Энергия приливов и отливов как альтернативный источник энергии

Приливные электростанции

Крживка, Владимир. Приливные электростанции / Владимир Крживка. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2013. — № 11 (58). — С. 120-126. — URL: https://moluch.ru/archive/58/7984/ (дата обращения: 26.07.2023).

В данной статье рассматриваются приливные электростанции как альтернативный экологический источник энергии, показана их история, развитие, достоинства и недостатки. На примере одной из электростанций приводится расчет годовой производимой мощности, в конце статьи представлены примеры известных приливных электростанций и пути дальнейшего развития.

Страны в Европе, не имеющие выход к морю, знают о морских приливах — точнее о уникальном природном феномене прилива — только в теории. Это явление даже у древних цивилизаций не заслуживало большого внимания. Плиний Старший и Страбон уже о зависимости между фазами Луны и приливах знали, но греческие, финикийские и римские пловцы, за малым исключением, с явлениями приливов и отливов в своей практике не встречались. Зато рыбаки с Атлантического побережья Европы были знакомы с приливами и отливами очень хорошо, поскольку должны выходить в море ежедневно в любую погоду, чтобы прокормить свои семьи [1].

На западном побережье Европы разность уровней воды в периоды прилива и отлива достигает нескольких метров, а в некоторых шотландских заливах даже больше 10 метров. Большое влияние на уровень воды имеет форма прибрежной зоны. Высокий уровень воды при приливе образуется, когда поднимающаяся вода выталкивается в длинный узкий залив. Классическим примером такого прилива является прилив в заливе Фанди (Канада), вода поднимается там до полных 20 м [1].

Когда европейцы стали отправляться в мореплавание в Атлантический и другие океаны, знания о приливах стали иметь большее значение: Европа буквально обогатилась на этом. В 16 веке, когда заморская торговля специями и другими товарами роскоши из Азии набрала свои обороты, искусственных гаваней практически не существовало и большинство из них лежали в устьях рек: Лиссабон в усти Тая, Лондон в устье Темзы, Антверпен в устье реки Шельда в, Брюгге на Реи и т. д. Для парусников, нагруженными товарами, плыть против течения без помощи прилива очень тяжело, потому что в устье рек ветер часто бывает изменчив или исчезает, буксировка повлекла бы за собой дополнительные расходы, а весловать на парусных суднах не представлялось возможным. Европейских прибрежные государства имели определенную выгоду, по отношению, например к Индии или Китаю, их уникальное преимущество состояло в том, что корабли нес к гавани прилив на протяжении приблизительно шести часов. Если моряки не успевали поймать прилив, то бросали якорь на месте, где были, и пережидали отлив на якоре, а спустя 6 часов продолжали путешествие со следующей приливной волной. При отплытии в обратный пусть действовали наоборот. Другими словами — португальские и испанские, а затем и английские, голландские и французские корабли в восточной части Атлантического океана, а позже и корабли США на западной стороне того же океана, использовали регулярно работающий естественный паром, который бесплатно переправлял их по морю и при возвращении обратно в порт. Паром работал по обе стороны Северной Атлантики два раза в день, в других местах чередование прилива с отливом встречается лишь один раз в день, это связывают с тем, что вторая волна очень незначительна. Евро-атлантическая цивилизация обладала неоспоримым преимуществом, что позволило ей строить большие мачтовые парусные фрегаты и вооружить их пушками. Именно поэтому Европа открыла мир, а не мир — Европу [1].

Высота приливов в английских портах измеряли еще в римскую эпоху, когда существовала купеческая гильдия Cinque Ports. Записи измерений продолжались на протяжении всего средневековья, а когда европейцы отправились путешествовать по океанам, то имели в наличии достаточно неплохой архив данных. Тем не менее, никто не смог объяснить это явление. Пытался объяснить это и Галилео Галилей, который в своем Диалоге о двух системах мира предложил ошибочную теорию, что за отливами и приливами стоит движение Земли вокруг Солнца. Только Исаак Ньютон, после того как была сформулирована теория гравитации, смог в своих Началах (1687) на основе гравитационного притяжения Луны и Солнца научно объяснить явление приливов. Его теория объясняла и регулярные различия уровней приливов и отливов в зависимости от фазы Луны.

