Работу, как известно, производит падающая вода. Мы ясно себе представляем силу водопада или горной реки, отличающейся бурным течением. Но и равнинные реки, несущие спокойно свои воды, таят много энергии. Правда, энергия эта рассеяна на огромных просторах рек и ее надо «собрать в кулак», сконцентрировать в одном месте, создать искусственные водопады. Это достигается путем строительства плотины — основного сооружения гидроузла. Плотина перегораживает реку и создает разность уровней воды. Две водные ступени, образующиеся на реке, именуются гидротехниками верхним и нижним бьефами. Разность между уровнями воды в верхнем и нижнем бьефах называется напором. Напор — это и есть высота водопада, созданного плотиной. Если эта высота не превышает 10 метров, плотина именуется низконапорной; при высоте 10–30 метров — средненапорной, а при высоте большей, чем 30 метров, — высоконапорной. Ряд деривационных гидростанций на реках Кавказа работает при напорах в 300–400 метров.
Схема устройства гидроузла на равнинной реке. Справа — двойная нитка шлюзов 1, к ним примыкает бетонная водосливная плотина 2, через которую можно спустить из водохранилища воду вниз по реке; затем идет глухая земляная плотина 3, оканчивающаяся у другого берега зданием станции 4, где помещаются турбины и генераторы; 5 — верхний бьеф (водохранилище); 6 — нижний бьеф
Плотина крупной гидростанции состоит обычно из двух частей — бетонной (водосливной) и земляной (глухой).
В зависимости от материала, из которого они сооружаются, плотины различают земляные, деревянные, бетонные, железобетонные, каменные, смешанные. Высота плотин различна. Она колеблется от нескольких метров до нескольких сот метров.
Итак, река перегорожена плотиной. Созданный руками человека водопад является таким же источником механической энергии, как и водопад природный. Величина его энергии зависит от высоты, с которой падает вода (от разницы уровней верхнего и нижнего бьефов), и количества воды, которое протекает в течение года в створе электростанции. Чем выше высота падения и обильнее количество протекающей воды, тем больше энергии можно здесь получить. Но это энергия механическая. Она способна вращать водяные колеса. Нам же надо превратить силу падающей воды в электрическую энергию.
Это достигается с помощью гидротурбин и генераторов. Проследим за потоком воды, ринувшимся в гидротурбину. Прежде всего он встретит на своем пути решетку, которая задержит посторонние предметы — обломки дерева, куски льда, камни, влекомые водой. Далее вода попадает через спиральную камеру на лопасти рабочего колеса. Рабочее колесо турбины и вал, на котором оно сидит, вращаются под действием проходящего водного потока, создают механическую энергию. С валом турбины соединен вал электрического генератора. Генератор состоит из вращающейся части — ротора и неподвижной части — статора. При вращении ротора создаваемое в нем магнитное поле пересекает провода обмотки статора и возбуждает в них электродвижущую силу. Генератор и превращает механическую энергию падающей воды в электрическую, то есть производит электрический ток.
Схема расположения гидрогенератора в здании русловой гидростанции составляющем часть плотины:
1 — уровень верхнего бьефа; 2 — предохранительная решетка; 3 — аварийный затвор; 4 — лопатки направляющего аппарата; 5 — турбина; 6 — генератор; 7 — спиральная камера; 8 — всасывающая труба; 9 — ремонтный затвор; 10 — уровень нижнего бьефа
Что же касается потока воды, то он, отдав турбине свою энергию, отводится через всасывающую трубу в реку ниже плотины.
Для вращения турбины нужны большие массы воды. Только одна турбина Днепрогэса, например, ежесекундно пропускает 200 кубических метров воды, то есть втрое больше, чем протекает в секунду по каналу им. Москвы.
10–15 тысяч вольт — таково напряжение электрической энергии, вырабатываемой генераторами на гидростанции. Чтобы передать энергию на расстояние, надо значительно повысить напряжение. В трансформаторах, установленных на гидростанциях, напряжение электрического тока повышается, и затем уже он начинает свой путь к потребителям по высоковольтным линиям электропередачи.