От водного колеса до турбины

Во второй половине 19 века водяные колеса сменились турбинами. Турбины бывают :

• активные
• реактивные
• осевые
• для активных турбин требуется высокий набор воды. Падающая вода направляется в сопло и истекает из него в виде высокоскоростной струи, с силой ударяющей в “ковши” на внешней стороне колеса. Реактивная турбина работает по принципу сегнерова колеса, которое вращается за счет реакции вытекающей струи. Осевая турбина имеет рабочее колесо с поворотными лопастями, расположенное внутри трубы большого диаметра.

Гидроэлектрические схемы и энергия приливов

Большая часть гидротурбин приводится в действие энергией воды прикрытой плотинами рек, протекающей по гористой местности. Турбины вращают генераторы электрического тока. В гористых странах гидроэлектростанции производят дешевую энергию, не загрязняя окружающую среду. В США четвертая часть электрической энергии производится гидроэлектростанциями, тогда как в Великобритании гидроэлектростанции производят существенное количество энергии только на севере Шотландии

Значительные ресурсы гидроэнергии остаются неиспользованными: например, Фрейзер в Канаде может давать 8700 МВт, а Брахмапутра в Индии – 20000 МВт. Система Енисей-Ангара в настоящее время вырабатывает 11000 МВт, а неиспользованные ресурсы этой системы составляют 53000 МВт

Гидротурбины могут также работать при малом напоре воды, создаваемом приливом. Единственная промышленная приливная станция работает в устье Ранс на севере Франции. Перепад уровней, создаваемый приливом, колеблется очень широко: от 2 см на Таити до 15 м в заливе Фёнди на востоке Канады. Если перепад уровней приближается к верхнему пределу, то строительство приливной гидроэлектростанции целесообразно

Необходимо как-то увязывать время приливов и пики нагрузки, иначе приливные электростанции будут достигать полной мощности в полночь, когда электрическая нагрузка минимальна. Чтобы избежать этого, можно разделить водохранилище станции на два: верхнее водохранилище, которое наполняется от среднего до высокого уровня прилива, и нижнее водохранилище, которое опорожняется от среднего до нижнего уровня прилива. Такая схема позволяет непрерывно поддерживать разность уровней

Другой путь состоит в использовании верхнего водохранилища в качестве резервной питающей системы. В этом случае, когда потребление энергии уменьшается, электроэнергия, производимая обычными электростанциями, затрачивается на перекачивание воды из нижнего водохранилища, в верхнее. Когда же потребление электроэнергии возрастет, вода перепускается из верхнего водохранилища в нижнее и электроэнергия вырабатывается, как в обычной электростанции. В такой схеме, помимо генерирования электроэнергии производится ее накопление в больших количествах

Использование энергии ветра

Использование ветра для производства энергии пока малоэффективно. Несмотря на огромные ресурсы такой энергии, проблема экономичного ее использования еще не решена

Энергия, поступающая на ветряные мельницы, пропорциональна кубу скорости ветра и площади, ометаемой крыльями мельницы. Предельный кпд составляет 59%, на практике же он достигает лишь 45%. Подсчитано, что производство электроэнергии с использованием энергии ветра может конкурировать с ядерной энергией только в том случае, если средняя скорость ветра будет выше 32км/ч. но на Земле не много мест с такими ветрами, поэтому, преобразуя энергию ветра, можно удовлетворить не более 1% потребности в электрической энергии

В этой связи предпочтительнее, как показывает практика, использовать энергию морских волн, образуемых ветром. Ветры, дующие на пространствах океана, вызывают волны, обладающие большим запасом энергии. Волны могут служить источником энергии. Перспективная конструкция с поплавками разработана Солтером в Эдинбургском университете. Поплавки, двигаясь вверх-вниз при прохождении волны, приводят в движение насосы, которые нагнетают воду, а та поступает в турбину, вырабатывающую электроэнергию

Виды турбин

Турбина 16 века использовавшая энергию движущейся воды, применялась для привода ирригационных насосов. Вращение турбины передавалось колесу с зубьями только на половине длины окружности. Цевочные колеса, вращаясь поочередно в противоположных направлениях, приводили в возвратно-поступательное движение колесо насоса. Автоматические клапаны позволяли всасывать воду в один цилиндр и выпускать ее из другого

Турбины гидроаккумулирующих электростанций производят электроэнергию только в часы пиковых нагрузок, а остальное время служат гидроприводами насосов, перекачивающих воду в водохранилище перед плотиной. Реактивная водяная турбина вращает электрогенератор. Когда центробежные насосы отключены, гидроагрегат работает как обычный генератор. Если ввести в действие соединительную зубчатую муфту, водяная турбина выведет насос на рабочие обороты. Генератор подключится к сетевому питанию и начнет работать, как электродвигатель. Клапан турбины закроется, а клапан насоса откроется. Вода начнет перекачиваться в водохранилище, увеличивая запас, необходимый для последующей работы гидроагрегата в режиме производства электроэнергии

Существуют три типа гидротурбин:

1. Неподвижные лопатки реактивной турбины Френсиса устанавливаются так, чтобы струи воды ударяли лопатки ротора по касательной, вода из турбины вытекает вниз.
2. В колесе Пелтона, или активной турбине, вода истекает из сопла и ударяет по ковшеобразным лопастям колеса, при этом она отбрасывается назад.
3. Лопасти осевой турбины Каплана напоминают лопасти судового гребного винта.