В условиях постоянного роста энергопотребления изыскиваются все новые способы получения электричества. Все они относятся к альтернативным источникам и в своей работе используют силы природы солнце, ветер, подземное тепло и другие. В этом же ряду стоят и приливные электростанции, строительство которых успешно ведется в наиболее удобных прибрежных зонах. ПЭС имеют свои достоинства и недостатки, но тем не менее способны обеспечить электроэнергией целые районы. Данное направление считается достаточно перспективным, поэтому многие страны выделяют значительные средства на проведение исследований в этой области.
Как работает приливная электростанция
Принцип работы приливных электростанций заключается в разнице уровней воды во время приливов и отливов. Для того чтобы система заработала, она должна составлять как минимум 4 метра. В некоторых местах этот показатель достигает 16-18 метров. Чем выше будет перепад высот, тем более высокую мощность сможет развить электростанция.
Выбор места под строительство в первую очередь обусловлен береговым рельефом, представляющим собой своеобразный бассейн в виде закрытой акватории, расположенной в границах суши. Поэтому энергетические объекты чаще всего размещаются в устьях рек или морских заливах.
Выбранный участок акватории отделяется от моря путем возведения плотины. Ее конструкция предусматривает специальные ниши с установленными в них гидротурбинами и генераторами. Все оборудование заключено в капсулу обтекаемой формы. По своей функциональности это устройства двойного действия. Когда через них проходят водные потоки, они производят электроэнергию. В случае необходимости они переключаются и становятся насосами, перекачивающими воду в бассейн. Таким образом, создаются водные запасы на период времени между приливом и отливом, и выработка электроэнергии не прекращается.
Режимы действия приливных электростанций:
- Простой цикл, продолжительностью от 1 до 2 часов от начала и до конца прилива.
- Сложный цикл, продолжающийся 4-5 часов и захватывающий полное время прилива и отлива.
Каждый из этих циклов повторяется четыре раза в течение суток. Во время приливов водохранилище станции наполняется водой. Водяные потоки проходят через узкие ниши плотины и создают высокое давление. Под его влиянием лопасти турбинных агрегатов начинают вращаться и генераторы вырабатывают электрический ток. С началом отлива вода покидает бассейн и вновь проходит через плотину, приводя в движение лопасти турбин.
При одинаковом уровне воды в хранилище и открытом море, происходит закрытие впускных клапанов. Когда возникает хотя-бы минимальный перепад, срабатывает автоматика и они открываются.
Мощность приливной электростанции от силы и цикличности приливов, количества и объемов водохранилищ, а также от численности турбин и генераторов, установленных в плотине. Недорогим и перспективным вариантом считается приливная мельница, не требующая возведения плотины. Вместо турбин здесь используются лопасти огромных размеров от 10 до 20 метров, опущенные в воду и вращаемые силой приливов-отливов.
Виды приливных электростанций
Одна из разновидностей установок представлена генераторами приливного потока (рис. 1). Каждый из них выполнен в виде отдельной установки, извлекающей кинетическую энергию воды во время прилива. Иногда они монтируются на опоры мостов, и в этом случае уже не требуется отдельных установочных конструкций, а водные ресурсы используются более рационально. Такие устройства устанавливаются в проливах и других наиболее удобных местах. Выпускаются в вертикальном или горизонтальном исполнении, открытого типа или с обтекателями.
Динамические приливные электростанции ПЭС (рис. 2) одновременно используют в своей работе кинетическую и потенциальную энергию проходящих волн. Однако данный проект требует возведения плотины прямо в открытом море, а ее средняя протяженность должна быть в пределах 35-55 км. Движение воды будет осуществляться в одном направлении через многочисленные турбины низкого давления.
