Гидроэнергия (от , «вода»), представляет собой использование падающей или быстро текущей воды для производства электроэнергии или для приведения в действие машин. Это достигается за счёт преобразования гравитационного потенциала или кинетической энергии источника воды в энергию. Гидроэнергия — это метод устойчивого производства энергии.
С древних времён гидроэнергия от водяных мельниц использовалась в качестве возобновляемого источника энергии для орошения и работы механических устройств, таких как мельницы, лесопилки, текстильные фабрики, отбойные молотки, доковые краны, бытовые лифты и рудные мельницы. Тромпа, производящая сжатый воздух из падающей воды, иногда используется для питания других механизмов на расстоянии .
Гидроэнергетика в настоящее время используется в основном для производства электроэнергии, а также применяется как половина системы накопления энергии, известной как гидроаккумулирующая электроэнергия.
Гидроэнергетика является привлекательной альтернативой ископаемому топливу, поскольку она не производит непосредственно двуокиси углерода или других загрязнителей атмосферы и обеспечивает относительно стабильный источник энергии. Тем не менее, он имеет экономические, социальные и экологические недостатки и требует достаточно большого источника воды, такого как река или озеро на возвышенности. Международные организации, такие как Всемирный банк, рассматривают гидроэнергетику как низкоуглеродное средство экономического развития.
История
Известные данные свидетельствуют о том, что основы гидроэнергетики восходят к древнегреческой цивилизации . Другие данные указывают на то, что водяное колесо самостоятельно появилось в Китае примерно в тот же период. Свидетельства существования водяных колес и водяных мельниц относятся к древнему Ближнему Востоку в IV веке до н. э.. Более того, данные указывают на использование гидроэнергетики с помощью ирригационных машин в древних цивилизациях, таких как Шумер и Вавилония . Исследования показывают, что водяное колесо было первоначальной формой использования энергии воды и приводилось в движение людьми или животными.
В Римской империи водяные мельницы были описаны Витрувием к I веку до н. э.. Мельница Барбегала, расположенная на территории современной Франции, имела 16 водяных колес, перерабатывающих до 28 тонн зерна в сутки. Римские водяные колеса также использовались для распиливания мрамора, например, лесопилка Иераполиса конца III века. Такие лесопилки имели водяное колесо, которое приводило в движение две кривошипно-шатунные тяги для привода двух пил. Он также появляется на двух восточно-римских лесопильных заводах VI века, раскопанных в Эфесе и Герасе соответственно. Кривошипно -шатунный механизм этих римских водяных мельниц преобразовывал вращательное движение водяного колеса в линейное движение пил.
Первоначально считалось, что водяные отбойные молотки и мехи в Китае во времена династии Хань (202 год до н. э. — 220 год н. э.) приводились в действие водяными ковшами. Однако некоторые историки предположили, что они приводились в движение водяными колесами. Это связано с тем, что предполагалось, что у водозаборников не было бы движущей силы для работы сильфонов доменной печи. Во многих текстах описывается гуннское водяное колесо; некоторые из самых ранних из них — это словарь Jijiupian 40 год до н. э., текст Ян Сюн, известный как Фанъянь 15 год до н. э., а также Xin Lun, написанный Хуан Таном около 20 года. Также в это время инженер Ду Ши (около 31 года) применил силу водяных колес к поршню — сильфону в чугунной ковке.
Другой пример раннего использования гидроэнергетики можно увидеть в арругии — использовании силы водных волн, выпущенных из резервуара, при добыче металлических руд. Этот метод был впервые использован на золотых рудниках Долаукоти в Уэльсе с 75 году. Метод получил дальнейшее развитие в Испании на таких шахтах, как Лас-Медулас. Метод арругий также широко использовалось в Британии в средневековье и более поздние периоды для добычи свинцовых и оловянных руд. Позже он превратился в гидравлическую добычу полезных ископаемых во время Калифорнийской золотой лихорадки в XIX веке.
Исламская империя занимала большой регион, в основном в Азии и Африке, а также в других прилегающих районах. В период Золотого века ислама и Арабской сельскохозяйственной революции (VIII—XIII вв.) гидроэнергетика широко использовалась и развивалась. Раннее использование приливной энергии возникло вместе с крупными комплексами гидравлических заводов. В регионе использовался широкий спектр промышленных мельниц с водяным приводом, включая валяльные, зерновые, бумажные, лущильные, лесопильные, судовые, штамповые, сталелитейные, сахарные и приливные мельницы. К XI веку в каждой провинции Исламской империи, от Аль-Андалуса и Северной Африки до Ближнего Востока и Центральной Азии, работали эти промышленные предприятия. Мусульманские инженеры также использовали водяные турбины, применяя шестерни в водяных мельницах и водоподъёмных машинах. Они также первыми использовали плотины в качестве источника энергии воды, используемой для обеспечения дополнительной энергией водяных мельниц и водоподъёмных машин.
Кроме того, в своей книге «Книга знаний об гениальных механических устройствах» мусульманский инженер-механик Аль-Джазари (1136—1206) описал конструкции 50 устройств. Многие из этих устройств приводились в движение водой, в том числе часы, устройство для подачи вина и пять устройств для подъёма воды из рек или бассейнов, три из которых приводились в движение животными, а одно могло приводиться в движение животным или водой. Кроме того, они включали бесконечную ленту с прикреплёнными кувшинами, колодец-журавль и возвратно-поступательное устройство с шарнирными клапанами.