Физические теории приливов также были предложены Кельвином и Додсоном, который использовал гармонический анализ. Теория Додсона используется и по сей день [1]. Однако морякам не нужны математические модели в виде дифференциальных уравнений, а практические таблицы (см. Рис.1).

Рис. 1. Пример прогноза приливов [2]

Принцип явления прилива

Гравитационная сила, с которой Луна воздействует на Землю, создает приливные изменения уровня моря (океана), которая поднимается и опускается в соответствии с движением Луны вокруг Земли, хотя без Луны их диапазон значительно уменьшился бы, но само явление не исчезло полностью. Луна создает только две трети от приливных эффектов на нашей планете. Остальная часть формируется Солнцем и в меньшей части планетами (в особенности Юпитером). Земля, вместе с Луной, вращаются вокруг общего центра тяжести, что создает центробежную силу (см. Рис. 2). В центре Земли сила притяжения Луны такой же величины, как и центробежная сила, действуя в противоположных направлениях, они взаимно обнуляются. На стороне Земли, обращенной к Луне, сила притяжения немного больше, чем центробежная, поэтому там возникает выпуклость — прилив. На стороне Земли, обращенной в противоположную сторону, т. е. от Луны, центробежная сила больше силы притяжения Луны, поэтому и там возникает прилив. Таким образом, существуют две приливных выпуклости на противоположных сторонах Земли, а между ними зоны отлива. Из этого следует, что в каждом порту дважды в день наблюдаются приливы и отливы [3]

Рис. 2. Вращение системы Земля — Луна [4]

Центр тяжести системы Земля —Луна движется по почти круговой орбите вокруг Солнца.

Диапазон приливной волны зависит от положения Луны и Солнца по отношению к Земле (см. Рис. 3). Различают две крайности [3]:

— прилив скачком (скоковый) — крупнейший приток, происходит, когда Земля, Солнце и Луна (полнолуние или новолуние) находятся на прямой линии;

— глухой прилив — самый низкий прилив, возникает, когда вышеупомянутые элементы расположены под прямым углом (первая и третья четверти Луны).

Приливные деформации сопровождаются потерей энергии системой Земля — Луна из-за внутреннего трения (приливного трения) в следствии чего увеличивается длина дня (около 1,5 миллисекунды за сто лет), и немного увеличивает расстояние Земля — Луна (Луна отдаляется на более высокую орбиту, на 3,8 см в год). Значительный эффект оказывают приливные силы на уровень мировых морей и океана (приливы и отливы), а также на атмосфере Земли, где наблюдаются периодические колебания давления воздуха [3].

Рис. 3. Диапазон приливной волны в зависимости от положения Луны и Солнца по отношению к Земле: а) прилив скачком (скоковый); б) глухой прилив [3], [4]

Использование приливной электростанции

Использование приливных мельниц на испанском, французском и британском побережьях восходит к 787 году. Приливные мельницы состояли из перекрытого пруда или малого водохранилища, шлюзы и плотины переполнения. Выравнивание уровней воды происходит через водяное колесо [3]. Приток и отток воды приводят в движение водяное колесо, производится механическая энергия, а мельница перемалывает зерна в муку. Примером таких мельниц может служить мельница Иль-де-Бреа в Birlot (L’ile de Brehat Mill to tide the Birlot) с 1633 (см. Рис. 4) http://en.wikipedia.org/wiki/Tide_mill

Рис. 4. Мельница Иль-де-Бреа в Birlot [5], [6]

Плотинныеприливные электростанции

Энергия прилива используется в специальных емкостях в морских заливах или устьях рек с высоким уровнем прилива (см. Рис. 5). Вода может быть поймана в так называемой «приливной лагуне», которая будет для этих селей оснащена плотиной с вратами, в которых размещены турбогенераторы. Лагуна заполняется водой, пока растет высота прилива. Разность уровней воды лагуны и моря приведет к возникновению потенциальной энергии, которая может быть использована для вырывнивания уровней воды. При сбалансировании водных уровней возникает гидростатическое давление, действующее на лопатки турбины, которая будет ращать генератор и тем самым производить электричество. Во время отлива происходит снижение уровня открытого моря, то есть сила и энергия будет работать в противоположном направлении. Очевидно, что величина потенциальной энергии увеличивается с увеличением разницы в уровнях между лагуной и моря, реки или океана, а наиболее эффективными будут такие электростансии, у которых приливы и отливы достигают значительных величин [3].

