Теория:

Гидроэнергетика - это преобразование энергии движущейся воды.
Люди давно научились использовать энергию движущейся воды для производства механической и электрической энергии.
6.1.1..jpg
Водяная мельница

Если до половины погрузить в реку колесо с лопастями на ободе, то оно начнет вращаться, потому что течение реки будет толкать нижние лопасти колеса. Примерно так работали (и кое-где работают до сих пор) водяные мельницы. Водяное колесо в них насажено на вал жернова. Вращает вода колесо — вращается и жернов, мелет зерно. С течением времени водяные колеса, использующиеся для помола зерна, стали использоваться и для обработки тканей. Старейшие лесопилки работали на гидравлическом приводе, или водяном колесе. Такое же колесо использовалось для приведения в действие кузнечных мехов и молота.
А больше ста лет назад появился более совершенный водяной двигатель — гидравлическая турбина (или гидротурбина) и генераторы, превращающие механическую работу в электрическую энергию.
В 1882 году в США начала действовать первая в мире гидроэлектростанция на реке Фокс в штате Висконсин, производящая электричество из энергии движущейся воды.
В наши дни практически вся механическая энергия, создаваемая гидравлическими турбинами, преобразуется в электроэнергию. Сегодня гидроэнергетика обеспечивает около 16% мировой электроэнергии.
 
Гидроэнергетика опирается на водный цикл или круговорот воды в природе. Понимание круговорота воды важно для понимания гидроэнергетики. Водный цикл состоит из трех этапов:
1. Солнечная энергия нагревает воду на поверхности рек, озер и океанов, в результате чего вода испаряется.
2. Водяной пар конденсируется в облаках и выпадает в виде осадков - дождя и снега.
3. Осадки стекают в ручьи и реки, которые затем впадают в озёра, моря и океаны, где испаряются, и снова начинают цикл.
 
  6.2.png
Круговорот воды в природе
Чем больше осадков стекает в водоёмы, тем больше воды, доступной для производства гидроэнергии. Поэтому такие последствия изменения климата, как засухи, оказывают большое влияние на производство гидроэнергии.
Типичная гидроэлектростанция - это система, состоящая из трех частей: электростанции, на которой производится электричество, плотины, которую можно открывать или закрывать для контроля потока воды, и резервуара, в котором хранится вода. Вода за плотиной протекает через впуск (обычно в виде трубы) и толкает лопасти турбины, заставляя их вращаться. Турбина вращает генератор для производства электроэнергии. Полученное таким образом электричество транспортируется по междугородним линиям электропередачи к домам, фабрикам и предприятиям.
Китай, Бразилия, Канада, США и Россия – крупнейшие производители гидроэнергии. Самой крупной гидроэлектростанцией в мире, является гидроэлектростанция «Три ущелья», которая находится на реке Янцзы в Китае. Её мощность составляет 22,5 ГВт, ширина - 2,3 километра, а высота - 185 метров. Ее плотина является самым тяжелым сооружением в мире и весит более 65,5 миллионов тонн.
6.3.jpg
Гидроэлектростанция «Три ущелья», Китай

Однако гидроэнергетика имеет как преимущества, так и недостатки. Строительство плотины и установка оборудования – это, конечно, дорого, но после этого начинается производство электроэнергии. А источник энергии - текущая вода - становится бесплатным. Это чистый источник энергии, его возобновление зависит от снега и дождя. Таким образом, гидроэнергетика позволяет получать очень дешевую электроэнергию без вредных выбросов в атмосферу (в отличие от сжигания ископаемого топлива – газа, нефтепродуктов, угля).
Вода, вращающая гидравлические турбины, чаще всего берется из искусственных водохранилищ, созданных путем перекрытия реки плотиной. Плотина повышает напор воды, поступающей на турбины, и тем самым увеличивает мощность электростанции. Гидроэлектростанции могут поставлять большое количество электроэнергии, и их относительно легко регулировать по потребности, контролируя поток воды через турбины. Т.е. расход воды из водохранилища через турбины можно регулировать. Кроме того, водохранилище служит отстойником для песка, ила и мусора, приносимых естественными водотоками (реками и ручьями). Построив плотину с водохранилищем, можно предотвратить паводковые затопления, а также создать надежный запас воды для водоснабжения населения и промышленности. Крупные водохранилища способствует смягчению климата вблизи них.
Но при этом большие плотины разрушают речные экосистемы и места обитания животных и птиц, тем самым нанося ущерб дикой природе. Для некоторых видов рыб плотины становятся препятствием при прохождении вверх по течению реки на нерест, а еще гидроэлектростанции способствуют снижению уровня растворенного кислорода в воде, что вредно для обитателей рек.
Не совсем благоприятно строительство плотины сказывается и на человеке. Например, строительство плотины «Трех ущелий» защитило соседние деревни от ужасных паводков реки Янцзы и способствовало развитию судоходства. Но именно это строительство и привело к переселению примерно 1,2 миллиона человек, затоплению сотни деревень, археологических объектов и огромных площадей плодородных земель.
6.4.jpg
 Плотина «Трех ущелий»
 
