Технології змінюються, але суть залишається. Щоб пояснити принцип роботи ГЕС, ми вирішили використовувати в нашому розділі витяг з книги, що вийшла ще в 1965 році. У ній буквально на пальцях пояснюється, як за допомогою енергії води виробляється струм
ДЛЯ ГЕС ПОТРІБЕН НАПОР
«Люди давно навчилися використовувати енергію води, що рухається. Якщо до половини занурити в річку колесо з лопатями на ободі, то воно почне обертатися, тому що вода буде захоплювати за собою нижні лопаті колеса. Приблизно так працювали (і подекуди працюють до цих пір) водяні млини. Водяне колесо в них насаджено на вал жорна. Обертає вода колесо - обертається і жорно, меле зерно.
Але ось сто з гаком років тому з'явився більш досконалий водяний двигун - гідравлічна турбіна (скорочено - гідротурбіна). З'явилися генератори, здатні перетворювати механічну роботу в електричну енергію. І до кінця XIX в. почалося спорудження гідроелектричних станцій - ГЕС.
Прямо в руслі річки, навіть з швидкою течією, ставити великі турбіни можна: біля річки не вистачає сили провертати важку турбіну. Інша справа на водоспадах: там вода стрімко летить вниз, у неї великий напір.
Але водоспадів не так багато, та й не дуже зручно ставити біля них турбіни. Тому придумані штучні водяні «сходинки» - греблі.
Напір створюється різницею рівнів води. Тому кажуть, що водяне колесо обертається під напором в стільки-то метрів.
Якщо перегородити річку міцної греблею, а в тілі греблі залишити тільки невеликий отвір, то вся вода, що є в річці, повинна буде протікати через цей отвір. Значить, перед греблею річка підніметься і розіллється, а за греблею залишиться на колишньому рівні. З'явиться різниця рівнів, виникне натиск води.
Поставимо у отвори греблі гідротурбіну - і вона почне обертатися, використовуючи натиск води. З'єднаємо турбіну з генератором- його ротор теж прийде в рух, в обмотці статора з'явиться струм.
Зауважте: натиск перед греблею зберігається цілий рік, тому що вода запасається в водосховище, штучному морі, і стікає рівномірно, хоча взимку і влітку річка несе менше води, а восени і навесні - більше.
Втім, є і гідроелектростанції без гребель. Наприклад, на гірських річках греблі виходять дуже високими і дорогими. У цих випадках воду з річки підводять до електростанцій каналом або тунелем, званими дериваційними. В кінці дериваційного відведення будують будинок ГЕС і з'єднують трубами канал і гідроелектростанцію. Тепер частина води йде по своєму руслу, а частина здійснює такий маршрут: канал - труби - турбіни ГЕС - русло. Звичайно, все це самопливом, тому що канал починається набагато вище ГЕС, а впадає назад в річку нижче ».
БУДЬ гідровузол - СКЛАДНЕ ПІДПРИЄМСТВО
«Принцип роботи будь-якої ГЕС простий. Але пристрій її, звичайно, не проста. Сучасна ГЕС - складне підприємство, насичене різноманітними автоматами. Недарма будівлю машинного залу, греблю, шлюзи, трансформаторні станції, рибопод'емнікі називають загальним словом гідровузол.
Греблю будують з грунту або бетону. Дуже часто грунт і бетон працюють рука об руку: там, де треба просто утримати воду, можна застосувати землю, а для водозливів, турбінних камер і взагалі «активних» ділянок греблі потрібен залізобетон. У тілі греблі на заздалегідь розрахованої висоті роблять вікна для пропуску води під час паводку, інакше вода прорвала б греблю. В інший час вікна закриті сталевими щитами.
Іноді, якщо немає потреби будувати греблю дуже високою, її роблять нижче рівня максимального підйому води під час паводку. І тоді щовесни зайва вода просто-напросто переливається через водозливні ділянку гребеня греблі.
У підводній частині греблі прокладені труби для підведення води до турбін. Вони прикриті гратами, які ловлять камені, поліна, гілки. У трубах влаштовані затвори.
Натиск кнопки - і шлях воді закритий. Це потрібно при зупинках турбіни.
Потік води під напором входить в трубу і звідси в спіральну камеру, нагадує равлика. Рухаючись всередині камери все ближче і ближче до центру, водяна маса закручується. А в центрі камери - колесо турбіни. Але вода не відразу потрапляє на колесо, тому що воно обнесено «парканом» - міцними сталевими лопатками, що направляють воду (напрямних апаратом). Кожна лопатка може повертатися на своїй осі. Чи повернуться лопатки так, що щільно зімкнуться одна з іншого, - і вода в турбіну не пройде. Прочиняться трохи - води піде небагато. А стануть по руху води - вона майже безперешкодно проникатиме в турбіну. Це, як кажуть енергетики, режим повного навантаження ».
ВОДА обертає турбіни
«Але ось вода пройшла крізь направляючий апарат. На її шляху - лопаті робочого колеса турбіни. Зрозуміло, що вода змусить лопаті рухатися, віддасть їм свою енергію. А цього нам тільки і треба. Вода обертає турбіну!
Тепер воді потрібно піти. Куди. Знову в трубу, але тільки в іншу - відсмоктувальну. Дуже важливо, щоб вода йшла по цій трубі спокійно, без вихорів і перешкод, тоді турбіна буде добре використовувати натиск. Тому що відсмоктують труби роблять гладкими і трохи розширюються до нижнього кінця. З цього відкритого кінця вода витікає в русло річки і йде за течією.
Не завжди турбіни знаходяться в тілі греблі або поблизу від неї. Іноді воду під напором подають з водосховища до турбін по довгих трубах або тунелях. Так, наприклад, зроблено на ГЕС при висотної Асуанської греблі на р. Нілі ».
З ГЕНЕРАТОРА НА трансформатор І ДАЛІ ПО проводити
«Отже, робоче колесо турбіни обертається. З ним обертається і вал, що зв'язує робоче колесо з ротором електричної машини - генератора змінного струму.
Генератор виробляє змінний струм напругою від 10 до 18 тис. Вольт.
Але, виявляється, електроенергію в такому вигляді невигідно передавати на великі відстані. Ось якщо підвищити напругу в 10 - 15 разів, тоді інша справа: сила струму впаде, і він, проходячи по дротах, буде менше нагрівати їх. Чи стане менше втрат, не знадобляться товсті і важкі дроти.
Напруга підвищують на електростанції прості прилади - трансформатори. Це стрижні-сердечники, зібрані з тонких листів м'якої сталі. На кожному - дві обмотки: одна з невеликим числом витків товстого мідного дроту, друга з нечисленними витками більш тонкого дроту. Ми подаємо напругу, скажімо, в 10 тис. Вольт на первинну обмотку, а з вторинною отримуємо відразу 100 або 200 тис. Вольт - у стільки разів більше, у скільки більше витків на вторинній обмотці. Щоб трансформатори не сильно нагрівалися при роботі, їх занурюють в баки з рідким маслом, добре відводить тепло. Отже, чим вище напруга (і, отже, менше сила струму), тим вигідніше передавати енергію ».
Джерело: «Техніка і виробництво». Том 5 (Дитяча енциклопедія тисяча дев'ятсот шістьдесят-п'ять р.в.) - Афанасенко Є.І. та ін.