Энергия приливов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

“Уральский государственный горный университет”

Инженерно-экономический факультет

Кафедра проиродообустройства

РЕФЕРАТ

По дисциплине: «Возобновляемые источники энергии»

Тема: «Энергия приливов»

Студент: Гоголина Д.Ю.

Группа: ПВ-4з

Преподаватель: Горбунов А.В.

Екатеринбург

2016

Содержание

Введение

1. Энергия приливов

2. Приливные электростанции

3. Классификация и конструктивные схемы ПЭС

4. Технико-экономические показатели ПЭС

5. Перспективы использования энергии приливов

6. Воздействие ПЭС на окружающую природную среду

Введение

прилив электростанция энергия

Энергия - не только одно из обсуждаемых сегодня понятий. Помимо своего основного физического (а в более широком смысле - естественно-научного) содержания, оно имеет многочисленные экономические, технические, политические и иные аспекты.

Современное развитие энергетики в России характеризуется ростом стоимости производства энергии. Наибольшее увеличение стоимости энергии наблюдается в удаленных районах Сибири и Дальнего Востока России, Камчатки, Курильских островов, где в основном используются децентрализованные системы электроснабжения на базе дизельных электростанций, работающих на привозном топливе. Совокупная стоимость электроэнергии в этих районах часто превышает мировой уровень цен и достигает 0,25 и более долларов США за 1 кВтчас.

Мировой опыт показывает, что ряд стран и регионов успешно решают сегодня проблемы энергообеспечения на основе развития возобновляемой энергетики. Для интенсификации практического использования возобновляемых энергоресурсов в этих странах законодательно устанавливаются различные льготы для производителей «зеленой» энергии. Однако решающий успех возобновляемой энергетики определяется в конечном счете ее эффективностью в сравнении с другими более традиционными на сегодня энергоустановками топливной энергетики. Развитие технической и законодательной базы возобновляемой энергетики и устойчивые тенденции роста стоимости топливно-энергетических ресурсов уже сегодня определяют технико-экономические преимущества электростанций, использующих возобновляемые энергоресурсы. Очевидно, что в перспективе эти преимущества будут увеличиваться, расширяя области применения возобновляемой энергетики и увеличивая ее вклад в мировой энергетический баланс.

1. Энергия приливов

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 раза.

Вследствие изменения расстояния между Землей и Луной, 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.

Основной период приливов полусуточный. Приливы с такой периодичностью преобладают в Мировом океане. Наблюдаются также приливы суточные и смешанные. Характеристики смешанных приливов изменяются в течение месяца в зависимости от склонения Луны.

В открытом море подъем водной поверхности во время прилива не превышает 1 м. Значительно большей величины приливы достигают в устьях рек, проливах и в постепенно суживающихся заливах с извилистой береговой линией. Наибольшей величины приливы достигают в заливе Фанди (Атлантическое побережье Канады). У порта Монктон в этом заливе уровень воды во время прилива поднимается на 19,6 м. В Англии, в устье реки Северн, впадающей в Бристольский залив, наибольшая высота прилива составляет 16,3 м. На Атлантическом побережье Франции, у Гранвиля, прилив достигает высоты 14,7 м, а в районе Сен-Мало до 14 м. Во внутренних морях приливы незначительны. Так, в Финском заливе, вблизи Ленинграда, величина прилива не превышает 4...5 см, в Черном море, у Трапезунда, доходит до 8 см.

Поднятия и опускания водной поверхности во время приливов и отливов сопровождаются горизонтальными приливо-отливными течениями. Скорость этих течений во время сизигий в 2...3 раза больше, чем во время квадратур. Приливные течения в моменты наибольших скоростей называют «живой водой».

При отливах на пологих берегах морей может происходить обнажение дна на расстоянии в несколько километров по перпендикуляру к береговой линии. Рыбаки Терского побережья Белого моря и полуострова Новая Шотландия в Канаде используют это обстоятельство при ловле рыбы. Перед приливом они устанавливают на пологом берегу сети, а после спада воды подъезжают к сетям на телегах и собирают попавшую в чих рыбу.

Когда время прохождения приливной волны по заливу совпадает с периодом колебаний приливообразующей силы, возникает явление резонанса, и амплитуда колебаний водной поверхности сильно возрастает. Подобное явление наблюдается, например, в Кандалакшском заливе Белого моря.

В устьях рек приливные волны распространяются вверх по течению, уменьшают скорость течения и могут изменить его направление на противоположное. На Северной Двине действие прилива сказывается на расстоянии до 200 км от устья вверх по реке, на Амазонке - на расстоянии до 1 400 км. На некоторых реках (Северн и Трент в Англии, Сена и Орне во Франции, Амазонка в Бразилии) приливное течение создает крутую волну высотой 2...5 м, которая распространяется вверх по реке со скоростью 7 м/сек. За первой волной может следовать несколько волн меньших размеров. По мере продвижения вверх волны постепенно ослабевают, при встрече с отмелями и преградами они с шумом дробятся и пенятся. Явление это в Англии называется бор, во Франции маскаре, в Бразилии поророка.

В большинстве случаев волны бора заходят вверх по реке на 70...80 км, на Амазонке же до 300 км. Наблюдается бор обычно во время наиболее высоких приливов.

Спад уровня воды в реках при отливе происходит медленнее, чем подъем во время прилива. Поэтому, когда в устье начинается отлив, на удаленных от устья участках еще может наблюдаться последействие прилива.

Река Сен-Джонс в Канаде, недалеко от места впадения в залив Фанди, проходит через узкое ущелье. Во время прилива ущелье задерживает движение воды вверх по реке, уровень воды выше ущелья оказывается ниже и поэтому образуется водопад с движением воды против течения реки. При отливе же вода не успевает достаточно быстро проходить через ущелье в обратном направлении, поэтому уровень воды выше ущелья оказывается выше и образуется водопад, через который вода устремляется вниз по течению реки.

