114. Енергія води. Частина 2

Урок №114. Енергія води. Частина 2

---

Мета уроку:

• формувати в учнів уявлення про використання енергії води для генерації електроенергії;
• ознайомити з принципом роботи та видами гідроелектростанцій та гідроенергетикою України;
• аналізувати переваги й недоліки будівництва та використання гідроенергетики та її вплив на довкілля.

Цілі сталого розвитку: 

Які цілі сталого розвитку (у порядку пріоритетності) опрацьовуємо на уроці:

• 7. Відновлювальна енергетика.
• 8. Гідна праця та економічне зростання.
• 12. Відповідальне споживання.
• 13. Боротьба зі зміною клімату.

Ключові слова: гідроелектростанція, ГЕС, ГАЕС, МГЕС, ПЕС, статор, ротор, турбіна, гребля, деривація потоку.

План уроку:

1. Мотиваційна частина.
2. Генерація електричного струму завдяки енергії води.
   • 2.1.Принцип роботи та види ГЕС.
   • 2.2. Гідроенергетика України.
   • 2.3. Приливні електростанції (ПЕС).
3. Попрактикуймо самостійно.
4. Рефлексія.

Очікувані результати для учнівства:

Очікувані результати для вчителя:

---

Дружня порада вчителю

Тривалість — до 3 хв.

Ніагарський водоспад є найбільшим виробником електроенергії в штаті Нью-Йорк, виробляючи достатньо електроенергії, щоб одночасно запалити 24 мільйони 100-ватних лампочок.

Яке одне з найбільших природних чудес світу виробляє електроенергію вже понад 100 років?

---

Посилання на відео:

---

Дружня порада вчителю

Тривалість — до 30 хв.

На початку викладу основної частини бажано звернути увагу на особливості отримання електричного струму завдяки генераторам.
Також потрібно звернути увагу на елементи, з яких складається ГЕС, та їхнє призначення. 
Учні повинні зрозуміти, які фактори впливають на потужність ГЕС.  
Обговоріть з учнями перспективи використання різних типів гідроелектростанцій. 

2.1.Принцип роботи та види ГЕС

Сьогодні сучасні гідроелектростанції — це величезні та досить технологічні споруди. Однак принцип роботи будь-якої ГЕС залишається досить простим і всюди майже повністю однаковим. Напір води, спрямований на лопаті гідротурбіни, приводить її в обертання, а гідротурбіна, у свою чергу, будучи з’єднаною з генератором, обертає генератор. Генератор виробляє електроенергію, яка і подається на трансформаторну станцію, а потім і на ЛЕП (лінії електропередач) (рис. 1).

1. Яке призначення кожного з елементів під час генерації електричного струму (табл. 1)?

Табл.1

№	Елемент	Призначення
1	статор
2	ротор
3	регульовані клапани
4	лопатки турбіни
5	потік води
6	вісь обертання турбіни та генератора

Потужність гідроелектростанції залежить від кількості та напору води, що проходить через турбіни. Безпосередньо натиск виникає завдяки спрямованому руху потоку води. Це може бути вода, накопичена у греблі, коли в певному місці на річці будується гребля (а), або ж натиск виходить завдяки деривації потоку (б) — це коли вода відводиться від русла по спеціальному тунелю або каналу (рис. 2).

2. Як ти думаєш, яка ГЕС ефективніша: та, що використовує греблю, чи та, що працює за допомогою деривації? Чому?
3. Як ти вважаєш, що складніше побудувати: греблю для створення великого напору чи дериваційний канал? Чому?

Гідроелектростанції поділяються на ГЕС та ГАЕС.

ГЕС — це електростанції, що завдяки напору води, який надходить на лопаті гідротурбіни, і таким чином приводить в дію генератори, виробляють електроенергію (рис. 3).

ГАЕС — це електростанція, що складається з двох з’єднаних між собою резервуарів.
Верхній резервуар використовується для накопичення води. Нижня водойма зазвичай має форму дамби на річці. У разі надлишку електроенергії ця енергія приводить в дію насос, який подає воду в штучну водойму нагорі. За потреби вода з верхнього резервуара випускається через напірний патрубок на турбіну, що приводить в дію електрогенератор (рис. 4).

4. Чому доцільне використання ГАЕС?
5. У якій частині доби ГАЕС зазвичай працює як насос, а коли для генерації електроенергії?
6. Найбільш поширені ГЕС мають у своїй основі греблю, що перегороджує русло річки. Як ти думаєш, чому?

