Сколько существует работоспособных объектов для приливной энергетики

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 (~10 29 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.

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.

5.3. Приливные электростанции

В приливных электростанциях (ПЭС) применяются морские плотины, которые используют изменение уровня морской воды, возникающего за счёт приливов и отливов. Приливы связаны с гравитационным воздействием Луны и в меньшей степени Солнца на моря и океаны Земли. Под влиянием притяжения Луны и Солнца происходят периодические поднятия и опускания поверхности морей и океанов – приливы и отливы. Частицы воды совершают при этом и вертикальные и горизонтальные движения. Наибольшие приливы наблюдаются в дни сизигий (новолуний и полнолуний), наименьшие (квадратурные) совпадают с первой и последней четвертями Луны. Между сизигиями и квадратурами амплитуды приливов могут изменяться в 2,7 ра- за [2]. Вследствие изменения расстояния между Луной и Землей приливообразующая сила Луны в течение месяца может изменяться на 40 %, изменение приливообразующей силы Солнца за год составляет лишь 10 %. Лунные приливы в 2,17 раза превышают по силе солнечные. Высота приливной волны в открытом океане не превышает 1 м, что явно недостаточно для энергетических целей. Однако при движении через сужающиеся проходы между островами или при подходе к побережью, имеющему специфический профиль, за счет эффекта воронки или резонансных процессов высота подъёма воды может возрасти в несколько раз. Систематические колебания уровня воды в океанах и морях во время прилива и отлива вызываются силами притяжения в космической системе Солнце–Земля–Луна. На большинстве побережий смена этого явления (прилив–отлив) наблюдается через каждые 6 ч 12 мин; в некоторых местах 130

эта величина может значительно увеличиваться, что зависит от ряда усло- вий [19]. В открытом океане амплитуда колебаний уровней не превышает 2 м. Но под деформирующим влиянием формы залива, бухты, фиорда, эстуария – устья реки на побережье, амплитуда прилива может возрасти на 10–15 м и более. Так, например, в заливе Фанди на Атлантическом побережье Северной Америки, вблизи от границы США и Канады, зарегистрированы приливы с максимальной амплитудой 19,6 м. В нашей стране наибольшие амплитуды прилива наблюдаются на Охотском море (до 11 м), в Мезенском заливе Белого моря – около 10 м и на Кольском побережье – 7,4 м. В отличие от энергии рек приливная энергия отличается большой нестабильностью в многолетнем и годичном периодах. В течение месяца амплитуды колебаний могут изменяться несколько раз. За расчетный период с достаточной точностью можно принимать так называемый синодический месяц, равный в среднем 29,53 суток – (время между двумя полнолуниями или новолуниями). Для водноэнергетических расчетов ПЭС использует хронологический график колебаний уровней моря. Мировой технический потенциал приливной энергии оценивается в 1 млрд кВт ( треть от суммарной мощности приливов 3 млрд кВт), что соответствует потенциалу почти всех рек мира и теоретически дает возможность вырабатывать 2,5…3 трлн кВт∙ч электроэнергии. В приливных электростанциях используется перепад уровней воды, образующийся во время прилива и отлива. Для этого отделяют прибрежный бассейн невысокой плотиной, которая задерживает приливную воду при отливе. Затем воду выпускают и она вращает гидротурбины. Основная идея использования приливной энергии путем строительства приливных электростанций в простейшем виде заключается в том, что в отгороженном от моря суженном его участке, называемом бассейном, во время прилива получается перепад уровней между морем и бассейном, а во время отлива создается перепад между бассейном и морем, что при достаточных напорах обеспечивает работу турбин в обоих направлениях. В остальное время агрегаты ПЭС, вследствие недостаточных напоров, должны останавливаться и энергия в систему не выдается (рис. 5.6). 131

Рис. 5.6. Схема роторной электростанции на приливном течении С учетом вынужденных остановок ПЭС, вызванных падением напоров, а также многих других факторов, технически возможно использовать лишь около 1 /з потенциальной энергии. Благоприятные топографические условия в сочетании с большими амплитудами встречаются нечасто, а поэтому и мест для сооружения эффективных ПЭС не так уж много. В некоторых условиях более эффективными оказываются ПЭС с двумя, тремя и более бассейнами, со сложными циклами работы, с установкой не обычных турбин, а насосо-турбин двухстороннего действия. За период около 50 лет в ряде стран разрабатывалось значительное количество проектов ПЭС. Многие из них неоднократно пересматривались и уточнения продолжаются до сих пор [2]. Одной из ПЭС, наиболее успешно и длительно работающих, является французская электростанция «Ране» со следующими характеристиками: средняя высота прилива – 8,4 м; площадь бассейна – 22 км 2 . Эта первая в мире крупная ПЭС была введена в действие в 1967 г. в устье реки Ране (Франция). Она имела мощность 240 МВт и состояла из 24 капсульных агрегатов по 10 МВт (рис. 5.7). В год здесь вырабатывается 544 млн кВт∙ч, удельные капиталовложения составили 1000 долл. США/кВт, что в 2…2,5 раза выше стоимости ГЭС аналогичной мощности. Однако эксплуатационные расходы здесь в 2 раза ниже, чем на ГЭС, поэтому вырабатываемая на ПЭС энергия одна из самых дешевых во Франции. В Канаде 1983 г введена в эксплуатацию ПЭС «Анаполис» мощностью 20 МВт, годовая выработка электроэнергии 54 млн кВт∙ч, удельные капиталовложения превышают 2000 долл. США/кВт. В Китае в 1959 г. на побережье Южно-Китайского моря введена в эксплуатацию опытная ПЭС мощностью 40 кВт, позднее доведенная до 200 кВт. Там же в в 1970 г. введена вторая станция (три агрегата по 55 кВт). В 1981 г. на побережье Восточно-Китайского моря введена в дей- 132

