Содержание Введение………………………………………………………………….………3 1. Гидроэлектростанции Ниагарского водопада. XIX век ……………....4 2. Гидроэлектростанции Ниагарского водопада. Начало XX века……..13 3. Гидроэлектростанции Ниагарского водопада. Современность.……..20 Заключение………………………………………………...……………….......28 Список литературы…………...........……………………………………….....29 Введение Постоянно повышающаяся потребность в энергии, новые, крайне прожорливые потребители электричества – гигантские дата-центры и электромобили для массового рынка – вынуждают человечество искать альтернативные источники энергии. Важно, чтобы они были не только высокоэффективными, но и экологически чистыми. К традиционным источникам электроэнергии относятся тепловые (уголь, газ, мазут), гидро- и атомные электростанции. Причем относительно «зелеными» считается лишь третий тип электростанций, тогда как два первых наносят ощутимый вред атмосфере и гидросфере соответственно. Экологически чистые (опять-таки, относительно) солнечные, ветровые и геотермальные электростанции в ряде стран мира вырабатывают до половины электричества, но их до сих пор называют альтернативными. Кроме того, существует альтернативная гидроэнергетика, подразумевающая волновые, приливные и водопадные электростанции. Нетрадиционное использования водных ресурсов планеты для выработки энергии подразумевает три типа электростанций: волновые, приливные и водопадные. Причем самыми перспективными из них считаются первые: средняя мощность волнения мирового океана оценивают в 15 кВт на погонный метр, а при высоте волн выше двух метров пиковая мощность может достигать 80 кВт/м. Главная проблема волновых электростанций – сложность преобразования движения волн (вверх-вниз) во вращение лопастей колеса генератора. Впрочем, последние разработки британских (проект Oyster) и российских ученых (проект Ocean RusEnergy) должны решить данную проблему. Приливные электростанции имеют значительно меньшую мощность, чем волновые, зато их куда легче и удобнее строить в прибрежной зоне морей. Гравитационные силы Луны и Солнца дважды в день меняют уровень воды в море (разница может достигать двух десятков метров), что позволяет использовать энергию приливов и отливов для выработки электричества. Водопадные электростанции являются, пожалуй, самыми малоперспективными в отрасли гидроэнергетики. Дело в том, что понастоящему мощных водопадов на планете не так уж и много. Вспомнить стоит разве что электростанции «Сэр Адам Бек 1» и «Сэр Адам Бек 2», построенные на Ниагарском водопаде, а точнее на его канадской стороне. 1. Гидроэлектростанции Ниагарского водопада. XIX век Как известно, Ниагарский водопад расположен на реке Ниагара длиной 56 километра, соединяющий озера Эри и Онтарио. Высота водопада составляет 53 метра, и учитывая среднегодовой расход воды Ниагары, составляющий 5900 м3/с (для сравнения – у Волги этот показатель составляет около 8000 м3/с) очевидно, что водопад обладает огромной энергетической мощью. Рисунок №1 - Фото Ниагарского водопада Первым использовать энергию Ниагарского водопада стал некто Daniel Joncairs, который еще в 1759 году сделал у водопада небольшой канал и установил водяное колесо, приводящее в действие лесопилку. В начале 19 века возникла идея прорыть довольно большой по тем временам деривационный канал шириной 11 метров и глубиной 2,4 метра, для того чтобы привести в действие мощные водяные колеса (о производстве электроэнергии тогда никто и не думал). Канал начали строить в 1860 году, а запустить в работу водяные колёса удалось в 1875 году, к этому моменту, успело обанкротится несколько занимавшихся проектом кампаний. Рисунок №2 - Гидроэнергетическая установка Schoellkopf в 1880 году В 1877 году канал и само предприятие приобрел Jacob Schoellkopf, успешный бизнесмен, которому удалось найти новых клиентов для гидравлической установки в лице нескольких заводов. Более того, в 1882 году он приспособил к одному из водяных колёс электрогенератор, питавший 16 осветительных ламп. Это была одна из первых (если не вообще первая) гидроэлектростанция в мире, она проработала до 1904 года. В 1895 году Schoellkopf построил вторую гидроэлектростанцию (№2) вблизи первой, в 1904 году стала работать третья станция из двух очередей (№3А и 3В). В 1921 году было начато и в 1925 году закончено строительство еще одной ГЭС того же комплекса – №3С. В итоге, к 1925 году электростанции Schoellkopf на Ниагарском водопаде насчитывали 19 гидроагрегатов общей мощностью 335 МВт. Рисунок №3 - ГЭС Schoellkopf после ввода всех очередей Увы, судьба старейших ГЭС США оказалась печальной. 