Гидроэнергетические сист. Использование воды для получения механической энергии достаточно старая практика
 Скачать 3.89 Mb.
|
|
1 фунт (lb) = 0,454 килограммов; 1 кг = 2,205 фунта; 1 киловатт (кВт) = 1,34 лошадиных сил; 1 л.с. = 746 Ватт. 52 ЭНЕРГИЯ ОКЕАНОВ Океаны издавна считались потенциальным источником энергии. Приливы, течения и волны производят механическую энергию. Эту энергию с помощью различных технологий можно преобразовывать в электроэнергию. ЭНЕРГИЯ ПРИЛИВОВ И ОТЛИВОВ Приливы и отливы отличаются от всех других источников энергии тем, что в данном случае речь идет о потенциальной и кинетической энергии системы " Земля - Луна - Солнце ". Как известно, приливы и отливы океанов возникают благодаря влиянию Луны на Землю. При этом изменяется уровень морских вод вдоль береговой линии всех континентов. Поскольку уровень воды колеблется дважды в день, она поочередно "заполняет" и "освобождает" часть территории побережья, образуя, таким образом, естественные бассейны. Потоки, вытекающие из этих бассейнов, могли бы использоваться для приведения в движение гидротурбин, соединённых с генераторами, вырабатывающими электроэнергию. Чем выше приливы, тем большее количество электроэнергии может быть выработано в данном месте. Технология, использующая этот источник энергии, похожа на гидроэнергетическую технологию при малом напоре. ПОТЕНЦИАЛ Мировой потенциал энергии приливов и отливов оценивается в размере около 3000 ГВт. Эксперты считают, что только 2 % или 60 ГВт может быть использовано для выработки электроэнергии. В настоящее время считается экономически целесообразным выработка электроэнергии за счет приливов и отливов только в местах с их амплитудой более 5 м. В некоторых регионах использование энергии приливов и отливов является достаточно привлекательным, особенно для береговых областей и в дельтах рек, где амплитуда приливов и отливов обычно выше средней. Такие условия обнаружены, например, в Канаде, где средняя амплитуда приливов и отливов равняется 10,8 м, а также в устье реки Северн в Англии, где средний показатель амплитуды достигает 8,8 м. Крупномасштабные проекты в этих местах были бы экономически выгодными. РАЗВИТИЕ За последние сорок лет интерес к использованию энергии приливов и отливов постоянно возрастал. Первоначально внимание ученых было сконцентрировано в основном на устьях рек, где большие объемы воды с большой скоростью проходят через узкие каналы. Инженеры считали, что, 53 блокируя устья рек плотиной и заставляя воду проходить через турбины, можно было бы эффективно генерировать электроэнергию. С технической точки зрения они были правы. Но большой экологический вред от таких проектов был очевиден. Сегодня существует три промышленных электростанции, работающих за счет энергии приливов и отливов: 240 MВт-ная станция, которая была построена в устье реки Ла Ранс около Сен-Мало (Франция) в 1967 г., 1 МВт-ная станция на Белом море в России, законченная в 1969 г. и 16 MВт- ная станция в Новой Шотландии (Канада). Проблемы, связанные с окружающей средой, остановили дальнейшее развитие технологии, основанной на заграждении устья реки. Приливная станция на реке Ла Ранс Электростанция на реке Ла Ранс имеет турбины, которые могут также работать в режиме насосов; таким образом, установка может функционировать как насосно-аккумулирующая станция для выравнивания нагрузки в сети. Вода, закачиваемая в резервуар в периоды низкого потребления электроэнергии, увеличивает напор на турбинах в периоды пиковой нагрузки в сети. Амплитуда приливов и отливов в устье реки Ла Ранс достигает 13,4 м. Ширина дамбы составляет 760 м. При высоком уровне воды дамба "захватывает" воды Атлантики в заливе. При низком уровне вода течёт назад к морю. По пути вода проходит через 24 турбины, соединённые с генераторами установленной мощностью 240 МВт. Вырабатываемой электроэнергии достаточно для энергообеспечения города с населением в 300 000 человек. ТЕХНОЛОГИЯ В основе традиционной технологии, основанной на заграждении канала устья реки, лежит следующий принцип: вода накапливается во время приливов, а в периоды отливов ее сбрасывают для работы гидротурбины. 