Приливо-отливные течения в морях и океанах распространяются на значительно большие глубины, чем течения ветровые. Это способствует лучшему перемешиванию воды и задерживает образование льда на ее свободной поверхности. В северных морях благодаря трению приливной волны о нижнюю поверхность ледяного покрова происходит уменьшение интенсивности приливо-отливных течений. Поэтому зимой в северных широтах приливы имеют меньшую высоту, чем летом.

Поскольку вращение Земли вокруг своей оси опережает по времени движение Луны вокруг Земли, в водной оболочке нашей планеты возникают силы приливного трения, на преодоление которых тратится энергия вращения, и вращение Земли замедляется (примерно на 0,001 сек за 100 лет). По законам небесной механики дальнейшее замедление вращения Земли повлечет за собой уменьшение скорости движения Луны по орбите и увеличение расстояния между Землей и Луной. В конечном итоге период вращения Земли вокруг своей оси должен сравняться с периодом обращения Луны вокруг Земли. Это произойдет, когда период вращения Земли достигнет 55 суток. При этом прекратится суточное вращение Земли, прекратятся и приливо-отливные явления в Мировом океане.

В течение длительного времени происходило торможение вращения Луны за счет возникавшего в ней приливного трения под действием земного притяжения (приливно-отливные явления могут возникать не только в жидкой, но и в твердой оболочке небесного тела). В результате Луна потеряла вращение вокруг своей оси и теперь обращена к Земле одной стороной. Благодаря длительному действию приливообразующих сил Солнца потерял свое вращение и Меркурий. Как и Луна по отношению к Земле, Меркурий обращен к Солнцу только одной стороной.

2. Приливные электростанции

В XVI и XVII веках энергия приливов в небольших бухтах и узких проливах широко использовалась для приведения в действие мельниц. Впоследствии она применялась для приведения в действие насосных установок водопроводов, для транспортировки и монтажа массивных деталей сооружений при гидростроительстве.

В наше время приливная энергия в основном превращается в электрическую энергию на приливных электростанциях и вливается затем в общий поток энергии, вырабатываемой электростанциями всех типов, В отличие от гидроэнергии рек, средняя величина приливной энергии мало меняется от сезона к сезону, что позволяет приливным электростанциям более равномерно обеспечивать энергией промышленные предприятия.

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

Приливные электростанции могут быть ценным энергетическим подспорьем местного характера, но на Земле не так много подходящих мест для их строительства, чтобы они могли изменить общую энергетическую ситуацию.

В Кислой губе вблизи Мурманска с 1968 года начала работать первая в нашей стране приливная электростанция мощностью в 400 киловатт. Проектируется приливная электростанция в устье Мезени и Кулоя мощностью 2,2 млн. киловатт.

За рубежом разрабатываются проекты приливных электростанций в заливе Фанди (Канада) и в устье реки Северн (Англия) мощностью соответственно в 4 и 10 млн. киловатт, вступили в строй приливные электростанции Ранс и Сен-Мало (Франция) мощностью в 240 и 9 тыс. киловатт, работают небольшие приливные электростанции в Китае.

Пока энергия приливных электростанций обходится дороже энергии тепловых электростанций, но при более рациональном осуществлении строительства гидросооружений этих станций стоимость вырабатываемой ими энергии вполне можно снизить до стоимости энергии речных электростанций. Поскольку запасы приливной энергии планеты значительно превосходят полную величину гидроэнергии рек, можно полагать, что приливная энергия будет играть заметную роль в дальнейшем прогрессе человеческого общества.

Мировое сообщество предполагает лидирующее использование в ХХI веке экологически чистой и возобновляемой энергии морских приливов. Ее запасы могут обеспечить до 15 % современного энергопотребления.

33-летний опыт эксплуатации первых в мире ПЭС - Ранс во Франции и Кислогубской в России - доказали, что приливные электростанции:

устойчиво работают в энергосистемах, как в базе, так и в пике графика нагрузок при гарантированной постоянной месячной выработке электроэнергии;

не загрязняют атмосферу вредными выбросами в отличие от тепловых станций;

не затапливают земель в отличие от гидроэлектростанций;

не представляют потенциальной опасности в отличие от атомных станций;

капитальные вложения на сооружения ПЭС не превышают затрат на ГЭС благодаря апробированному в России наплавному способу строительства (без перемычек) и применению нового технологичного ортогонального гидроагрегата;

стоимость электроэнергии самая дешевая в энергосистеме (доказано за 35 лет на ПЭС Ранс - Франция).

Экологический эффект (на примере Мезенской ПЭС) заключается в предотвращении выброса 17,7 млн. тонн углекислого газа (СО2) в год, что при стоимости компенсации выброса 1 тонны СО2 в 10 USD (данные Мировой энергетической конференции 1992 г.) может приносить по формуле Киотского протокола ежегодный доход около 1,7 млрд. USD.

Российской школе использования приливной энергии - 60 лет. В России выполнены проекты Тугурской ПЭС мощностью 8,0 ГВт и Пенжинской ПЭС мощностью 87 ГВт на Охотском море, энергия которых может быть передана в энергодефицитные районы Юго-Восточной Азии. На Белом море проектируется Мезенская ПЭС мощностью 11,4 ГВт, энергию которой предполагается направить в Западную Европу по объединенной энергосистеме " Восток-Запад".

Наплавная "российская" технология строительства ПЭС, апробированная на Кислогубской ПЭС и на защитной дамбе С-Петербурга, позволяет на треть снизить капитальные затраты по сравнению с классическим способом строительства гидротехнических сооружений за перемычками.