Відповідь на питання 6, яке стосується ГАЕС:
Під час нічного «провалу» енергоспоживання гідроакумуляційна електростанція отримує з мережі дешеву електроенергію та використовує її, щоб закачати воду. Під час ранкового та вечірнього піків енергоспоживання ГАЕС спускає воду і, таким чином, виробляє дорогу «пікову» електроенергію для мережі.

Найвища у світі гребля має висоту 305 метрів, це гребля на Цзіньпінській ГЕС потужністю 3,6 ГВт, що на річці Ялунцзян (території Китаю) (рис. 5).

---

2.2. Гідроенергетика України

Дружня порада вчителю

Увага зосереджується на географічних особливостях побудови ГЕС та МГЕС. Учні повинні зрозуміти, як географічні особливості країни впливають на будівництво МГЕС. Робота з картами дозволить розвинути просторові уявлення учнів.

Важливим елементом уроку буде обговорення переваг та недоліків будівництва ГЕС (МГЕС). Поділіть клас на дві групи, одна з яких буде називати переваги, а інша — недоліки будівництва. Проведіть мінідебати. Кожна пропозиція повинна мати обґрунтування.

Гідроенергетика — важлива частина енергетичного сектору України, завдяки якій забезпечується покриття пікових навантажень, регулювання частоти та потужності мережі. Гідроенергетика — єдина «зелена» галузь енергетики, що може зібрати надлишок енергії та зберегти його до того моменту, коли в мережі буде дефіцит. Крім того, гідроелектростанції, на відміну від сонце- та вітро-, не залежать від погодних умов і можуть генерувати електроенергію в будь-який час.

В Україні десять гідроелектростанцій (ГЕС та ГЕАС), розташованих на річках Дніпро та Дністер. Гідроелектростанції в енергетичному комплексі України посідають третє місце після теплових та атомних. У табл. 2 наведені ГЕС України.

Табл.2

№	Назва	Місце розташування
1	Дніпровська ГЕС	Найбільша та найстаріша ГЕС. Вона розташована у м. Запоріжжя біля острова Хортиця.
2	Кременчуцька ГЕС	За величиною посідає друге місце в Дніпровському каскаді після ДніпроГЕСу. Вона розташована у місті Світловодськ Кіровоградської області.
3	Канівська ГЕС	Належить до Дніпровського каскаду ГЕС. Розташована в Черкаській області.
4	Київська ГЕС	Київська ГЕС виробляє енергію для величезної кількості населення й підприємств. Розташована у м. Вишгород Київської області.
5	Середньодніпровська ГЕС	Середньодніпровська ГЕС України розташована у місті Кам’янське Дніпропетровської області.
6	Каховська ГЕС (зруйнована)	Каховська ГЕС входила до нижчої частини каскаду гідроелектростанцій на річці Дніпро. Розташована у Херсонській області.

1. Нанеси карту України місце знаходження кожної з цих ГЕС (рис. 6).

Гідроенергетика становить 8% від загальної встановленої потужності електрогенеруючих об’єктів нашої країни, нові об’єкти можуть потенційно розміщуватися в будь-якому регіоні, який має малі або великі річки. В Україні понад 22 тис. річок, але лише 110 із них довші за 100 км, тому основні ресурси гідроенергетики зосереджені на малих річках. Водночас унаслідок спорудження гідроенергетичних об’єктів можуть затоплюватися великі ділянки землі, зникати цінні породи риб та втрачатися родючі ґрунти. Тому подальший розвиток гідроенергетики потребує усунення екологічних ризиків.

У відповідності до наявної класифікації до малих гідроелектростанцій (МГЕС) відносять гідроелектростанції потужністю від 1 до 10 МВт, до мініГЕС — від 200 до 1000 кВт, до мікроГЕС — не більше 200 кВт.

Потенційні можливості малої гідроенергетики в Україні на найближчу перспективу на період до 2030 року були оцінені в Енергетичній стратегії 2006 р. на рівні 1147 МВт потужності з річним обсягом виробництва електроенергії 3,75 млрд кВт⋅год/рік. У редакції Енергетичної стратегії 2013 р. зазначено, що економічно доцільний потенціал малих гідроелектростанцій (ГЕС) в Україні становить до 4 ГВт.

За результатами проведених наукових досліджень з урахуванням чинної нормативно-правової бази в електроенергетичній та природоохоронній сферах, технічний потенціал малих річок знаходиться на рівні 1270 млн кВт·год/рік (375 МВт встановленої потужності малих ГЕС). З них не освоєно близько 1000 млн кВт·год/рік.

Станом на середину 2019 року в Україні знаходяться в експлуатації 156 малих ГЕС.
Загальна встановлена потужність близько 102 МВт із середньорічним обсягом виробництва електроенергії у межах 225-255 млн кВт∙год/рік.

