Гидроэнергетические ресурсы
Гидравлическая энергия является возобновляемым источником энергии.
Территория, с которой стекает вода в реку, называется водосборным бассейном данной реки. Линия — а, б, в, г, д, проходящая по повышенным местам и отделяющая друг от друга соседние бассейны, называется водораздельной линией или водоразделителем (рис. 17.1).
К водосборному бассейну моря относятся водосборные бассейны всех рек, впадающих в данное море.
Количество воды, протекающей через поперечное сечение водотока в 1 с, называется расходом воды Q (м 3 /с или л/с).
Хронологический график изменения расходов воды во времени называется гидрографом. Строить гидрограф позволяют результаты регулярных измерений расходов воды в реке. Форма гидрографа зависит от типа питания реки (снеговое, дождевое, ледниковое и т.п.). На рис. 17.2 показан типичный гидрограф реки с преимущественно снеговым питанием. Гидрограф характеризуется максимальным, минимальным и средним значениями расхода воды за рассматриваемый период.
Суммарный объем воды, прошедший через поперечное сечение водотока от какого-либо начального момента времени t0 до некоторого конечного tк, называется стоком W. При известном гидрографе сток определяется по следующим формулам (м 3 или км 3 ):
для непрерывной функции Q(t)
 | (17.1) |
для дискретной функции Q(t)
 | (17.2) |
где Qi — средний расход в i-м интервале времени (i Î [1, n]).
Среднегодовой сток всех рек мира составляет 32 тыс. км 3 ; в табл. 17.1 приведены данные о речном стоке отдельных стран мира.
Запасы поверхностного стока по территории России распределены неравномерно, что весьма неблагоприятно для народного хозяйства, в том числе и для энергетики. Более 80 % речного стока российских рек приходится на еще мало освоенные территории бассейнов Северного Ледовитого и Тихого океанов.
| Данные о речном стоке отдельных стран мира | |||
| Таблица 17.1 Страна | Площадь территории, млн км 2 | Суммарный средний многолетний объем стока, км 3 /год | Удельная водность в среднем за год с 1 км 2 , л/с |
| Россия | 17,075 | 7,4 | |
| Бразилия | 8,51 | 11,9 | |
| США | 9,36 | 9,8 | |
| Китай | 9,90 | 8,3 | |
| Канада | 9,98 | 24,0 | |
| Норвегия | 0,32 | 35,8 | |
| Франция | 0,551 | 19,7 | |
| Югославия | 0,256 | 15,2 | |
| Польша | 0,312 | 5,9 |
Особенностью стока реки является его неравномерное распределение как по годам, так и в течение года.
Многолетняя неравномерность стока неблагоприятна для всех отраслей народного хозяйства и прежде всего для энергетики. Различают: многоводные, средневодные и маловодные годы. В маловодные годы обычно значительно снижается выработка энергии на гидроэлектростанциях.
Неравномерность стока в течение года неблагоприятна для энергетики. Для большинства рек России маловодный период наблюдается зимой, когда потребность в электроэнергии наибольшая.
Механическая энергия речного стока (или гидравлическая энергия) может быть преобразована в электрическую посредством гидротурбин и генераторов.
В естественных условиях энергия водотока расходуется на преодоление внутреннего сопротивления движения воды, сопротивления на трение на стенках русла, размыв дна, берегов и т.п. Численные значения можем определить следующим образом. Водоток разбиваем на ряд участков, начиная от истока до устья. Определяем полную энергию потока жидкости в начальном Э1 и конечном Э2 створах участка. Теряемая на участке энергия будет равна разности Э2 и Э1
 | (17.3) |
где r — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения; W — объем стока жидкости на участке; H1—2 — удельная потенциальная энергия потока жидкости, называемая напором и численно равная падению уровня свободной поверхности водотока на данном участке.
Значения плотности жидкости r в зависимости от температуры изменяются незначительно. Ускорение свободного падения g на Крайнем Севере составляет 9,825 м/с 2 , в средней полосе России — 9,81 м/с 2 и на юге страны 9,782 м/с 2 .
