2891

Рис. 4.17. Приливная электростанция у берегов Англии

Ксожалению, приливные электростанции (как плотинные, так

иподводные) обладают серьезными недостатками:

1. Во время штормов возникает мощнейший напор воды,

агидрогенераторы, способные его выдержать, стоят очень дорого.

2.Время работы с максимальной мощностью составляют 4–5 ч с перерывами 1–2 ч четыре раза в сутки.

3.Экологические последствия связаны с изменением флоры и фауны региона.

Несмотря на все минусы, волны, приливы и отливы являются очень перспективным источником энергии. В ближайшие годы он станет более развитым и доступным.

Сразу несколько технологий преобразования энергии волн в электричество используется на приливной электростанции, построенной Юго-Западным агентством регионального развития (рис. 4.18). Несмотря на статус «демонстрационной», станция будет поставлять в сеть до 20 МВт, что эквивалентно потребности нескольких тысяч домохозяйств, причем в дальнейшем мощность планируют нарастить. План предусматривает необычную схему развития. Власти юго-запада Англии передадут в аренду компаниям «персональные» кусочки моря размером 1×2 км. Там промышленники установят комплексы волновых генераторов различных схем, и все они при помощи кабелей будут соединены с берегом.

71

Рис. 4.18. Приливная электростанция, находящаяся на юго-западе Англии

4.2. Гидроэлектростанции (ГЭС)

Около 23 % электроэнергии во всем мире вырабатывают ГЭС. Они преобразуют кинетическую энергию падающей воды в механическую энергию вращения турбины, а турбина приводит во вращение электромашинный генератор тока. Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимы два основных фактора: гарантированная обеспеченность водой круглый год и возможно большие уклоны реки.

Важной особенностью ГЭС является то, что она может работать при переменной нагрузке. Чрезвычайно полезно объединение ГЭС в одной энергосистеме с базовыми атомными и тепловыми электростанциями. В этом случае ГЭС покрывает всю переменную часть графика, давая возможность базовым станциям работать в номинальном режиме при максимальном КПД. Уменьшение нагрузки на ГЭС достигается уменьшением расходов воды через ее турбины. Неизрасходованная вода при этом остается в верхнем водохранилище электростанции и позволяет получить дополнительную мощность, когда нагрузка вновь возрастает.

72

В этом смысле ГЭС в сочетании с водохранилищем может рассматриваться как аккумулирующая установка. Строительство мощных ГЭС связано с огромным объемом подготовительных работ по сооружению водохранилищ, плотин, водосбросов. Возможность возведения таких сооружений появилась только в последнее тридцатилетие, когда строители стали располагать мощной техникой, однако и при использовании этой техники сооружение крупной ГЭС длится многие годы. Обычно ГЭС является составной частью целого комплекса, включающего устройства для регулирования стока воды, ирригационные сооружения, устройства для рыбоводства, курортные зоны. Создание больших водохранилищ существенным образом влияет на местный климат, состояние почв и растительности. Таким образом, несмотря на то что гидроэнергия считается «чистой», возможное влияние ГЭС на окружающую среду должно в каждом конкретном случае являться предметом пристального изучения.

Принцип работы ГЭС следующий: плотина создает подпор воды в водохранилище, обеспечивающем постоянный подвод энергии. Вода истекает через водозабор, уровнем которого определяется скорость течения. Поток воды, вращая турбину, приводит во вращение электрогенератор. По высоковольтным ЛЭП электроэнергия передается на распорядительные подстанции (рис. 4.19).

Рис. 4.19. Гидроэлектростанция: 1 – водоприемник; 2 – камера турбины; 3 – гидротурбина; 4 – гидрогенератор; 5 – отсасывающая труба; 6 – электрораспределительное устройство; 7 – трансформатор; 8, 9 – краны; 10 – донный водосбор

73

4.2.1. Океанские тепловые электростанции (ОТЭС), работающие по замкнутому циклу

Схема установки, работающей по замкнутому циклу, приведена на рис. 4.20. В такой системе с помощью теплых поверхностных вод, прокачиваемых насосом через теплообменник испарителя, превращают в пар какое-либо подходящее рабочее тело (аммиак, фреон, пропан), создают пар повышенного давления, давая ему возможность расшириться через турбину в холодильник, где пар конденсируется при контакте с охлаждаемыми поверхностями второго теплообменника, омываемого водой, закачиваемой из глубинных слоев океана.

Рис. 4.20. Схема термальной установки, работающей по замкнутому циклу: 1 – насос теплой воды; 2 – испаритель; 3 – насос осушителя парообразного рабочего тела; 4 – осушитель; 5 – турбина с электрогенератором; 6 – конденсатор; 7 – насос для забора холодной воды; 8 – насос для подачи рабочего тела

4.2.2. ОТЭС, работающие по открытому циклу

Схема установки, работающей по открытому циклу Клода, показана на рис. 4.21. В качестве рабочего тела здесь использована морская вода, подаваемая в испаритель через деаэратор, освобождающий воду от растворенных в ней газов. Предварительно из по-

74

лостей испарителя и конденсатора удаляется воздух, так что давление над поверхностью жидкости определяется только давлением насыщенных паров, которое сильно зависит от температуры. При характерных для ОТЭС температурах этот перепад составляет примерно 1,6 кПа (при замкнутом цикле на аммиаке около 500 кПа), под действием этого перепада пары воды приводят в движение турбину, попадают в конденсатор, где и превращаются в жидкость.

