Приливные и волновые электрические станции

Энергия морских приливов или, как говорят иногда, «лунная энергия» известна человечеству со времен глубокой древности. Этому грандиозному явлению природы, а именно, ритмичному движению морских вод, способствуют силы гравитации Солнца и Луны. Дважды в сутки Солнце и Луна силой тяготения заставляют морскую воду то наступать на берег, то отходить назад. Эта энергия еще в далекие исторические эпохи использовалась для приведения в движение различных механизмов, в особенности мельниц. В Германии с помощью энергии приливной волны орошали поля, в Канаде – пилили дрова. В Англии приливная водоподъемная машина служила в XIX веке для снабжения Лондона водой.

Рис. 4.1. Принцип работы приливной электростанции

Принцип работы приливной электростанции изображен на рис. 4.1. В ходе прилива водой наполняется бассейн приливной электростанции. Движение воды вращает колеса капсульных агрегатов, и электростанция вырабатывает ток. Во время отлива вода, уходя из бассейна в океан, опять вращает рабочие колеса, теперь в обратную сторону. И вновь электростанция снова производит электрический ток, потому что рабочий агрегат обеспечивает одинаково хорошую работу при вращении колеса в любую из сторон. В промежутках между приливом и отливом движение колес останавливается. Какой же выход из этого положения? Чтобы не было перебоев, энергетики связывают приливную электростанцию с другими станциями. Это могут быть, например, тепловые или атомные электростанции. Получившееся энергетическое кольцо помогает во время пауз переложить нагрузку на соседей по кольцу.

Для хорошей работы электростанции необходимо, чтобы перепад уровней между отливом и приливом составлял более четырех метров. Таким образом с увеличением разницы высот воды увеличивается эффективность работы приливной электростанции. Наиболее подходящим местом для использования энергии приливов необходимо считать такое место на морском побережье, где приливы обычно имеют наибольшую амплитуду, а береговой рельеф позволяет создать большой замкнутый «бассейн».

Хорошим местом для постройки приливной электростанции является узкий морской залив, который отсекается плотиной от океана. В отверстиях плотины размещаются гидротурбины с генераторами. Генератор и турбина заключены в обтекаемую капсулу, которая очень удобна в использовании. Главным достоинством таких капсульных агрегатов является их универсальность. Они способны не только вырабатывать электрическую энергию при движении через них морской воды, но и выполнять функции насосов. При этом производство электроэнергии происходит как в период прилива, так и в период отлива.

ПЭС выгодно отличаются от речных тем, что их работа определяется космическими явлениями и не зависит, как у речных, от многочисленных случайных погодных условий. Однако ПЭС обладают двумя существенными недостатками – неравномерность во времени их работы и большой объем требующихся капиталовложений.

Неравномерность приливной энергии в течение лунных суток и лунного месяца, не позволяет систематически использовать ее в периоды максимального потребления в системах, не предусматривающих комбинированные станции. Неравномерность работы ПЭС можно компенсировать, совместив ее с ГАЭС. В то время, когда имеется избыточная мощность ПЭС, ГАЭС работает в насосном режиме, потребляя эту мощность и перекачивая воду в верхний бассейн. Во время спадов в работе ПЭС, ГАЭС работает в генераторном режиме, выдавая электроэнергию в систему. В техническом отношении такой проект хорош, но дорогостоящ, так как требуется большая установленная мощность электрических машин. ПЭС также может удачно сочетаться с речной ГЭС, имеющей водохранилище. При совместной работе этих станций ГЭС увеличивает свою мощность при спаде мощности ПЭС и ее остановке; в то время как ПЭС работает с достаточно большой мощностью, ГЭС запасает воду в водохранилище. Таким образом, может быть выровнена как суточная, так и сезонная неравномерность работы ПЭС.

ПЭС работают в условиях быстрого изменения напора, поэтому их турбины должны иметь высокие КПД при переменных напорах.

В настоящее время создана достаточно совершенная и компактная горизонтальная турбина двойного действия. Электрический генератор и часть деталей турбины заключены в водонепроницаемую капсулу, и весь гидроагрегат погружен в воду. Поворотные лопасти рабочего колеса турбины обеспечивают высокое значение КПД при различных напорах начиная с 0,5м.