ствие ПЭС «Джангсия» с одним агрегатом мощностью 500 кВт, в 1986 г. мощность станции увеличена до 3,9 МВт. В настоящее время в США, Канаде, Великобритании и Индии (всего в 13 странах) разрабатываются проекты крупных ПЭС, мощностью от сотен до тыс МВт. В России в эксплуатации пока находится отечественная экспериментальная Кислогубская ПЭС мощностью 1,2 МВт (три агрегата по 400 кВт), построенная в 1968 г. на Кольском полуострове вблизи г. Мурманска с годовой выработкой электроэнергии 3,9 млн кВт∙ч. В нашей стране ведутся проектные разработки по Лумбовской ПЭС на Кольском полуострове с выработкой энергии 800 млн кВт∙ч при мощности 320 МВт. Изучаются возможности строительства в перспективе крупных ПЭС, например, Мезенской ПЭС на побережье Белого моря мощностью 15,2 МВт (41млрд кВт∙ч), двух ПЭС на побережье Охотского моря – Тугурской и Пенжинской (8…31 МВт). При проектировании и строительстве ПЭС возникает много вопросов, которые требуют еще разрешения путем проведения больших научноисследовательских работ, апробирования их в натурных условиях. К таким вопросам, в частности, относятся [19]: – меры борьбы с весьма вредными явлениями коррозии бетона и металлических конструкций под воздействием агрессивной морской воды; – мероприятия по защите сооружений от волновых динамических воздействий и морских течений, борьба с наносами; – трудности обеспечения устойчивости грунтов у водопропускных сооружений при переменном движении воды в двух противоположных направлениях; – способы борьбы с живыми организмами, особенно с моллюсками и т. п. 133

Рис. 5.7. Схематический план расположения ПЭС Ране и ПЭС Шозе (Франция) Наиболее характерными для установки на ПЭС следует считать следующие три типа осевых обратимых гидромашин (насосотурбин) с пово- ротно-лопастными или пропеллерными рабочими колесами: 1) к а п с у л ь н ы е, иначе называемые также моноблочными, синхронная электрическая машина которых размещена в капсуле, омываемой водой проточного тракта насосотурбины; 2) т р у б ч а т ы е, или прямоточные, с вынесенной вне потока электромашиной и валом агрегата, обычно наклоненным на угол 10 –12°; 3) б е з в а л ь н ы е, или прямоточные, с кольцевой электромашиной, ротор которой размещен на ободе рабочего колеса насосотурбины и изолирован от проточного тракта специальными уплотнениями. На ПЭС устанавливают капсульные гидроагрегаты, которые могут использоваться с относительно высоким КПД в генераторном (прямом и обратном) и насосном (прямом и обратном0 режимах, а также в качестве водопропускного отверстия. Несмотря на то, что два последние типа обратимых гидромашин еще только находятся в стадии разработки, американские и английские специалисты считают их более перспективными для установки на ПЭС, чем капсульные, основными недостатками которых являются сложность монтажа и эксплуатации, в частности, вследствие трудности охлаждения, а также малый маховой момент, который ухудшает условия работы ПЭС в энергосистеме. Для уменьшения габаритов электромашины иногда применяют установку мультипликатора числа оборотов, что позволяет увеличить скорость 134

ее вращения, но снижает КПД агрегата на 1–2 %. Поэтому применение мультипликатора допустимо только при небольшой мощности, например, в условиях Кислогубской ПЭС он повышает число оборотов с 72 до 600 в минуту. Пока наиболее крупные капсульные агрегаты установлены на ПЭС Ране, они имеют мощность 10 МВт пропускная способность в турбинном режиме Q Т = 260 м 3 /с и в насосном – Q Н = 225 м 3 /с. Опытный агрегат Кислогубской ПЭС при Н р = 1,3 м, D = 3,3 м и Q T = 50 м 3 /с, развивает N a = 400 кВт. Пропускная способность его в насосном режиме Q H = 28 м 3 /с. Увеличение единичной мощности горизонтальных агрегатов свыше 50–60 МВт в обозримой перспективе вряд ли будет иметь место, так как требует применения громоздких в транспортном и монтажном отношении рабочих колес диаметром 9–10 м и более. Поэтому число агрегатов на мощных ПЭС неизбежно измеряется десятками и сотнями. К обратимым агрегатам ПЭС предъявляются требования в соответствии с режимом их работы в зависимости от примененной схемы данной установки (одно-, двухили многобассейная). Обычно на ПЭС устанавливаются насосотурбины двустороннего действия, которые могут работать в турбинном режиме как при движении воды из бассейна в море, так и в обратном направлении. Для ускорения процесса наполнения и опорожнения бассейна может, соответственно, потребоваться работа агрегатов и в насосных режимах Таким образом, в определенных условиях необходимо, чтобы обратимые агрегаты обеспечивали работу в четырех различных режимах: в прямом и обратном турбинном и в прямом и обратном насосном. Поскольку перекачка воды агрегатами в насосном режиме происходит при малых перепадах уровней, а работа в турбинном режиме при значительно больших напорах, то КПД насосного аккумулирования энергии на ПЭС оказывается больше единицы. ПЭС проектируются с одним, двумя, тремя и более бассейнами и работой агрегатов только в одном или в обоих направлениях, т. е. как при движении воды из бассейна в море, так и из моря в бассейн. В определенных условиях наиболее эффективной оказывается однобассейная схема ПЭС двустороннего действия, примененная на действующей ПЭС Ране. При этой схеме в выбранном створе строится здание ПЭС, оборудованное обратимыми агрегатами двустороннего действия, и водосбросная плотина, ускоряющая процесс наполнения и опорожнения бассейна. Если эти сооружения не перекрывают створ, то строится также глухая земляная плотина. В состав гидроузла ПЭС может входить судопропускное устройство (большей частью шлюз), распределительное устройство и другие сооружения, обеспечивающие нормальную эксплуатацию ПЭС. Выделяется шесть характерных циклов работы однобассейной ПЭС 135