Разделив Э1—2 на время t, получим среднюю мощность водотока на данном участке
 | (17.4) |
Для расчета принимается r = 1000 г/м 3 , g = 9,81 м/с 2 . Подставив расчетные значения r, g, Q1—2 (м 3 /с) и Н1—2 (м), получим мощность водотока, кВт:
 | (17.5) |
Формулы (17.3) и (17.5) выражают потенциальную (теоретическую) выработку энергии и мощность на рассматриваемом участке водотока.
Суммируя потенциальные энергетические ресурсы по участкам водотока, получаем потенциальные энергетические ресурсы реки.
Аналогично получаем теоретические запасы гидроэнергии для региона, страны, континента, мира.
Гидроэнергетические ресурсы подразделяют на потенциальные (теоретические), технические и экономические.
Потенциальные гидроэнергетические ресурсы — это теоретические запасы, определяемые по формуле
 | (17.6) |
где Э — энергия, кВт · ч; Qi — средний годовой расход реки на i-м рассматриваемом участке, м 3 /с; Hi — падение уровня реки на участке, м.
Они подсчитываются в предположении, что весь сток будет использован для выработки электроэнергии без потерь при преобразовании гидравлической энергии в электрическую, т.е. коэффициент полезного действия h = 1.
Мировые потенциальные гидроэнергетические ресурсы оцениваются в 35х10 3 млрд кВт · ч в год и 4000 ГВт среднегодовой мощности. Потенциальные ресурсы России составляют 2896 млрд кВт · ч при среднегодовой мощности 330 ГВт.
Технические гидроэнергетические ресурсы всегда меньше потенциальных, так как они учитывают потери:
· напоров — гидравлические в водоводах, бьефах, на неиспользуемых участках водотоков;
· расходов — испарение из водохранилищ, фильтрацию, холостые сбросы и т.п.;
· энергии в оборудовании.
Они характеризуют техническую возможность получения энергии на современном этапе.
Технические гидроэнергетические ресурсы России составляют 1670 млрд кВт · ч в год, в том числе по малым ГЭС — 382 млрд кВт · ч в год. Выработка электроэнергии на действующих ГЭС России в 2002 г. составила 170,4 млрд кВт · ч, в том числе на малых ГЭС — 2,2 млрд кВт · ч.
Экономические гидроэнергетические ресурсы — это часть технических ресурсов, которую по современным представлениям целесообразно использовать в обозримой перспективе. Они существенно зависят от прогресса в энергетике, удаленности ГЭС от места подключения к энергосистеме, обеспеченности рассматриваемого региона другими энергетическими ресурсами, их стоимостью, качеством и т.п. Экономические гидро энергетические ресурсы переменны во времени и зависят от многих изменяющихся факторов. В настоящее время в мире наблюдается тенденция роста оценки экономических гидроэнергетических ресурсов.
Источник
для гидроэнергетических расчетов
Изучением водоемов земной поверхности занимается наука, называемая гидрологией суши. Сюда составной частью входят гидрология рек, задачей которой является изучение режима рек.
Гидрологической основой гидроэнергетики так же, как и всех водохозяйственных и гидроэнергетических расчетов, являются, прежде всего, денные о режиме стока, определяемом соответствующими характеристиками. Ниже рассмотрены основные характеристики параметров и режима поверхностных водотоков.
Часть осадков, выпавших на сушу, испаряется, часть стекает в пониженные места в виде ручьев и рек (поверхностный сток) или в виде подземного (грунтового) стока. Площадь, с которой осуществляется сток в данную реку, называется водосборным бассейном этой реки. Линия, отделяющая один бассейн от другого, называется водоразделом.
Сток реки – объем воды, протекающей через данное сечение реки (гидрометрический створ) за определенный промежуток времени (сутки, месяц, сезон, год). Сток изучается путем систематических изменений уровней и расходов (Q, м 3 /с) в постоянных створах реки:
(1.1)
где ν – средняя скорость потока, измеренная в изучаемом створе, м/с;
ω – площадь поперечного сечения створа, м 2 .
Вычисленные расходы воды публикуются в ежегодных изданиях (водные кадастры) служб, занятых изучением водных ресурсов.
Кроме непосредственно измеренных расходов воды реки, в водных кадастрах помещаются следующие вычисленные характеристики стока:
Среднегодовой расход воды Qср.г.
, (1.2)
где 
– сумма среднесуточных расходов воды за год;
T — число суток в году (T = 365 или 366);
где 31,54·10 6 – число (среднее) секунд в году.
