Приливные и волновые электростанции.

Лекция 11. Приливные и волновые электростанции. Помимо рассмотренных ранее электростанций, использующих энергию воды, существуют и другие электростанции, принцип действия которых основан на использовании гидравлической энергии. Это волновые и приливные электростанции. Вот отличии от ГЭС их работа основана на использовании не водного потока рек, а на эксплуатации колебаний водной поверхности морей и океанов. Приливные электростанции Периодические изменения уровня воды в морях и океанах, называемые приливами и отливами, происходят под действием сил притяжения в космической системе Земля — Луна — Солнце. Смена приливов и отливов наблюдается на большинстве морских побережий 4 раза в сутки. При этом амплитуда колебаний уровня моря достигает максимума (сизигия) при расположении Земли, Луны и Солнца на одной прямой, а минимума (квадратуры)—при их расположении в вершинах треугольника, образуемого этими космическими телами. Наибольшая амплитуда колебаний этих уровней, т. е. разность их максимального значения при приливах к минимального при отливах, составляет в открытом океане около 2 м. У побережий, в узких проливах, заливах и устьях рек эта амплитуда возрастает, достигая наибольшего значения до 19,6 м в заливе Фанди на атлантическом побережье Канады. В Советском Союзе максимальные амплитуды приливов наблюдаются на побережье Охотского моря до 11 м, в Мезенском заливе—10 м и на Кольском побережье —до 7,4 м. Мощность, Выработка, Другое Год Station Страна МВт млн. кВт.ч ввода (Сихвинская ПЭС) Sihwa Lake 254 550 (2165) 12,7 км South Korea 2011 Tidal Power Station ПЭС «Ля Ранс» (Rance Tidal 240 600 (2500) 0,8 км France 1966 Power Station) ПЭС Аннаполис (Annapolis 19 метров 20 50 (2500) Canada 1984 Royal Generating Station) перепад Jiangxia Tidal Power Station 3.2 China 1980 Кислогубская ПЭС 1.7 Russia 1968 Uldolmok Tidal Power Station 1.5 South Korea 2009 United Strangford Lough SeaGen 1.2 2008 Kingdom Так же, многие страны сейчас ведут проекты создания ПЭС значительно более высокой мощности. Самые крупные из них: Skerries Tidal Farm (Скерриз, Англия) мощностью 10,5 ГВт, Мезенская ПЭС мощностью 8 ГВт и Dalupiri Blue Energy Project мощностью 2200 МВт на Филлипинах. Помимо этого, одно время существовал проект строительства ПЭС в Пенжинской губе Охотского моря. Это станция могла бы быть крупнейшей в мире. Площадь ее бассейна составляет 20530 км², а перепад уровней воды от 9 до 13 метров. Это соответствует 360−530 км³ воды, что в 20−30 раз превышает расход воды в устье крупнейшей реки Земли Амазонки. Однако процесс создания ПЭС достаточно трудоемкий, хотя у ПЭС есть и ряд преимуществ перед традиционными ГЭС: достаточно низкая себестоимость электроэнергии (например, себестоимость одного кВт⋅ч ПЭС «Ля Ранс» приблизительно в 1,5 раза ниже обычной стоимости кВт·ч, произведенного на АЭС Франции (1,8 ¢⁄кВт·ч против 2,5)) и высокая степень прогнозируемости величины выдаваемой в сеть мощности. Принцип работы ПЭС. Графики изменения рассматриваемых уровней воды, называемые мареограммами, для суток имеют синусоидальный характер. Чередование максимальных и минимальных уровней моря происходит через каждые 6 ч 12 мни. Амплитуда суточных колебаний уровня моря не остается постоянной, а изменяется по дням, как это показано на рисунке, а также существенно зависит от 1 времени года. Лунный месяц составляет 29.53 сут, что соответствует продолжительности времени между двумя полнолуниями или новолуниями. Рассматриваемый подъем и спад уровнен сопровождаются изменениями течения и расхода воды от моря к побережью и обратно, что определяет гидравлическую энергию приливов и отливов. Таким образом, преобразование энергии отливов и приливов в электрическую возможно путем строительства приливных электростанций (ПЭС). Схема работы ПЭС заключается в следующем: 1. Суженный створ пролива или устья реки перегораживается путем сооружения дамбы, включающей в себя здания станции и плотины. При этом образуется бассейн, куда во время прилива вода поступает из моря, а при отливе — обратно. 