двустороннего действия. Условно начнем с периода, когда после прилива бассейн наполнился [19]: – агрегаты работают в прямом турбинном режиме с пропуском расходов воды из бассейна в море и выдают энергию в систему до тех пор, пока рабочий напор бывает больше или равен минимальному напору, при котором агрегат может вырабатывать энергию; – в начале этого цикла основной задачей является скорейшее опорожнение бассейна, для чего открываются водопропускные отверстия плотины и агрегаты используются как холостые водосбросы, а при дальнейшем снижении перепада – как насосы для откачки воды из бассейна в море до момента, пока это экономически будет оправдано; – бассейн опорожнен, отверстия плотины закрыты затворами, но прилив еще не создал достаточных напоров для обратного турбинного режима с движением воды от моря к бассейну, поэтому агрегаты не работают; – после достижения достаточного перепада уровней и воды из моря в бассейн агрегаты начинают работать в обратном турбинном режиме; – основная задача пятого цикла, подобного второму, – скорее наполнить бассейн из моря, для чего отверстия плотины открываются и агрегаты используются как холостые водосбросы, а затем как насосы. В конце цикла затворы плотины закрыты, агрегаты остановлены . Агрегаты не работают, ожидается получение достаточных напоров за счет отлива для перехода к работе в прямом турбинном режиме. Таким образом, эта однобассейная схема ПЭС двустороннего действия может обеспечить выдачу энергии в систему в течение двух циклов из шести, два цикла энергия потребляется, а остальные два цикла являются холостыми (периодами ожидания достаточных напоров). На ПЭС Ране, например, работа в прямом турбинном режиме с учетом насосного аккумулирования энергии обеспечивает выработку энергии 537 ГВт∙ч (537 млн кВт∙ч) и в обратном турбинном – 71,5 ГВт∙ч (71,5 млн кВт∙ч). За вычетом затрат энергии на насосные режимы – 64,5 ГВт∙ч (64,5 млн кВт∙ч) выдача энергии в систему составляет 540 ГВт∙ч (540 млн кВт∙ч). Однобассейные установки двустороннего действия, подобные Кислогубской ПЭС, при соответствующем регулировании напоров могут обеспечить ежедневную работу в пиковой части графика нагрузки энергосистемы, но количество вырабатываемой ими энергии уменьшается примерно в 1,5 раза. В зависимости от местных условий и поставленных задач могут быть применены разнообразные схемы ПЭС одно – и двустороннего действия с двумя, тремя и более бассейнами, соединенными между собой, которые позволяют приспосабливать работу ПЭС к требованиям энергосистемы. Приливные электростанции по сравнению с другими источниками энергии обладают как преимуществами, так и недостатками. 136

К числу преимуществ можно отнести следующие: 1. Энергетические: – энергия возобновляемая; – неизменная выработка энергии в месячном (сезонном и многолетнем) периодах за весь срок эксплуатации; – устойчивая работа в энергосистемах как в базовом режиме, так и в пике графика нагрузок; – нет зависимости от уровня выпадаемых в году осадков; – стоимость энергии самая низкая по сравнению со всеми другими типами электростанций, что доказано 33-летней эксплуатацией промышленной ПЭС Ране в центре Европы в энергосистеме Electricite de France. Так, по данным Electricite de France за 2005 год стоимость 1 кВт∙ч электроэнергии (в сантимах) составляла: ПЭС – 18,5; ГЭС – 22,61; ТЭС – 34,2 и АЭС – 26,15 о. е. По российским данным, полученным в тот же период, стоимость одного кВт∙ч Тугурской ПЭС (Охотское море) составила 2,4 коп., в то время как у проектируемой Амгуенской АЭС (Чукотка) она равнялась 8,7 коп. 2. Экологические: – отсутствует выброс вредных газов, в том числе и создающих парниковый эффект в атмосфере, а также золы, радиоактивных и тепловых отходов; – отсутствуют проблемы, связанные с добычей, транспортированием, переработкой, сжиганием и складированием топлива, отрицательно влияющие на окружающую среду; – натуральные испытания на Кислогубской ПЭС не обнаружили погибшей рыбы или её повреждений; – на ПЭС гибнет всего 5–10 % планктона (на ГЭС 83– 99 %), являющегося основной кормовой базой рыбного стада; – снижение солености воды в бассейне ПЭС, определяющее экологическое состояние морской фауны, составляет 0,05–0,07 %, т. е. практически неощутимо; – ледовый режим в бассейне ПЭС смягчается, исчезают торосы и предпосылки к их образованию, отсутствует силовое воздействие льда на сооружение; – размыв дна и движение наносов полностью останавливаются в течение первых двух лет эксплуатации; – прогрессивный наплавной способ строительства даёт возможность не возводить в створах ПЭС временные крупные строительные базы и сооружать перемычки, что способствует сохранению окружающей среды в районе ПЭС; – климатические условия на примыкающих к ПЭС территориях, как правило, улучшаются; – побережье защищается от отрицательных воздействий штормов. 137