Природные условия в районе исследований (Заполярье): морская вода океанической солёности 28-35 о/оо и температурой от -2,8 С до +10,5 С температура воздуха в зимний период (9 месяцев) до -43 С влажность воздуха не ниже 80 % количество циклов (в году): замачивания-осушки - до 690, замораживания-оттаивания до 480 обрастание конструкций в морской воде биомассой - до 230 кг/м2 (слои толщиной до 20 см) электрохимическая коррозия металлов до 1 мм в год экологическое состояние района - без загрязнений, морская вода - без нефтепродуктов.

В России обоснования проектов ПЭС осуществляются на специализированной морской научной базе на Баренцевом море, где идут исследования морских материалов, конструкций, оборудования и антикоррозионных технологий.

Создание в России нового эффективного и технологически простого ортогонального гидроагрегата предполагает возможность его массового изготовления и кардинального снижения стоимости ПЭС. Результаты российских работ по ПЭС опубликованы в капитальной монографии Л.Б. Бернштейна, И.Н. Усачева и др. "Приливные электростанции", изданной в 1996 г. на русском, китайском и английском языках.

Российские специалисты по приливной энергии в институтах Гидропроект и НИИЭС осуществляют полный комплекс проектных и научно-исследовательских работ по созданию морских энергетических и гидротехнических сооружений на побережье и на шельфе, в том числе в условиях Крайнего Севера, позволяющие в полной мере реализовать все преимущества приливной гидроэнергетики.

Экологическая характеристика приливных электростанций

Экологическая безопасность:

плотины ПЭС биологически проницаемы

пропуск рыбы через ПЭС происходит практически беспрепятственно

натурные испытания на Кислогубской ПЭС не обнаружили погибшей рыбы или ее повреждений (исследования Полярного института рыбного хозяйства и океанологии)

основная кормовая база рыбного стада - планктон: на ПЭС гибнет 5-10 % планктона, а на ГЭС - 83-99 %

снижение солености воды в бассейне ПЭС, определяющее экологическое состояние морской фауны и льда составляет 0,05-0,07 %, т.е. практически неощутимо

ледовый режим в бассейне ПЭС смягчается

в бассейне исчезают торосы и предпосылки к их образованию

не наблюдается нажимного действия льда на сооружение

размыв дна и движение наносов полностью стабилизируются в течение первых двух лет эксплуатации

наплавной способ строительства дает возможность не возводить в створах ПЭС временные крупные стройбазы, сооружать перемычки и прочее, что способствует сохранению окружающей среды в районе ПЭС

исключен выброс вредных газов, золы, радиоактивных и тепловых отходов, добыча, транспортировка, переработка, сжигание и захоронение топлива, предотвращение сжигания кислорода воздуха, затопление территорий, угроза волны прорыва

ПЭС не угрожает человеку, а изменения в районе ее эксплуатации имеют лишь локальный характер, причем, в основном, в положительном направлении.

Энергетическая характеристика приливных электростанций

Приливная энергия

возобновляема

неизменна в месячном (сезонном и многолетнем) периодах на весь срок эксплуатации

независима от водности года и наличия топлива.

используется совместно с электростанциями других типов в энергосистемах как в базе, так и в пике графика нагрузок.

Экономическое обоснование приливных электростанций.

Стоимость энергии на ПЭС самая низкая в энергосистеме по сравнению со стоимостью энергии на всех других типах электростанций, что доказано за 33-летнюю эксплуатацию промышленной ПЭС Ранс во Франции - в энергосистеме Electricite de France в центре Европы.

За 1995 г. стоимость 1кВт.ч электроэнергии ( в сантимах) на:

ПЭС -18,5

ГЭС -22,61

ТЭС -34,2

АЭС -26,15

Себестоимость кВт*ч электроэнергии (в ценах 1996 г.) в ТЭО Тугурской ПЭС - 2,4 коп., в проекте Амгуеньской АЭС - 8,7 коп. ТЭО Тугурской (1996 г.) и материалы к ТЭО Мезенской ПЭС (1999 г.) благодаря применению эффективных технологий и нового оборудования впервые обосновали равнозначность капитальных затрат и сроков строительства крупных ПЭС и новых ГЭС в идентичных условиях.

Социальное значение приливных электростанций

Приливные электростанции не оказывают вредного воздействия на человека:

нет вредных выбросов (в отличие от ТЭС)

нет затопления земель и опасности волны прорыва в нижний бьеф (в отличие от ГЭС)

нет радиационной опасности (в отличие от АЭС)

влияние на ПЭС катастрофических природных и социальных явлений (землетрясения, наводнения, военные действия) не угрожают населению в примыкающих к ПЭС районах.

Благоприятные факторы в бассейнах ПЭС:

смягчение (выравнивание) климатических условий на примыкающих к бассейну ПЭС территориях

защита берегов от штормовых явлений

расширение возможностей хозяйств марикультуры в связи с увеличением почти вдвое биомассы морепродуктов

улучшение транспортной системы района

исключительные возможности расширения туризма.

Рис. 1 - Вариант использования ПЭС в энергосистеме Европы

По оценкам экспертов, они могли бы покрыть около 20 процентов всей потребности европейцев в электроэнергии. Подобная технология особенно выгодна для островных территорий, а также для стран, имеющих протяженную береговую линию (рис. 1).

