Як працює потужна гідроелектростанція
На Русі водяні силові установки будувалися на річках з давніх-давен. З давніх літописів, що збереглися, відомо, що українські люди вже в XIII ст. майстерно споруджували вододіючі установки для обертання жорнів млинів.
У XIV-XV ст. водяні млини були вже поширені. Про них згадується у рукописних документах того часу. Ще ширше стали використовувати природну енергію річок у XVI та XVII ст. Під Москвою на р. Неглинною в 1519 р. працювали вже три водяні млини і один товк, що очищав зерно в ступах. Але всі ці установки з водяними колесами мали невелику потужність.
У 1524 р., як каже Псковська літопис, новгородці під керівництвом «якогось хитруна» майстра Нережі Псковитина зухвало створили греблю і потужну гідросилову установку на повноводному і глибокому Волхові. Ця гідроустановка, побудована вперше у світі на великій річці, якийсь час успішно працювала.
Річки за своєю природою дуже різноманітні. Наприклад, бурхливий, що гримить Терек бере початок у підхмарних льодовиках Казбеку. Він зовсім не схожий на широку Волгу, що плавно, неквапливо несе свої води в невисоких берегах.
Зрозуміло, що отримувати енергію від гірського Терека та від рівнинної Волги треба не однаковим способом. Гідростанції на цих двох річках повинні бути абсолютно різними за пристроєм. Так, на стрімких гірських потоках, що круто падають, відводять воду дериваційним каналом (див. ст. «Підкорення води»). Від кінця каналу вниз схилом прокладені труби. По них вода під натиском тече до будівлі електростанції. Воно стоїть у глибині долини на березі річки. Якщо скелі на схилах ущелини круті та недоступні, воду відводять підземним дериваційним тунелем. На повноводних річках, що спокійно протікають по пологих рівнинах, натиск створюютьгреблею. Гідроелектричні установки такого типу на гірських річках називають дериваційними, а звичайні на рівнинних річках — гребельними.
Як же влаштована потужна греблі гідроелектрична станція, схожа, наприклад, на найбільшу Волзьку гідростанцію?
Основні споруди гідроелектростанції на рівнинній річці - гребля та будівля ГЕС. Рівень води перед греблею вищий, ніж униз за течією річки. Цю різницю у висотах рівнів називають натиском гідростанції. Вода, що безперервно переливається з більш високого рівня на низький, може виконувати велику корисну роботу.
Перед греблею гідростанції зазвичай утворюється водосховище. Весною воно поповнюється талими водами і зберігає їх до настання зими. А взимку або в літню посуху водосховище день у день додає воду до мізерного в ці пори року природного стоку річки. Так підтримується потужність електростанції, яка весь рік має бути досить рівномірною.
До складу гідроустановки 4 на рівнинній річці зазвичай входять бетонна та земляна греблі. Бетонна гребля необхідна для скидання через неї зайвих весняних паводкових вод. Решту греблі зазвичай будують із землі та піску.
У будівлі гідростанції розміщується основне машинне обладнання - турбіни та генератори, що виробляють електричну енергію. Водяну турбіну та з'єднаний з нею електричний генератор називають машинним агрегатом гідроелектричної станції.
Водяна турбіна або гідротурбіна — головний двигун гідростанції. На гідростанціях з низьким напором води, не вище 50-70 м, застосовують поворотнолопатеві гідротурбіни. Їхнє колесо на вигляд нагадує пароплавний гребний гвинт. Такі турбіни вигідніші за інші тому, що вони швидкохідніші. А це зменшує вагу та вартість і самої водяноїтурбіни, і електричного генератора, що нею обертається (докладніше див. ст. «Генератори енергії і двигуни»). Перед підведенням води до турбіни влаштовані часті металеві грати. Вона затримує гілки дерев, шматки торфу, тріски та інші предмети, що потрапили до річки. Далі вода надходить у трубу, яка має спіральну форму і схожа на раковину величезного равлика. У центрі її обертається колесо турбіни. Ця труба називається спіральною камерою та служить для підведення води безпосередньо до турбіни.