3. Социальные: – нет опасности затопления земель и прорыва волны в нижний бьеф (в отличие от ГЭС); – влияние на ПЭС катастрофических природных и социальных явлений (землетрясения, наводнения, военные действия, терроризм) не угрожают населению в примыкающих к ПЭС районах; – улучшение транспортной системы района, включая возможность строительства дороги на дамбе; – возможности расширения туризма. Наряду с перечисленными преимуществами ПЭС имеют и ряд недостатков, в том числе: – несовпадение основных периодов возникновения приливов (12 ч 25 мин и 24 ч 50 мин) с привычным для человека периодом солнечных суток (24 ч); в связи с чем возникает сдвиг по фазе между оптимальными генерацией и потреблением энергии; – изменение высоты прилива с периодом две недели, что приводит к колебаниям мощности ПЭС; – большие расходы воды при относительно низких напорах приводят к необходимости использования большого количества турбин, работающих при относительно низком КПД. Оптимальные режимы работы ПЭС зависят от условий её использования. Если станция предназначена для удовлетворения местных потребностей, то необходимы вспомогательные источники энергии, используемые при уменьшении мощности ПЭС. Если станция является относительно небольшим элементом, питающим энергией внешнюю электросеть, то заранее известные вариации мощности ПЭС могут быть согласованы с этой сетью. Наконец, могут быть варианты, когда выработка энергии на ПЭС не связана со временем суток (зарядка аккумуляторов, получение водорода и т. п.). Экономически наиболее выгодными являются крупномасштабные ПЭС (мощность порядка 1000 МВт), однако для снабжения энергией удаленных районов может оказаться оправданным и создание более мелких станций. Общая мощность океанских приливов на нашей планете составляет около 3000 ГВт, из которых на долю районов, где принципиально возможно строительство ПЭС, приходится 1000 ГВт. Создание ПЭС в 20 самых перспективных районах, разбросанных по всей Земле, могут обеспечить выработку электроэнергии суммарной мощностью порядка 120 ГВт. Использование приливной энергии ограничено главным образом высокой стоимостью сооружения ПЭС. Так, стоимость электростанции в ПЭС Ране почти в 2,5 раза выше обычной речной ГЭС той же мощности. В целях снижения стоимости в СССР впервые в мировой практике при стро- 138

ительстве Кислогубской ПЭС был предложен и успешно осуществлен так называемый наплавной способ, применяющийся в морском гидротехническом строительстве (тоннели, доки, дамбы и другие сооружения). Сущность метода состоит в том, что строительство и монтаж объекта производятся в благоприятных условиях приморского промышленного центра, а затем в собранном виде объект буксируется по воде к месту его установки. Опыт работы Кислогубской ПЭС и станции в Ране позволил приступить к проектированию Мезенской ПЭС в Белом море, Пенжинской и Тугурской ПЭС в Охотском море (табл. 5.1). Обычно на ПЭС устанавливают капсульные гидроагрегаты, которые могут использоваться с относительно высоким КПД в генераторном (прямом и обратном) и насосном (прямом и обратном) режимах, а также в качестве водопропускного отверстия. В периоды, когда малая нагрузка энергосистемы совпадает по времени с «малой» или «полной» водой в море, гидроагрегаты ПЭС либо отключены, либо работают в насосном режиме – подкачивают воду в бассейн выше уровня прилива (или откачивают ниже уровня отлива), тем самым аккумулируя энергию до того момента, когда в энергосистеме возникает пик нагрузки.

