Гидроэнергетический потенциал малых рек

При изучении гидроэнергетики рек выделяют следующие категории энергопотенциала:

валовой теоретический гидроэнергетический потенциал, или потенциальные гидроэнергетические ресурсы;

технический гидроэнергетический потенциал, или технически возможные к использованию гидроэнергетические ресурсы, - это та часть валового теоретического гидроэнергетического потенциала речного стока, которая технически может быть использована или уже используется;

экономический гидроэнергетический потенциал - часть технического гидроэнергетического потенциала, использование которого является экономически эффективным.

Для определения количества водной энергии реки используется метод «линейного учета». При применении этого метода каждую реку делят на ряд участков без притоков. Границы расчетных участков устанавливаются в точках перелома продольного профиля реки или в местах резкого нарастания приточности реки, т.е. у устья притока.

Численное значение работы, совершаемой потоком на каждом участке, можно определить следующим образом.

Пусть имеется некоторый участок реки АВ длиной L (рис.4.1) с постоянными уклоном sin , площадью поперечного сечения w и средней скоростью v. За некоторый промежуток времени t объем воды на участке переместится в направлении движения на расстояние L = vt, а точка приложения силы тяжести этого объема F = mg =vLrg сместится в вертикальном направлении на высоту

Lsina=vsinat.

Рис.4.1. К расчету мощности водного потока на участке реки

Работа, совершаемая силой тяжести на участке L за время t определяется по выражению

,

(4.10)

мощность

.

(4.11)

В выражении (4.11) произведение wv=Q и является средним расходом воды в реке на участке АВ, а произведение Lsina=H - падением реки на этом же участке. Принимая r=1000кг/м³, g=9.81м/с² и выражая Q в м³/с, Н - в метрах, получаем мощность P в кВт:

Средний расход воды в реке на рассматриваемом участке находится как средний из расхода в начальном и конечном створах участка.

Если имеются продольный профиль всей реки и данные по ее стоку, то потенциальную мощность от истока до устья (расчетного створа) можно определить по формуле

,

(4.13)

где Q_i - средний многолетний расход воды на отдельных участках (норма стока), м³/с; Н_i - падение реки на участке; n - число участков.

Потенциальные запасы гидроэнергетических ресурсов реки в кВт·ч определяют, исходя из 8760 часов использования потенциальной мощности, по формуле

.

(4.14)

Для сравнения по мощности бассейнов рек различных физико-географических зон рассчитывается удельная насыщенность гидроэнергоресурсами, т.е. удельная мощность (кВт/км²) или удельная энергия (кВт·ч/км²) на единицу площади водосбора.

Изложенная методика расчета гидроэнергоресурсов применима для рек, имеющих достаточно длинный ряд гидрометрических наблюдений. Такие ряды, как правило, имеют крупные и средние реки, а у малых рек наблюдения обычно эпизодические и нерепрезентативны. Поэтому для малых рек норму стока в расчетном створе определяют по картам изолиний годового модуля стока.

Обычно, гидроэнергетические ресурсы распределены по территории весьма неравномерно вследствие разнообразия природных условий в пределах региона.

Технический потенциал является величиной переменной, растущей по мере развития технических возможностей использования гидроэнергоресурсов. Однако в гидроэнергетике существенные изменения способов производства электроэнергии на ГЭС наблюдаются крайне редко, поэтому оценки технического потенциала достаточно устойчивы во времени.

Размер технического потенциала зависит от величин потерь, часть которых неизбежна и более или менее постоянна, другая (основная) часть зависит от гидрологических, топографических и других природных условий, которые формируют сток. Эта часть потерь непостоянна, и её величина может колебаться в широких пределах.

Пределы колебаний размеров постоянных потерь невелики, и средняя их величина может отражать порядок величин, присущий всем гидроэлектростанциям. Величина их складывается из потерь напора в подводящих каналах, в напорных трубопроводах и т.п. (2…10%); из потерь стока через направляющие аппараты, затворы водоподпорных сооружений (1%); из механических потерь при превращении гидравлической энергии в электрическую (11…13%). Поэтому верхний предел использования валового гидроэнергетического потенциала не может превышать 86%.

Потери, зависящие от природных условий, свои на каждой реке. Они складываются из потерь стока и падения реки из-за неполного использования верховых и низовых участков рек, потерь на фильтрацию и испарение и т.п. В работе под руководством А.Н.Вознесен-ского выделены группы рек, имеющие различный процент использования валового потенциала. Анализ проводился по изученным рекам и существующим проектам. Исследования показали, что этот процент зависит не только от крупности реки, но и от полноты использования длины реки, её водности, естественной зарегулированности (С_V), внутригодовой неравномерности, рельефа долины, наличия крупных потребителей воды (орошение) и др.

Все реки разделены на четыре группы. Первые две группы рек - это крупные реки с потенциальной энергией выше 1000 млн кВт·ч. Для нас представляет интерес третья и четвертая группы.

Третья группа - это средние водотоки с потенциальной энергией от 15 до 1000 млн кВт·ч, используемой на 40…50%.

Четвертая группа - малые водотоки с потенциальной энергией менее 15 млн кВт·ч. Вследствие незначительной величины стока большая часть рек группы либо перемерзает в зимний период, либо пересыхает летом. Энергетическое использование малых рек возможно не круглый год. Энергия этих рек используется на 15…20%.

Установить общий экономический потенциал гидроэнергетики малых рек весьма сложно, поскольку нет единой методики поиска экономичных технических решений по малым ГЭС. Все существующие методики оценок опираются на уже проработанные проекты малых ГЭС.