Розділ 2. Гідроенергетичні ресурси, їх використання. Принципові схеми, параметри, режими роботи ГЕС і ГАЕС

Енергія припливів використовувалася людьми здавна у вигляді припливних млинів на узбережжі Великобританії, Франції, Іспанії, Росії, Канади, США та інших країн. Такі установки виконувалися шляхом утворення басейну при перекритті греблями невеликих бухт, де розташовувалися колеса млинів, які оберталися під час відпливу. Діаметри колес досягали 6 м. У Великобританії подібна установка під арками Лондонського мосту з 1580 р. на протязі 250 років качала прісну воду для водопостачання.

Особливістю припливних електростанцій (ПЕС) є використання ними природної відновлювальної енергії морських припливів, природа яких пов’язана з припливоутворюючою силою, що виникає при гравітаційній взаємодії Землі з Місяцем і Сонцем. Для водяної оболонки Землі практичне значення має лише горизонтальна складова припливоутворюючої сили. Через близькість Місяця до Землі величина припливу під дією Місяця у 2,2 раза більша сонячного.

На узбережжях морів і океанів найбільш часто зустрічається півдобовий приплив, в якого за добу Місяця (24 години 50 хвилин) максимальна хвиля припливу приходить двічі (мал. 2.25, а).

Величина припливу А визначається різницею рівня води при максимальному підйомі та мінімальному зниженні за період припливу. Максимальне відхилення від середнього рівня моря називається амплітудою припливу, рівною 0,54.

Нерівномірність припливних коливань на протязі місячного місяця характеризується зміною величини припливу від Амакс (сигізія) до Амін (квадратура).

Зміну величини припливу протягом місячного місяця (29,5 діб) наведено на мал. 2.25, б.

Закономірність зміни припливів всередині місяця, викликана рухом Місяця і Сонця, залишається практично незмінною для всіх місячних місяців року. Середнє значення величини припливу для всіх однойменних діб місячного місяця також є практично незмінним у річному багаторічному розрізі. Відмінною особливістю припливної енергії є і незмінність величини середньомісячної енергії для будь-якого року.

а
б Мал. 2.25. Графіки припливних коливань рівня моря: а – півдобового припливу; б – місячної зміни величини припливу

Амплітуди і форми припливно-відпливних хвиль на різних узбережжях Світового океану суттєво різняться, що пов’язано із такими факторами, як глибина, конфігурація берегової лінії тощо. Так, максимальна величина припливу Амакас, що склала 19,5 м, спостерігалась у Канаді в затоці Фанді на узбережжі Атлантичного океану, 16,3 м – у Великобританії в поймі р. Северн, 14,7 м – на півночі Франції, 11,0 м – у Росії в Пенжинській затоці Охотського моря.

 Перша у світі припливна електростанція «Ля Ранс», Франція 

ПЕС «Ля Ранс» побудована в естуарії (широкій воронкоподібній поймі) р. Ранс (Північна Бретань), має велику греблю, її довжина складає 800 м. Гребля також слугує мостом, по якому проходить високошвидкісна траса, котра з’єднує міста Св. Мало і Динард. Потужність станції складає 240 МВт.

Для спорудження ПЕС необхідні сприятливі природні умови, що включають: значні припливи (А > 3–5 м); контур берегової лінії (бажано з утворенням затоки), який дозволяє відділити від моря басейн для роботи ПЕС при мінімальній довжині та висоті перегороджуючої греблі, сприятливі геологічні умови її підмурку.

Кислогубська припливна електростанція, Росія

Дамба припливної електростанції «Ля Ранс»

Загальний потенціал, можливої для використання припливної енергії, у всьому світі орієнтовано оцінюється за потужністю в 1 млрд. кВт, а за виробленням – 2000 млрд. кВт·год, у тому числі в Росії – біля 250 млрд. кВт·год.

На сьогодні у світі експлуатуються з 1967 р. ПЕС «Ля Ранс» (Франція) потужністю 240 МВт, з 1968 р. Кислогубська ПЕС (Росія) потужністю 0,4 МВт, з 1984 р. ПЕС Аннаполіс (Канада) потужністю 20 МВт, 5 невеликих ПЕС в Китаї загальною потужністю 4,3 МВт, в тому числі збудована в 1985 р. ПЕС «Цзянсянь» потужністю 3 МВт, завершується будівництво ПЕС на озері Сихва в Південній Кореї потужністю 254 МВт.

Проекти потужних ПЕС розробляються:

у Великобританії – ПЕС Северн потужністю 8,6 млн. кВт, у Канаді – Кемберленд (1,15 млн. кВт) і Кобекуїд (4 млн. кВт), в Індії – ПЕС потужністю 7,4 млн. кВт в Камбейській затоці, а в Росії – Мезенська (8 млн. кВт) і Тугурська (3,6 млн. кВт), початок будівництва яких передбачається у період до 2020 р. У перспективі розглядається можливість створення гігантської Пенжинської ПЕС потужністю до 87 млн. кВт.

Для ПЕС в основному використовується найбільш ефективна однобасейнова схема з односторонньою і двосторонньою дією. До складу споруд припливних електростанцій входять будівля для ПЕС, водопропускне спорудження і глуха гребля.