Отдельным направлением гидроэнергетики является использование энергии приливов.
Энергия приливов использовалась людьми издавна путем устройства приливных мельниц на побережьях Англии, Франции, Испании, России, Канады, США и других стран. Для этого, путём перекрытия плотинами небольших бухт, создавался бассейн, где располагались мельничные колеса, приводимые в движение силой воды в период отлива. Диаметры мельничных колес порой достигали 6 м.
Интересно: В Англии под арками Лондонского моста с 1580 г. в течение 250 лет подобная установка качала пресную воду и тем самым помогала водоснабжению.
Особенностью приливных электростанций является использование ими естественно возобновляемой энергии морских приливов. Приливы и отливы появляются при гравитационном взаимодействии Земли с Луной и Солнцем, которое два раза в сутки изменяет уровень воды. Из-за того, что Луна ближе к Земле, сила лунного прилива в 2,2 раза больше солнечного.
Величина прилива определяется разностью уровня воды при максимальном подъеме и минимальном снижении за период прилива. Она может достигать 18 метров. 
6.5.jpg
Отлив

Обычно приливные электростанции строят на берегах морей и океанов, и они используют плотины. Другой вариант приливных электростанций позволяет вообще обходиться без плотины. На дне моря недалеко от берега устанавливаются генераторы с лопастями (наподобие ветряков), которые вращаются движущейся во время приливов/отливов водой. 
 6.6.png
Приливная электростанция в Северной Ирландии

В последние десятилетия ведутся широкомасштабные исследования по практическому использованию большого потенциала огромных течений в морях и океанах, например, Гольфстрима, Куросио и др. Однако до сих пор у ученых отсутствуют достаточно обоснованные представления о возможных параметрах использования энергии течений, экологических последствиях, а также практический опыт.
А вот силу волн ученым уже удалось приручить. В настоящее время уже работают установки по использованию энергии волн в морях и океанах.
6.7.jpg
Океанские волны
Волны мира могут генерировать 2 тераватта энергии, что примерно в 2 раза превосходит объем всей производимой на Земле электроэнергии. Количество вырабатываемой энергии зависит от силы волн, которая, как известно, очень непостоянна во времени. Но этот источник энергии абсолютно возобновляемый. Его также научились использовать: в сентябре 2008 года в городке Агусадор (Португалия) для обеспечения местных жителей электроэнергией была введена в строй волновая электростанция.
6.8.jpg
 Волновая электростанция в районе г. Агусадор, Португалия

В Беларуси тоже развивается гидроэнергетика. В настоящее время в Беларуси работает более 40 малых гидроэлектростанций общей мощностью около 15 000 кВт.
Одной из таких электростанций является Лепельская ГЭС.
6.9.jpg
Лепельская ГЭС, Беларусь
Лепельская ГЭС расположена на реке Улла. Для обеспечения ее работы на реке была построена плотина, поднявшая уровень воды в реке на 3,5 метра, и образовано Лепельское водохранилище максимальной глубиной 33,7 метра. Станция была введена в эксплуатацию в 1958 году, однако в начале 1970-х гг. она была остановлена и долго не функционировала. В октябре 2003 г. после реконструкции Лепельская ГЭС возобновила работу. Сейчас она производит 2 млн кВт/ч в год, что обеспечивает электричеством половину города Лепеля.