7 июня 1956 года мощным оползнем, причиной которого, судя по всему, стали утечки воды из напорных водоводов ГЭС, большая часть станции (очереди №2, 3В и 3С) была разрушена. Погиб один из работавших на станции сотрудников, его тело было унесено в реку и обнаружено лишь спустя два месяца. ГЭС, разрушенная оползнем. Поступление воды по каналу еще не перекрыто. Рисунок №4 - ГЭС, разрушенная оползнем. Поступление воды по каналу еще не перекрыто. Рисунок №5 - Вид на разрушенную ГЭС после перекрытия воды На подводящем канале отсутствовали затворы, вследствие чего окончательно перекрыть его с помощью специальной дамбы и остановить затопление остатков станции удалось лишь через две недели. Кстати, осушенным каналом очень заинтересовалась полиция, нашедшая на его дне массу интересного, в частности 6 пистолетов и револьверов – местные банды долгое время использовали канал как место избавления от улик. Станция была признана не подлежащей восстановлению и демонтирована, канал засыпан. В 1892 году у Ниагарского водопада была построена (а в 1904 году – расширена установкой дополнительных трех турбин) еще одна небольшая гидроэлектростанция, предназначенная для энергоснабжения железной дороги. В 1932 году она была закрыта. Первые электростанции на Ниагарском водопаде были очень маломощны и имели исключительно местное значение. Первой понастоящему промышленной гидроэлектростанцией на водопаде, да и вообще в мире, стало другое сооружение. В 1886 году инженер Томас Эвершед предложил построить на Ниагарском водопаде мощнейшую по тем временам ГЭС. В отличие от конструкции Schoellkopf, Эвершед предложил использовать для подвода воды не канал, а тоннель. Однако, Эвершед не смог привлечь финансирование под свой проект, кроме того, не были решены технические вопросы производства и передачи столь значительного количества электроэнергии. В то же время, проектом заинтересовались крупные финансовые воротили тех лет, такие как Джон Морган и Уильям Вандербильт. Была основана Энергетическая кампания Ниагарского водопада, председателем которой стал нью-йоркский финансист Эдвард Адамс. Проект электростанции был по тем временам чрезвычайно амбициозен и представлял собой крупный прорыв в науке и технике. В частности, необходимо было решить принципиальную задачу передачи тока на значительные расстояния. В то время, использовался преимущественно постоянный ток невысокого напряжения, удобный для потребителя, но не позволявший дальние передачи электроэнергии. Появившийся несколько позднее переменный ток первоначально не получил столь же большого распространения, не в последнюю очередь благодаря усилиям апологета постоянного тока Томаса Эдисона. Рисунок №6 - ГЭС Адамса №1 (вытянутое здание слева от канала) и №2 (справа от канала) Возникшая ситуация получила название “война токов”. Электростанция на Ниагарском водопаде стала переломной точкой в этой войне – в 1893 году для выдачи мощности ГЭС было решено использовать переменный ток. После этого, постоянный ток в бытовых электросетях стал стремительно сдавать свои позиции, хотя небольшие разрозненные потребители постоянного тока оставались в США вплоть до начала 21 века. Лишь в ноябре 2007 года, с исчезновением последнего потребителя постоянного тока главный инженер компании «Консолидейтед Эдисон», перерезал символический кабель. Длившаяся более 100 лет “война токов” была завершена. Строительство ГЭС началось в 1892 году. Основной сложностью стало строительство тоннеля длиной 2042 метра подковообразного сечения (6х5 метров), с обделкой из кирпича и дерева. Строительство тоннеля стоило жизни 28 рабочим, погибшим от различных несчастных случаев. Интересно, что сама ГЭС размещалась выше водопада, а тоннель был не подводящим, а отводящим. Рисунок №7 - Машинный зал ГЭС Адамса Вообще конструкция ГЭС была по современным понятиям довольно странной – турбины были расположены на дне глубокой шахты, а генераторы – в здании наверху, и все это соединялось длиннющими валами. Сейчас бы весь машинный зал не колеблясь загнали бы под землю, но тогда большие подземные сооружения