Сучасні технології і виробництво
Греблі і водосховища. водяні колеса
Споруджувати греблі людина навчилася дуже давно: найдавніша кам'яна гребля в Єгипті була побудована в IV тисячолітті до н. е. Греблі потрібні були для того, щоб влаштовувати водосховища, звідки вода подавалась на поля. Найбільше водосховище Стародавнього Єгипту - Мерідское озеро займало площу близько 12 км 2.
Греблі і водосховища для водяних млинів з'явилися пізніше - тільки в середні століття.
Гребля потрібна млині, по-перше, щоб створити необхідний напір води - різницю між рівнем води перед дамбою і за нею. Чим більше напір води, тим (за інших рівних умов) більше потужність колеса водяного млина. По-друге, виникає перед греблею водосховище служить своєрідним акумулятором гідроенергії і вирівнює сезонні коливання водного потоку. Адже кількість води в річці змінюється місяць від місяця і рік від року. Водосховище накопичує воду в паводок і віддає її в маловодні місяці.
Водосховища бувають найрізноманітніші: вони займають площу від декількох гектарів до декількох тисяч квадратних кілометрів. Невеликі водосховища називають ставками. В СРСР близько 1000 водосховищ об'ємом понад 1 км 3. з них 150 мають обсяг понад 100 км 3. Найбільші наші водосховища - Куйбишевське, Рибінська, Волгоградське, Цимлянське, Каховське, а найбільше - Братської ГЕС - має об'єм близько 170 км 3. а площа дзеркала води - 5470 км 2. Найвища в світі гребля (висотою 310 м) побудована в СРСР на річці Вахш.
Водяні колеса, за допомогою яких піднімали на поля воду, були відомі в далекій давнині в країнах Сходу: в Єгипті, Китаї і Індії. Ось як описував їх в I в. до н. е. римський архітектор Вітрувій: "До зовнішніх частинах колеса прикріплені лопатки, на які діє своїм ударом вода і які обертають колесо. Черпаючи таким чином воду і піднімаючи її на велику висоту, воно виконує потрібну роботу, не потребуючи в поденники на Топчак, виключно дією самої ж води ". Подібні колеса збереглися до цих пір в деяких селах Азії і Африки.
Водяні млини для зерна з'явилися набагато раніше вітряних. В державі Урарту, яке знаходилося на території нинішньої Вірменії, вони були відомі ще в VIII ст. до н. е. На Русі водяні млини згадуються в документах XIII в. але не як новинки, а як пристрої пересічні, -по мабуть, вони з'явилися значно раніше.
І водопідіймальні колеса, і колеса перших водяних млинів були подлівнимі. Ось колеса була розташована вище рівня води, і вода тиснула на нижні лопаті. Такі колеса не потребували греблях: їх встановлювали зазвичай збоку від будівлі, побудованого на березі, або на двох човнах, що стоять на якорях. Навіть найбільші колеса мали потужність не більше 10-15 кВт і погано використовували енергію потоку: їх к. П. Д. Не перевищував 0,35%.
У 1770-1780 рр. російський винахідник К. Д. Фролов побудував гідроустановка, що складалася з кількох коліс різного діаметра. Вони приводили в рух насоси для відкачування води 3, 4, рудопод'емнік 2 і лісопилку 1.
Більш досконалим, з к. П. Д. 0,75%, було винайдене значно пізніше, вже в епоху середньовіччя, наливне колесо. Вода надходила на нього зверху (верхнебойное колесо) або приблизно на рівні осі (среднебойное колесо). Для роботи цих коліс вже були потрібні греблі.
Розквіт будівництва водяних коліс доводиться на кінець XVIII - середину XIX ст. Вода тоді була головною енергетичною базою промисловості. У Росії, наприклад, на Алтайському Змеіногорском руднику талановитий винахідник К. Д. Фролов побудував в 1770-1780 рр. грандіозну на ті часи гідросистему, що складається з декількох коліс різного діаметра, від яких працювали насоси для відкачування води, рудопод'емнік і лісопилка. Найбільші колеса, головне з яких було діаметром 17 м (висота 6-поверхового будинку!), Перебували під землею, в спеціально споруджених камерах.
З другої третини XIX ст. на зміну водяним колесам приходять розвиваючі значно більшу потужність гідравлічні турбіни. Однак деякі водяні колеса дожили до початку XX в.
Перша гідравлічна турбіна, а вірніше модель турбіни, була побудована угорським фізиком і математиком Яношем Сегнерово в 1750 р До високого вертикальному судині Сегнер припаяв внизу дві вигнуті в різні боки трубки. Вода, налита в судину, випливала з трубок і силою віддачі - силою реакції - обертала посудину. У шкільних фізичних кабінетах і зараз ще можна побачити таку реактивну турбіну: сегнерова колесо, за допомогою якого демонструють принцип реактивного руху.
Сегнер теоретично обґрунтував роботу своєї турбіни, а більш глибоко розробив теорію реактивних турбін у 1751 р петербурзький математик, знаменитий Леонард Ейлер. Він вивчив закони руху рідини в турбінному колесі і розробив схему інший, ніж у Сегнерово, конструкції турбіни.
Вона повинна була складатися з двох частин - направляючого апарату (нерухомою кругової решітки, що складається з лопаток і забезпечує необхідний напрям потоку рідини) і обертового колеса з лопатями. І лопаті і лопатки плавно вигнуті, щоб не заважати воді текти з максимально можливою швидкістю. А поточна вода, як відомо, має кінетичної енергією. Б'ючи в лопаті колеса, вона віддає йому свою енергію і змушує його обертатися.