Другой способ получения альтернативной электроэнергии - использовать разницу в температурах между морской водой и холодным воздухом арктических (антарктических) районов земного шара. В ряде районов Северного Ледовитого океана, особенно в устьях больших рек, таких как Енисей, Лена, Обь, в зимнее время года имеются особо благоприятные условия для работы арктических ОТЭС. Средняя многолетняя зимняя (ноябрь-март) температура воздуха не превышает здесь -26 С. Более теплый, и пресный сток рек прогревает морскую воду подо льдом до 30 С. Арктические океанические тепловые электростанции могут работать по обычной схеме ОТЭС, основанной на закрытом цикле с низкокипящей рабочей жидкостью. В ОТЭС входят: парогенератор для получения пара рабочего вещества за счёт теплообмена с морской водой, турбина для привода электрогенератора, устройства для конденсации отработавшего в турбине пара, а также насосы для подачи морской воды и холодного воздуха. Более перспективна схема арктической ОТЭС с промежуточным теплоносителем, охлаждаемым воздухом в оросительном режиме» (См. Б.М. Берковский, В.А. Кузьминов «Возобновляемые источники энергии на службе человека», Москва, Наука, 1987 г., стр. 63-65.) Такая установка может быть изготовлена уже в настоящее время. В ней могут быть использованы: а) для испарителя - кожухопластинчатый теплообменник APV, тепловой мощностью 7000 кВт. б) для конденсатора - кожухопластинчатый теплообменник APV, тепловой мощностью 6600 кВт или любой другой конденсационный теплообменник, такой же мощности. в) турбогенератор - турбина Юнгстрем на 400 кВт и два встроенных генератора с дисковыми роторами, на постоянных магнитах, общей мощностью 400 кВт. г) насосы - любые, производительностью для теплоносителя - 2000 м3/ч, для рабочего вещества - 65 м3/ч, для охладителя - 850 м3/ч. д) градирня - сборно-разборная 5-6 метров высотой, диаметром 8-10 м. Установка может быть собрана в 20 футовом контейнере и перебрасываться в любое необходимое место, где имеется река с потоком воды более 2500 м3/ч, с температурой воды не менее +30С или большое озеро, из которого можно брать такое количество воды, и холодный воздух температурой ниже -300С. На сборку градирни потребуется всего несколько часов, после чего, если обеспечена подача воды, установка будет работать и выдавать для полезного использования более 325кВт электроэнергии, без какого - либо топлива. Из вышеизложенного видно, что уже в настоящее время можно обеспечить человечество альтернативной электроэнергией, если вкладывать в это средства.

Есть еще один способ получения энергии из океана - электростанции, использующие энергию морских течений. Их называют также «подводными мельницами».

3. Классификация и сравнение схем ПЭС

Для выбора оптимальной схемы ПЭС в табл. 4.1 приводится их классификация и сравнение. Приняты три основных класса:

I -- схемы с одним бассейном, который может использоваться как при двустороннем, так и при одностороннем действии;

II -- схемы с двумя или несколькими сопряженными бассейнами, которые могут располагаться в одном заливе, разделенном на несколько частей, или с использованием соседних бухт или с расположением их в независимых удаленных один от другого заливах (бухтах) и связанных между собой линией передачи («объединенные бассейны» III).

Для возможности сопоставления все сравниваемые схемы приняты в равных природных условиях с бассейном благоприятной овальной конфигурации (типа Лумбовского залива), при которой вход в залив не требует расширения, а плотины, сопрягающие задание ПЭС с берегами, имеют небольшую протяженность.

Однобассейновая установка двустороннего действия (табл. 4.1, схема 1а) наиболее полно соответствует естественному ходу прилива и дает наименьшую степень регулирования. Здание ПЭС располагается в плотине, отсекающей залив от моря.

Цикл работы: вскоре после начала прилива затворы отключают бассейн ПЭС. Благодаря этому между морем и бассейном образуется необходимый перепад и начинает работать турбина, использующая поток воды из моря в бассейн (работа на наполнение). В отлив, когда перепад между морем и бассейном достигнет минимума, турбина выключается и открываются водопропускные отверстия. После наполнения бассейна вхолостую и выравнивания уровней затворы снова закрываются и вследствие отлива между бассейном и морем образуется перепад. Когда перепад достигнет значения, необходимого для включения турбины, начинается работа ПЭС на опорожнение. Далее цикл повторяется. Параметры режима (начальные, конечные напоры и расходы) назначаются из условия максимальной энергоотдачи (см. §5.2).

В этой схеме для двусторонней работы требуется обеспечение наибольшей сработки и наполнения бассейна, что позволяет максимально приблизить ход уровня бассейна к естественному циклу и наиболее полно использовать энергопотенциал бассейна (34 %). Это также отвечает минимальному изменению экологических условий.

Главным преимуществом этой схемы является возможность получения от данного бассейна максимальной приливной энергии, которую можно использовать для экономии топлива в энергосистеме.

Однобассейновая схема двустороннего действия с насосным эффектом (схема 16). Как будет видно из последующего рассмотрения, в многобассейновых схемах стремились добиться непрерывного и равномерного генерирования энергии ПЭС за счет уменьшения ее мощности и выработки, но эти схемы все-таки не обеспечивают межсизигийного регулирования. Но энергопотребление не требует постоянной мощности, оно соответствует производственному и солнечному ритмам жизни человека -- ночью спади дважды в сутки нарастание--утром и в вечерние часы. Задача, очевидно, решается не генерированием непрерывной равномерной мощности, а совмещением волн генерирования приливной энергии с «волнами» потребления.