Параметры Российских ПЭС			Таблица 5.1
Параметры Российских ПЭС			Средняя вы-	Площадь бас-	Средняя	Годовая вы-
Месторасположение	сота прилива,	сейна, км 2	мощность,	работка ГВт∙ч
м	ГВт
Мезенский залив	6,0	2330	15,2	50,0
Пенжинская губа	6,2	20530	87,4	190,0
Тугурский залив	4,7	1800	10,3	27,6

Энергетический потенциал заливов приливных морей обычно оценивают максимальной потенциальной энергией массы воды, поднимающейся в заливе во время прилива над минимальным уровнем воды, соответствующем периоду отлива. Такая оценка имеет мало общего с реальными оценками максимальной возможной мощности и выработки приливной электростанции, так как для использования энергии прилива необходимо создать препятствие на пути приливного потока. Такое препятствие может быть в форме здания электростанции и плотины, перегораживающий пролив между бассейном и морем, как на действующих ПЭС во Франции, Канаде, России и Китае. Препятствие может иметь форму гидроэнергетических агрегатов того или иного вида, свободно размещаемых в проливе без плотины или при наличии береговых дамб, сужающих пролив до оптимальных размеров. Такая схема, предложенная Лятхером. В. М. в 1985 г. [25], осуществляется на Myongyang Channel (Корея) с использованием геликоидных ортогональных 139

турбин. Во всех случаях возникает вопрос о максимальной мощности и максимальной выработке энергии, которую можно получить в заданных условиях. Очевидно, при очень большом внесенном сопротивлении (глухая плотина) расход воды будет минимальным и, несмотря на максимальный напор, мощность будет близка к нулю. Напротив, при отсутствии сопротивления перепад будет равен нулю и, несмотря, на максимальный расход, мощность будет равна нулю . Рассмотрим случай, когда бассейн не является проточным, т. е. сообщается с морем только через один пролив. Относительное время использования установленной (максимальной) мощности ПЭС t MAX = 0,388 о.е. или – 3400 ч в году. Все проекты с традиционной компоновкой предусматривают строительство напорного фронта ПЭС, отсекающего бассейн ПЭС от моря. Наличие такого фронта изменяет экологическую ситуацию в бассейне. Напоры на ПЭС невелики, традиционное гидроэнергетическое оборудование получается затратным, а выработка – относительно малой. Это определяет высокие удельные капитальные вложения на единицу установленной мощности и относительно высокую себестоимость энергии. Предлагается иной подход к проектированию ПЭС, свободный от указанных недостатков. В предложении [25] ПЭС состоит из гидроагрегатов, преобразующих энергию приливно-отливного течения. Такие гидроагрегаты устанавливаются в проливе, соединяющем бассейн с морем, там, где скорости течения достаточно велики. Агрегаты могут быть оснащены ортогональными турбинами. Еще большие возможности открывает новый тип ортогональных гидроагрегатов, запатентованный В. М. Лятхером. Эти безредукторные агрегаты, снабженные линейными генераторами, могут иметь высокую мощность в одном агрегате и низкие удельные затраты на единицу мощности и выработки. Оптимальные скорости течений для предлагаемых агрегатов – от 2 до 4 м/с. Если в природных условиях такие скорости не достигаются, возможно предварительное или последующее сужение пролива береговыми дамбами или донной отсыпкой. Выбор установленной мощности ПЭС – техникоэкономическая задача. Особенность предложения автора состоит в том, что мощность ПЭС может быть любой, соответствующей финансовым возможностям инвестора, но меньшей определенного выше предельного значения, соответствующего заданным гидрологическими и топографическими условиями. Предлагаемые агрегаты могут изготавливаться в сухих доках промышленно развитых центров и транспортироваться в полностью или частично собранном виде на плаву к месту установки. Целесообразная мощность одного агрегата – от 2 до 75 МВт. В тех случаях, когда предлагаемые наплавные гидроагрегаты, устанавливаемые в один ряд поперек пролива, не обеспечивают оптимальное значение необходимых параметров и не дают возможности получить наибольшую энергоотдачу от осваиваемого бассейна, турбины следует устанавливать в 140

проливе в несколько рядов, расположенных друг от друга на расстоянии, достаточном для восстановления нормального поля скоростей. Такое решение полезно и для сохранения экологической чистоты объекта. Сравнительно медленно движущиеся лопасти турбин, поставленные в машинах достаточно редко, не опасны для рыбы, но наличие между рядами турбин зон спокойного течения может быть полезно для отдыха рыбы и не требует дополнительных материальных затрат. Предлагаемое решение может быть применено для любых бассейнов. Например, для залива Кобекунд (Канада), площадь зеркала которого составляет 264 км 2 , средняя высота приливов после создания ПЭС – 11,8 м, ширина пролива между мысами Экономии и Тенни – 8 км, глубина (максимальная) 42 м. Максимальная скорость потока в естественных условиях ~ 0,75 м/с. Если уменьшить ширину канала до 2 км и установить турбины в 12 рядов, то возможная мощность ПЭС приближается к ее максимальному значению, равному Р мах = 163 х 264 х 11,82 = 6000 МВт, годовая выработка составит ~ 20 000 ГВт ∙ч. В канадском проекте 1982 г. мощность ПЭС в традиционной компоновке была определена как 4028 МВт, выработка – как 12 260 ГВт ∙ ч. Предлагаемые гидроагрегаты при скорости потока 3 м/с и габаритах 48 х 24 м 2 могут иметь мощность ~ 8 МВт каждый. В одном ряду можно установить 60 – 70 таких машин. Их общая мощность составит 5760 – 6720 МВт. Рассмотрим случай проточного бассейна (канала), уровни, на концах которого заданы так, что течение в канале определяется перепадом уровней на его концах, не зависящим от режима течения в канале. Такая ситуация имеет место, например, на Муоngyang Channel (Корея). Этот канал имеет длину 30 км и среднюю ширину 10 км при глубине 10 м в момент самого низкого уровня воды. На расстоянии 15 км от южного конца канала есть сужение до 2,5 км с углублением до 17 м. Западный конец канала имеет ширину 2,5 км при максимальной глубине в эстуарии ~30 м. В 5 км от западного конца канала имеется прямой узкий участок длиной 1 км, шириной 0,5 км и площадью сечения 8500 м 2 . В западной части канала, в районе существующего моста Chindo, ширина канала уменьшается до 310 м на длине 100 м. Здесь площадь его сечения составляет 5600 м 2 , что соответствует средней глубине 18 м при низкой воде. Высота приливно-отливных колебаний уровня воды в канале достига- ет Z max – Z min = 3 м. В южном конце канала максимальный уровень наблюдается на 2 ч раньше, чем на западном. Это вызывает перепад уровней до 2 м и максимальную скорость на прямом участке узкого канала до 5,5 м/с. На остальной части канала скорости течения не превышают 1,5 м/с, в южной части канала – < 1 м/с. Максимальная мощность, которая может быть взята у потока в канале, не зависит от типа применяемых гидроагрегатов. 141