Основное отличие цикла как раз и состоит в малости перепада давлений, что требует использования соответствующих гигантских турбин диаметром в несколько десятков метров. Это, пожалуй, основной технический недостаток систем открытого цикла. Основное же их достоинство – отсутствие гигантских нетехнологичных теплообменников. Кроме того, при работе систем открытого цикла могут быть получены большие количества пресной воды, что немаловажно в жарком поясе планеты.

Рис. 4.21. Схема ОТЭС, работающая по открытому циклу (цикл Клода): 1 – насос теплой воды; 2 – деаэратор; 3 – вакуумный насос; 4 – испаритель; 5 – турбина с электрогенератором; 6 – конденсатор; 7 – насос для подъема холодной воды

75

4.2.3. Арктическая ОТЭС с обдуваемыми воздухом теплообменниками

В такой установке использован дополнительный контур с промежуточным теплоносителем, позволяющий существенно снизить потери энергии на собственные нужды станции (рис. 4.22). Схема напоминает обычные тепловые станции с градирнями для охлаждения отработавшей воды, но данные градирни действуют в условиях, когда температура наружного воздуха много ниже нуля, а охлаждаемая жидкость имеет температуру всего на несколько градусов выше. Поэтому в охлаждающем контуре такой станции необходимо использовать рассол с низкой температурой замерзания.

Рис. 4.22. Схема арктической ОТЭС на перепаде вода – воздух: 1 – испаритель основного контура; 2 – турбина с электрогенератором; 3 – конденсатор; 4 – теплообменник контура охлаждения промежуточного рабочего тела; 5 – насос для подачи хладагента; 6 – насос для подачи рабочего тела; 7 – насос для подачи морской воды; 8 – водозаборник; 9 –

патрубок сброса отработанной воды

76

В качестве промежуточного теплоносителя применяется водный раствор хлористого кальция с концентрацией не менее 26 кг на 100 кг воды, который достаточно широко используется в холодильной технике. Рабочим телом в основном контуре станции служит фреон-12, пары которого приводят в движение турбину с электрогенератором. Промежуточный теплоноситель охлаждается путем разбрызгивания через форсунки оросительного охладителя. Причем важно обеспечить определенное распыление, чтобы, с одной стороны, капли теплоносителя не выносились потоком холодного воздуха, а с другой – успевали охладиться во время падения. Для того чтобы капля диаметром 1 мм охладилась на 2 °С при движении в воздухе со средней разностью температур 30 °С, ей необходимо пролететь в свободном падении чуть более 3 м. Распыляя таким образом раствор хлористого кальция, можно добиться удельного съема энергии более 230 Вт/(м2 · К). Такие значения коэффициентов теплоотдачи, конечно, уступают получаемым в настоящее время в конструкциях водо-водяных теплообменников традиционных ОТЭС (до 5 кВт/(м2 · К)), но превышают примерно в 5 раз характерные величины для простейших воздушных теплообменников станций без промежуточного теплоносителя. Это позволяет снизить металлоемкость конденсаторов и примерно на 20 % увеличить выработку полезной энергии.

4.2.4. Мини-ОТЭС

Недалеко от Гавайских островов начала работу первая в своем роде установка мини-ОТЭС (рис. 4.23). Принцип действия такой электростанции достаточно прост. Как известно, температура кипения воды равна 100 °С, в то же время температура на поверхности океана равна 25–27 °С, а в его глубинах – 4 °С. Аммиак закипает на поверхности океана, и его пары вращают лопасти турбины генератора, после чего пары конденсируются и охлаждаются водой, забранной на глубине около километра, после этого цикл повторяется.

77

Рис. 4.23. Мини-ОТЭС

4.2.5. Гидроаккумулирующие электростанции

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) используются для выравнивания суточной неоднородности графика электрической нагрузки (рис. 4.24 и 4.25). В часы малых нагрузок ГАЭС, потребляя электроэнергию, перекачивает воду из низового водоема в верховой, а в часы повышенных нагрузок в энергосистеме использует запасенную воду для выработки пиковой энергии.

Рис. 4.24. Схема гидроаккумулирующей электростанции:

1 – верхний аккумулирующий бассейн; 2 – здание электростанции; 3 – река; 4 – водовод; 5 – плотина

78

Рис. 4.25. Гидроаккумулирующая электростанция

4.2.6. Русловая гидроэлектростанция

Русловая гидроэлектростанция (РусГЭС) относится к бесплотинным гидроэлектростанциям, которые размещают на равнинных многоводных реках, в узких сжатых долинах, на горных реках, а также в быстрых течениях морей и океанов (рис. 4.26).

Рис. 4.26. Русловая гидроэлектростанция

4.2.7. Деривационная гидроэлектростанция

Деривационные гидроэлектростанции строят в тех местах, где велик уклон реки (рис. 4.27). Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы.

79

Рис. 4.27. Деривационная гидроэлектростанция

На таких гидроэлектростанциях вода подводится непосредственно к зданию ГЭС.

80