Циклы, предложенные Жибра (, и созданный для их реализации капсульный агрегат позволили решить именно эту задачу. На рис. 4.4 показан принцип этого решения. Предположим, что в 1 ч ночи нагрузка в системе (рис. 4.4, б) упала и ТЭС работают с неполной мощностью. В это время турбины ПЭС можно пустить в прямой насосной работе (рис. 4.4, а). Генератор обратится в двигатель: за счет энергии незагруженных ТЭС он начнет качать воду из моря в бассейн ПЭС. К 6 ч утра подкачка бассейна закончится и ПЭС перейдет в фазу ожидания. В 8 ч утра, когда мощности ТЭС окажется недостаточной для покрытия растущих нагрузок, гидроагрегаты ПЭС включатся на прямую турбинную работу из бассейна в море и будут выдавать в сеть энергию до начала обеденного перерыва. Далее после очередной фазы ожидания с ростом нагрузки турбины ПЭС включатся в работу. Ночью они могут перейти в обратную насосную работу (откачка) или будут находиться в фазе ожидания.

Описанный принцип применения насосного эффекта наиболее полно раскрывается при использовании его в циклах Жибра, которые представляют обширные возможности комбинации шеститактной работы агрегата с фазой прилива и ситуацией в энергосистеме. По теории Жибра число таких сочетаний определяется цифрой 210н. С помощью ЭВМ в каждый отрезок времени можно избрать оптимальный режим ПЭС в зависимости от конкретных условий [36, 1571. Таким образом, благодаря насосному эффекту ПЭС выводится из зависимости от лунного времени и может выдавать мощность в ритме солнечного времени, а не только увеличивает выработку, как это указывается в [431. Понятно, что это может быть достигнуто только при работе ПЭС в энергосистеме, где имеются электростанции, которым в часы слабой нагрузки выгодно отдавать свою энергию на насосы ПЭС.

Трансформация энергии ПЭС во времени достигается не безвозмездно. Введение периодов ожидания ведет к потере части энергии, и только оптимизация решения задачи в условиях конкретной системы может дать ответ, в какое время лучше принять работу ПЭС на вытеснение мощности или выработку максимального количества энергии, при которой насосная работа также дает эффект. При подъеме (опускании) уровня бассейна выше (или ниже) уровня прилива за счет насосной работы агрегатов ПЭС аккумулирует энергию совместно работающей электростанции и фактически выполняет функцию ГАЭС, но в отличие от речной ГАЭС это аккумулирование не ведет к потере энергии (около 25 %), а дает ее выигрыш, так как сра- ботка поднятого объема воды происходит вследствие отлива при увеличенном (в 2--3 раза) напоре. Эта возможность реализуется в работе ПЭС Ране.

Однобассейновая установка одностороннего действия (табл. 4.1, схема 1в). Общая компоновка сооружений и состав такие же, что и ПЭС двустороннего действия, но работа происходит в одну сторону, т. е. при опорожнении или наполнении. Название цикла: одностороннее действие на опорожнение или одностороннее действие на наполнение.

При односторонней работе важным является выбор направления работы ПЭС: на наполнение бассейна (из моря) или на опорожнение (в море). При работе однобассейновой установки одностороннего действия на наполнение получаемая энергия меньше, чем при опорожнении бассейна (например, в одном из вариантов проекта ПЭС Ране работа на наполнение дает лишь 2/3 энергии, которую можно получить при работе на опорожнение). Это объясняется тем, что работа на верхних отметках при обычно пологой форме берегов и осушных площадок всегда выгоднее, чем на нижних, так как она использует больший объем сливной призмы и не дает такого быстрого гашения напоров, как при работе на нижних отметках.

При работе установки одностороннего действия на опорожнение допускается незначительная сработка бассейна, что важно при совместном решении задачи энергетики и судоходства, а также при небольших глубинах залива, когда требуется ограничение сработки высокими отметками. Аналогичные требования предъявляются и при сооружении ПЭС в эстуариях наносовлекущих рек (например, ПЭС Северн).

Сравнение одно- и двусторонней схемы. При односторонней работе диапазон колебаний напора ниже, а средний напор на турбину несколько выше, чем при двусторонней работе. Это ведет к уменьшению числа турбин или их размеров, т. е. к уменьшению стоимости оборудования ПЭС. Стоимость турбины, рассчитанной на одностороннюю работу, также ниже, чем стоимость турбины при двусторонней работе. Поэтому появилось предложение о применении агрегата Страфло, который дешевле капсульного, рассчитанного на двустороннюю и обратимую работу. Несколько уменьшаются стоимость здания и объем выемки под него из-за исключения насосной работы. Удлинение периода до 7 ч за один цикл работы, так же как и уменьшение числа тактов при исключении обратимости и реверсивности, улучшают условия эксплуатации оборудования и продлевают срок службы.

На этом основании в последнее время стали высказываться мнения, что на ПЭС Ране было дано классическое решение этой задачи, но оно оказалось весьма сложным и вследствие этого дорогостоящим. «Французский подход, несмотря на все его технические достоинства, необязательно является наилучшим. Почему бы не отказаться от всех этих сложных манипуляций с уровнем бассейнов и не сосредоточить внимание на моделях получения возможно более дешевой энергии?» (Вил- сон, 1983).

И как писал в 1978 г. руководитель проекта ПЭС Фанди Кларк, «достоинства, относящиеся к выдаче гарантированной мощности, не компенсируют увеличение стоимости ПЭС в связи с установкой более дорогостоящего оборудования, необходимого для работы в двух направлениях потока».

Опасения о «сложности манипуляции с уровнями бассейнов», очевидно, были связаны с неполадками и авариями генераторов ПЭС Ране в 1975 г. После ремонта агрегаты могут работать во всех режимах; однако преимущественно они работают в турбинном и насосном прямых режимах.