строить опасались. В здании ГЭС были установлены гидроагрегаты общей мощностью 37 МВт. Рисунок №8 - Схема ГЭС Адамса Гидроэлектростанция Ниагарского водопада №1 была открыта 25 августа 1895 года. Эту дату можно считать днем рождения не только гидроэнергетики, но и вообще электроэнергетики как таковой – впервые была построена мощная промышленная электростанция и питаемые ей сети переменного тока, то есть фактически – первая энергосистема современного типа. Рисунок №9 - Спиральная камера Рисунок №10 - Турбина ГЭС Адамса С 1901 по 1903 год рядом с первой была построена ГЭС №2 того же типа. В 1927 году электростанциям было присвоено имя Эдварда Адамса. Электростанции Адамса просуществовали до 1961 года, после чего были закрыты как устаревшие и изношенные. Исторические здания первых промышленных ГЭС американцы снесли, о чем сейчас очень жалеют. От родоначальников современной энергетики осталось лишь здание трансформаторной подстанции, объявленное в 1983 году памятником истории национального значения, да тоннель, выход из которого можно и сейчас увидеть между мостом Радуги и смотровой площадкой водопада на американской стороне. 2. Гидроэлектростанции Ниагарского водопада. Начало XX века Гидроэнергетическое освоение канадской части водопада несколько задержалось в связи с тем, что в 1885 году на правительственном уровне было решено весь канадский берег отдать под парковые насаждения. Однако, создание и содержание этих парков оказалось довольно затратным, и возникла идея покрыть часть затрат за счет строительства ГЭС. За дело с энтузиазмом взялись сразу три частных компании. В 1892 году начала свою деятельность Ниагарская энергетическая компания. Ее инвесторами были известные американские финансовые магнаты – Ротшильд, Морган, Джон Астор IV. Руководил компанией Уильям Рэнкайн (William Birch Rankine), именем которого и была названа построенная гидроэлектростанция, давшая ток 1 января 1905 года. Инженеры довольно смело разместили ГЭС фактически прямо в водопаде – от ее водозаборных сооружений до обрыва менее 300 метров. Рисунок №11 - Размещение ГЭС Рэнкайна Конструктивно ГЭС Рэнкайна напоминает ГЭС Адамса – те же вертикальные шахты с турбинами снизу и длиннющими валами, соединяющими турбины с генераторами сверху. Рисунок №12 - Машинный зал ГЭС Рэнкайна И тот же отводящий безнапорный тоннель, выходящий сразу под водопадом. Рисунок №13 - Фото тоннеля снаружи Полностью строительство ГЭС Рэнкайна было завершено в 1927 году, когда станция достигла мощности 75 МВт (11 гидроагрегатов). Рисунок №14 - Рабочее колесо турбины ГЭС Рэнкайн ГЭС Рэйнкайн успешно работала до 2001 года без каких-либо значительных модернизаций. Некоторое время станция находилась в резерве, и окончательно была закрыта в 2009 году. В настоящее время передана Ниагарской комиссии парков, рассматривается вариант превращения ее в музей. Другую ГЭС на канадской стороне строила Энергетическая компания Онтарио, и открылась она также в 1905 году. Конструктивно эта ГЭС построена иначе – здание электростанции размещено не выше, а ниже водопада, соответственно деривация не отводящая, а подводящая, с уравнительными резервуарами. Соответственно, тоннель напорный, поэтому круглого сечения. Гидроагрегаты в здании ГЭС также иной конструкции – не вертикальные, а горизонтальные. Рисунок №15 - Гидроагрегаты Мощность ГЭС – 132,5 МВт (15 гидроагрегатов). Станция успешно работала многие годы, хотя и не без приключений – в 1909 и 1938 годах здание ГЭС затапливалось вследствие экстремального повышения воды в нижнем бьефе из-за ледяных заторов. Рисунок №16 - Последствия затопления станции В 1999 году сильно устаревшая станция была закрыта – расходуемая ей вода могла быть более эффективно использована на более новых станциях, к тому же участок, занимаемый распределительным устройством ГЭС, понадобился для строительства нового казино. Тем не менее, здание ГЭС и большинство ее сооружений не демонтированы. Третьей построенной в это же время ГЭС стала гидроэлектростанция Энергетической компании Торонто, открытая в 1906 году. Размещена эта станция чуть выше ГЭС Рэнкайна и конструктивно весьма с ней схожа. Рисунок №17 - Место расположения ГЭС Рисунок №18 - Чертеж ГЭС Интересная особенность ГЭС – наличие двух отводящих тоннелей, которые затем сливаются в один, диаметром 10 метров (крупнейший в свое время в мире). Рисунок №19 - Участок соединения тоннелей Рисунок №20 - Машинный зал ГЭС имела мощность 98 МВт (11 гидроагрегатов) и работала до 1973 года, когда была закрыта как устаревшая (помимо всего прочего, производимая ей электроэнергия частотой 25 Гц стала не особо нужна – к этому времени североамериканским стандартом стали 60 Гц). С 1983 года ГЭС имеет статус исторической достопримечательности Канады, в 2007 году передана в ведение Ниагарской комиссии парков. 