Приливные электростанции

Реферат

" Приливные электростанции"

приливной электростанция экологический

Сегодня около половины мирового энергобаланса приходится на долю нефти, около трети — на долю газа и атома и около одной пятой — на долю угля. На все остальные источники энергии остается всего несколько процентов. Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн. кв. км) занимают моря и океаны. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

Энергия океана давно привлекает к себе внимание человека. В середине 80-х годов уже действовали первые промышленные установки, а также велись разработки по следующим основным направлениям: использование энергии приливов, прибоя, волн, разности температур воды поверхностных и глубинных слоев океана, течений и т. д.

Приливная Электростанциия (ПЭС)

Прилиивная 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.

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.

Рис. 1. Приливная электростанция.

Рис. 2. Кислогубская ПЭС на Баренцевом море.

Принцип действия ПЭС

Давайте рассмотрим прицнип действия приливных электростанций. Приливные электростанции преобразуют энергию морских приливов и отливов в электрическую. Такие электростанции используют перепад уровней воды во время прилива и отлива, также разрабатываются электростанции работающие за счет движения воды в океанских течениях.

Вот один из вариантов, реализованый с помощью гидротурбин: Перекрыв плотиной устье (или залив) впадающей в море (или океан) реки (образовав бассейн приливной электростанции), можно при достаточно высокой амплитуде прилива организовать такой напор, который будет вращать гидротурбины и соединённые с ними гидрогенераторы, которые размещаются в теле плотины. При правильном полусуточном цикле приливов, использовав один приливной бассейн, приливная электростанция будет вырабатывать электроэнергию непереставая в течение четырех — пяти часов с небольшими перерывами на один — два часа четыре раза в сутки. Такая приливная электростанция называется однобассейновой двустороннего действия. Для устранения неравномерности выработки электроэнергии бассейн ПЭС можно разделить плотиной на два или три меньших бассейна, в одном из которых поддерживается уровень «малой», а в другом — «полной» воды; третий бассейн — резервный; гидроагрегаты устанавливаются в теле разделительной плотины. Но и эта мера полностью не исключает пульсации энергии, обусловленной цикличностью приливов в течение полумесячного периода. При совместной работе в одной энергосистеме с мощными тепловыми (в т. ч. и атомными) электростанциями энергия, вырабатываемая ПЭС, может быть использована для участия в покрытии пиков нагрузки энергосистемы, а входящие в эту же систему ГЭС, имеющие водохранилища сезонного регулирования, могут компенсировать внутримесячные колебания энергии приливов.

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 часы, 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) и т. о. аккумулируют энергию до того момента, когда в энергосистеме наступит пик нагрузки. В случае, если прилив или отлив совпадает по времени с максимумом нагрузки энергосистемы, ПЭС работает в генераторном режиме. Т. о., ПЭС может использоваться в энергосистеме как пиковая электростанция. Так, например, работает ПЭС на 240 Мвт, построенная в 1966 в эстуарии р. Ране во Франции.

Рис. 3. однобассейновая ПЭС двустороннего типа

Рис. 4. приливная турбина Neptune

ПЭС в России и зарубежом

Интерес к технологии преобразования энергии морских приливов в электрическую впервые появился в середине прошлого века. Сразу в нескольких странах началось строительство опытных приливных электростанций.

В России c 1968 года действует экспериментальная ПЭС в Кислой губе на побережье Баренцева моря (Рис. 2.). На 2009 год её мощность составляет 1,7 МВт. На этапе проектирования находится Северная ПЭС мощностью 12 МВт. В советское время были разработаны проекты строительства ПЭС в Мезенской губе (мощность 11 000 МВт) на Белом море, Пенжинской губе и Тугурском заливе (мощностью 8000 МВт) на Охотском море, в настоящее время статус этих проектов неизвестен, за исключением Мезенской ПЭС, включённой в инвестпроект РАО «ЕЭС». Пенжинская ПЭС могла бы стать самой мощной электростанцией в мире — проектная мощность 87 ГВт.

Существуют ПЭС и за рубежом — во Франции, Великобритании, Канаде, Китае, Индии, США и других странах. ПЭС «Ля Ранс» (Рис. 5.), построенная в эстуарии р. Ранс (Северная Бретань) имеет самую большую в мире плотину, ее длина составляет 800 м. Плотина также служит мостом, по которому проходит высокоскоростная трасса, соединяющая города Св. Мало и Динард. Мощность станции составляет 240 МВт[2].