Средний многолетний объем годового стока V0
, (1.4)
где V1, V2…Vn – объемы стока за отдельные годы; n – число лет периода.
Средний многолетний расход воды Q0:
. (1.5)
Модуль среднегодового стока M0:
(1.6)
где F – площадь водосбора бассейна реки для рассматриваемого створа, км 2 ;
Модульный коэффициент годового стока ki
(1.7)
где I – порядковый номер.
При большой длительности ряда величины Q0 , V0 и M0 принимаются за норму стока. Практически за норму стока принимается среднее значение, полученное по ряду 40…60 лет, если в этот ряд входят не менее двух циклов колебаний водности реки при неизменных географических условиях и одинаковом уровне хозяйственной деятельности в бассейне реки. При отсутствии непосредственных измерений характеристик стока нормы определяются по картам изоляций модуля стока, составленных для территории всей страны и помещенных в соответствующих справочниках «Ресурсы поверхностных вод России». Процесс формирования речного стока представляет собой весьма сложное многофакторное природное явление. Это такие факторы, как осадки, интенсивность снеготаяния и дождей, влажность и промерзание почвогрунтов, испарение и др. В том случае, если событие или явление возникает под действием суммы или произведения большого числа независимых или слабозависимых случайных факторов, то согласно центральной предельной теореме теории вероятностей это событие или процесс является случайным и подчиняется определенному статическому закону. Поэтому для изучения гидрологических характеристик применимы методы математической статистики. Общей задачей гидрологических расчетов при проектировании гидроэнергетических объектов является не только определение нормы стока, но и его возможных колебаний на период эксплуатации установки.
Изменчивость годового стока характеризуется коэффициентом вариации Cν, который представляет собой нормированное среднеквадратичное отклонение (σ/M0) годового стока и служит мерой оценки колебания годового стока относительно его нормы:
(1.8)
Чем больше колебания стока из года в год, тем больше величина Cν. Для европейской части территории России величина Cν находится в пределах 0,2…0,25. Для определения закона распределения годового стока и расчета вероятности появления той или иной величины стоковой характеристики необходимо определение третьего параметра распределения – коэффициента асимметрии CS, который характеризует несимметричность ряда исследуемых величин стока относительно их нормы или центра распределения. Как и Cν, значения CS выражают в относительных единицах, что позволяет сравнивать степень несимметричности рядов отдельных рек:
(1.9)
Вычисление сколько-нибудь надежной величины CS для годового стока требует натурных данных о стоке более чем за 60 лет, что не всегда имеется. Поэтому часто принимают величину CS = 2· Cν. Однако для рек засушливых областей CS =(1…1,5)· Cν, а для рек, вытекающих из озер, обычно CS > 2· Cν.
По трем параметрам (M0, Cν, CS) подбирается теоретическая кривая распределения, которая выражается в интегральном виде – в форме кривой обеспеченности. Кривая обеспеченности отвечает на вопрос, какова вероятность превышения, или обеспеченности, того или иного значения исследуемой характеристики стока от общего числа случаев. По кривой обеспеченности определяется расчетный (заданной обеспеченности) расход воды для определения установленной мощности гидроэлектростанции.
1.2. Гидроэнергетический потенциал малых рек
При изучении гидроэнергетики рек выделяют следующие категории энергопотенциала:
· валовой теоретическийгидроэнергетический потенциал, или потенциальные гидроэнергетические ресурсы;
· техническийгидроэнергетический потенциал, или технически возможные киспользованию гидроэнергетические ресурсы, – это та часть валового теоретического гидроэнергетического потенциала речного стока, которая технически может быть использована или уже используется;
· экономическийгидроэнергетический потенциал – часть технического гидроэнергетического потенциала, использование которого является экономически эффективным.
Для определения количества водной энергии реки используется метод «линейного учета». При применении этого метода каждую реку делят на ряд участков без притоков. Границы расчетных участков устанавливаются в точках перелома продольного профиля реки или в местах резкого нарастания приточности реки, т.е. у устья притока.
Численное значение работы, совершаемой потоком на каждом участке, можно определить следующим образом.