В XIX веке французский инженер Бенуа Фурнерон разработал первую гидротурбину. Это устройство было реализовано на коммерческом заводе Ниагарского водопада в 1895 году и работает до сих пор. В начале XX века английский инженер Уильям Армстронг построил и эксплуатировал первую частную электростанцию, которая располагалась в его доме в Крэгсайде в Нортумберленде (Англия). В 1753 году французский инженер Бернар Форест де Белидор опубликовал свою книгу «Гидравлическая архитектура», в которой описывались гидравлические машины с вертикальной и горизонтальной осью.
Растущий спрос на промышленную революцию также будет стимулировать развитие. В начале промышленной революции в Великобритании вода была основным источником энергии для новых изобретений, таких как водяная рама Ричарда Аркрайта. Хотя энергия воды уступила место силе пара на многих крупных заводах и фабриках, она всё ещё использовалась в XVIII-м и XIX-м веках для многих более мелких операций, таких как привод в движение мехов в небольших доменных печах (например, печь Дифи) и мельницах, например, построенные у водопада Сент-Энтони, в которых используется 15 м перепад высот Миссисипи.
Технический прогресс превратил открытое водяное колесо в закрытую турбину или водяной двигатель. В 1848 году британско-американский инженер Джеймс Б. Фрэнсис, главный инженер компании Lowell’s Locks and Canals, усовершенствовал эти конструкции и создал турбину с КПД 90 %. Он применил научные принципы и методы испытаний к проблеме проектирования турбин. Его математические и графические методы расчёта позволили с уверенностью спроектировать высокоэффективные турбины, точно соответствующие конкретным условиям потока на объекте. Гидротурбина Фрэнсиса всё ещё используется. В 1870-х годах, исходя из использования в горнодобывающей промышленности Калифорнии, Лестер Аллан Пелтон разработал высокоэффективную импульсную турбину с колесом Пелтона, которая использовала гидроэнергию от высокого напора, характерного для Сьерра-Невады.
Расчёт доступной мощности Гидроэнергетический ресурс можно оценить по располагаемой мощности. Мощность зависит от гидравлического напора и объёмного расхода. Напор — это энергия на единицу веса (или единицы массы) воды. Статический напор пропорционален разнице высот, на которую падает вода. Динамический напор связан со скоростью движущейся воды. Каждая единица воды может совершить работу, равную её весу, умноженному на напор.
Мощность падающей воды можно рассчитать, исходя из расхода и плотности воды, высоты падения и местного ускорения под действием силы тяжести:
где (рабочий расход) — полезная выходная мощность (в ваттах). («эта») — КПД турбины (безразмерная величина) — массовый расход (в килограммах в секунду) («ро») — плотность воды (в килограммах на кубический метр). — объёмный расход (в кубических метрах в секунду) — ускорение свободного падения (в метрах в секунду в секунду) («Дельта h») — разница по высоте между выходом и входом (в метрах).
Например, выходная мощность турбины с КПД 85 %, расходом 80 кубических метров в секунду и напором 145 метров, составляет 97 мегаватт:
Операторы гидроэлектростанций сравнивают общую произведённую электроэнергию с теоретической потенциальной энергией воды, проходящей через турбину, для расчёта эффективности. Процедуры и определения для расчёта эффективности приведены в кодах испытаний, таких как ASME PTC 18 и IEC 60041. Полевые испытания турбин используются для проверки гарантии эффективности производителя. Детальный расчёт КПД гидротурбины учитывает потерю напора из-за трения потока в гидроканале или водоводе, подъём уровня нижнего бьефа из-за потока, расположение станции и влияние различной гравитации, температуры воздуха и барометрического давления, плотности воды при температуре окружающей среды и относительные высоты переднего и заднего заливов. Для точных расчётов необходимо учитывать ошибки из-за округления и количество значащих цифр констант.
Некоторые гидроэнергетические системы, такие как водяные колеса, могут получать энергию от потока воды, не обязательно изменяя её высоту. В этом случае располагаемая мощность представляет собой кинетическую энергию протекающей воды. Водяные колеса с избыточным выбросом могут эффективно улавливать оба типа энергии. Течение в ручье может сильно варьироваться от сезона к сезону. Развитие гидроэлектростанции требует анализа записей потоков, иногда охватывающих десятилетия, для оценки надёжного годового энергоснабжения. Плотины и водохранилища обеспечивают более надёжный источник энергии, сглаживая сезонные изменения стока воды. Однако водохранилища оказывают значительное воздействие на окружающую среду, как и изменение естественного речного стока. Конструкция плотины должна учитывать наихудший случай, «вероятное максимальное наводнение», которое можно ожидать на участке; водосброс часто включается для направления паводковых потоков вокруг плотины. Компьютерная модель гидробассейна и записи об осадках и снегопадах используются для прогнозирования максимального паводка.
Недостатки и ограничения Выявлены некоторые недостатки гидроэнергетики. Люди, живущие рядом с гидроэлектростанцией, перемещаются во время строительства или когда берега водохранилища становятся неустойчивыми. Ещё одним потенциальным недостатком является то, что культурные или религиозные объекты могут блокировать строительство.