8.10. Приливные электростанции
Приливная электростанция (ПЭС) — особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 13 метров.
Существует мнение, что работа приливных электростанций тормозит вращение Земли, что могло бы привести к негативным экологическим последствиям. Однако ввиду колоссальной массы Земли влияние приливных электростанций незаметно.[1] Кинетическая энергия вращения Земли (~1029 Дж) настолько велика, что работа приливных станций суммарной мощностью 1000 ГВт будет увеличивать длительность суток лишь на ~10−14 секунды в год, что на 9 порядков меньше естественного приливного торможения (~2×10−5 с в год).
Для получения энергии залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты, которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для последующей работы в отсутствие приливов и отливов). В последнем случае они называются гидроаккумулирующая электростанция.
Преимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатками — высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в составе энергосистемы, располагающей достаточной мощностью электростанций других типов.
Рисунок 8.10.1 Макет станции Ля Ранс.
Для выработки электроэнергии электростанции такого типа используют энергию прилива. Первая такая электростанция (Паужетская) мощностью 5 МВт была построена на Камчатке. Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн — перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены гидротурбины, которые вращают генератор.
Гидротурбина это лопаточная машина, приводимая во вращение потоком жидкости, обычно речной воды. По принципу действия гидравлические турбины подразделяют на активные (свободоструйные) и реактивные (напороструйные); по конструкции - на вертикальные и горизонтальные.
В зависимости от расположения оси вращения различают вертикальные и горизонтальные гидрогенераторы; по частоте вращения - тихоходные (до 100 об/мин) и быстроходные (свыше 100 об/мин). Мощность гидрогенераторов от нескольких десятков до нескольких сотен МВт.
Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит.
Считается экономически целесообразным строительство приливных электростанций в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность приливной электростанции зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.
В приливных электростанциях двустороннего действия турбины работают при движении воды из моря в бассейн и обратно. Приливные электростанции двустороннего действия способна вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4-5 ч с перерывами в 1-2 ч четыре раза в сутки. Для увеличения времени работы турбин существуют более сложные схемы — с двумя, тремя и большим количеством бассейнов, однако стоимость таких проектов весьма высока. Недостаток приливных электростанции в том, что они строятся только на берегу морей и океанов, к тому же они развивают не очень большую мощность, да и приливы бывают всего лишь два раза в сутки. И даже они экологически не безопасны. Они нарушают нормальный обмен соленой и пресной воды и тем самым — условия жизни морской флоры и фауны. Влияют они и на климат, поскольку меняют энергетический потенциал морских вод, их скорость и территорию перемещения. Морские теплостанции, построенные на перепаде температур морской воды,способствуют выделению большого количества углекислоты, нагреву и снижению давления глубинных вод и остыванию поверхностных. А процессы эти не могут не сказаться на климате, флоре и фауне региона.
Для постройки приливной электростанции находят на берегу узкий залив и отсекают его от океана плотиной. В отверстия плотины вставляют гидротурбины с генераторами. Сейчас спроектированы обтекаемые капсулы, в которых заключены и турбина, и генератор. Эти, как их назвали, капсульные агрегаты наиболее удобны для приливных электростанций. Главное достоинство таких капсульных агрегатов, их универсальность. Они не только вырабатывают электроэнергию при прохождении через них морской воды, но и могут работать в качестве насосов. При этом вырабатывать электроэнергию они могут как во время прилива, так и во время отлива.
Идет прилив- вода наполняет бассейн приливной электростанции, и рабочие колеса капсульных агрегатов под действием движения воды вращаются. Электростанция дает ток. Начался отлив – вода уходит из бассейна в океан, по пути опять вращая рабочие колеса, только в обратную сторону. И электростанция снова дает ток, потому, что капсульный агрегат одинаково хорошо работает при вращении колеса в любую сторону.
Но вот пауза между приливом и отливом. Колеса останавливаются. Как быть?
Энергетики нашли хороший выход из положения. Приливные электростанции не будут работать в одиночку. Провода свяжут их с другими, например тепловыми электростанциями. Получится энергетическое кольцо, каждый участок которого будет хорошо помогать остальным. Во время пауз соседи по кольцу помогут приливным электростанциям не только тем, что возьмут на себя их нагрузку. Как уже было сказано, для эффективной работы приливной электростанции желателен уровень воды не менее 4 метров. А что же делать кода прилив или отлив только начинается и разница уровней воды между океаном и бассейном электростанции незначителен? Точные расчеты показали, что для более эффективной работы приливных электростанций, в конце отлива и начале прилива, капсульный агрегат должен не вырабатывать электроэнергию, а откачивать воду из водоема электростанции в океан, тем самым понижая уровень воды в водоеме и увеличивая разница уровней воды. А в конце прилива и начале отлива, он должен наоборот, закачивать воду в водоем приливной электростанции, тем самым так же увеличивая разницу уровней воды. Чем больше будет разница высот воды, тем более эффективно будет работать приливная электростанция. Обычно график работы приливной электростанции состоит из четырех циклов простоев по 1-2 часа, когда прилив только начинается или заканчивается. И четырех рабочих циклов длительностью по 4-5 часов, когда прилив или отлив уже действует в полную силу. Серьезным недостатком традиционных приливных электростанций, является их высокая стоимость. Она примерно в 2,5 раза выше, чем у гидроэлектростанций аналогичной мощности.
В последние годы некоторыми компаниями создаются новые типы приливных электростанций. Главное их отличие, это отсутствие дорогой плотины. Электрогенераторы приводят в движение не компактные турбины, а крупные лопасти диаметром 10-20 метров. Подобные электростанции больше всего напоминают ветряную электростанцию, опущенную в воду.
Рис. 8.10.2
Непостоянство в работе приливных электростанций, является их большем недостатком. Но в отличии от ветряных электростанций, график работы приливных электростанций известен заранее, что дает возможность энергетикам всегда быть готовыми для выработки дополнительных мощностей другими видами электростанций.