можно установить практиче­ски в любом месте.

Гидроагрегат малой ГЭС (МГЭС) состоит из турбины, генератора и системы автоматического управления.

Гидроагрегат состоит из трех частей:

♦ энергоблока;

♦ водозаборного устройства;

♦ устройства автоматического регулирования.

Используются микроГЭС как источники электроэнергии для дач­ных поселков, фермерских хозяйств, хуторов, а также для небольших производств в труднодоступных районах — там, где прокладывать сети невыгодно.

Примечание.

Технико-экономический потенциал малой гидроэнергетики в нашей стране превышает потенциал таких возобновляемых источников энергии, как ветер, Солнце и биомасса, вместе взятых.

В настоящее время он определен в размере 60 млрд. кВт-ч в год. Но используется этот потенциал крайне слабо: всего на 1%. Не так давно, в 1960-х годах, у нас действовало несколько тысяч МГЭС. Сейчас — всего лишь несколько сотен — сказались результаты перекосов в ценовой поли­тике и недостаточное внимание к совершенствованию конструкций обо­рудования, к применению более совершенных материалов и технологий.

Природа дает нам самый неприхотливый способ добычи энергии. Увы, мы им почти не пользуемся. Остается только надеяться, что в дальнейшем, при развитии малого производства, необходимость в использовании энергии бесчисленного количества естественных водоемов России все-таки возникнет.