Пусть имеется некоторый участок реки АВдлиной L (рис. 1.1) с постоянными уклоном sinα площадью поперечного сечения ω средней скоростью ν.За некоторый промежуток времени tобъем воды на участке переместится в направлении движения на расстояние L=vt,а точка приложения силы тяжести этого объема F = mg =vLpg сместится в вертикальном направлении на высоту Lsin a = vsinat.
Рисунок 1.1 – К расчету мощности водного потока на участке реки
Работа, совершаемая силой тяжести на участке L за время tопределяется по выражению
A = ωLν·sinαt , (1.10)
P = A/t = ρgωνL·sinα. (1.11)
В выражении (1.11) произведение wv=Q и является средним расходом воды в реке на участке АВ,а произведение L·sin а = Н – падением реки на этом же участке. Принимая ρ = 1000 кг/м 3 , g = 9.81 м/с и выражая Q в м 3 /с, Н – вметрах, получаем мощность Р в кВт:
Средний расход воды в реке на рассматриваемом участке находится как средний из расхода в начальном и конечном створах участка.
Если имеются продольный профиль всей реки и данные по ее стоку, то потенциальную мощность от истока до устья (расчетного створа) можно определить по формуле:
(1.13)
где Qi – средний многолетний расход воды на отдельных участках (норма стока), м 3 /с; Н – падение реки на участке; п –число участков.
Потенциальные запасы гидроэнергетических ресурсов реки в кВт·ч определяют, исходя из 8760 часов использования потенциальной мощности, по формуле
(1.14)
Для сравнения по мощности бассейнов рек различных физико-географических зон рассчитывается удельная насыщенностьгидроэнергоресурсами, т.е. удельная мощность (кВт/км 2 ) или удельная энергия (кВт·ч/км 2 ) на единицу площади водосбора.
Технический потенциал является величиной переменной, растущей по мере развития технических возможностей использования гидроэнергоресурсов. Однако в гидроэнергетике существенные изменения способов производства электроэнергии на ГЭС наблюдаются крайне редко, поэтому оценки технического потенциала достаточно устойчивы во времени.
Размер технического потенциала зависит от величин потерь, часть которых неизбежна и более или менее постоянна, другая (основная) часть зависит от гидрологических, топографических и других природных условий, которые формируют сток. Эта часть потерь непостоянна, и её величина может колебаться в широких пределах.
Пределы колебаний размеров постоянных потерь невелики, и средняя их величина может отражать порядок величин, присущий всем гидроэлектростанциям. Величина их складывается из потерь напора в подводящих каналах, в напорных трубопроводах и т.п. (2. 10 %); из потерь стока через направляющие аппараты, затворы водоподпорных сооружений (1 %); из механических потерь при превращении гидравлической энергии в электрическую (11. 13 %). Поэтому верхний предел использования валового гидроэнергетического потенциала не может превышать 86 %.
Потери, зависящие от природных условий, свои на каждой реке. Они складываются из потерь стока и падения реки из-за неполного использования верховых и низовых участков рек, потерь на фильтрацию и испарение и т.п. В работе под руководством А.Н.Вознесенского выделены группы рек, имеющие различный процент использования валового потенциала. Анализ проводился по изученным рекам и существующим проектам. Исследования показали, что этот процент зависит не только от крупности реки, но и от полноты использования длины реки, её водности, естественной зарегулированности (Cv),внутригодовой неравномерности, рельефа долины, наличия крупных потребителей воды (орошение) и др.
Все реки разделены на четыре группы. Первые две группы рек — это крупные реки с потенциальной энергией выше 1000 млн.кВт·ч.
Третья группа – это средние водотоки с потенциальной энергией от 15 до 1000млн. кВт·ч, используемой на 40. 50 %.
Четвертая группа – малые водотоки с потенциальной энергией менее 15 млн. кВт·ч. Вследствие незначительной величины стока большая часть рек группы либо перемерзает в зимний период, либо пересыхает летом. Энергетическое использование малых рек возможно не круглый год. Энергия этих рек используется на 15. 20 %.
Установить общий экономический потенциал гидроэнергетики малых рек в настоящее время очень сложно, поскольку нет совершенной методики поиска экономичных технических решений по малым ГЭС. Все существующие методики оценок опираются на уже проработанные проекты малых ГЭС.
1.3. Гидроэнергетические ресурсы водохранилищ
Источник