54 Эта методика предусматривает создание заграждения (невысокой дамбы) для ограждения территории устья реки, попадающей под приливы, позволяя приливному потоку аккумулироваться на океанской стороне дамбы. Генерирование энергии происходит в течение нескольких часов во время высокого уровня воды. Таким образом работает и электростанция на Ла Ранс. После того, как уровень воды достигает максимальной отметки, запорные клапаны закрываются. Запруженная вода спускается во время отлива. Затворы открываются или закрываются в соответствии с приливами, разрешающими течение воды только при напоре, необходимом для вращения турбин. Основная технология выработки электроэнергии подобна гидроэнергетической технологии при малом напоре, т.е. вода проходит через турбогенераторы под действием напора. Главное отличие этой технологии, помимо постоянного нахождения турбин в соленой воде, состоит в следующем. Турбины электростанции, работающей на приливах и отливах, должны работать при регулярно изменяющемся напоре воды, что влияет на коэффициент использования установленной мощности. Эти электростанции могут вырабатывать приблизительно одну третью часть электроэнергии, вырабатываемой ГЭС такой же установленной мощности. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ Для увеличения выработки электроэнергии необходимо увеличивать размеры заграждений, блокирующих канал устья реки. С увеличением размера водоема возрастает отрицательное влияние на экологию данного региона. В частности, блокируется навигация; возникает препятствие для миграции рыбы; рыба погибает, проходя через турбины; изменяется локализация и природа приливно-отливной зоны; изменяется режим приливов и отливов в нижнем течении реки; уничтожается среда обитания птиц, живущих в мелководье; осадок, скопившийся позади заграждения, может уменьшить объем устья реки. ТУРБИНЫ, РАБОТАЮЩИЕ ЗА СЧЕТ ТЕЧЕНИЙ ПРИЛИВОВ И ОТЛИВОВ В начале 90-х годов ХХ века интерес к электростанциям, работающим в устьях рек, упал. Ученые и инженеры начали изучать возможность использования береговых течений для производства электроэнергии. Вместо использования дорогостоящих заграждений и гидротурбин малого напора, более перспективным выглядит использование кинетической энергии быстрых приливных течений. При этом применяются относительно простые машины: турбины, работающие за счет течений приливов и отливов. Во многих местах, благодаря рельефу морского дна, вода течет сквозь узкие каналы или вокруг подводных скал, подобно ветру, проносящемуся над равнинами и вокруг холмов. Однако морская вода имеет намного более высокую плотность по сравнению с плотностью 55 воздуха (в 832 раза выше). Поэтому потоки, текущие со скоростью 9,25 - 16,7 км/ч, имеют такой же энергетический потенциал, как ветер при скорости 390 км/ч! Кроме того, в отличие от ветра, прибрежные потоки приливов предсказуемы. Периоды приливов и отливов меняются каждые двенадцать часов, образуя водные потоки, достигающие максимальной скорости четыре раза в день. Технология с использованием турбин, работающих за счет течений приливов и отливов, является главным "конкурентом" технологии заграждений. Однако стоит отметить, что эта технология находится еще в стадии развития. Похожие на подводные ветротурбины, работающие за счет течений приливов и отливов турбины имеют целый ряд преимуществ по сравнению с заграждениями. Они менее разрушительны для живой природы, позволяют малым судам плавать беспрепятственно и требуют меньших материальных затрат, чем строительство дамбы. Работа таких турбин эффективна при наличии береговых потоков, имеющих скорость 2- 3 м/с. Использование более слабых потоков экономически нецелесообразно, а более сильные потоки могут повредить оборудование. При наличии потока скоростью 2-3 м/с турбина диаметром 20 м произведет такое же количество энергии, как ВЭУ с лопастями диаметром 60 м. Преимущество этой турбины состоит также в том, что её не видно и не слышно, так как весь агрегат (кроме трансформатора) находится ниже поверхности воды. В мире существует много регионов, где использование этой технологии было бы экономически выгодным. Самые сильные прибрежные потоки обнаружены на границах мировых океанов. Потенциал