ПЭС (приливная электростанция): что такое, плюсы и минусы, принцип работы

Естественный эффект приливов и отливов

Этот тип электростанции работает за счет явлений приливов и отливов. Регулярный подъем и падение уровня воды в результате действия силы тяжести.

Их существование связано с тем, что Земля находится в гравитационном поле между Солнцем и Луной. Когда Луна вращается вокруг Земли, она силой тяжести «притягивает» массы воды, а наша планета, наоборот, препятствует такому движению.

Таким образом, силы тяготения известных нам космических тел действуют друг на друга, в результате чего морская вода вздымается, благодаря чему мы можем наблюдать приливы и отливы.

Подобное природное явление происходит два раза в сутки с интервалом ок. 12 часов. Интересно, что приливы происходят в обоих полушариях одновременно.

Принцип работы приливных ГЭС

Гидротурбины считаются основным элементом конструкции. Они заставляют вращаться генератор, отвечающий за выработку электроэнергии. Для максимального КПД электростанции для ее расположения выбирают места с максимальными приливами. Здесь создается дамба, в которую встраивается гидротурбина и которая разделяет акваторию и прибрежную зону.

Развитие приливной гидроэнергетики не стоит на месте. Уже появилось новое поколение PES. Работают они практически по одному принципу. Отличие в том, что генератор приводится в движение большими лопастями. Они устанавливаются на специальную конструкцию, расположенную внизу. Лопасти по принципу аналогичны ветряным турбинам, но используют энергию воды, а не ветра.

Причины малой распространенности приливных станций

ПЭС является экологически чистым и неопасным сооружением. Учитывая, что он вырабатывает электроэнергию, прибрежные зоны должны быть плотно застроены дамбами. Впрочем, их можно пересчитать по пальцам. Причина тому – экономическая составляющая.

Строительство плотины является фундаментальной задачей. Он требует значительных вложений. Современные строительные материалы снижают затраты, но зато плотина требует обслуживания и ухода.

Она стоит в 1,5 раза дороже обычных ГЭС. В то же время количество производимой энергии также меньше. Однако не следует забывать и об ущербе, наносимом рыбному хозяйству и окружающей среде при эксплуатации гидроэлектростанций.

Сегодня насчитывается 10 приливных станций. Они различаются количеством вырабатываемой энергии, но уже сейчас можно судить о тенденции развития ТЭС.

Режим действия ПЭС

Работа приливных и приливных электростанций циклична. Это связано с периодами приливов и отливов, которые длятся 4-5 часов. В этот момент происходит преобразование основного тока. Между циклами есть периоды отдыха — 1-2 часа.

Это время характеризуется низкой выработкой энергии. В течение дня 4 повторения цикла. Для сооружения установки берут места, где фиксируются максимальные перепады уровня воды.

Плюсы и минусы использования

Каждое современное изобретение имеет преимущества и недостатки. При их сравнении определяется эффективность операции.

Преимущества приливных электростанций:

• экологическая чистота и отсутствие вредных выбросов в биосферу;
• вмешательство при строительстве носит локальный характер, а время восстановления подводной флоры и фауны не занимает более 3 лет;
• работа ТЭЦ не влияет на навигацию и нормальный ход рыбы;
• плотина исключает появление гололеда;
• дополнительная защита прибрежной зоны от штормов;
• долгий срок службы;
• возможность расчета количества вырабатываемой энергии;
• низкая стоимость вырабатываемой энергии;
• вдоль плотины проложены автомобильные и железные дороги;
• обслуживание требует меньше энергии;
• отчуждение земли не нужно для строительства плотины.

Недостатков меньше, но они все же влияют на решение. Это включает:

• циклическая работа, для которой характерно неравномерное действие. Это заметно во время пассивной фазы (перед приливом и после отлива);
• долгая окупаемость;
• невозможность совмещения туристической зоны со строительством плотины. Более выгодным вложением считается организация курорта. Поэтому объекты строятся в северных регионах;
• затраты и спецификации на строительство плотины.

Эволюция водяного колеса

Человек нашел применение в своей деятельности и этому природному явлению, сделав водяное колесо. Водяное колесо представляет собой механизм, способствующий переработке энергии воды в более полезные формы энергии для хозяйственной деятельности человека. Упоминания об использовании этого механизма можно найти еще в 5 веке до нашей эры.