Однак будувати турбіну Ейлер не став: він був теоретик, а не механік-практик. Але його ідея виявилася настільки вдалою, що переважна більшість турбін і понині будується за схемою Ейлера. Першу таку турбіну потужністю 4,5 кВт створив французький інженер Б. Фурнерон в 1827 р Подібні турбіни називають реактивними. Реактивні гідротурбіни у напрямку потоку рідини в робочому колесі поділяють на осьові і радіально-осьові.
Конструкція сучасної реактивної радіально-осьової гідравлічної турбіни така. Лопатки направляючого апарату охоплюють колесо з лопатями. Пройшовши направляючий апарат, вода потрапляє на лопаті, рухається по радіусу до осі колеса, а потім повертає і йде уздовж осі. Тому турбіну і називають радіально-осьової. Щоб регулювати витрату води і тим самим потужність машини, лопатки направляючого апарату роблять поворотними.
Найбільші турбіни такого типу на натиск (т. Е. Висоту стовпа води над колесом) від 30 до 500 м проектують і будують в нашій країні. Для Красноярської ГЕС створені турбіни потужністю 508 МВт, для Саяно-Шушенській ГЕС - 650 МВт.
У 1920 р австрійський інженер В. Каплан запропонував інший тип реактивної турбіни - осьову пропелерну. Її вдосконалили інші інженери, і вона стала поворотно-лопатевої (з поворотними лопатями). Вона виявилася найбільш придатною для порівняно невеликих напорів (від 3 до 80 м), т. Е. Для гребель, побудованих на рівнинних річках. Найбільша з радянських поворотно-лопатевих турбін розвиває потужність 385 МВт.
Розріз пригреблева гідроелектростанції.
Схема найбільшого в Європі Волзького каскаду ГЕС.
До деривационной ГЕС воду подають по трубах, каналах, тунелях. На знімку: Храмская ГЕС дериваційного типу.
Пульт управління ГЕС.
ГЕС називаються дериваційними (від латинського слова "деривації" - відхиляю).
Іноді слідом за головним деривационной ГЕС йдуть ще кілька станцій: вода проходить через все послідовно. Виходить каскад гідроелектростанцій, наприклад Інгурську на Кавказі.
Каскади ГЕС широко поширені і на рівнинних річках: Єнісеї, Ангарі, Волзі, Камі і інших річках.
На берегах морів будують приливні електростанції (ПЕС). У них також є і гребля, і водосховище, яке вода заповнює під час припливу, а потім випливає з нього під час відливу.
У Радянському Союзі перша дослідна приливна електростанція потужністю 400 кВт вступила в дію в 1968 р (на Кольському півострові). Це досвідчена ПЕС: на ній вивчають економічність подібних станцій. За кордоном найбільша приливна електростанція споруджена у Франції в 1967 р на річці Рані, її потужність - 240 МВт. Ідея використання припливів зовсім не нова: ще в XI ст. у Венеції були водяні колеса, що приводяться в рух приливами і відливами.
Нарешті, існують і гідроаккумупірующіе ГЕС. Їх споруджують там, де споживання електричної енергії протягом доби дуже нерівномірно. Особливість цих ГЕС полягає в тому, що на них встановлені оборотні гідроагрегати, які можуть працювати і як генератори струму, і як електричні водяні насоси. Коли споживання енергії невелика, гідроагрегат перекачує воду з водосховища у верхній басейн, отримуючи електричну енергію від інших електростанцій (наприклад, теплових). Коли ж споживачам потрібна така кількість електроенергії, яке не можуть виробити теплові електростанції, гідроагрегат ГЕС починає працювати як генератор струму - він приводиться в дію водою, яка надходить з верхнього басейну. Потужність деяких акумулюють ГЕС перевищує 1,5 ГВт. В СРСР оборотні агрегати встановлені на гідроелектростанції, спорудженої в зоні верхнього б'єфу Київської ГЕС.
Гідроелектростанції дозволяють комплексно використовувати гідроресурси річок. Завдяки гребель і водосховищ багато в чому вирішені проблеми водопостачання безводних районів Середньої Азії, Кавказу, України, Поволжя; стали судноплавними на всій своїй течії Волга, Кама, Дон, Дніпро, і тим самим створено єдину глибоководна річкова мережа Європейської частини СРСР. На черзі - будівництво ГЕС на Амурі та інших далекосхідних річках, на Колимі. Завдяки водохранилищам на багатьох річках ліквідовані весняні паводки, що приносять великої шкоди народному господарству, а в маловодні роки вода незмінно продовжує надходити в зрошувальні системи.
Гідроелектростанції виробляють зараз близько 16% всієї електроенергії в СРСР. Однак, в зв'язку з тим що будівництво теплових і особливо атомних електростанцій йде великими темпами, роль ГЕС в загальному виробітку енергії почне поступово зменшуватися. Зате помітно зросте значення гідроенергетики в справі збереження і регулювання запасів прісної води.
Вже зараз деякі райони країни відчувають нестачу у воді, особливо влітку, і гідробудівництво планується так, щоб в максимальному ступені враховувати інтереси водопостачання промисловості та міст. Вчені вважають, що ще до кінця XX в. буде потрібно перекинути частину води спочатку європейських, а потім і сибірських річок в посушливі райони країни.
Це також вимагатиме будівництва у відповідних місцях нових водосховищ.