этого энергетического ресурса оценивается экспертами в более чем 330 000 MВт. Юго-Восточная Азия, в частности, побережье Китая и Японии - это те территории, где течения приливов и отливов могли бы эффективно использоваться для выработки электроэнергии. Идеальное месторасположение для такой установки - участок, расположенный недалеко от берега на глубине примерно 30м, где при оптимальных скоростях подводных течений можно было бы производить более чем 10 МВт·ч электроэнергии на км 2 . Эксперты ЕС уже определили 106 мест, подходящих для установки турбин, работающих за счет течений приливов и отливов; 42 из них - в прибрежной зоне Великобритании. Ожидается, что цена энергии, выработанной этими турбинами, будет на уровне 0,10 доллара США за 1 кВт·ч. Это дороже, чем электроэнергия, полученная за счет традиционных источников энергии (уголь, газ), но значительно ниже стоимости электроэнергии, которую потребляют жители островов. По мере дальнейшего развития технологии стоимость электроэнергии, вероятно, будет понижаться. ЭНЕРГИЯ ВОЛН 56 Волны образуются благодаря ветру, который дует вдоль океанской поверхности. Вся энергия концентрируется вблизи поверхности воды в слое не толще 50 метров. Благодаря этому, океанская волна является высоко сконцентрированным источником энергии, менее подверженным почасовым и ежедневным изменениям, чем другие возобновляемые источники энергии, например, ветер или солнце. Волны проходят большие расстояния и действуют как эффективный механизм "транспортировки энергии" на тысячи километров. Волны, возникающие во время шторма в центральной части Атлантического океана, доходят до побережья Европы без значительных энергетических потерь. Использование энергии волн может внести значительный вклад в мировое производство и обеспечение электроэнергией при условии, что будет разработан экономически обоснованный способ извлечения этой энергии. Максимальная концентрация энергии волн находится в областях, подверженных самым сильным ветрам, т.е. между широтами 40 о и 60 о на восточных побережьях океанов Северного и Южного полушарий. ТЕХНОЛОГИИ Волновые установки "извлекают" энергию волн и преобразовывают ее в электроэнергию. Эти установки бывают разных типов: пьезокварцевые преобразователи, входные сужающиеся каналы и морские грейферные ковши. В частности, морские грейферные ковши используют движение волны, заставляя воздух проходить между лопастями, расположенными по периметру круглой плавучей установки. Воздух проходит сквозь воздушные турбины, которые вращают вал, соединённый с электрическим генератором. 57 Европа, в особенности Великобритания, проявляет большой интерес к развитию технологий, основанных на использовании энергии волн. Согласно недавно проведенным исследованиям, сейчас существуют установки, которые могут вырабатывать электроэнергию по цене ниже 0,10 доллара США за 1 кВт·ч, при которой производство электроэнергии становится экономически целесообразным. Наиболее эффективное из созданных на сегодняшний день устройств, "Утка Салтера", может вырабатывать электроэнергию по цене менее 0,05 доллара США за 1 кВт·ч. "Утка Салтера" была изобретена в 70-х годах ХХ века профессором Стивеном Салтером в Университете Эдинбурга (Шотландия). Хотя устройство работает достаточно эффективно, проект был практически закрыт в середине 80-х из-за того, что в отчете ЕС цена выработанной электроэнергии с помощью такой технологии была ошибочно оценена в 10 раз выше реальной. Сейчас допущенная ошибка обнаружена, и интерес к устройству Салтера снова возрастает. Грейферный ковш - другое устройство, которое, подобно "Утке," может генерировать энергию, "используя" колебания морской воды. Грейферный ковш - устройство с шестью воздушными подушками, установленными вокруг полого круглого столба. При ударе волн о конструкцию, воздух "выдавливается" между шестью подушками через полый столб, который оборудован самонастраивающимися турбинами. Даже при учете затрат на кабель, соединяющий устройство с берегом, подсчитано, что грейферный ковш может вырабатывать электроэнергию по цене около 0,06 доллара США за 1 кВт·ч. МОГУЧИЙ КИТ В июле 1998 года Центр морской науки и технологии