На рис. 7 представлено карту України з нанесеним розподілом технічного потенціалу виробітку електроенергії малими ГЕС. 

2. Які області в Україні є привабливими для встановлення ГЕС? Чому саме вони?

Відновлювана гідроенергетика є надійним, універсальним і недорогим джерелом виробництва чистої електроенергії. Вона є ключовим активом для досягнення цілей глобального нульового чистого викиду.
Крім видимих переваг, існують і свої недоліки при будівництві та експлуатації ГЕС.
Заповни табл. 3, вказавши переваги та недоліки.

Табл. 3

№	Переваги будівництва та використання ГЕС/малих ГЕС	Недоліки будівництва та використання ГЕС/малих ГЕС
1
2
3
4
5
6
7

---

2.3. Приливні електростанції (ПЕС)

Припливні електростанції, які використовують енергію припливів, є однією з форм гідроенергетики, яка перетворює енергію припливів в корисні форми енергії, в основному електроенергію.
Хоча поки вони широко не використовуються, припливні електростанції мають потенціал для майбутнього виробництва електроенергії.
Припливи більш передбачувані, ніж енергія вітру, сонячна енергія. 

1. Чому енергія припливів і відпливів, у порівнянні з іншими джерелами відновлюваної енергії, використовується мало?

Існують декілька технологій отримання електрики з припливів:
Генератор припливного потоку — генератор електроенергії, який використовує кінетичну енергію води, подібно до того, як вітряки використовують енергію вітру (рис. 8).

Припливні греблі — технологія, що використовує потенційну енергію різниць рівнів води під час припливів  і відпливів. Греблі захоплюють воду під час припливів і утримують її. 
Під час відпливу вода повертається в океан, приводячи в рух турбіни генераторів і виробляючи електроенергію (рис. 9).

2. Які технологічні виклики можуть виникати при будівництві та експлуатації припливних електростанцій?
3. Чи можна використовувати припливну енергетику в Україні? Чому?
4. Які країни активно використовують припливну енергетику? Чому саме вони?

---

Дружня порада вчителю

Тривалість — до 10 хв.
Для самостійної роботи учням представлення задача на аналіз роботи МГЕС.
Роботу можна ускладнити, надавши учням вибір МГЕС, їх список можна знайти за посиланням:

• https://uk.wikipedia.org/ : Категорія: Малі гідроелектростанції України.

Учням можна запропонувати формули, а можна, щоб вони їх відшукали самостійно.
1.Е=P×t.
МВт та час потрібно перевести в міжнародну систему одиниць (СІ)
2. = 9000

3. P​=0.8×5=4 МВт
N=7200

Виконай завдання, яке стосується аналізу роботи МГЕС.
Установлена потужність однієї з малих ГЕС становить 5 МВт.

1. Скільки електроенергії вона виробить за день, тиждень і місяць?
2. Скільки будинків можна забезпечити електроенергією, якщо середньостатистичне домогосподарство споживає 400 кВт·год на місяць?
3. Як зміниться кількість забезпечених будинків, якщо ГЕС працює лише на 80 % від максимальної потужності?

Рівень А: питання № 1.
Рівень В: питання № 1, 2.
Рівень С: питання № 1, 2, 3.

---

Дружня порада вчителю

Тривалість — до 2 хв.

У тебе є компанія з продажу обладнання для будівництва гідроелектростанцій.
Придумай назву компанії та створи короткий рекламний слоган для неї.

---

• 3d- hydropower plant

Урок №114. Енергія води. Частина 2

---

Мета уроку:

• формувати в учнів уявлення про використання енергії води для генерації електроенергії;
• ознайомити з принципом роботи та видами гідроелектростанцій та гідроенергетикою України;
• аналізувати переваги й недоліки будівництва та використання гідроенергетики та її вплив на довкілля.

Цілі сталого розвитку: 

Які цілі сталого розвитку (у порядку пріоритетності) опрацьовуємо на уроці:

• 7. Відновлювальна енергетика.
• 8. Гідна праця та економічне зростання.
• 12. Відповідальне споживання.
• 13. Боротьба зі зміною клімату.

Ключові слова: гідроелектростанція, ГЕС, ГАЕС, МГЕС, ПЕС, статор, ротор, турбіна, гребля, деривація потоку.

План уроку:

1. Мотиваційна частина.
2. Генерація електричного струму завдяки енергії води.
   • 2.1.Принцип роботи та види ГЕС.
   • 2.2. Гідроенергетика України.
   • 2.3. Приливні електростанції (ПЕС).
3. Попрактикуймо самостійно.
4. Рефлексія.