Рис. 5. Производство энергии плотинными приливными электростанциями [7]

Расчет энергии для плотинных приливных электростанций

Формулы для расчета энергии [7]

, отсюда за приливной цикл

где R — размер (высота) прилива, м.

A — площадь приливого бассейна, м 2

m — масса воды, кг

g — гравитационная постоянная, равная 9,81 м/с 2

η — коэффициент использования, приблизительно равен 0,40, т. е. 20–40 %

ρ — плотность морской воды, равна 1025 кг/м 3 Если предположить, что в году бывает около 706 приливовых циклов (12 часов и 24 мин в цикле), то формула примет следующий вид:

Приведем практические расчеты для одной из плотинной приливной электростанции

La Rance, находящаяся во Франции в области Бретане, с высотой прилива 8,5 м. Данная электростанция была запущена в эксплуатацию в 1966 году, владельцем на сегодняшний момент является Électricité de France.

Исходные данные для расчета:

— плотина: длина 390 м, ширина 33м и высота от дна моря 25 м, максимальный разлив прилива 13 м;

— общая мощность 24 турбины×10 МВт (240 МВт);

— годовое использование мощности ≈ 33 %;

— среднее количество рабочих часов в год: 2200;

— годовой объем производства электроэнергии: более 600 ГВт;

— удельные затраты электроэнергии: 1Чешская крона/ КВт.

Итак, из приведенных исходных данных, имеем η = 40 %; R=8,5 м; А= 22 км 2 .

Тогда энергия будет равна:

ГВт.

Примеры приливовых электростанций

В России c 1968 года действует экспериментальная приливная электростанция в Кислой губе [8] на побережье Баренцева моря (см. Рис. 6). На 2009 год её мощность составляла 1,7 МВт, первоначальная мощность была 0,4 МВт.

Станция установлена в узкой части губы Кислая, высота приливов в которой достигает 5 метров. Конструктивно станция состоит из двух частей — старой, постройки 1968 года, и новой, постройки 2006 года. Новая часть присоединена к одному из двух водоводов старой части. В здании приливной электростанции размещено два ортогональных гидроагрегата — один мощностью 0,2 МВт (диаметр рабочего колеса 2,5 м, находится в старом здании) и один ОГА-5,0 м мощностью 1,5 МВт (диаметр рабочего колеса 5 м, находится в новом здании) [8].

Рис. 6. Экспериментальная приливная электростанция в Кислой губе на побережье Баренцева моря [8]

Другими не менее известными электростанциями являются: южнокорейская — приливная электростанция Сихва (мощность 254 МВт), канадская — приливная электростанция Аннаполис и норвежская — приливная электростанция Хаммерфест.

Проблемы и недостатки приливных электростанций

Несмотря на указанные достоинства, в адрес приливных электростанций поступали и жалобы в отношении ко всем проектам плотинных приливных электростанций. Первой выявленной проблемой стала нерегулярность приливов. Луна никогда не считалась с фактом пикового потребления, и в основном наибольшая мощность приливных электростанций приходился на время самого низкого потребления, когда большое количество энергии совсем не нужно. Другим недостатком является то, что плотинные приливные электростанции не могут быть построены в любом месте на берегу моря, даже если прилив в данном месте достигает рекордно высокого значения. Классическая приливная электростанция зависит от формы побережья. Строительство искусственного залива по стоимости вышло бы намного дороже допустимого предела. И хотя строительство было подчеркнуто экологичным, поступали возражения против плотинных приливных электростанций и экологические организации. Само строительство приливной электростанции обременяла прибрежные районы. Перекрытие бухты плотиной нарушил пути миграции рыб, что приводило к накоплению мусора в образовавшемся водоеме. Двусторонние диски вращающихся турбин были как ловушки, а сами турбины для многих рыб постарались о печальный конец [9].