Японии начал работу по проекту самой большой в мире морской силовой установки, полноразмерный прототип которой был протестирован в 2000 году. 58 Это плавучее устройство получило название "Могучий Кит". Установка длиной 50 м и шириной 30 м использует волны Тихого океана для привода трёх воздушных турбин (одна номинальной мощностью 50 кВт + 10 кВт и две по 30 кВт), установленных на бортовой платформе. После того, как прототип установки был отбуксирован к месту швартовки приблизительно в 1,5 км от выхода из залива Гокашо, он был поставлен на якорь (приблизительно на 40-метровой глубине) шестью тросами; четыре троса по направлению к морю и два - на подветренной стороне. По своей прочности тросы рассчитаны на тайфун, а сама установка может выдерживать 8-метровые волны. "Могучий Кит" преобразует энергию волны в электроэнергию, используя колеблющиеся водяные столбы для привода воздушных турбин. Волны, попадающие внутрь и вытекающие из воздушных камер, расположенных у входного отверстия, заставляют уровень воды в камерах повышаться и понижаться. Под воздействием воды воздух входит или выходит из камер сквозь сопла в верхней части. В результате высокоскоростные потоки воздуха вращают воздушные турбины, которые приводят в действие генераторы. "Могучим Китом" можно управлять дистанционно с берега. В демонстрационном проекте выработанная электроэнергия главным образом используется для питания бортовых приборов; любой ее избыток аккумулируется на батареях. Предохранительный клапан защищает воздушные турбины от разрушения при штормовой погоде, перекрывая поток воздуха, если скорость вращения турбин превышает определённый уровень. 59 "Могучий Кит" непосредственно может быть использован как метеостанция, как временное место швартовки для малых судов или как платформа для ловли рыбы. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В настоящее время технология, основанная на использовании энергии приливов и отливов, как и технология, использующая энергию волн, находятся еще в стадии исследований. На сегодняшний день обе эти технологии пока не являются экономически целесообразными по сравнению с традиционными. Кроме того, ни одна из них не обеспечивает стабильное производство электроэнергии. Сегодня энергия волн успешно используется в маломасштабных установках, генерирующих электроэнергию для освещения маяков или навигационных бакенов. В настоящее время технология, основанная на использовании энергии приливов и отливов, как и технология, использующая энергию волн, находятся все еще на стадии исследований. На сегодняшний день обе эти технологии пока не являются экономически целесообразными по сравнению с традиционными. Кроме того, ни одна из них не обеспечивает стабильное производство электроэнергии. TOP 60 Гидравлическая энергия является возобновляемым источником энергии. Территория, с которой стекает вода в реку, называется водосборным бассейном данной реки. Линия — а, б, в, г, д, проходящая по повышенным местам и отделяющая друг от друга соседние бассейны, называется водораздельной линией или водоразделителем (рис. 17.1). К водосборному бассейну моря относятся водосборные бассейны всех рек, впадающих в данное море. Количество воды, протекающей через поперечное сечение водотока в 1 с, называется расходом воды (м 3 /с или л/с). 61 Хронологический график изменения расходов воды во времени называется гидрографом. Строить гидрограф позволяют результаты регулярных измерений расходов воды в реке. Форма гидрографа зависит от типа питания реки (снеговое, дождевое, ледниковое и т.п.). На рис. 17.2 показан типичный гидрограф реки с преимущественно снеговым питанием. Гидрограф характеризуется максимальным, минимальным и средним значениями расхода воды за рассматриваемый период. Среднегодовой сток всех рек мира составляет 32 тыс. км 3 ; в табл. 17.1 приведены данные о речном стоке отдельных стран мира. Запасы поверхностного стока по территории России распределены неравномерно, что весьма неблагоприятно для народного хозяйства, в том числе и для энергетики. Более 80 % речного стока российских рек приходится на еще мало освоенные территории бассейнов Северного Ледовитого и Тихого океанов. |