При однобасейновій схемі двосторонньої дії досягається найбільш повна відповідність роботи ПЕС природному циклу припливів і відпливів. Схема передбачає, що на початок припливу опущені засувки відділяють басейн від моря і при досягненні необхідного мінімального напору (між рівнями моря і басейну) починають працювати турбіни, використовуючи потік води з воря в басейн, і відбувається наповнення басейну. Коли перепад між морем і басейном досягає мінімуму, відключаються турбіни, засувки піднімаються і відбувається вирівнювання рівнів у морі та басейні, після чого засувки закриваються, відділяючи басейн від моря. У період відпливу при досягненні необхідного напору (між рівнями басейну і моря) включаються турбіни і відбувається зпорожніння басейну. Потім цикл повторюється (мал. 2.26).

аб

Мал. 2.26. Схема ПЕС з одним басейном (а) і графік роботи ПЕС двосторонньої дії (б):
1 – рівні моря; 2 – рівні басейну; tp – періоди видавання потужності;
to – період відкриття засувок для вирівнювання рівнів у басейні та морі

При роботі припливних електростанцій в енергосистемі, де спостерігається надлишок електроенергії в провальній частині графіка навантажень, можливе використання однобасейнової схеми двосторонньої дії з помповою підкачкою, що потребує встановлення оборотних агрегатів. Ці агрегати, працюючи в помповому режимі у період провалу в графіку навантажень, збільшують об’єм води в басейні й дозволяють збільшити вироблення електроенергії при відпливі, зпрацьовуючи додатковий об’єм при збільшеному напорі.

Основний ефект такої роботи досягається шляхом кращого вписування циклу роботи ПЕС в графік навантаження енергосистеми. За такою схемою працює ПЕС «Ля Ранс».

При однобасейновій схемі односторонньої дії спрощується цикл роботи ПЕС і її робота відбувається в одному напрямі при спорожненні або заповненні басейну, причому більш ефективною є робота турбін по схемі зі спорожненям басейну. За такою схемою також може використовуватися помпова підкачка зі встановленням оборотних агрегатів. У залежності від конкретних умов для одних ПЕС більш ефкетивною може бути схема односторонньої дії, для других – двосторонньої.

Режим роботи ПЕС характеризується специфічними особливостями, пов’язаними з циклічністю припливів. ПЕС виробляє електроенергію протягом доби перервно у періоди припливів, які, однак, не співпадають у часі з піком у добовому графіку навантаження енергосистеми. У зв’язку з цим більш ефективна робота ПЕС в енергосистемах може бути досягнута при встановленні на них оборотних агрегатів, що дозволяє краще вписати цикл роботи ПЕС в графік навантаження енергосистеми. У цьому випадку ПЕС можуть також приймати участь в покритті пікової частини графіка навантаження.

В умовах низьких напорів на ПЕС знайшли застосування горизонтальні капсульні оборотні агрегати (ПЕС «Ля Ранс»). Останнім часом на проектованих потужних ПЕС розглядається ефективність використання горизонтальних агрегатів з ортогональними (поперечно-струйними) гідротурбінами.

Тривалий досвід експлуатації ПЕС «Ля Ранс» потужністю 240 МВт підтвердив її ефективність при роботі в енергосистемі Франції разом з іншими електростанціями. Для оптимізації роботи ПЕС режим її експлуатації розраховувався, виходячи з параметрів природного ходу рівнів припливів, графіків навантаження енергосистеми і зміни вартості електроенергії, обмеження коливань рівнів за умовою пароплавства, природоохоронних вимог та ін. ПЕС видає гарантовану середньомісячну і середньорічну електроенергію, забезпечуючи економію палива при вартості енергії, що виробляється, нижчою, ніж на ТЕС і АЕС. Крім того, досвід експлуатації ПЕС «Ля Ранс» і моніторінг оточючого середовища у зоні її впливу показали можливість зменшення негативних факторів і відповідне покращення умов, включаючи захист від штормового впливу.

Тривалий досвід експлуатації цих ПЕС показав їх роботоздатність і ефективність. У багатьох країнах, узбережжя яких омивається океанами, ведуться роботи з використання припливної енергії.

Виконання широкомасштабних робіт зі створення нових технологій і обладнання для ПЕС, застосування наплавного методу будівництва і нового гідроагрегату з ортогональною турбіною з к.к.д. до 70%, що являє собою поперечно-струйну турбіну, здатну обертатися в одну сторону при припливах і відпливах, дозволяє значно знизити капітальні вкладення і підвищити економічну ефективність ПЕС.

Другий варіант ПЕС дозволяє взагалі обходитися без греблі: на дні моря недалеко від берега встановлюються генератори з лопатями (подібно вітрякам), які обертаються водою, що рухається під час припливів/відпливів. Перша в світі комерційна припливна електростанція «SeaGen», розроблена компанією «Marine Current Turbines» (МСТ), встановлена в Північній Ірландії у вузькій морській затоці ЛохСтренгфорд, швидкість потоку води в припливі й відпливі в якій може перевищувати чотири метра за секунду, і підключена до національних енергомереж. Її потужність 1,2 МВт.

Припливна електростанція в Північній Ірландії

Ефективність використання відновлювальної енергії потужних ПЕС може бути досягнута в умовах об’єднаних систем при роботі разом з ТЕС, АЕС, ГЕС і ГАЕС, завдяки чому при переривистій роботі ПЕС у добовому циклі може забезпечуватися її оптимальне вписування у графік навантаження енергосистеми. Так, у період вироблення максимальної потужності ПЕС (при максимальній величині припливу) ГЕС з регулюючими водосховищами можуть відповідно знизити свою потужність і за рахунок цього збільшити потужність та вироблення енергії у період пікової частини графіка навантажень, у період роботи в помповому режимі ПЕС використовує надлишкову енергію ТЕС і АЕС.