Гидроагрегат может работать как в генераторном, так и в насосном режимах. При выключенном генераторе гидроагрегат может осуществлять прямой перепуск воды из моря в бассейн и обратно; в насосном режиме он может осуществлять перекачивание воды из моря в бассейн и тем самым увеличивать напор воды.

Природные условия России позволяют построить ПЭС с суммарной установленной мощностью около 150 тыс МВт. Многолетние научные исследования и проекты привели к выводу, что заслуживает внимания создание нескольких ПЭС: Лумбовской в Баренцевом море мощностью 320 МВт (в другом варианте 672 МВт); Мезенской в Белом море мощностью 15 200 МВт и выработкой электроэнергии 42 000 ГВт·ч; Тугурской мощностью 6 800 МВт и выработкой электроэнергии 16 200 ГВт·ч; Пенжинской мощностью 21 400 МВт (в другом варианте 87 400 МВт) в Охотском море.

В течение нескольких десятков лет в бывшем СССР велись научные и проектные работы по приливной энергетике. К настоящему времени выполнены внестадийные проработки по Лумбовской ПЭС, Пенжинской ПЭС, материалы технико-экономического обоснования (ТЭО) Тугурской ПЭС.

С 1968 г. работает экспериментальная Кислогубская ПЭС мощностью 400 кВт. Выполнено ТЭО по опытно-промышленной Кольской ПЭС мощностью 40 МВт, которая предназначалась для проведения натурных испытаний и проверки конструктивных решений по капсульному агрегату для мощных Тугурской и Мезенской ПЭС.

Рис. 4.2. Кислогубская ПЭС

За рубежом работают три ПЭС: ПЭС «Ранс» мощностью 240 МВт во Франции (построена в 1967 г., 24 агрегата), ПЭС «Цзянсян» мощностью 3,2 МВт в Китае (пуск шести агрегатов осуществлен в период 1980–1985 гг.) и ПЭС «Аннаполис» мощностью 19,6 МВт в Канаде (построена в 1984 г., 1 агрегат). Кроме того, в Китае построены десятки микро- и мини-ПЭС, являющиеся элементами комплексов при осуществлении проектов обводнения, осушения, судоходства и т. д.

На Мезенской и Тугурской ПЭС, возможность создания которых до 2015–2020 гг. в принципе полностью исключать нет оснований, предусмотрена установка соответственно 800 и 420 агрегатов.

Единичная мощность агрегатов Мезенской ПЭС 19 МВт. Это капсульные агрегаты с диаметром рабочего колеса турбины 10 м. Режим работы агрегатов – двухсторонний.

Единичная мощность агрегатов Тугурской ПЭС–16,2 МВт. Это капсульные агрегаты с диаметром рабочего колеса 10 м. Режим работы агрегатов – двухсторонний без насосного режима. Подобные типы агрегатов уже разработаны зарубежными фирмами.

Большое количество агрегатов на ПЭС – серьезное препятствие для их сооружения, так как для создания такого числа агрегатов необходимо задействовать всю энергетическую промышленность страны.

В оптимистическом варианте развития приливной энергетики можно рассматривать вопрос о вводе в эксплуатацию до 2015 г. одной из двух ПЭС – Мезенской на Белом море или Тугурской на Охотском море. Учитывая трудности с топливоснабжением электростанций в зонах возможного влияния указанных ПЭС, экономически обе ПЭС могут оказаться приемлемыми как в европейской части страны, так и в Хабаровском и Приморском краях.

В последнее время сделан ряд предложений, касающихся создания волновых электростанций. В Швеции получен патент на изобретение, позволяющее использовать энергию волн морей и крупных озер. Идея, на которой основано изобретение, проста. Если на шест прикрепить пропеллер и ритмично двигать его в воде вниз и вверх, то он будет вращаться. Если прикрепить верхнюю часть шеста к поплавку и заменить движение руки движением колыхающейся волны, то результат будет тот же (рис. 4.3).