2. Разность уровней воды в море и бассейне обеспечивает работу гидротурбин. При выравнивании уровней воды в бассейне и море и сокращении напора ниже минимально необходимого для работы турбин значения они останавливаются до следующего восстановления напора во время прилива или отлива. Для определения потенциальной мощности Nп, кВт, и годовой выработки энергии Эп, кВт.ч, отдельных створов, в которых возможно сооружение ПЭС, рекомендуются следующие формулы: где А — среднегодовая амплитуда прилива, м; F— площадь бассейна, км2. Технический потенциал ПЭС оценивается в 33% потенциальной энергии, так как значительная ее часть не может быть использована вследствие снижения напора и других потерь энергии. Схемы и режимы работы ПЭС. 1. Однобассейновая схема 1.1. Одностороннего действия 1.2. Двустороннего действия 2. Многобассейновая схема. В однобассейновых схемах бассейн отгорожен от моря зданием ПЭС, воспринимающим напор, и плотиной (рисунок). Режим, или цикл, ПЭС одностороннего действия заключается в следующем. После заполнения во время прилива бассейна, куда вода поступает через специальные отверстия в здании ПЭС, эти отверстия закрываются затворами. Через некоторое время, когда уровень моря снижается в результате начавшегося отлива, начинают работать турбины, пропуская воду в море из бассейна и срабатывая его вместимость. Когда напор становится ниже минимального, при котором могут работать турбины, они отключаются и после достижения необходимого напора для работы турбин цикл повторяется. Эта схема проста, не требует глубокой сработки резервуара, что важно при наличии мелководных бассейнов, по которым осуществляется судоходство, но степень использования потенциальной энергии оценивается всего лишь в 22%. При режиме двустороннего действия турбин компоновка сооружений аналогична предыдущей схеме, а цикл работы следующий (рисунок). После начала прилива затворы отключают бассейн от моря, в результате чего между обеими акваториями образуется перепад, достаточный для работы турбин, последние включаются и наполняют бассейн. После начала отлива, когда перепад уровней и напор турбин снова становятся недостаточным для их работы, 2 турбины отключаются и открываются водопроводящие отверстия для наполнения бассейна. Это продолжается до момента выравнивания уровней в море и бассейне, после чего закрываются отверстия, и станция отключается до образования требуемого перепада для работы турбин при опорожнении бассейна. Далее цикл повторяется. Использование двусторонней схемы увеличивает степень использования потенциальной энергии до 34 %. Чтобы еще сильнее увеличить эту степень, можно установить турбины. Способные работать на малых напорах. Периодическое несовпадение во времени прохождения максимума нагрузки и выработки энергии ПЭС с однобассейновой схемой затрудняет использование приливной энергии. Поэтому предложены схемы ПЭС с двумя и тремя бассейнами, которые дают возможность получать энергию непрерывно с небольшими колебаниями мощности в течение суток. Рассмотрим двухбассейновую схему: 1. – ПЭС 2. – разделительная плотина 3. – водопропускная плотина 4. – глухая плотина Работа ПЭС осуществляется следующим образом (рисунок). В момент а верхний бассейн заполнен до наибольшего уровня прилива и отключен от моря путем закрытия водопропускных отверстий в глухой плотине. Вода через ПЭС срабатывается в нижний бассейн, который также отключен от моря затворами в водопропускной плотине. В момент b, когда поднявшийся уровень нижнего бассейна выравнивается с уровнем моря, отверстия в водопропускной плотине открываются, уровень нижнего бассейна следует за снижающимся уровнем отлива и ПЭС работает на разности уровней между верхним бассейном и морем. При минимальном уровне отлива в момент с нижний бассейн снова отключается от моря и наполняется из верхнего до момента d. К тому времени, когда уровень верхнего бассейна срабатывается до уровня моря, 3 водопропускающие отверстия в глухой плотине открываются и работа ПЭС идет на транзитной воде из моря через верхний в нижний бассейн до момента а, откуда цикл повторяется снова. Двухбассейновая схема хотя и выравнивает суточную выработку энергии, но не может, как и любая другая схема, выравнивать внутримесячную неравномерность-работы