В проекте ПЭС в зал. Фанди 1977 г. выявилось парадоксальное явление -- несмотря на то, что двусторонняя работа предполагает более интенсивную сработку и энергетическое использование сливной призмы бассейна по сравнению с односторонней, расчет показал, что в данных условиях влияние двусторонней работы на увеличение выработки значительно уменьшается (на ПЭС Камберленд двусторонняя работа уменьшает выработку на 5,9%, а на ПЭС Кобекуид -- на 2,7 %), тогда как в условиях Мезенской ПЭС двусторонняя работа увеличивает выработку на 18, а ПЭС Северн на 25 %. Поэтому, поскольку в проекте ПЭС Кобекуид двусторонняя работа снижает коэффициент эффективности R (отношение дохода к расходу, с 1,07 до 0,81, а ПЭС Камберленд с 0,93 до 0,81, в этих проектах принята односторонняя работа.

Очевидно, что этот вывод не носит универсального характера и в данном случае, возможно, определяется высокой величиной прилива, при котором двусторонняя работа снижает свой эффект. Кроме того, очевидно, сказывается невозможность установки необходимого числа агрегатов по условиям рельефа и геологии створа (для полной реализации возможностей двусторонней схемы требуется неоправданная экономически дорогостоящая подводная выемка). Однако в проектах ПЭС Фанди 1977 гг. еще не была исключена возможность двусторонней работы и отмечается, что «при окончательном выборе реальных режимов одно- или двустороннего действия необходимо будет учесть пока еще не получившие качественной оценки выгоды, обусловленные эксплуатационной гибкостью установки двустороннего действия».

Наоборот, из этих условий в советских разработках мощных ПЭС, где доля приливной энергии в противоположность ПЭС Ране весьма значительна, а средняя величина прилива (6 м) меньше, чем в Фанди и Северн (9 м), и по условиям створа нет ограничения для размещения необходимого числа агрегатов, принимается однобассейновая схема с двусторонней работой.

Сопоставление однобассейновой схемы с многобассейновыми (табл. 4.1., схемы II и III). Подробный анализ этих схем дан в 19]. Основной недостаток многобассейновых схем по сравнению с однобассейновыми состоит в меньшем (в 2 или 3 раза в зависимости от числа бассейнов) использовании потенциальной энергии вследствие деления бассейна на 2 или 3 части и уменьшения работающей площади бассейна S IS -- см. (2.8)]. Это относится также к схемам с объединенными бассейнами, которые удорожаются по сравнению с двухбассейновыми схемами за счет сооружения дополнительных плотин и дублирующих ПЭС. Исключение составляют двухбассей- новые схемы Па-1 и На-5 с насосным действием, не имеющие дублирующих мощностей, а также схема Декера, обеспечивающая непрерывную работу.

Двухбассейновая установка с электростанцией в разделительной плотине, работающей на напоре между бассейнами (табл. 4.1, схема Иа-2). Этот цикл был предложен Декером в 1890 г. для приливной установки Он- флер в устье р. Сены и позже рассматривался в вариантах проектов ПЭС Кводди, Северн, Птикодиак и Лумбов- ской. Такое широкое распространение цикла Декера объясняется тем, что в нем достигается непрерывность генерирования энергии при простоте и относительно невысокой стоимости установки. Электростанция располагается в разделительной плотине и работает на напоре между верховым и низовым бассейнами. На рис. 4.5 видно, что с помощью водопропускных отверстий 3--4 в плотинах 1 и 2 в низовом бассейне все время поддерживается уровень, близкий к малой воде, а в верховом -- к полной воде. Таким образом, ПЭС /, расположенная в разделительной плотине 2У работает непрерывно. Несомненное достоинство цикла -- непрерывность энергии -- достигается недоиспользованием значительной потенциальной энергии.

В этом цикле, имеющем непрерывную, но колеблющуюся в течение суток мощность, так же как и в трех- бассейновой схеме Дефура 1937 г. (рис. 4.3), где мощность регулируется по режиму потребления, колебания мощности внутри месяца от сизигии к квадратуре, как и в любой схеме, не имеющей насосного аккумулирования, остаются неизбежными.

Двухбассейновая схема с насосной подкачкой обратимых агрегатов (цикл Бернштейна Па-5). Форсированная за счет энергосистемы насосная работа в период квадратур может компенсировать спад энергии прилива в это время. Этот цикл применяется в современных проектах двухбассейновых ПЭС Северн (схемы Шоу и ЦЭУ). В этих усовершенствованных схемах за счет включения во вспомогательный (низовой) бассейн акватории со значительными глубинами (18 м ниже среднего уровня моря) удается обеспечить непрерывную выдачу мощности в течение 12 ч пикового потребления и 10-часовой непрерывной работы ночью в насосном режиме (см. рис. 16.8, б, в) независимо от фазы прилива.

Таким образом, ПЭС становится важным компонентом объединения энергосистем, в котором преобладают АЭС и отсутствуют ГЭС. Однако вследствие более чем двукратного дублирования мощности и более высокой стоимости низконапорного аккумулирования на ПЭС по сравнению с высоконапорной ГАЭС такое решение оказывается неэффективным, поскольку ПЭС превращается в ГАЭС, КПД которой хотя и выше, но эффективность значительно ниже.

В проекте ПЭС Северн это выражается в затрате на аккумулирование 20,7 ТВт-ч в год при выдаче в сеть 18 ТВт-ч и снижении коэффициента эффективности R до 0,85, в то время как для ГАЭС он равен 1,25, а для однобассейновой установки доходит до 2--3.

Коэффициент отношения энергии, полученной за период эксплуатации, к энергозатратам на создание ПЭС для однобассейновой схемы на 17 % выше, чем для двухбассейновой. Поэтому комитет Север некой плотины в 1981 г. отдал предпочтение однобассейновой схеме.

В результате проведенного анализа можно сделать вывод о преимуществе однобассейновой схемы перед двухбассейновой.