3. Гидроэлектростанции Ниагарского водопада. Современность Как говорилось выше, 7 июня 1956 года старейшая и крупнейшая на тот момент на американском берегу ГЭС Schoellkopf была разрушена мощным оползнем. Реакция на это событие была поистине молниеносной – в крайне сжатые сроки было принято решение о строительстве новой, более мощной гидроэлектростанции. Строительство началось уже 17 марта 1957 года, еще до официального утверждения проекта Конгрессом США, состоявшегося в августе того же года. Строительство велось по инициативе и под руководством Энергетического управления штата Нью-Йорк, которым в те годы руководил Robert Moses, его имя и было впоследствии присвоено новой ГЭС. Рисунок №21 - ГЭС Robert Moses – крупнейшая гидроэлектростанция на Ниагарском водопаде Новая гидроэлектростанция весьма сильно отличается от того, что строилось на Ниагарском водопаде ранее. Во-первых, это целый гидроэнергетический комплекс, включающий помимо ГЭС Robert Moses гидроаккумулирующую электростанцию (ГАЭС) Lewiston. Во-вторых, сама ГЭС расположена на 7 с лишним километров ниже водопада, что позволило использовать падение не только водопада, но и порожистого участка реки за ним, и соответственно увеличить напор на турбинах. Рисунок №22 - Сооружения ГЭС Robert Moses и ГАЭС Lewiston Головным сооружением комплекса является водоприемник, расположенный на Ниагаре выше водозабора старой ГЭС Адамса и примерно в 4 километрах выше водопада. Из него вода попадает в два безнапорных тоннеля, сечением 14х20 метров и длиной около 7 километров каждый. Для сравнения, тоннели берегового водосброса Саяно-Шушенской ГЭС имеют сечение 10х12 метров и длину 1,13 километров каждый. Тоннели проходят прямо под городом Ниагара-Фолс и заканчиваются выходными порталами, из которых вода попадает в специальный водоем, имеющий двоякую функцию: с одной стороны, он служит напорным бассейном ГЭС Robert Moses, с другой стороны – нижним бассейном ГАЭС Lewiston. В здании ГЭС Robert Moses установлено 13 гидроагрегатов общей мощностью 2525 МВт (первоначально мощность составляла 2400 МВт, но в 2006 году, после замены гидроагрегатов, мощность станции увеличилась), вода к которым поступает к водоводам диаметром 8 м каждый. ГАЭС Lewiston имеет мощность 300 МВт, в ее здании установлено 12 обратимых гидроагрегатов. Верхний бассейн площадью 7,7 км2 создан искусственно, кстати для его создания пришлось изъять земли у индейской резервации (за плату, конечно). Индейцы были против, дело дошло до Верховного суда США и завершилось в пользу энергетиков. Режим работы у ГАЭС довольно интересный – ночью, когда энергопотребление минимально, а водозабор из реки как раз максимален, электроэнергия вырабатываемая ГЭС Robert Moses идет на закачку воды в верхний бассейн ГАЭС. Ну а в пиковое время вода сбрасывается вниз, последовательно работая на турбинах ГАЭС и ГЭС. Рисунок №23 - ГЭС и ГАЭС (на заднем плане) с высоты птичьего полета Весь этот огромный гидроэнергетический комплекс, на момент сооружения крупнейший по мощности в западном мире, был спроектирован и построен за 4 года – 28 января 1961 года состоялась официальная церемония открытия ГЭС Robert Moses. После открытия этой ГЭС, старейшая ГЭС Адамса была закрыта – работа этой устаревшей и неэффективно использующей воду станции стала бессмысленной. В 1917 году началось строительство новой гидроэлектростанции на канадской стороне Ниагары. В отличие от ранее построенных станций, принадлежащих частным инвесторам, эта ГЭС строилась государственной Гидроэнергетической комиссией Онтарио, возглавляемой Сэром Адамом Беком (Sir Adam Beck). Кстати, постепенно эта госструктура скупила все частные ГЭС на канадской стороне Ниагарского водопада и ныне называется Ontario Power Generation. Рисунок №24 - ГЭС Sir Adam Beck 1 в разрезе Новая ГЭС, первоначально имевшая название Chippawa-Queenston, расположена