Принцип работы первого водяного колеса был очень прост: механизм устанавливался вертикально на поверхности земли, а на его внешней поверхности устанавливались деревянные бруски, благодаря которым колесо приводилось в движение движением воды.

Древние греки усовершенствовали это изобретение, соединив ось с колесом с помощью специального устройства. Это предположение привело человечество к появлению водяных мельниц, которые значительно повысили производительность первых предприятий.

Создание водяного колеса и развитие водяных мельниц привели к изобретению приливных электростанций.

Конструкция ПЭС

По своей конструкции ПЭС делятся на плотинные и безплотинные. На первый взгляд Dam-OPS имеет много общего с традиционными гидроэлектростанциями. Участок озера отгорожен плотиной, где есть каналы, где установлены турбины.

Другой вариант — перекрыть устье реки или существующую бухту плотиной. В отличие от традиционных гидроэлектростанций, гидрогенераторы обычно являются реверсивными, т.е способны вырабатывать электроэнергию как при прямом, так и при обратном движении воды.

ТЭЦ Ла Ранс, станция Кислогубская и большинство других ТЭС мира запружены. В этом случае пруд часто выполняет дополнительные функции. Например, через плотину La Rance TPS Dam проходит скоростная автострада.

Крупнейшая в мире Сихвинская ТЭС мощностью 254 МВт, расположенная на северо-западном побережье Южной Кореи (запущена в 2011 г.), обязана своим происхождением неудавшемуся проекту создания пресноводного резервуара для орошения, для чего в заливе была построена плотина.

Кстати, особенностью Сихвинской ТЭС является работа генераторов исключительно в прилив, то есть они не реверсивны. Это связано не с намерением упростить конструкцию, а с необходимостью сделать слив воды более быстрым, чем наполнение по экологическим соображениям, чтобы вода не застаивалась.

В бесплотинных ТЭС гидроагрегаты устанавливаются на дне пролива, где приливы и отливы создают высокоскоростные течения. Пример такой ТЭЦ находится вблизи острова Рузвельта (США). Преимуществом бесплотинных ТЭС является низкая стоимость строительства, недостатками — малая мощность и малое количество мест на земле, где они могут быть размещены.

Важнейшей технической проблемой, связанной с внедрением ПЭС, является низкое давление воды. В традиционных ГЭС высота воды обычно измеряется десятками метров, минимальное значение составляет 3 м. В ГЭС высота воды не превышает 13 м, при этом гидроагрегаты должны иметь возможность вырабатывать электроэнергию даже при высоте перепада 1 м.

В 20 веке в ПЭС использовались так называемые осевые турбины, в которых поток воды движется в направлении оси вращения колеса.

Осевые турбины, которые могут работать в НПС, стоят в несколько раз дороже, чем турбины для гидроагрегатов той же мощности, используемые на традиционных гидроэлектростанциях. Это обстоятельство на долгие годы сдерживало развитие приливной энергетики.

В середине 1980-х годов в Канаде и Японии было предложено использовать для ПЭС так называемые ортогональные турбины. Особенностью конструкции таких турбин являются лопасти, которые вращаются под действием потока воды таким образом, что всегда располагаются перпендикулярно потоку.

Ортогональные турбины значительно дешевле осевых, но недостатком имевшейся тогда конструкции был низкий КПД, не превышавший 40 %. Поэтому от идеи использования ортогональных турбин за границей быстро отказались.

В Советском Союзе, а затем и в России направление ортогональных турбин продолжали развивать, добившись в этом немалых успехов. В 1989-2000 годах в НИИ энергетических сооружений была создана конструкция ортогональной турбины с КПД до 70%.

Именно такие турбины отечественного производства установлены на возрожденной Кислогубской ТЭЦ. И если в нашей стране изначально использовались французские технологии в области приливной энергетики, то сейчас турбины российской разработки проходят испытания во Франции для бытового использования.

Виды приливных станций

Приливная электростанция — это тип гидроэлектростанции, которая преобразует энергию приливов в электричество. То есть, используя кинетическую энергию земли, человек может создать необходимый для его деятельности вид энергии.

Существует несколько типов приливных электростанций: генераторы приливных течений, лагунного типа, приливные и динамические.

Генераторы приливного потока

Приливные генераторы представляют собой отдельные механизмы, целью которых является извлечение энергии из толщи воды за счет размещения под водой специальных лопастей, которые вращаются при изменении уровня воды. Эта модель приливной электростанции чем-то напоминает винт вертолета, только лопасти приводятся в движение не воздухом, а потоками воды.

