Сьогодні у нас в головах зацементувався образ ГЕС, як велетенської греблі з велетенськими турбінами реактивного типу. Потік води неймовірного объему проходить через спіральні лопаті обертаючи їх і виробляючи енергію. Також ми уявляємо греблі ГЕС в певному сенсі регуляторами потоку річок, які не дають їм розливатись або пересихати в залежності від погоди. Тобто ніхто не витискає всі крихти потенціальної та кінетичної енергії з кожної краплі води й не ставить під загрозу цілі екосистеми і поселення. Хоча комуністів останнє не стосується.
Коли можна забирати все?
У випадках коли зведення греблі та діяльність ГЕС мінімально впливають на навколишнє середовище. Яскравим прикладом ефективності та екологічності є Швейцарська ГЕС Б’єдрон зведена в 1993 році і запущена в експлуатацію 1998 року. ККД цієї гідроелектростанції становить 92,37%, а її потужність сягає 1 269 МВт. Для порівняння Дніпрогес має потужність 1 569 МВт, а також велетенське водосховище. Звичайно до споруд ГЕС Б’єдрон також належить гребля довжиною 700 м. Але ключовою є різниця у висоті, адже висота швейцарської гребля складає 285 м. Гребля Дніпрогес – 60 м.
Подібна висота греблі призводить до того, що розрахований напір складає 1 883 м. Тобто щоб отримати подібний напір доведеться поставити водонапірну вежу на вершині говерли і пробурити у підніжжя шахту глибиною 500 м. А тиск при якому працюють турбіни складає 200,5 атмосфер. Швидкість з якою вода потрапляє в турбіну складає 192 м/с або 0,56 маха. На 150 км/год повільніше за боїнг. І при цьому всьому ГЕС витрачає за секунду всього 25 кубічних метрів води, що 200 разів менше ніж раніше згадана Дніпро ГЕС. І це ще при тому що Швейцарська ГЕС Б’єдрон всього на 20% менш потужна за дніпровську електростанцію.
Секрет ККД
На відміну від більшості низьконапірних гідроелектростанцій в найбільшій в Швейцарії ГЕС використовуються турбіни Пелтона. Це не дуже новий винахід. Вона була сконструйована Лестером Аланом Пелтоном ще в 1870 х, як більш ефективний варіант водяного колеса, що дозволяв витиснути з водяного потоку в замкнутому середовищі все. Тільки водяне колесо Пелтона може робити до 3000 обертів за хвилину що в 6 разів швидше за ротор гелікоптера.
Його принцип роботи полягає в тому, що з форсунок під високим тиском подається вода. Її струмінь вдаряє в лопаті у формі ложки. Подібна форма дозволяє максимально використати всю кінетичну енергію струменю води замість її розпорошування в сторони. Знизу кожна лопать має стік для води що вже передала кінетичну енергію. Таким чином турбіна Пелтона найкраще працює з малими об’ємами води під високим тиском, хоча її можливості включають роботу навіть з тиском в 15 м.
За свою 150 річну історію турбіна Пелтона отримала відносно невеликі зміни. Наприклад матеріал лопаток змінився на карбід вольфраму через те, що сталеві детали при такому високому тиску швидко зношувались. Потім їх почали заміняти на композитні або пластикові з меншим ресурсом роботи, але також набагато меншою вартістю. Ключовою зміною стало збільшення кількості форсунок для подачі води. При наявності лише однієї форсунки вода може подаватися нерівномірно, що призводить до нерівномірного зношування підшипників й катастрофічних наслідків, якщо раптом колесо перекосить та заклинить. До того використання 2-6 форсунок значно збільшує ефективність турбіни.
Перспективи турбіни Пелтона в Україні
Найбільш перспективними є західні області України. Гірська місцевість та наявність великої кількості гірських річок і джерел дозволить звести ефективну гідроелектростанцію з турбінами пелтона. Але Карпати набагато нижчі ніж Альпи, що лімітує використання подібних ГЕС. Важливо пам’ятати і про необхідність зведення греблі що принесе шкоду навколишньому середовищу. Тож наразі в найближчому часі є перспективи зведення тільки малих та надмалих гідроелектростанцій на основі турбіни Пелтона.