напротив американской ГЭС Robert Moses. Для подвода к ней воды пришлось вырыть 20-километровый деривационный канал, причем первые 6 км канала представляют собой реконструированное русло реки Уэлленда, которую на этом участке заставили течь вспять – вместо того, чтобы впадать в Ниагару, она теперь забирает из нее воду. Рисунок №25 - Профиль канала на разных участках Гидроагрегаты ГЭС вводились в эксплуатацию с 1922 по 1930 год, всего установлено 10 гидроагрегатов общей мощностью 498 МВт. В 1950 году ГЭС было присвоено имя Адама Бека и в настоящее время она известна как ГЭС Sir Adam Beck 1. Рисунок №26 - Машинный зал ГЭС Sir Adam Beck 1 В 1950-1954 годах была введена в строй вторая очередь гидроэнергетического комплекса Sir Adam Beck. Конструктивно, она очень схожа с ГЭС Robert Moses – точно также в составе комплекса имеется ГАЭС с искусственным верхним бассейном, выполняющая те же функции, вода из Ниагары забирается в два тоннеля (диаметр 14 м, длина 9 км), напорный бассейн одновременно служит нижним бьефом ГАЭС. Правда, канадские ГЭС и ГАЭС несколько меньше американских: ГЭС Sir Adam Beck 2 имеет мощность 1499 МВт (16 гидроагрегатов), а ГАЭС – 174 МВт (6 обратимых гидроагрегатов). Рисунок №27 - ГЭС Sir Adam Beck 1 и 2 Рисунок №28 - Комплекс ГЭС и ГАЭС Sir Adam Beck Распределение воды между ГЭС регулируется специальным соглашением. Согласно его последней редакции, с апреля по октябрь ГЭС отбирают в дневное время половину воды Ниагары, оставшаяся вода проходит через водопад, обеспечивая его туристическую привлекательность. В ночное время, а также зимой, когда туристов немного, на турбины ГЭС подается ¾ стока реки. Кстати, уменьшение стока через водопад благоприятно сказывается на его состоянии, существенно снижая интенсивность размыва горных пород. Для распределения воды между ГЭС было построено специальное регулирующее сооружение – низкая плотина, так называемая International Control Dam, частично перекрывающая реку с канадского берега Рисунок №29 - Водозаборные сооружения ГЭС Sir Adam Beck с канадской стороны. В настоящее время, канадские ГЭС используют около 80% выделенной им квоты речного стока, что лимитируется пропускной способностью канала и тоннелей. В 2005 году началось строительство третьего тоннеля, длиной 10,2 километров и диаметром 14,4 метров, который позволит увеличить выработку электроэнергии на ГЭС Sir Adam Beck на 1,6 млрд. кВт.ч. в год. 13 мая 2011 года проходка тоннеля была завершена. Более ста лет на Ниагарском водопаде строятся гидроэлектростанции. Начав со смешных по современным меркам установок, гидроэнергетика развилась до гигантских электростанций общей мощностью более 5000 МВт, вода к которым подается по пяти тоннелям и одному каналу. В настоящее время ГЭС на Ниагарском водопаде производят 25% электроэнергии, потребляемой в штате Нью-Йорк и провинции Онтарио – и это чистая энергия. Заключение В данном докладе были рассмотрены основные водопадные электростанции и истории их создания. Несомненными достоинствами альтернативной гидроэнергетики служат: 1. Вода может накапливаться над плотиной и выпускаться в соответствии с пиками спроса. Поэтому, в отличие от других типов электростанций, гидроэлектростанции могут быстро увеличиваться до полной мощности; 2. Электричество может генерироваться постоянно, потому что нет внешних сил, в отличие от других видов альтернативной энергии, которые влияют на доступность воды; 3. Гидроэлектроэнергия не производит никаких отходов или загрязнений, поскольку нет никакой химической реакции на производство энергии; 4. Вода, используемая для гидроэнергетики, может быть повторно использована. Список литературы 1. Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. «Нетрадиционные возобновляемые источники энергии»: ИП РадиоСофт, 2008, -338 с.: ил.; 2. Магомедов А.И. «Нетрадиционные возобновляемые источники энергии»: Издательско-полиграфическое объединение "Юпитер", 1996. - 245 с.; 3. Ляшков В.И., Кузьмин С.Н. «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»: Учебное пособие - Тамбов: Издательство Тамб. гос. техн. ун-та, 2003, -96 с.: ил., 4. http://eomhse.narod.ru/water.htm Раздел «Альтернативная гидроэнергетика»; 5. http://altpow.ru/site/16 Раздел «Альтернативная гидроэнергетика»; 6. https://rushydro.livejournal.com; 7. https://my.nflibrary.ca