ПЭС, определяемую суточными колебаниями уровней приливов и отливов. Несмотря на преимущества, в том числе и на то, что равномерная выработка энергии ПЭС не только экономит топливо, но и вытесняет мощность других станций, многобассейновые схемы имеют и ряд недостатков, в том числе более высокую строительную стоимость, чем однобассейновые схемы. Для ПЭС с однобассейновымн схемами ведутся поиски возможностей компенсирования неравномерности их работы как в суточном, так и в месячном разрезе. В качестве таких компенсаторов рассматриваются другие электростанции и, в частности, гидроаккумулирующие станции, расположенные в районе действия ПЭС. При этом ночная выработка ПЭС явится источником заряда ГАЭС. Волновые электростанции Установка, расположенная в водной среде, целью которой является получение электричества из кинетической энергии волн. Волновые электростанции являются одними из самых чистых, безотходных и безопасных источников электроэнергии. На сегодняшний день, данный вид энергии используется весьма мало, не более 1% от всего производимого электричества в мире. Хотя подсчитано, что за счет энергии океанских волн возможно получение до 10 млрд. кВт. электроэнергии. Принцип работы заключается в следующем: Для производства электроэнергии используются две основные характеристики волн: кинетической энергия и энергии поверхностного качения. Именно эти факторы и пытаются использовать при строительстве волновых электростанций. Для использования кинетической энергии волн на их пути ставится труба очень большого диаметра. Поступающие в нее волны вращают лопасти турбины, которая и приводит в движение генератор. В другом случае, поступающая вода выталкивает из замкнутого пространства трубы, находящийся там воздух. Далее выработка энергии происходит по обычному принципу. Выходящий воздух вращает лопасти турбины. Наиболее совершенные волновые электростанции для выработки электроэнергии применяют оба этих способа. При использовании энергии волнового качения, электроэнергия вырабатывается посредством расположенных на поверхности воды поплавков. Качая их, волны приводят в движение систему поплавок-генератор, что приводит в конечном итоге к выработке энергии. В большинстве проектов волновых электростанций предполагается использовать двухступенчатую схему преобразования. На первом этапе осуществляется передача энергии от волны к телу-поглотителю и решается задача концентрирования волновой энергии. На втором этапе поглощенная энергия преобразуется в вид, удобный для потребления. Существует три основных типа проектов по извлечению волновой энергии: 1. В первом используется метод повышения концентрации волновой энергии и превращения ее в потенциальную энергию воды. 2. Во втором – тело с несколькими степенями свободы находится у поверхности воды. Волновые силы, действующие на тело, передают ему часть волновой энергии. Основным недостатком такого проекта является уязвимость тела, находящегося под действием волн. 3. В третьем типе проектов, система, поглощающая энергию, находится под водой. Передача волновой энергии происходит под действием волнового давления или скорости. В ряде волновых установок для повышения эффективности плотность волновой энергии искусственно повышается. Изменяя рельеф дна в прибрежной зоне, можно сконцентрировать морские волны по­добно линзе, фокусирующей световые волны. Если сфокусировать волны с побережья длиной в несколько километров на фронте в 500 м, то высота волны может достигнуть 30 м. Попадая в специальные сооружения, вода поднимается на высоту в 100 м. Энергия поднятой воды может быть использована для работы гидроэлектростанции, распо­ложенной на уровне океана. Волновая электростанция подобного типа используется для обеспечения электроэнергией острова Маврикий, не имеющего традиционных источников энергии. 