Очікувані результати для учнівства:

---

Яке одне з найбільших природних чудес світу виробляє електроенергію вже понад 100 років?

---

Посилання на відео джерела:

---

2.1.Принцип роботи та види ГЕС

Сьогодні сучасні гідроелектростанції — це величезні та досить технологічні споруди. Однак принцип роботи будь-якої ГЕС залишається досить простим і всюди майже повністю однаковим. Напір води, спрямований на лопаті гідротурбіни, приводить її в обертання, а гідротурбіна, у свою чергу, будучи з’єднаною з генератором, обертає генератор. Генератор виробляє електроенергію, яка і подається на трансформаторну станцію, а потім і на ЛЕП (лінії електропередач) (рис. 1).

1. Яке призначення кожного з елементів під час генерації електричного струму (табл. 1)?

Табл. 1

№	Елемент	Призначення
1	статор
2	ротор
3	регульовані клапани
4	лопатки турбіни
5	потік води
6	вісь обертання турбіни та генератора

Потужність гідроелектростанції залежить від кількості та напору води, що проходить через турбіни. Безпосередньо натиск виникає завдяки спрямованому руху потоку води. Це може бути вода, накопичена у греблі, коли в певному місці на річці будується гребля (а), або ж натиск виходить завдяки деривації потоку (б) — це коли вода відводиться від русла по спеціальному тунелю або каналу (рис. 2).

2. Як ти думаєш, яка ГЕС ефективніша: та, що використовує греблю, чи та, що працює за допомогою деривації? Чому?
3. Як ти вважаєш, що складніше побудувати: греблю для створення великого напору чи дериваційний канал? Чому?

Гідроелектростанції поділяються на ГЕС та ГАЕС.

ГЕС — це електростанції, що завдяки напору води, який надходить на лопаті гідротурбіни, і таким чином приводить в дію генератори, виробляють електроенергію (рис. 3).

ГАЕС — це електростанція, що складається з двох з’єднаних між собою резервуарів.
Верхній резервуар використовується для накопичення води. Нижня водойма зазвичай має форму дамби на річці. У разі надлишку електроенергії ця енергія приводить в дію насос, який подає воду в штучну водойму нагорі. За потреби вода з верхнього резервуара випускається через напірний патрубок на турбіну, що приводить в дію електрогенератор (рис. 4).

4. Чому доцільне використання ГАЕС?
5. В якій частині доби ГАЕС зазвичай працює як насос, а коли для генерації електроенергії?
6. Найбільш поширені ГЕС мають у своїй основі греблю, що перегороджує русло річки.
   Як ти думаєш, чому?

Найвища у світі гребля має висоту 305 метрів, це гребля на Цзіньпінській ГЕС потужністю 3,6 ГВт, що на річці Ялунцзян (території Китаю) (рис. 5).

---

2.2. Гідроенергетика України

Гідроенергетика — важлива частина енергетичного сектору України, завдяки якій забезпечується покриття пікових навантажень, регулювання частоти та потужності мережі. Гідроенергетика — єдина «зелена» галузь енергетики, що може зібрати надлишок енергії та зберегти його до того моменту, коли в мережі буде дефіцит. Крім того, гідроелектростанції, на відміну від сонце- та вітро-, не залежать від погодних умов і можуть генерувати електроенергію в будь-який час.

В Україні десять гідроелектростанцій (ГЕС та ГЕАС), розташованих на річках Дніпро та Дністер. Гідроелектростанції в енергетичному комплексі України посідають третє місце після теплових та атомних. У табл. 2 наведені ГЕС України.

Табл. 2

№	Назва	Місце розташування
1	Дніпровська ГЕС	Найбільша та найстаріша ГЕС. Вона розташована у м. Запоріжжя біля острова Хортиця.
2	Кременчуцька ГЕС	За величиною посідає друге місце в Дніпровському каскаді після ДніпроГЕСу. Вона розташована у місті Світловодськ Кіровоградської області.
3	Канівська ГЕС	Належить до Дніпровського каскаду ГЕС. Розташована в Черкаській області.
4	Київська ГЕС	Київська ГЕС виробляє енергію для величезної кількості населення й підприємств. Розташована у м. Вишгород Київської області.
5	Середньодніпровська ГЕС	Середньодніпровська ГЕС України розташована у місті Кам’янське Дніпропетровської області.
6	Каховська ГЕС (зруйнована)	Каховська ГЕС входила до нижчої частини каскаду гідроелектростанцій на річці Дніпро. Розташована у Херсонській області.

1. Нанеси карту України місце знаходження кожної з цих ГЕС (рис. 6).