Фактическая максимальная мощность электростанции будет заметно меньше за счет неизбежных гидравлических, механических и электрических потерь в агрегатах. Без учета механических и электрических потерь при оптимальном использовании геликоидных турбин наиболее эффективно применение конструкций A.M. Горлова, имеющих коэффициент мощности в свободном потоке С р = 0,35. Оценка доступной для преобразования и использования энергии приливов не может быть основана на статических расчетах веса и высоты подъема воды в бассейне ПЭС в естественных условиях. Преобразование (использование) энергии прилива обязательно должно вызвать изменение режима прилива в бассейне ПЭС, которое должно учитываться при оценках энергетического потенциала. Конкретные результаты оценок могут зависеть от схемы использования энергии приливов. Наиболее перспективной схемой представляется преобразование энергии приливных течений, когда максимальные скорости этих течений достаточно велики (от 2 до 4 м/с). Для двух предельных схем, когда бассейны ПЭС имеют замкнутую форму с узким проливом, или напротив, форму канала, соединяющего два моря с независимыми режимами прилива, получены точные соотношения, определяющие возможную максимальную мощность и максимальную выработку приливныхэлектростанций. Число часов использования этой мощности, определяющее среднегодовую выработку энергии станции, может достигать 3400 ч/год. В расчетах максимальной мощности следует учитывать максимальную высоту приливов, а в расчетах выработки – среднюю или среднеквадратичную высоту приливов. Именно этой средней мощности соответствует указанное число часов использования. Во многих случаях при правильном полусуточном приливе и использовании бассейна ПЭС с максимальной энергоотдачей средняя мощность составляет 0,5–0,6 от максимальной. При расположении ПЭС на проточном канале, перепад уровней на котором является заданным параметром, максимальная мощность электростанции не может превышать 2/3 от максимальной мощности потока в исходных (природных) условиях. ПЭС целесообразно проектировать, ориентируясь на использование энергии приливных течений с применением современных оптимизированных ортогональных гидроагрегатов, без полного отсечения приливных бассейнов, с экономически оптимальным объемом первоначальных инвестиций. 142

Приливные электростанции (ПЭС) в России и мире: принцип работы

Приливные электростанции (ПЭС) – особый вид гидроэлектростанций, работающих за счет энергии, возникающей при приливах. Возникновение энергии основано на глобальных естественных процессах, связанных со сменой гравитационного воздействия Луны и Солнца. Такой способ получения электроэнергии мало распространен в мире и до недавнего времени рассматривался как экспериментальный. В последние годы произошел небольшой скачек, связанный с открытием нескольких приливных электростанций.

Места строительства ПЭС

При возникновении прилива уровень воды повышается на несколько метров, максимальное повышение на Земле – 18 метров. Приливные электростанции строятся в местах самого высокого повышения уровня моря. Большинство действующих ПЭС построено в местах, где вода поднимается не менее чем на 10 метров. Таких мест на Земле несколько:

Волновая электростанция

Бухта Фанди (Канада) – самые высокие приливы на Земле (15-18 метров);
Побережье Бретани у города Сан-Мело (Франция) – самые высокие приливы Европы (до 14 метров);
Пенжинская губа (Россия) – самые высокие приливы на тихоокеанском побережье (до 13 метров);
Побережье Баренцева моря (Россия и Норвегия) – до 10 метров.

Виды приливных электростанций

ПЭС отличаются друг от друга по типу устройства и выработки энергии, несмотря на общее небольшое число таких станций в мире. В зависимости от типа станции она располагается прямо в бухте или вдоль береговой линии. В бухтах или на открытой воде устанавливаются мощные турбины. При расположении вдоль берега используются турбины с малой мощностью. На основании этих характеристик выделяется 4 типа электростанций:

приливно-отливные;
лагунные;
динамические;
генераторы приливного потока.

Приливно-отливные

Принцип действия приливно-отливных электростанций заключается в последовательном прохождении воды через турбины: сначала при приливе, затем – при отливе.

Приливная электростанция

При подъеме уровня воды образуется потенциальная энергия, которая удерживается с помощью заградительных ворот до отлива. При снижении уровня воды под напором происходит вращение турбин, что приводит к преобразованию потенциальной энергии в кинетическую и выработке электрического тока. ПЭС такого типа наиболее похожи на обычные гидроэлектростанции, где выработка энергии происходит от вращающихся турбин под напором водяного потока. Единственная в России ПЭС работает по приливно-отливному принципу, это старейший способ выработки энергии от приливов.

