Энергия воды

Людям повезло, что на нашей планете находятся достаточно большие залежи полезных ископаемых, способных стать источниками энергии. Но запасы эти не безграничны и постепенно истощаются. Очевидно, что когда-то месторождения природного газа, угля и нефти могут иссякнуть.

Поэтому к самым значительным изобретениям в области энергетики относятся те, которые связаны с открытием новых источников энергии, позволяющих экономить запасы природного сырья. За это их и называют альтернативными источниками энергии. В наши дни такими источниками могут послужить как известные ранее — энергия солнца, текущей воды, ветра, приливов и отливов, подземного тепла (геотермальная энергия), так и открытые сравнительно недавно — энергия плазмы, химических процессов, атома.

Использование энергии движущейся воды — древнейшее открытие

Трудно точно сказать, когда люди научились использовать энергию движущейся воды. Считается, что более 2 тыс. лет вода была фактически единственным источником постоянной энергии вплоть до изобретения в XII в. ветряных мельниц. Еще в древние времена человек заметил, что если до половины погрузить в реку колесо с лопастями, то оно начнет вращаться. Тем самым энергия текущей воды даже в примитивной гидроустановке (от греч. «hydor» — «вода») превращалась в механическую энергию. Так, например, существует исторический документ, который утверждает, что на реке Сене (Франция) в 1682 г. была возведена крупнейшая по тем временам гидроустановка. Она состояла из 13 колес диаметром по 8 м и обеспечивала работу более 200 насосов, которые приводили в действие фонтаны в дворцовых парках.

Как работает водяная мельница

Несмотря на то, что эффективность древних гидроустановок была низкой, она все равно была несопоставимо большей по сравнению с тем, на что были способны люди или животные. Кроме того, эта энергия являлась бесплатной и была подарена самой природой.

Одним из самых древних примеров использования человеком энергии воды является водяная мельница. Водяное колесо в ней насажено на вал жернова. Вода вращает колесо — вращается и жернов, мелет зерно.

По мере развития технологии область применения водяных колес расширилась: их стали использовать не только для помола зерна, но и для приведения в действие станков или насосов. До изобретения парового двигателя число гидроустановок неуклонно росло, но затем наступило затишье. Однако в начале XX в. начался период бурного строительства гидростанций, но уже для выработки с помощью движущейся воды электроэнергии.

Эволюция водяного колеса

Главной деталью древней гидроустановки являлось водяное колесо. Струя воды увлекала за собой лопасти колеса. Оно могло быть расположено как вертикально, так и горизонтально. Водяные колеса, вращающиеся только за счет силы, создаваемой потоком воды, получили название подливных.

В результате множества технических усовершенствований в Средние века появились более эффективные верхненаливные колеса, которые вращались за счет действия веса падающей на них воды. Диаметр таких колес мог достигать 10 м, но даже при этом КПД водяного двигателя оставался низким. Вращаясь со скоростью чуть более 10 об/мин, колеса использовали менее двух третей энергии воды, и их мощность редко превышала 10 кВт.

Струйные и радиальные турбины

В современных гидроустановках водяное колесо заменено более скоростной водяной турбиной. За почти двухсотлетнюю историю эксплуатации было изобретено множество подобных устройств, имевших различные конструкции и принципы действия. Наиболее эффективными оказались так называемые струйные и радиальные турбины. По принципу действия струйные турбины схожи с верхненаливными колесами — струя воды под сильным напором ударяла в лопасти турбины и заставляла ее вращаться.

Радиальные турбины чаще используются тогда, когда напор воды невелик, но есть возможность построить плотину и создать перепад по высоте в 10—15 м. В XX в. такие турбины получили широкое распространение в связи с развитием гидроэлектростанций.

Первую гидротурбину подобной конструкции, которая имеет практическое применение, создал французский инженер Бенуа Фурнейрон (1802—1867). В 1832 г. он получил патент на свое изобретение.

В турбине Фурнейрона вода подается в спиральный кожух, по форме напоминающий раковину улитки. Поток воды из кожуха поступает на вогнутые лопатки ротора, расположенного в центре «улитки», и вращает его. Ротором в такой конструкции является рабочее колесо, соединенное с валом турбины. Это колесо и является рабочим органом турбины, преобразующим энергию потока в механическую. Кстати, турбины Фурнейрона были установлены на первой в мире крупной гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде в Канаде.

Энергия приливов и отливов

Еще одним способом извлечения энергии из водных ресурсов планеты являются приливно-отливные станции. Оказалось, что вода морей и океанов, поднимающаяся более чем на десять метров во время приливов, несет с собой практически неограниченный запас энергии. Для ее использования в узких береговых проходах ставят преграду — плотину. Проникая через отверстия в такой плотине, вода вращает колеса или турбины, причем как во время прилива, так и во время отлива.

Существуют также такие гидростанции, на которых во время прилива вода перетекает в закрытый бассейн через шлюзы в дамбе или плотине. Затем шлюзы закрывают, уровень воды в море падает, а задержанная вода, вытекая из бассейна, вращает водяные колеса или гидротурбины.

Это интересно!

Энергию приливов впервые в заметных количествах стали использовать уже во второй половине XVI в. Так, например, жители Лондона (Англия) столкнувшись с перебоями водоснабжения, установили водяные колеса на реке Темзе. Вращаемые то в одну, то в другую сторону приливами, они заставляли работать насосы, закачивающие воду в трубы, по которым она текла в город.

Самая первая и крупнейшая приливно-отливная станция «Ля Ране» была построена в 1966 г. в устье реки Ране (Франция). Протяженность плотины станции составляет 800 м. Благодаря тому, что перепад высот прилива и отлива в этом месте составляет от 12 до 18 м, мощность «Ля Ране» доходит до 240 МВт.