lecture13 (Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Курс лекций. В.А. Агеев, 2004)

Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)13. Использование энергии приливов и морских течений13.1. Общие сведения об использовании энергии приливовПриливные колебания уровня в огромных океанах планеты вполнепредсказуемы. Основные периоды этих колебаний – суточные продолжительностью около 24 ч и полусуточные – около 12 ч 25 мин. Разность уровней между последовательными самым высоким и самым низким уровнямиводы – высота прилива R .

Диапазон изменения этой величины составляет0,5-10 м. Первая цифра наиболее характерна, вторая достигается и даже превосходится лишь в некоторых особенных местах вблизи побережья континентов. Во время приливов и отливов перемещение водных масс образуетприливные течения, скорость которых в прибрежных проливах и между островами может достигать примерно 5 м/с.Поднятую на максимальную высоту во время прилива воду можно отделить от моря дамбой или плотиной в бассейне площадью A . Места сбольшими высотами приливов обладают большими потенциалами приливнойэнергии. Однако не только этот фактор важен для развития приливной энергетики: надо принимать во внимание и капитальные затраты, и будущуюприбыль от создания соответствующих приливных электростанций (ПЭС).Энергия приливных течений может быть преобразована подобно тому,как это делается с энергией ветра.

Преобразование энергии приливов использовалось для приведения в действие сравнительно маломощных устройствеще в средневековой Англии и в Китае. Из современных ПЭС наиболее хорошо известны крупномасштабная электростанция Ранс мощностью 240МВт, расположенная в эстуарии реки Ла Ранс, впадающей в залив Сен Мало(Бретань, Франция), и небольшая опытная станция мощностью 400 кВт в Кислой губе на побережье Баренцева моря (Россия).

Из мест, которые давноприковывают внимание гидростроителей, следует назвать эстуарий реки Северн в Великобритании и залив Фанди на восточном побережье Северной©Кафедра теплоэнергетических систем, 20041Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)Америки на границе между США и Канадой. Характеристики мест возможного строительства ПЭС в России приведены в таблице 13.1.1.Таблица 13.1.1Основные места концентрации приливной энергии в РоссииМасторасположениеСредняя высота прилива,мПлощадьбассейна,км26,06,24,72330,020530,01800,0Мезенский заливПенжинская губаТугурский заливПотенциалСредняя мощ- Годовая выраность, ГВтботка.

ТВт·ч15,287,410,350,0190,027,6Высота, ход и периодичность приливов в большинстве прибрежныхрайонов хорошо описаны и проанализированы благодаря потребностям навигации и океанографии. Поведение приливов может быть предсказано достаточно точно, с погрешностью менее 4%. Таким образом, приливная энергияоказывается весьма надежной формой возобновляемой энергии.При ее преобразовании возникают и определенные неудобства:− несовпадение основных периодов возникновения приливов (12 ч 25мин и 24 ч 50 мин), связанных с движением Луны, с привычным длячеловека периодом солнечных суток (24 ч), в связи с чем оптимумприливной генерации находится не в фазе с потребностями в энергии;− изменение высоты прилива и мощности приливного течения с периодом в две недели, что приводит к колебаниям выработки энергии;− необходимость создания потоков воды с большим расходом при сравнительно малом перепаде высот, что заставляет использовать большоечисло турбин, работающих параллельно;− очень высокие капитальные затраты на сооружение большинствапредполагаемых ПЭС;− потенциальные экологические нарушения и изменение режимов эстуариев и морских районов.©Кафедра теплоэнергетических систем, 20042Агеев В.А.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)13.2. Мощность приливных течений и приливного подъема водыВблизи побережья и между островами приливы могут создавать достаточно сильные течения, пригодные для преобразования энергии. Устройствадля преобразования энергии приливных течений будут практически сходны саналогичными устройствами, приводимыми в действие течениями рек.Соотношения, позволяющие оценить мощность приливных течений,подобны тем, которые используются в ветроэнергетике, при этом следуетиметь в виду, что плотность воды во много раз выше плотности воздуха, аскорости течения воды сравнительно низки.Плотность мощности потока воды, Вт/м2, равнаV3.q=ρ2(13.2.1)В случае приливного или речного течения при скорости, например, 333м/с q = 1000 ⋅ = 13500 Вт /м2.

Только часть полной энергии потока может2быть преобразована в полезную. Как и для ветра, это значение η не можетпревышать 60%. На практике оказывается, что η можно довести максимумдо 40%.Скорости приливных течений изменяются во времени примерно какV = V0 sin2πtτ,(13.2.2)где τ – период естественного прилива, 12 ч 25 мин для полусуточного;V0 – максимальная скорость течения, м/с.Таким образом, электрическая мощность, снимаемая с 1 м2 площадипоперечного сечения потока (с учетом 40%-ной эффективности преобразования энергии потока в электрическую), в среднем равняетсяq ≈ 0,1ρV 3 .(13.2.3)При максимальной скорости около 5 м/с, встречающейся в проливах©Кафедра теплоэнергетических систем, 20043Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)между островами, q ≈ 14 кВт/м2.