4 Ряд устройств по преобразованию волновой энергии использует различные свойства волновых движений: периодические изменения уровня водной поверхности, волнового давления или волновой скорости. Процент использования волновой энергии достигает 40 %. Электроэнергия передается на берег по кабелю. В Японии создан промышленный образец такой системы, имеющей 9 турбин общей мощностью в 2 МВт. Основные типы ВлЭС: 1. Поплавковые установки Основной рабочий орган таких установок находится на поверхности моря и совершает вертикальные колебания согласно изменяющемуся в фиксированной точке уровню моря под воздействием ветровых волн. Вертикальные перемещения поплавка с помощью различных приспособлений переводятся во вращательное движение вала генератора. 2. Плот Кокерелля (1 - колеблющаяся секция; 2 - преобразователь; 3 - тяга; 4 - шарнир.) Плот Кокерелля представляет собой плавающую по поверхности воды конструкцию, состоящую из трех шарнирно связанных между собой понтонов, при волнении принимающих очертания поверхности моря. Передний понтон 1 свободно движется вверх и вниз, подчиняясь колебаниям волн. Движения второго понтона 2 более ограничены, ибо поверхность воды под ним становится более пологой после того, как большую часть энергии волны перехватит первый понтон. Третий понтон 3 в цепочке вдвое длиннее первых двух и относительно устойчивее. Таким образом, работа плота в целом основана на относительных поворотах смежных понтонов. Каждое шарнирное крепление через два длинных шатуна и специальные рычаги соединено с поршнями гидравлических цилиндров. Движение плота заставляет поршни двигаться вперед и назад, перекачивая жидкость в изолированной замкнутой системе. Жидкость перекачивается через четыре патрубка и под низким давлением поступает из резервуара под поршень, а под высоким давлением подается с рабочей стороны поршня в трубу и далее в турбину, вал которой соединен с валом генератора. Вся конструкция плота закрепляется якорями. В случае очень длинных волн энергия на подобных ВлЭС не вырабатывается, ибо тогда все три понтона представляют собой единый поплавок и приводы в шарнирных сцеплениях неподвижны. эффективность составляет около 45 % 3. Качающаяся «утка» Солтера Утка Солтера»: а – схема преобразования энергии волны; б – вариант конструкции преобразователя; 1 – плавучая платформа; 2 – цилиндрическая опора с размещенными в ней приводами и электрогенираторами; 3 – ассиметричный поплавок. Разработка профессора Эдинбургского университета Стефана Солтера, известная под названием "утка Солтера", представляет собой (рис) преобразователь волновой энергии. Техническое название такого преобразователя - колеблющееся крыло. Форма преобразователя обеспечивает максимальное извлечение мощности. Рабочей конструкцией является поплавок ("утка"), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики. В волновом бассейне оно поглощало до 90 % падающей энергии. В проекте предусматривается монтаж большого количества крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение силой собственного веса. При этом приводятся в действие 5 насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводящая в движение турбины, установленные между поплавками и поднятые над поверхностью моря. Вырабатываемая электроэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20-30 поплавков. Нить из уток протяженностью несколько километров предполагается установить в районе с наиболее интенсивным волнением западнее Гебридских островов. Мощность всей станции будет примерно 100 МВт. Наиболее серьезными недостатками для «уток Солтера» оказались следующие: — необходимость передачи медленного колебательного движения на привод генератора; —необходимость снятия мощности с плавающего на значительной глубине устройства большой протяженности; —вследствие высокой чувствительности системы к направлению волн необходимость отслеживать изменение их направления для получения высокого КПД преобразования; —затруднения при сборке и монтаже из-за сложности формы поверхности «утки». 4. Первая волновая электростанция расположена в районе Агусадора, Португалия, на расстоянии 5 километров от берега. Она была запущена в 2008 году. Мощность данной электростанции составляет 2,25 МВт. Стоимость контракта составила 8 миллионов евро, т.е. удельная стоимость составляет порядка 4 тыс $/кВт. В электричество превращается примерно 1% энергии волнения. В дальнейшем планируется добавить к трём существующем конвертерам ещё 25, что увеличит мощность электростанции с 2,25 МВт до 21 МВт. 6