Этот вывод оказался бесспорным не только для принятых проектов ПЭС Камберленд, Кобекуид и при вариантном проектировании ПЭС Северн, но и, наконец, при последнем (1977 г.) рассмотрении проекта ПЭС Кводди (см. рис. 18.1), где долгое время (на протяжении 57 лет) не могли отказаться от двухбассейновой схемы.

Что касается выбора между двусторонней и односторонней работой, то здесь окончательный вывод представляется еще преждевременным. Ясно, что двусторонняя работа имеет очевидное преимущество в экологическом отношении, обеспечивая при работе на максимум отдачи минимум нарушений природных условий. Она также повышает энергоэкономическую эффективность при наличии в системе совместно действующих ГЭС с большими водохранилищами, обеспечивающими межсизигийное регулирование. Тогда ПЭС обеспечивает не только эффект участия в покрытии пиковых нагрузок, но значительно увеличивает выработку по сравнению с односторонней работой.

При отсутствии этого условия, а также при высокой величине прилива, когда разница в отдаче не столь ощутима, пока преимущество отдается односторонней работе (ПЭС Фанди, Северн). Но окончательный вывод может быть сделан только на основании результатов эксплуатации ПЭС при двусторонней работе. Во всяком случае, во Франции уже убедились в том, что «опыт электростанции Ране показал выгодность двусторонней работы ПЭС при изменении стоимости энергии от часа к часу».

4. Технико-экономические показатели ПЭС

На сегодня в мире закончено технико-экономические обоснования шести крупных ПЭС: «Северн» и «Мереей» в Англии, «Кобекуид» и «Камберленд» в Канаде, Мезенской и Тугурской в России. Экономические показатели этих ПЭС фактически не уступают новым ГЭС. Неоднократно назывались и сроки начала строительства ряда этих ПЭС: «Мереей» в 1994 г., «Северн» в 2000 г. с пуском первых агрегатов в 2006 г. Но ни одна из этих ПЭС пока не возводится. Дело в том, что большие сроки возведения и капиталоёмкость ПЭС при современных высоких ставках дисконтирования (Канада до 10%, Англия 8%, Аргентина 16%) не могут привлечь к их строительству частные фирмы. Чувствительность стоимости энергии к величине процента дисконтирования, например, для ПЭС «Северн» при увеличении с 5 до 10% ведёт к росту стоимости 1 кВт-ч с 7 до 14 пенсов.

Однако, в настоящее время при стоимости нефти более 100 US/ баррель, интерес к ряду реализации проектов ПЭС возрос: в Англии возобновились работы по проекту ПЭС Северн, а в Ю. Корее строится ПЭС Сихва.

В России все большее значение приобретает проблема общенациональной экологической безопасности, выходящая за рамки интересов частного капитала. Удовлетворение потребности в электроэнергии за счёт сжигания органического топлива ведёт к уничтожению лесов, парниковому эффекту, ухудшению здоровья людей. Так, по подсчётам доктора Гейма (США) 1 млрд. кВт-ч даёт 1 млн. т выбросов в год только С02, что уносит жизни 150 человек. Считается,

что в США от вредных выбросов ежегодно гибнет около 50 тыс. человек, хотя правительство расходует на борьбу с выбросами более 30 млрд. долл. в год. В этих условиях экономическое обоснование строительства ПЭС должно учитывать экономическую сторону экологической безопасности ПЭС для природы и населения, что является сильной стороной ПЭС.

Специфика генерирования энергии на однобассейновой ПЭС, которая считается оптимальной схемой использования приливной энергии, создаёт некоторые трудности для непосредственного включения её в энергосистему. Прерывистость энергоотдачи ПЭС в суточном цикле и колебания во внутримесячном периоде перекладывают на другие электростанции энергосистемы ответственность за регулирование режима работы ПЭС, в том числе, и использования её энергии в дни с пониженной нагрузкой. Наиболее простым решением этой задачи (поглощения энергии ПЭС энергосистемой при регулировании её выработки на максимум) представляется компенсация колебаний мощности ПЭС совместно с работающими ГЭС (или ГАЭС), имеющими достаточный объём водохранилищ.

При работе ПЭС на максимум выработки энергии только около 40% тактов её работы в генераторном режиме может совпасть с пиковыми часами энергосистемы. Но с помощью дублирующей мощности, работающих в комплексе электростанций и обратимых агрегатов, энергия ПЭС может быть выдана в энергосистему в часы повышенных нагрузок и этим самым может быть достигнуто снижение нагрузки на ТЭС.

Комплекс ПЭС -- ГЭС наиболее полно раскрывает возможности ПЭС. Для этого на ГЭС должны быть установлены дополнительные агрегаты, а в водохранилище ГЭС должен быть выделен дополнительный объём для осуществления компенсирующего регулирования. Такое регулирование по глубине и продолжительности может быть суточным, требующим незначительного увеличения энергетического объёма водохранилища, при котором отдача ПЭС в выходные дни переносится на рабочие дни недели, и межсизигийным, которое является основным при совместной работе ПЭС -- ГЭС. Ввиду симметричности отклонений от средней величины прилива в течение репрезентативного периода лунного месяца и его небольшого значения необходимый дополнительный объём водохранилища (выраженный в кВт ч) составляет всего -- 2% годовой выработки ПЭС, что значительно меньше, чем требуется для многолетнего регулирования речной ГЭС.