Существуют также приливно-отливные электростанции (рис. 3), использующие в своей работе потенциальную энергию, образованную разной высотой водного потока во время прилива и отлива. Основным элементом конструкции служит плотина, удерживающая массу воды, поступающей в прилив. В дальнейшем, с наступлением отлива, поток возвращается обратно в море, и эта энергия обеспечивает вращение турбин и выработку генераторами электрического тока.
В определенных условиях строятся приливные электростанции по типу лагуны (рис. 4). Они сооружаются в виде круговых плотин с установленными в них турбинами. Получается замкнутый водоем, напоминающий предыдущий вариант. Основным отличием является полностью искусственное происхождение объекта.
Плюсы и минусы приливных установок
Несомненные достоинства этих электростанций дали серьезный толчок к их дальнейшему развитию и совершенствованию. Практически все приливные электростанции отличаются следующими положительными качествами:
- Экологическая чистота, отсутствие каких-либо вредных выбросов.
- Достаточно продолжительный срок эксплуатации.
- Возможность предварительных расчетов по количеству выработанной электроэнергии, независимость объема используемой воды от времени года.
- Более мягкий ледовый режим, отсутствие торосов в водохранилище и предпосылок их появления. Аварийное разрушение плотины не приводит к катастрофе, как это может случиться на обычной ГЭС.
- Энергия приливов и отливов действует постоянно, независимо от времени года.
- Невысокая стоимость получаемой электроэнергии.
- Берега дополнительно защищены от воздействия штормов, турбины расположены на дне и не несут угрозы морскому транспорту. Рыба тоже может свободно передвигаться по установленным маршрутам.
- Меньший объем документации, отсутствует необходимость в отчуждении земель для устройства бассейна.
- Большинство изменений и вмешательств в природу имеют местное значение и не наносят существенного вреда.
- На приливных плотинах при необходимости прокладываются железные или автомобильные дороги.
Минусы которые следует учитывать, когда планируется строительство приливных электростанций:
- Нерегулярное действие, которое связано с цикличностью приливов и отливов, находящихся в активной фазе всего лишь 4-5 часов. Также существует пассивная фаза перед началом прилива и сразу после отлива, продолжительностью 1-2 часа.
- Установки окупаются в течение длительного времени, поскольку они недостаточно эффективны.
- Побережье, занятое приливными электростанциями, оказывается непригодным для отдыха и туризма, которые нередко бывают более выгодными, чем производство электричества. Поэтому такие объекты строятся преимущественно в северных регионах.
- Специфические трудности строительства, поскольку наиболее подходящие места расположены на побережьях с изрезанной береговой линией.
Самые крупные ПЭС в мире
Одной из наиболее известных приливных электростанций считается установка, которая построена во Франции, возле города Сен-Мало в устье реки Ранс (рис. 1). В течение длительного времени она удерживала первенство по всем основным показателям, и лишь сравнительно недавно ее обогнала южнокорейская установка.
Место под строительство было выбрано не случайно. В устье реки приливы очень часто достигали 8 метров, а максимальная отметка составила более 13 метров. Объект строился в 1963-1966 годах, а стоимость работ достигла показателя в 150 млн долларов.
Величина установленной мощности находится в пределах 240 мВт. На станции задействовано 24 турбины, работающие примерно 2200 часов в течение года. Себестоимость электроэнергии, произведенной на этой ПЭС, примерно в 1,5 раза меньше, чем на французских АЭС. Основным конструктивным элементом является плотина протяженностью 800 метров. Кроме того, она выполняет функции моста с проложенной высокоскоростной трассой.
Единственная приливная электростанция в России Кислогубская (рис. 2). Она расположена на побережье Баренцева моря в наиболее узком месте Кислой Губы, неподалеку от населенного пункта Ура-Губа Мурманской области. Данная установка считается экспериментальной, ее первоначальная мощность составляла 0,4 МВт, в настоящее время 1,7 МВт. Взята на государственный учет в качестве памятника науки и техники. Конструкция включает две части: старую, построенную в 1968 году и новую, возведенную в 2006 году.