Приливные электростанции

Огромная часть поверхности нашей планеты покрыта водами океанов и морей, которые могут быть использованы для создания экологически идеальных возобновляемых источников энергии, мощность которых намного превосходит потребности человечества. В первую очередь к этим источникам следует отнести энергию приливов, приливных и других течений, волн и тепловую энергию океанов.

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. На частицу воды действуют, в частности, две силы: притяжения со стороны Луны и центробежная за счёт вращения системы Земля-Луна относительно их центра масс, расположенного на расстоянии L=4670 км от центра Земли по направлению к Луне (средний радиус Земли r=6370 км) (рис. 9.11).

Это приводит к тому, что силы в точках X и Y на противоположных поверхностях океана F_x и F_y оказываются равными по величине и противоположными по направлению.

В результате возникают два приливных подъёма воды в противоположных точках поверхности Земли, расположенных на пересечении прямой, проведенной от Луны через центр Земли.

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.

Рис. 9.11. Схема расположения Луны и Земли (массы М и М¹ соответственно)

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 эта величина может значительно увеличиваться, что зависит от ряда условий.

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 нес- табильностью 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.

Основная идея использования приливной энергии путем строитель- ства приливных электростанций (ПЭС) 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.

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 составлялось значительное коли-чество проектов ПЭС. Многие из них пересоставлялись неоднократно и уточ-нения продолжаются до сих пор.

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 6 ГВт (млн кВт), двух ПЭС на побережье Охотского моря – Тугурской – 9 ГВт (млн кВт) и Пенжинской, мощность которой 35 ГВт (млн кВт) в 3 раза больше мощности уникальной ПЭС Шозе (рис. 9.12).

В эксплуатации пока находятся лишь ПЭС Ране мощностью 240 МВт во Франции, первые агрегаты которой пущены в 1966 г., а также отечественная экспериментальная Кислогубская ПЭС небольшой мощности, построенная в 1968 г. на Кольском полуострове вблизи г. Мурманска.

При проектировании и строительстве ПЭС возникает много вопросов, которые требуют еще разрешения путем проведения больших научно-ис- следовательских работ, апробирования их в натурных условиях. К таким вопросам, в частности, относятся:

– 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.

Рис. 9.12. Схематический план расположения ПЭС Ранс и ПЭС Шозе

АГРЕГАТЫ ПЭС

Наиболее характерными для установки на ПЭС следует считать следующие три типа осевых обратимых гидромашин (насосотурбин) с поворотно-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 насосо-турбины и изолирован от проточного тракта специальными уплотнениями.

Несмотря на то что два последние типа еще только находятся в стадии разработки, американские и английские специалисты считают их более перспективными для установки на ПЭС, чем капсульные, основными недо-статками 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 уста-новку мультипликатора числа оборотов, что позволяет увеличить скорость 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_T = 260 м³/с и в насосном – Q_n = 225 м³/с. Опытный агрегат Кислогубской ПЭС при Н_р = 1,3 м, D = 3,3 м и Q_T = 50 м³/с, развивает N_a = 400 кВт. Пропускная способность его в насосном режиме Q_H = 28 м³/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-, двух- или 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.