Перша частина поворотно-лопатевої турбіни (вважаючи шляхом руху потоку води) — це напрямний апарат. Він являє собою лопатки, що повертаються навколо своїх осей і легко обтічні водою. Розташовуються вони по колу із зовнішнього боку турбіни. Повертаючи лопатки направляючого апарату, можна зменшити або збільшити впуск води в турбіну, змінити її потужність. Так підтримується постійне число оборотів турбіни при її навантаженні.
З направляючого апарату вода надходить робоче колесо. Воно, власне, і використовує енергію водяного потоку. Робоче колесо складається з насадженої на вал втулки, до якої прикріплено плавно вигнуті металеві лопаті. Вони можуть повертатись навколо своїх осей у повній згоді зі змінами положення лопаток направляючого апарату. У турбін такої конструкції буває від 4 до 8 лопатей залежно від висоти тиску води, при якому вони працюють. Діаметр робочого колеса гідротурбіни залежить від її потужності та напору води і може досягати 9 ж і більше.
З робочого колеса вода йде у всмоктувальну трубу. Це третя частина гідроустановки. Через неї відпрацьована вода з турбіни виходить у річку нижче греблі. Всмоктувальна труба створює під робочим колесом знижений тиск води, що значнозбільшує потужність турбіни. З такою трубою турбіну можна поміщати вище за нижній рівень води.
Гідротурбіну перетворює на корисну роботу більшу частину — близько 0,9 — усієї енергії водяного потоку. Тому прийнято говорити, що к. п. д. водяної турбіни дуже високий — приблизно 90%. Корисна віддача гідротурбіни з поворотними лопатями робочого колеса велика не тільки при повному, але і при її частковому навантаженні.
Гідротурбіни обладнані автоматичними регуляторами. Вони працюють за допомогою рідкої мінеральної олії, що знаходиться під великим тиском. Регулятор сам, без участі людини, відкриває та закриває напрямний апарат, а також повертає лопаті робочого колеса, тобто збільшує або зменшує потужність турбіни.
Турбіна електростанції обертає електричну машину — гідрогенератор. Електричний генератор, що обертається водяною турбіною, пристроєм і великим розмірам значно відрізняється від генераторів, що встановлюються на парових електростанціях. Вал його зазвичай розташовується вертикально. Одна з частин гідрогенератора – нерухома станина – статор. Це порожнистий усередині циліндр, виготовлений із спресованих пачок тонких сталевих листів. З внутрішньої сторони статора в спеціальних канавках, або пазах, укріплена електрична обмотка з добре ізольованих мідних провідників.
Усередині статора обертається насаджений на вал барабан – ротор. На ньому укріплені полюси сильних електромагнітів. Ви знаєте, що якщо обмотати залізний стрижень ізольованим дротом і пропустити через нього постійний електричний струм, то стрижень стає електромагнітом. Так намагнічуються полюси ротора.
Від валу гідрогенератора наводиться рух невеликий допоміжний генератор - збудник. Він виробляє постійнийелектричний струм для збудження магнетизму у полюсах ротора. Полюси електромагніту швидко рухаються біля витків статора обмотки. У обмотці виникає змінний електричний струм. При проходженні через обмотки електричного струму виділяється тепло і вони нагріваються. Тому через генератор безперервно пропускають повітря, що охолоджує його.
Роботою агрегатів гідроелектричної установки керують із спеціального пульта управління. На щитах - панелях пульта встановлені апарати керування та численні прилади. Вони вимірюють силу електричного струму, його напругу та інші важливі величини. На пульті, як у дзеркалі, відбивається все життя гідроелектричної станції. Звідси ведеться нагляд за всіма її машинами та апаратами, а також керування ними. Пульт управління - це як би мозок гідростанції, центр її «нервової системи», що отримує сигнали і посилає точні накази всім агрегатам.
Гідроелектричні установки дедалі ширше автоматизуються. Деякі станції працюють без людей, зачинених на замок дверях машинного залу.