По типу лагуны

Похожи по принципу работы электростанции по типу лагуны. Для них подготавливается искусственное водохранилище, в которое должна поступать вода при отливе. Такие электростанции способны решить проблему по поиску места для размещения гидроагрегатов путем искусственного создания подходящих условий. В остальном принцип выработки электроэнергии такой же, как у приливно-отливных электростанций: вода накапливается, а затем при снижении уровня вращает турбины и производит энергию. Ни одной такой ПЭС в мире построено не было: в Уэльсе отменили строительство единственной запланированной.

Динамические

В местах с небольшими колебаниями уровня моря во время приливов и отливов строятся динамические электростанции. Это вытянутые на десятки километров вдоль береговой линии конструкции, в которых равномерно размещаются турбины малой мощности. Протяженность таких электростанций составляет более 10 километров. В остальном принцип выработки энергии такой же, как у приливно-отливных станций: преобразование потенциальной энергии в кинетическую при снижении уровня воды.

Генераторы приливного потока

Конструкция генераторов приливного потока похожа на ветрогенераторы, а принцип работы – на работу гидроэлектростанций. Это лопасти, устанавливаемые в воде, которые вращаются и вырабатывают энергию при изменении ее уровня. Такие генераторы могут устанавливаться в местах приливного потока, а также там, где поток регулярный: в реках, каналах. Распространенные места для размещения: опоры мостов и других гидросооружений. Величина выработки энергии у таких генераторов в несколько раз выше, чем у аналогичных ветряных.

Устройство и принцип работы

Большинство ПЭС состоят из двух основных частей:

турбины, вырабатывающие энергию;
водохранилище, где накапливается масса воды.

Волна в океане

У генераторов приливного тока отсутствует накопительная часть, поэтому величина выработки в среднем на одну турбину ниже.

Природа образования приливов и отливов основана на взаимодействии Земли и Луны. При взаимном вращении изменяется уровень гравитации, что приводит к движению водных масс. Работа приливных электростанций основана на создании напора воды из накопленной массы воды. Вода формирует в водохранилище потенциальную энергию, а с помощью удержания затворами она накапливается. При отливе уровень снижается и поток начинает двигаться, образуя кинетическую энергию и вращая турбины. Работа состоит из 4 циклов: по приливу и отливу в течение 12 часов, а также время простоя.

Существующие приливные электростанции

В строительстве приливных электростанций выделяется несколько периодов:

Появление первых двух ПЭС в 1960-х.
Дополнение еще двумя ПЭС в 1980-х.
Массовое (относительно предыдущих периодов) строительство, начиная с конца 2000-х.

Первая станция такого типа «Ля Ранс» была построена во Франции в 1966 году, спустя 2 года была открыта ПЭС в СССР.

В 80-х по станции построили в Канаде и Китае, с конца 2000-х список стран значительно расширился. К действующему списку добавились: Норвегия, Республика Корея, Нидерланды, Великобритания. В планах или в стадии строительства находятся 12 приливных электростанций, из новых стран – Индия.

В России

Вода в океане

В 1968 году в СССР была введена в эксплуатацию Кислогубская приливная электростанция. С тех пор она единственная среди действующих ПЭС в России. Расположена она на Кислой губе в Мурманской области на берегу Баренцева моря. Вырабатываемая мощность Кислогубской ПЭС составляет всего 1,7 МВт, что в десятки раз ниже обычной тепловой электростанции. Это связано с низкой высотой приливов, которая составляет примерно 5 метров. С момента открытия станция используется в качестве экспериментальной базы по исследованиям в сфере извлечения энергии из приливной силы.

На основании опыта эксплуатации и действующих разработок в России запланированы новые приливные электростанции. Некоторые проекты разработали еще в советское время, другие – недавно в российское.

Список запланированных ПЭС в России:

Северная (Мурманская область, недалеко от Кислогубской), мощность 12 МВт;
Мезенская (Архангельская область), 8-24 ГВт;
Пенжинская (Магаданская область, Камчатский край), 87-120 ГВт;
Тугурская (Хабаровский край), 3,6 ГВт.

По планам новые российские ПЭС должны были бы вырабатывать в тысячи раз больше электроэнергии, но в итоге проекты не реализовались.

В мире

Приливная электростанция

Современными лидерами в открытии и строительстве новых приливных электростанций являются две страны: Великобритания и Республика Корея. До 2011 года первая в мире построенная ПЭС была одновременно и самой мощной – это французская «Ля Ранс». Ее мощность составляет 240 МВт, но в 2011 году в Корее открыли станцию мощностью 254 МВт – Сихвинскую ПЭС. Это динамическая приливная электростанция, растянувшаяся более чем на 12 километров вдоль берега. На стадии строительства в Корее еще 2 более мощные станции: на 800-1300 МВт, 520 МВт. В Великобритании планируется открытие 2 станций: на 400 МВт и 8,6 ГВт.