Гідроенергетика становить 8% від загальної встановленої потужності електрогенеруючих об’єктів нашої країни, нові об’єкти можуть потенційно розміщуватися в будь-якому регіоні, який має малі або великі річки. В Україні понад 22 тис. річок, але лише 110 із них довші за 100 км, тому основні ресурси гідроенергетики зосереджені на малих річках. Водночас унаслідок спорудження гідроенергетичних об’єктів можуть затоплюватися великі ділянки землі, зникати цінні породи риб та втрачатися родючі ґрунти. Тому подальший розвиток гідроенергетики потребує усунення екологічних ризиків.

У відповідності до наявної класифікації до малих гідроелектростанцій (МГЕС) відносять гідроелектростанції потужністю від 1 до 10 МВт, до мініГЕС — від 200 до 1000 кВт, до мікроГЕС — не більше 200 кВт.

Потенційні можливості малої гідроенергетики в Україні на найближчу перспективу на період до 2030 року були оцінені в Енергетичній стратегії 2006 р. на рівні 1147 МВт потужності з річним обсягом виробництва електроенергії 3,75 млрд кВт⋅год/рік. У редакції Енергетичної стратегії 2013 р. зазначено, що економічно доцільний потенціал малих гідроелектростанцій (ГЕС) в Україні становить до 4 ГВт.

За результатами проведених наукових досліджень з урахуванням чинної нормативно-правової бази в електроенергетичній та природоохоронній сферах, технічний потенціал малих річок знаходиться на рівні 1270 млн кВт·год/рік (375 МВт встановленої потужності малих ГЕС). З них не освоєно близько 1000 млн кВт·год/рік.

Станом на середину 2019 року в Україні знаходяться в експлуатації 156 малих ГЕС.
Загальна встановлена потужність близько 102 МВт із середньорічним обсягом виробництва електроенергії у межах 225-255 млн кВт∙год/рік.

На рис. 7 представлено карту України з нанесеним розподілом технічного потенціалу виробітку електроенергії малими ГЕС.  

2. Які області в Україні є привабливими для встановлення ГЕС? Чому саме вони?

Відновлювана гідроенергетика є надійним, універсальним і недорогим джерелом виробництва чистої електроенергії. Вона є ключовим активом для досягнення цілей глобального нульового чистого викиду.
Крім видимих переваг, існують і свої недоліки при будівництві та експлуатації ГЕС.
Заповни табл. 3, вказавши переваги та недоліки.

Табл. 3

№	Переваги будівництва та використання ГЕС/малих ГЕС	Недоліки будівництва та використання ГЕС/малих ГЕС
1
2
3
4
5
6
7

---

2.3. Приливні електростанції (ПЕС)

Припливні електростанції, які використовують енергію припливів, є однією з форм гідроенергетики, яка перетворює енергію припливів в корисні форми енергії, в основному електроенергію.
Хоча поки вони широко не використовуються, припливні електростанції мають потенціал для майбутнього виробництва електроенергії.
Припливи більш передбачувані, ніж енергія вітру, сонячна енергія.

1. Чому енергія припливів і відпливів, у порівнянні з іншими джерелами відновлюваної енергії, використовується мало?

Існують декілька технологій отримання електрики з припливів:
Генератор припливного потоку — генератор електроенергії, який використовує кінетичну енергію води, подібно до того, як вітряки використовують енергію вітру (рис. 8).

Припливні греблі — технологія, що використовує потенційну енергію різниць рівнів води під час припливів  і відпливів. Греблі захоплюють воду під час припливів і утримують її. 
Під час відпливу вода повертається в океан, приводячи в рух турбіни генераторів і виробляючи електроенергію (рис. 9).

2. Які технологічні виклики можуть виникати при будівництві та експлуатації припливних електростанцій?
3. Чи можна використовувати припливну енергетику в Україні? Чому?
4. Які країни активно використовують припливну енергетику? Чому саме вони?

---

Виконай завдання, яке стосується аналізу роботи МГЕС.
Установлена потужність однієї з малих ГЕС становить 5 МВт.

1. Скільки електроенергії вона виробить за день, тиждень і місяць?
2. Скільки будинків можна забезпечити електроенергією, якщо середньостатистичне домогосподарство споживає 400 кВт·год на місяць?
3. Як зміниться кількість забезпечених будинків, якщо ГЕС працює лише на 80 % від максимальної потужності?

Рівень А: питання № 1.
Рівень В: питання № 1, 2.
Рівень С: питання № 1, 2, 3.

---

У тебе є компанія з продажу обладнання для будівництва гідроелектростанцій.
Придумай назву компанії та створи короткий рекламний слоган для неї.

---

• 3d- hydropower plant