Энергетический потенциал приливных электростанций

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 (ПЭС) 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 Лятхервом. М. в 1985 г. [1], осу­ществляется на Myongyang Channel (Корея) с использованием геликоидных ортогональных 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. Пусть Zq(O и z(t) обозначают уровень воды в море и в бассейне ПЭС соответствен­но; Q – площадь зеркала воды в бассейне; Qp – площадь живого сечения пролива (водного тракта ПЭС); А – высота прилива с периодом Г; i – коэффициент гидравлическо­го сопротивления водного тракта ПЭС.

Рассмотрим случай, когда бассейн не является проточным, т.е. сообщается с морем только через один пролив.

Относительное время использования установленной (максимальной) мощности tmax = 0,388 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 [1] 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 (дуговыми) 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 – технико-экономическая 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 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 км², 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.

Для того чтобы приблизиться к оптимальному значению а, можно, например, уменьшить ширину ка­нала до 2 км и установить турбины в 12 рядов. В этом случае а = 0,031 и 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 м² 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 м². 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 м², что соответствует средней глубине 18 м при низкой воде.

Высота приливно-отливных колебаний уровня воды в канале достигает Zmax – Zmin = 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.

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 приливных электростанций.

Максимальная мощность приливной электростанции, располагаемой в устье за­мкнутого бассейна площадью Q (км2), при полусуточном приливе высотой А (т) оце­нивается величиной порядка 163 Q (км² ). Число часов использования этой мощности, определяющее среднегодовую выработку энергии станции, может достигать 3400 ч/г. 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 приливной электростанции 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.

Приливные электростанции 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.