Напруга електричного струму, виробленого гідрогенератором, порівняно з напругою лінії електропередачі, низька - від 6 до 16 тис. в. Передавати струм із такою напругою на далекі відстані не можна. Для цього потрібно підвищити напругу, наприклад, до 200 тис. в, а за особливо далеких відстаней електропередачі — до 500 і навіть до 800 тис. в. Напруга струму підвищують за допомогою трансформатора.
Зазвичай його розміщують на відкритому майданчику неподалік генератора. У трансформаторі всі частини є нерухомими. Він складається з важкого сердечника, виготовленого із щільно спресованих та міцно скріплених болтами тонких сталевих листів. На осерді — дві обмотки з мідних провідників, покритих ізоляцією. Через одну обмотку, зневеликим числом витків товстих проводів, проходить змінний струм генераторної, низької напруги, що виробляється генератором. Під дією цього струму залізний сердечник намагнічується і збуджує у другій обмотці, з великою кількістю витків тонкого дроту, змінний електричний струм високої напруги.
Величина отриманої високої напруги в стільки разів більше первинного, низького, скільки кількість витків тонкої обмотки більше числа витків обмотки більш товстої.
Щоб струм високої напруги в другій обмотці не міг пробити її ізоляцію і не створив би цим короткого замикання (а також для хорошого охолодження), весь сердечник трансформатора разом з обмотками поміщається в залізний бак. Бак наповнений рідкою мінеральною олією, яка не проводить електричного струму. Кінці обмоток випущені нз бака назовні через порцелянові втулки. Часто трансформатори роблять трифазними: у них три первинні та три вторинні обмотки. Три кінці від тонкої обмотки з великою кількістю витків приєднані до трьох проводів електричної лінії, що веде до споживачів у віддалені райони.
На місцях споживання електроенергії змінний струм високої напруги необхідно знову перетворити на струм низької напруги, яким живляться освітлювальні електричні лампи, електродвигуни тощо. Це зворотне перетворення електричної енергії так само виконують трансформатори. Пристрій їх подібно до описаного вище.
Ці трансформатори називаються принизливими.
Таким способом дешева енергія Волзької гідростанції передається до Москви на дуже велику відстань — 900 км при напрузі 400 тис. в.
Атомна електростанція
Вже давно вчені вказували, що у глибині атомів — найдрібніших частинок речовини — приховані воістину казкові запасиенергії, яку можна звільнити. Але людство отримало крихітну частину цих запасів зовсім недавно — наприкінці 30-х років нашого сторіччя. Виявилося, що ядра найважчих елементів (за періодичною таблицею елементів Менделєєва) - урану і торію - під впливом нейтронів діляться. Розлітаючись із величезною швидкістю, ці частинки (уламки розподілу) можуть передати речовині, в якій вони рухаються, частину своєї енергії. Крім того, при розподілі з'являються нові нейтрони. Вони, у свою чергу, викликають розпад ядер інших атомів. Таким чином, може виникнути ланцюгова реакція, в якій кількість поділів зростатиме, подібно до снігової лавини.
На цій основі і було сконструйовано атомну (правильніше було б говорити «ядерну») бомбу. У ній внутрішньоядерна енергія звільняється миттєво — із страшним вибухом. Але одночасно з'ясувалося, що можна побудувати установки, в яких ядерна енергія виділятиметься повільно. Число поділів ядер і енергія, що звільняється при цьому, регулюються і тому суворо постійні. Називаються такі пристрої атомними котлами, або ядерними реакторами, а ланцюгові ядерні реакції, що протікають в них, — керованими.
Поки що ці пристрої мають невеликий к.п.д. Але в порівнянні зі звичайними енергетичними установками, що використовують нафту, вугілля та інші види палива, вони мають багато серйозних переваг. Так, якщо звичайні установки спалюють сотні тонн пального, то атомні реактори такої ж потужності витрачають лише кілька грамів. Адже тільки розвідані запаси урану та торію в 20 разів перевершують за кількістю прихованої в них енергії всі відомі світові запаси вугілля та нафти. Але уран поки що дорогий, переробка його складна.