В остальных странах мира ПЭС имеют экспериментальный характер и вырабатывают минимум энергии. Среди таких стран: Канада (20 МВт), Китай (3,2 МВт), Нидерланды (1,2 МВт), Индия (план на 50 МВт), Норвегия (на несколько лет открывалась станция на 0,3 МВт

Плюсы и минусы данных электростанций

Приливные электростанции дороже в эксплуатации, чем обычные ГЭС. К этому прибавляется то, что ПЭС строятся в труднодоступных и удаленных местах, что еще сильнее влияет на экономический фактор. Низкий уровень выработки электроэнергии: например, самая мощная в мире ПЭС производит эквивалентную мощность, как и обычная ТЭЦ. Дополнительный отрицательный фактор, который невозможно устранить – цикличность работы, связанная с природой приливов и отливов.

Преимущество ПЭС заключается в практически полном отсутствии негативного влияния на экосистему.

Приливные станции внедряются с минимальным ущербом для природы, не приводят к изменениям жизнедеятельности морских организмов. Приливная энергия – возобновляемый источник, что спровоцировало небольшой рост в использовании этого вида выработки электроэнергии.

Приливная электростанция в России: что это и как работает ПЭС, плюсы и минусы

Блог об энергетике

Первые приливные электростанции появились в СССР. Экспериментальная установка была возведена в 1968 году, когда ученым удалось сдержать стихию. Таким образом, они показали, что в будущем энергетический сектор получит новые возможности и источники. К тому же они ослабят негативное воздействие на окружающую среду.

в каком регионе России построена приливная электростанция?

Приливная электростанция в России оказалась начальным этапом в развитии глобального направления проектных исследований. С их помощью можно было категорически изменить принцип работы турбин, значительно увеличив мощность. Раньше даже колоссальный перепад уровней давал небольшой приток энергии, но теперь это возможно максимально эффективно.

Причины малой распространенности приливных станций

ПЭУ — экологичное и неопасное сооружение. Поскольку он производит электричество, прибрежные районы должны быть плотно застроены дамбами. Однако их можно пересчитать по пальцам. Причина тому — экономическая составляющая.

Строительство плотины — ключевое мероприятие. Это требует значительных вложений. Современные строительные материалы снижают затраты, но тогда плотина требует ухода и ухода. Стоит в 1,5 раза дороже обычных гидроэлектростанций. В то же время количество вырабатываемой энергии также меньше. Однако не стоит забывать об ущербе, нанесенном рыболовству и окружающей среде при эксплуатации гидроэлектростанций.

На сегодняшний день действуют 10 приливных станций. Они различаются по количеству производимой энергии, но уже сейчас можно судить о тенденции развития ПЭУ.

Принцип работы приливной электростанции

Приливная электростанция — это комплекс инженерных разработок, в процессе работы которых кинетическая энергия преобразуется в электрический ток. Предсказуемость выделена как основная положительная сторона. Легче сделать предварительные расчеты движения водных масс, чем понять движение и силу ветра или активность солнца.

Для приливных и отливных электростанций строится плотина, которая отделяет море от прибрежной зоны, образуя бассейны. Затем в него устанавливают водяные турбины, преобразующие кинетическую энергию перевода воды во вращательную. Кроме того, тушатся резервные поля, направленные на повышение коэффициента использования.

Во время прилива вода проходит через турбину, запуская процесс. После начала отлива дополнительная накопленная масса воды течет через водяную турбину в обратном направлении. Увеличение объема воды дает больше энергии.

Устройство

Приливная электростанция по своей конструкции может быть без дамб и дамб. Плотинные электростанции во многом похожи на традиционные гидроэлектростанции. Плотинные электростанции предусматривают ограждение морского участка дамбой. Проект плотины включает воздуховоды, в которых установлены турбины.

также возможно, что плотина закрывает существующий залив или устье. В большинстве случаев, в отличие от обычных гидроэлектростанций, здесь устанавливают реверсивные гидрогенераторы. То есть такие установки предназначены для выработки электроэнергии как во время прилива, так и во время отлива, то есть когда вода движется в прямом и обратном направлениях.

В электростанциях без плотины гидроагрегаты планируется установить на дне морского пролива, где благодаря приливам и отливам можно получить достаточно сильные и быстроходные течения. Примером электростанции без плотины является электростанция, построенная недалеко от американского острова Рузвельт. К их достоинствам можно отнести экономичность конструкции, к недостаткам — малая мощность и ограниченное количество мест, где они могли бы быть установлены.

Лучшим местом для строительства электростанций считается узкий морской пролив, это обстоятельство позволяет отрезать его от океана дамбой. В дамбе есть дыры, в которых установлены гидротурбины с генераторами. Эти элементы находятся в аэродинамической капсуле. Они могут функционировать не только как генераторы электроэнергии, но и как насосные агрегаты. Это свойство позволяет наполнять бассейн во время прилива и сливать воду во время отлива, пропуская ее через турбины и вырабатывая электричество.

Режим действия ПЭС

Функционирование приливных и отливных электростанций носит циклический характер. Это связано с периодами приливов и отливов продолжительностью 4-5 часов. В это время преобразуется основная электроэнергия. Между циклами есть периоды отдыха — 1-2 часа. На этот раз он отличается низким энергопотреблением. В течение дня 4 повторения цикла. Для строительства завода берутся участки, где фиксируются максимальные перепады уровня воды.