Подобные генераторы устанавливаются там, где есть место для постоянного регулярного стока – реки, каналы и так далее

По типу лагуны

Следующий тип приливных электростанций – это приливные лагуны. Для работы таких агрегатов предполагается некий водоем, вокруг которого они образуют круговую дамбу.

Производство электроэнергии осуществляется следующим образом: после накопления уровень воды падает, в результате чего начинают вращаться турбины, создавая тем самым энергию.

Приливно — отливные

Приливные электростанции работают в следующем порядке: во время прилива вырабатывается потенциальная энергия, которая во время отлива приводит во вращение турбины. Гравитация генерирует электрическую энергию.

Динамические

Динамические силовые установки отличаются от вышеперечисленных тем, что длина может составлять несколько километров. Это означает, что вдоль побережья установлены специальные механизмы, преобразующие массы воды в энергию, необходимую человеку.

Можно сделать вывод, что приливная электростанция является экологически чистой установкой. Однако для его функционирования необходимо учитывать все необходимые факторы, влияющие на его работу.

Выбор природного пространства для сооружения ПЭС

Одним из важнейших факторов является наличие подходящей водной зоны. В основном такие сооружения строят там, где есть приливная энергия, т.е эффект приливов и отливов. Это необходимое условие, так как в противном случае кинетическая энергия воды не будет преобразована турбинами в энергию вращения, и здание будет лишено своего значения.

Поэтому реки с сильным течением, пляжи и другие водные потоки, подверженные гравитационным силам, будут хорошим выбором для размещения приливных электростанций.

Устройство и принцип работы

Большинство PES состоят из двух основных частей:

• турбины, вырабатывающие энергию;
• резервуар, в котором скапливается много воды.

Генераторы приливных течений не имеют аккумулирующей части, поэтому средняя мощность на турбину ниже.

Природа образования приливов основана на взаимодействии Земли и Луны. При взаимном вращении изменяется уровень силы тяжести, что приводит к движению водных масс. Работа приливных электростанций основана на создании напора воды из накопленной водной массы.

Вода образует в водоеме потенциальную энергию, и с помощью удерживающих затворов она аккумулируется. Во время отлива уровень падает и течение начинает двигаться, вырабатывая кинетическую энергию и вращая турбины. Работа состоит из 4-х циклов: половодье и маловодье по 12 часов, а также время простоя.

Читайте также: Пьезоэлектрический эффект, применение в науке и технике

Использование ПЭС станций

Использование приливных электростанций в хозяйственной деятельности общества говорит о том, что человек научился использовать водные ресурсы максимально эффективно и рационально. Однако такие механизмы, не наносящие вред окружающей среде, не получили широкого распространения.

В России

В России имеется одна действующая приливная электростанция — Кислогубская ТЭС, расположенная в Баренцевом море, на реке Кислай. Разработкой этого механизма занимался главный инженер Гидропроектного института Л.Б.Бернштейн, известный как строитель Метростроя.

Кислогубская ТЭЦ начала свою работу в 1968 году, но в 1992 году была законсервирована.

После реконструкции в 2004 году наша приливная электростанция снова работает в качестве экспериментальной модели.

На Кислогубской ТЭЦ установлено только одно водяное колесо, так как станция является экспериментальной. Мощность этой установки превышает 1,7 МВт, а до реконструкции основной показатель составлял 0,5 МВт.

Задача этой станции не доставить электроэнергию в конкретный район, а продемонстрировать обществу возможность выработки электроэнергии без вреда для окружающей среды. Сотрудники этой станции следят за действиями, фиксируют и собирают данные.

Стоит отметить, что дизайн этой станции уникален, так как разрабатывался специально для этой местности. Независимо от направления потока воды водяное колесо всегда движется в одном направлении.

Поскольку Кислогубская приливная электростанция показывает хорошие результаты, в России разрабатывается несколько подобных станций — Северная ТЭЦ, Пенжинская ТЭЦ и Малая Мезенская ТЭЦ.

Функция этих механизмов позволяет решить ряд экологических проблем: истощение ресурсов, уничтожение природных ресурсов, а также изменение образа жизни морских организмов.

За границей

Идея разработки экологически чистой установки, вырабатывающей электроэнергию, впервые была воплощена в жизнь в 1966 году во Франции.

Приливная электростанция была названа Ла Ранс в честь реки, на которой она находилась. Выбор места для этой станции был обусловлен высокими приливами в устье реки.