Другие известные станции: южнокорейская — Shihwa (мощность 254 МВт. 3]), канадская — ПЭС Аннаполис и норвежская — ПЭС Хаммерфест.

Рис. 5. ПЭС «Ля Ранс»

Российские ПЭС. Кислогубская ПЭС

40 лет назад в губе Кислой Баренцева моря на Кольском полуострове была введена в эксплуатацию пионерная в России приливная электростанция — экспериментальная Кислогубская ПЭС (Рис. 2. Рис. 6.).

Здание Кислогубской ПЭС, по предложению главного инженера проекта и строительства Л. Б. Бернштейна, было впервые в мировой практике гидроэнергетического строительства сооружено наплавным способом (без перемычек), что позволило на треть сократить стоимость ПЭС. На Кислогубской ПЭС в одном из двух её водоводов был установлен приобретенный во Франции капсульный гидроагрегат с диаметром рабочего колеса 3,3 м (на ПЭС Ранс в 1967 г. установлено 24 капсульных машины диаметром 5,3 м). Второй водовод был предназначен для установки в нем нового отечественного гидроагрегата для ПЭС. За время работы станции выработано около 9 млн кВт· ч электроэнергии.

В декабре 2004 г. на Кислогубской ПЭС смонтирован первый отечественный ортогональный гидроагрегат с рабочим колесом диаметром 2,5 метра на горизонтальном валу, который имеет повышенный коэффициент полезного действия и не изменяет направление вращения при приливах и отливах. Установленная мощность гидроагрегата составляет 200 кВт.

В 2006 году в соответствии с Инвестиционной программой ОАО РАО «ЕЭС России» по заказу ОАО «ГидроОГК» на ФГУП «ПО «Севмаш» в г. Северодвинске был изготовлен экспериментальный металлический наплавной энергоблок «Малой Мезенской ПЭС» с ортогональным гидроагрегатом с диаметром рабочего колеса 5 метров на вертикальном валу и проектной мощностью 1500 кВт.

После вывода модуль-блока со стапеля завода, он был отбуксирован по морю и установлен в проектное положение в створе Кислогубской ПЭС. В настоящее время на энергоблоке ведутся работы по программе комплексных натурных испытаний ортогональных гидроагрегатов и вспомогательного оборудования. Впоследствии технологии и конструкции, отработанные на Кислогубской ПЭС, будут применены при создании перспективных приливных электростанций, таких как Северная ПЭС (Мурманская область, губа Долгая), Мезенская ПЭС (Архангельская область, Мезенский залив Белого моря), Тугурская ПЭС (Хабаровский край, Тугурский залив Охотского моря). Накопленный к настоящему времени опыт эксплуатации Кислогубской ПЭС (филиал ОАО «Малая Мезенская ПЭС») позволяет констатировать факты преимущества ПЭС перед другими способами получения энергии. Приливные электростанции не оказывают вредного воздействия на человека. Влияние на ПЭС катастрофических природных и социальных явлений (землетрясения, наводнения, военные действия) не угрожают населению в примыкающих к ПЭС районах. К преимуществам приливных электростанций нельзя не относить их социальное значение. В бассейнах ПЭС образуются ряд благоприятных факторов, положительно влияющих на окружающую среду и места проживания населения, а именно: смягчение (выравнивание) климатических условий на примыкающих к бассейну ПЭС территориях, защита берегов от штормовых явлений и предотвращение, вследствие этого, негативных для местного населения последствий, расширение возможности хозяйств марикультуры, в связи с увеличением почти вдвое биомассы морепродуктов, улучшение транспортной системы района, исключительные возможности расширения туризма.

Рис. 6. Кислогубская ПЭС

Энергетическое значение ПЭС

Приливная энергия:

· возобновляема и стабильна,

· независима от водности года и наличия топлива,

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

· Приливная энергия замещает органические энергоносители, существенно экономит органическое топливо, вследствие чего сохраняет запасы углеводородов.