Перекрыв площадь 1000 м2, можно получитьполную среднюю мощность электростанции около 14 МВт.Уже разработан целый ряд современных устройств для преобразованияэнергии приливных течений, один из которых показан на рис. 13.2.1. Капитальные затраты на создание подобных устройств в расчете на 1 кВт установленной мощности достаточно высоки, поэтому их строительство целесообразно лишь в отдаленных районах с высокими скоростями приливных течений, где любые альтернативные источники энергии еще более дороги.Рис.

13.2.1. Схема электростанции на приливном течении.Основы теории приливной энергетики достаточно просты. Предположим, что бассейн ПЭС наполняется при высокой воде и опустошается черезтурбины при малой воде (рис. 13.2.2). Пусть бассейн имеет постоянную площадь A , остающуюся покрытой водой при малой воде. Допустим, что поступившая в бассейн вода имеет массу ρAR , сосредоточенную в центре тяжестина высотеRот уровня малой воды, и что вся вода вытекает из бассейна при2малой воде.

Потенциально максимальную энергию от прилива можно получить, если вся вода падает с высотыR. В этом случае энергия прилива2E = (ρAR )©Кафедра теплоэнергетических систем, 2004gR.2(13.2.4)4Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)Рис. 13.2.2. Схема извлечения приливной энергии.Если энергия преобразуется в течение продолжительности периодаприлива, то средняя потенциальная мощность за приливный период оказывается равнойE=ρAR 2 g.2τ(13.2.5)На практике в системе, использующей срабатывание запаса воды из заполняемого в прилив бассейна, несмотря на достаточно высокую эффективность преобразования получить максимальную мощность нельзя.

Этому препятствуют следующие обстоятельства.Генерирование электроэнергии не может быть обеспечено вплоть доусловий малой воды, таким образом, часть потенциальной энергии приливане может быть преобразована.Турбины ПЭС должны работать при низком напоре и при большихскоростях потоков – условия необычные для имеющейся обычной гидроэнергетической практики.Невозможно равномерно снабжать потребителей электроэнергией изза изменения уровня воды в бассейне.На рис.

13.2.2 показано, что ПЭС может работать как при опустошениибассейна, так и при его наполнении. Оптимальная станция, использующаяреверсируемые гидроагрегаты, которые, кроме того, можно еще использоватьи в насосном режиме для повышения уровня в бассейне, может перерабатывать до 90% потенциальной энергии прилива.©Кафедра теплоэнергетических систем, 20045Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)13.3.

Использование энергии океанских теченийМеханическая мощность, которую можно извлечь из океанского течения, определяется тем же соотношением, которое используется для оценкиэтой величины в ветроэнергетике:V3.P = η Aρ2(13.3.1)Коэффициент преобразования энергии, зависящий от типа турбины,для выполнения приближенных расчетов можно принять равным 0,6 для свободно вращающегося рабочего колеса и 0,75 для того же колеса в насадке.Строительство крупных ветровых турбин (диаметром до 200 м) практическиневозможно из-за ограничений, связанных с прочностью материалов и массовыми характеристиками подобных устройств. Для турбин, работающих вморской среде, массовые ограничения менее существенны из-за действия наэлементы конструкций силы Архимеда.

Повышенная плотность воды позволяет, кроме того, уменьшить столь существенное для воздушных турбин воздействие вибраций, вызывающих усталостное разрушение материалов.Важное достоинство океанских течений в качестве источников энергиипо сравнению с ветровыми потоками – отсутствие резких изменений скорости (сравните с изменениями скорости при порывах ветра, при ураганах ит.п.). При достаточном заглублении в толщу воды турбины ОГЭС надежнозащищены от волн и штормов на поверхности. Для эффективного использования течений в энергетике необходимо, чтобы они обладали определеннымихарактеристиками.

В частности, требуются достаточно высокие скорости потоков, устойчивость по скорости и направлению, удобная для строительстваи обслуживания география дна и побережья. Удаленность от побережья влечет удорожание транспортировки энергии и обслуживания этих станций, как,впрочем, и любых других. Большие глубины требуют увеличения затрат насооружение и обслуживание якорных систем, малые – создают помехи судо©Кафедра теплоэнергетических систем, 20046Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)ходству. Именно географические факторы не позволяют сейчас говорить остроительстве ОГЭС в открытом океане, где несут свои воды наиболее мощные течения. При средних и малых глубинах, особенно в местах образованияприливных течений, важную роль играет топография дна.В качестве недостатков преобразователей энергии океанских теченийследует отметить необходимость создавать и обслуживать гигантские конструкции в морской воде, подверженность этих конструкций обрастанию икоррозии, трудности передачи энергии.13.4.