Оценка стоимости мощных ПЭС, например, при использовании энергии Мезенской ПЭС в энергосистеме России согласно выполненному энергоэкономическому обоснованию оказывается целесообразным на уровне 2015 г. Капитальные затраты на сооружение ПЭС в этом варианте составят 1300 долл. США/кВт или 0,38 долл. США/кВт-ч. С сохранением, практически, той же мощности ПЭС при постановке на ПЭС новых ортогональных машин её стоимостные показатели составят 1072 долл. США/кВт или 0,314 долл. США/ кВт-ч (уровень цен 1991 г).

Для сравнения стоимостных показателей ПЭС и ГЭС можно привести примеры капвложений в строительство новых ГЭС: Гилюйской -- 1587 долл. США/кВт или 0,63 долл. США/кВт-ч и Среднеучурской -- 1316 долл. США/кВт или 0,28 долл. США/кВт-ч (уровень цен 1991 г.).

Экономика Мезенской ПЭС во многом определяется наплавным способом её строительства (на треть дешевле классического) и применением более технологичного и с меньшей массой современного силового оборудования (сокращение затрат на ортогональные гидроагрегаты по сравнению с осевыми машинами).

Кроме того, имеется значительный резерв снижения стоимости эксплуатации ПЭС, если учитывать экономический эффект от экологической чистоты ПЭС по сравнению с ТЭС и компенсации их вредных выбросов в атмосферу.

По данным современных зарубежных проектов ПЭС доходы от эксплуатации ПЭС неизменно превалируют над расходами. Так, в Англии для ПЭС «Мереей» мощностью 700 МВт отношение дохода к расходу определено 1,22, а для более крупной ПЭС «Северн» (8,6 ГВт) это отношение равно 3,0.

Таким образом, благодаря разработанным и апробированным в последние десятилетия новым технологиям, капзатраты на строительство ПЭС в настоящее время сравнялись с капзатратами на сооружение ГЭС, а себестоимость энергии ПЭС в энергосистеме оказалась ниже себестоимости энергии всех других современных электростанций.

5. Перспективы использования энергии приливов

Совместные усилия регулятивных органов, технологических, финансовых и инфраструктурных компаний в международном масштабе приведут к более широкому использованию этого возобновляемого источника энергии.

Растущее значение возобновляемых и углеродно-нейтральных источников энергии привлекло внимание к энергии приливов, которая отличается большей надежностью по сравнению с энергией волн. В мире существует всего несколько крупных электростанций, осуществляющих преобразование данного вида энергии. Новые экспериментальные концепции, такие как динамическая энергия приливов, позволяющие производить энергию даже в регионах с низким уровнем приливов и отливов, способны кардинально изменить существующий расклад сил в сфере технологий, сделав энергию приливов ключевым энергетическим ресурсом.

Согласно данным нового исследования компании Frost & Sullivan «Энергия приливов: текущая ситуация и перспективы» (Tidal Energy: Current Status and Future Outlook), Великобритания лидирует в области разработки новейших решений для использования энергии приливов. Этому способствует идеальная схема приливов и благоприятная регулятивная среда. Канада, Китай и Южная Корея также демонстрируют устойчивый прогресс. США являются одним из основных центров инноваций в данной сфере.

«Успех небольших демонстрационных электростанций будет стимулировать быстрое внедрение технологий использования приливных течений и приливных плотин, - отмечает Лекшми Рави (Lekshmy Ravi), аналитик департамента технологических исследований, Frost & Sullivan. - В долгосрочной перспективе вероятно создание гибридных энергетических систем, сочетающих в себе энергию приливов и берегового ветра».

Хотя базовая технология использования энергии приливов похожа на технологию ветровых турбин, суровые условия океана увеличивают число проблем, с которыми приходится сталкиваться в процессе эксплуатации. Как следствие, усилия в сфере НИОКР должны быть сконцентрированы на таких параметрах, как прочность материалов, производительность, техническое обслуживание и срок службы преобразователей энергии приливов. Низкий коэффициент мощности и высокие затраты также являются препятствиями для распространения данных технологий.

Создание центров НИОКР и учреждений, финансирующих создание решений для генерации энергии приливов, будет иметь решающее значение для ускорения прогресса в этой области. Хорошим примером может послужить научно-исследовательский центр Fundy Ocean (FORCE) в Канаде, активно пропагандирующий эту технологию.

6. Воздействие ПЭС на окружающую среду

Возможное воздействие приливных электростанций на окружающую среду может быть связано с увеличением амплитуды приливов на океанской стороне плотины. Это может приводить к затоплению суши и сооружений при высоких приливах или штормах и к попаданию соленой воды в устья рек и подземные водоносные слои. Водные сообщества организмов в приливной зоне могут пострадать в результате изменения уровня воды и усилившихся течений как за плотиной, так и перед ней. Прохождение через турбины также небезопасно для водных организмов.

Экологическая безопасность ПЭС была доказана исследованиями за рубежом и в России. Биологическая стабилизация водного сообщества организмов произошла через 10 лет и сохраняется благодаря водообмену с морем. Кроме того наблюдается увеличение рыбной массы и урожая моллюсков на подводных плантациях.

На Кислогубской ПЭС проводились опытные пропуски промысловой рыбы через плотину. В результате ни одна из выловленных особей не получила повреждений. Установлено, что на капсульном гидроагрегате ПЭС гибнет всего 4…5 % биомассы планктона. Тогда как на гидроагрегате ГЭС - до 85 %.

Одним из основных экологических преимуществ ПЭС является отсутствие затопляемых земель, так как бассейн образуется естественным путем без затопления берегов.

Список литературы

Учебник «Приливные электростанции» Л.Б. Бернштейн

Усачев И.Н. Приливные электростанции.

Интернет-источники:

http://nnhpe.spbstu.ru/wp-content/uploads/2015/01/Statiya_NIIES.pdf

http://www.twirpx.com/file/117010/grant/

Размещено на Allbest.ru