На строительство «Ла Ранса» было потрачено 150 миллионов долларов, но результат себя оправдал. В отличие от российской приливной электростанции, вырабатывающей 1,7 МВт энергии, французская прародительница способна достигать 240 МВт.

Это связано с тем, что в Ла-Рансе установлено 24 турбины для преобразования кинетической энергии водных масс в электричество, тогда как в российском аналоге водяное колесо всего одно.

Долгое время французский механизм был гигантом по всем параметрам по сравнению с приливными электростанциями по всему миру, но в 2011 году в Корее появилась Сихвинская ТЭС. Мощность этой электростанции достигает 254 МВт, что обусловлено ее размерами и техническим оснащением.

Сихвинская ТЭС имеет протяженность 12 километров вдоль побережья и, таким образом, выполняет одновременно две важные задачи. Первое — это выработка электроэнергии, а второе — защита местности от затопления.

Стоит отметить китайскую приливную электростанцию ​​Цзянсу, которая вырабатывает 3,2 МВт и обеспечивает электричеством близлежащие деревни. Особенностью этой ПЭС является то, что она сочетает в себе не только механизм турбин, но и монокристаллические солнечные модули.

Это означает, что в одном месте была установлена ​​не только приливная электростанция, но и установка на солнечных батареях. Мощность последнего составляет 0,04 мВт.

Есть также приливные электростанции в Индии, Великобритании, Канаде и США.

Преимущества и недостатки применения приливных электростанций

Можно сделать вывод, что общество постепенно осознает необходимость распространения таких экологически чистых источников энергии, как приливные электростанции.

ПЭС являются уникальным изобретением, так как они удовлетворяют не только потребности человека, но и потребности окружающей среды.

Современное общество нуждается в постоянном притоке электричества, а природа должна быть сохранена. Между тем, приливные электростанции выполняют оба этих желания. Однако такие конструкции имеют не только достоинства, но и недостатки.

Самым большим преимуществом является, как неоднократно повторялось, отсутствие негативного воздействия на окружающую среду. К сожалению, людям не хватает осознания, когда дело доходит до понимания такого глобального понятия, как «окружающая среда».

Это подтверждается тем, что больший уклон в производстве делается на обычные электростанции, в результате чего появляются кислотные дожди, повышается уровень загрязнения мирового океана, а также формируется парниковый эффект. В то время как механизм приливной электростанции направлен только на переработку кинетической энергии в электрическую.

Следующим существенным преимуществом приливных электростанций является их долгий срок службы. Примером может служить Кислогубская ТЭЦ, которая проработала 36 лет до 1992 года, а после реконструкции остается работоспособной и по сей день.

Их конструкция также значительно проще конструкции обычных гидроэлектростанций, так как в водохранилище отсутствуют торсы. Это свидетельствует не только о простоте обеспечения их работы, но и об отсутствии возможных последствий аварийных ситуаций. Подобные ситуации случаются во всех сооружениях, но в отличие от простых электростанций последствия будут не такими разрушительными.

Преимущества приливных электростанций также носят социальный характер.

Во-первых, вырабатываемая энергия доступна по цене, поскольку относительно легкая конструкция электростанции дешевле в использовании, что значительно облегчает жизнь многим людям.

Во-вторых, поверх приливной электростанции можно проложить автомобильную или железную дорогу, как это сделано на Сихвинской ТЭС в Корее. Такое усовершенствование механизма поможет кому-то сэкономить бензин и время в пути.

Также хотелось бы отметить, что сила приливов работает всегда, вне зависимости от погодных условий. Следовательно, у людей всегда будет возможность получать электроэнергию в том или ином объеме.

Однако есть и обратная сторона медали. К сожалению, приливные электростанции имеют определенные недостатки.

Во-первых, такие сооружения работают неравномерно, так как приливы цикличны. Следовательно, человек не сможет получать электроэнергию в том количестве, которое ему хочется.

Во-вторых, строительство приливных электростанций окупится через много лет, так как энергия приливов, наоборот, очень дешевая. Поэтому такая форма производства энергии невыгодна государству.

Будущее развитие приливной энергетики

Резюмируя, следует сказать, что создание и развитие приливных электростанций необходимо, так как ресурсы на планете Земля исчерпаемы. Общество должно беречь природу вокруг себя, поэтому, несмотря на сложность установки и необходимость больших капитальных вложений, приливным электростанциям найдется место в нашем будущем.