ПЭС с точки зрения экологии

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

· исключен выброс загрязняющих веществ в атмосферу,

· не образуются радиоактивные и тепловые отходы,

· не требуется добыча, транспортировка, переработка, сжигание и захоронение топлива, затопление территорий,

· плотины ПЭС биологически проницаемы, для них не стоят задачи создавать напор на продолжительный срок, бороться с фильтрацией.

· пропуск рыбы через ПЭС происходит практически беспрепятственно, при холостом режиме работы турбинных агрегатов при открытых затворах обеспечивается пропуск через плотину рыб, совершающих нерестовые и кормовые миграции,

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

· основная кормовая база рыбного стада — планктон: на ПЭС гибнет не более 5−10% планктона,

· ледовый режим в бассейне ПЭС смягчается, т.к. формирование сплошного ледяного покрова маловероятно.

Экологический и экономический эффекты эксплуатации приливных электростанций в рамках проекта «Малая Мезенская ПЭС»

В настоящее время (по данным за 2005 г.) мировая потребность в электроэнергии составляет 15 000 ГВт· ч в год, в том числе в России 940 ГВт· ч. По прогнозам специалистов, выработка электроэнергии к 2050 г., вполне вероятно, увеличится более, чем вдвое, и составит 30 000 ГВт· ч в год. Двадцать процентов из этого объема составляет доля гидроэнергетики. Новые методы использования энергии приливов и оптимальное использование современной технологии морских электростанций будут способствовать развитию очень мощных ПЭС. К 2050 году они могут покрывать 5% мирового энергопотребления (т.е. около 1 500 ГВт· ч) и будут иметь такой же длительный срок эксплуатации, как традиционные ГЭС. Возможность использования экологически чистой энергии в количестве 1 500 ГВт· ч в год позволит экономить порядка 485 млн т условного топлива (у.т.) в год, что исключит ежегодный выброс углекислого газа (СО2) в атмосферу в размере 750 млн т.

Экологический эффект, заключающийся в предотвращении выброса углекислого газа (СО2) от сжигания такого колоссального количества топлива, был бы поистине неоценимый. К примеру, коэффициент эмиссии для газа равен 1,62 т СО2/т у.т., для угля — 2,76 т СО2/т у.т., для мазута — 2,28 т СО2/т у.т., а для бензина — примерно 3 т СО2/т у.т.

Для стран, подписавших Киотский протокол, обязательным условием является осуществление проектов, приводящих к сокращению выбросов парниковых газов (Проекты совместного осуществления (ПСО)). К таким проектам в энергетике относятся возобновленные источники энергии, в том числе и приливные электростанции.

Для энергетической отрасли России, по данным аналитиков, фактор эмиссии составляет 500 г СО2/кВт· ч. В частности, у возобновленных источников энергии, этот показатель равен нулю, поэтому электроэнергия от ПЭС является экологически чистой. В рамках проекта Кислогубской ПЭС выработка электроэнергии на станции за период эксплуатации с 1970 по 1994 гг. составила около 9 млн кВт· ч, что сэкономило 2,6 тыс. тонн условного топлива и предотвратило выброс в атмосферу углекислого газа примерно 4,0 тыс. т. Экологический эффект (на примере Мезенской ПЭС при установленной мощности 8 000 МВт и при годовой выработке 38,9 млрд кВт· ч) заключается в экономии 12,6 млн т у.т. и в предотвращении выброса порядка 19,45 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 195 млн USD.

Рис. 7. Прилив

Заключение

Понятно, что без тепловой и атомной энергетики, от которых человечеству придется отказаться, чтобы выжить, не обойтись, возможно, на протяжении всего нынешнего столетия. Но там, где есть возможность, следует внедрять альтернативные источники энергии, чтобы смягчить неизбежный переход от традиционной энергетики к альтернативной. И на мой взгляд энергия приливов и отливов, а также сами ПЭС, является достойным алтернативным источником энергии. И поэтому сами приливные электростанции требуют все большего усовершенствования и изучения их работы, а также строительства новых, более мощных ПЭС.

1.Бернштейн Л. Б. «Приливные электростанции в современной энергетике»

2.Хрусталёв Евгений «Энергия мирового океана»

3.Жибра Р. «Энергия приливов и приливные электростанции» перевод с французского

4.Усачев И. Н. «Приливные электростанции»

5.Раве Р., Бьеррегорд Х., Милаж К. Проект достижения выработки 10% мирового электричества с помощью энергии ветра к 2020 г.