Приливная энергия является возобновляемым источником электроэнергии, которая не приводит к выбросам газов, которые способствуют глобальному потеплению, или причиной кислотных дождей, связанных с сжиганием ископаемых видов топлива при производстве электроэнергии. Использование приливной электростанции может уменьшить потребность в традиционных электростанциях с рисками, вытекающими из их эксплуатации [3].

Приливная энергия, создаваемая Луной и Солнцем обладает мощностью около 3,5 ТВт. Хотя и кажется, что это большое количество энергии, но в действительности это лишь около 20 % мощности всех мировых электростанций. Кроме того из этого количества может быть использована только часть [10].

Для того, чтобы использования приливной энергии себя оправдало, скорость потока должна быть не менее 1,2 м/с. Это исключает большое количество мест, которые находятся в открытом океане, где поток слишком медленный — скорость менее 0,1 м/с. На самом деле в мире существует около 20 подходящих мест, в том числе Северной Шотландии и устье реки Северн. В данных двадцати местах можно получеить менее 100 ГВт мощности [10].

Изменение прилива перекрытием залива или устья реки может привести к негативным последствиям для водных и прибрежных экосистем, включая воздействие на население данных мест [3].

Проведенные исследования показали, что воздействие на окружающую среду у приливных электростанций зависит от каждого конкретного объекта и реализации других географических и демографических условий.

В настоящее время приливные электростанции массово не используются. Благодаря нынешнему буму в области возобновляемых источников энергии, можно ожидать развитие в области приливных электростанций [11]. Тем не менее, их общий вклад остается небольшим, поскольку существует ограниченное число мест, где можно их строить. Их преимущество в том, что приливы более предсказуемы, чем поведение, например, ветера или солнца.

В будущем планируется развивать приливные электростанции, работающие с приливными течениями, похожими по принципу на ветряные электростанции (см. Рис. 7).

Рис. 7. Приливные электростанции, работающие с приливными течениями [3]

На побережье Евросоюза являются подходящими для строительства 106 мест, где могли бы быть данные электростанции. Она могли бы производить мощность до 12 ГВт [12]. Данный тип электростанций активно развивается и строится в последнее время, а значит имеют свой шанс на будущее.

1. 3pól — Magazín plný pozitivní energie, Dmutí moře, 3.12.2012. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://3pol.cz/1329-dmuti-more (дата обращения 20.9.2013).

2. The United Kingdom Hydrografic Office Admiralty EasyTide. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://easytide.ukho.gov.uk/EasyTide/EasyTide/SelectPort.aspx (дата обращения 15.9.2013).

3. Mastný P., Drápela J. Mišák S., Macháček J., Ptáček M., Radil. L., Bartošík T., Pavelka T.: Obnovitelné zdroje elektrické energie, ČVUT v Praze, 2011, ISBN 978–80–01–04937–2, стр. 121–128

Приливные электростанции

В существующем мире человек все чаще задумывается о необходимости применения возобновляемых источников энергии при получении электроэнергии, одним из таких, является энергия морских приливов, а для ее преобразования служат приливные электростанции.

Как известно, природные приливы и отливы, взаимосвязаны с движением Луны и Солнца вокруг биосферы планеты Земля, а также от ее движения вокруг своей оси вращения. В зависимости от положения космических тел по отношению к Земле, приливы и отливы могут различаться по свое силе, но так как это явление происходит регулярно, то человек решил, что их можно применить для своего использования.

Принцип работы приливной электростанции

Приливная электростанция – это комплекс инженерных систем, при помощи которых энергия от движения воды, или кинетическая энергия воды, преобразуется в электрическую.

Характер работы – цикличный, это обусловлено периодичностью приливов и отливов. В период покоя, а это происходит когда отлив заканчивается, или только начинается прилив, кинетическая энергия воды мала, и ее недостаточно. Этот период длится 1-2 часа. В активный период, ее продолжительность 4-5 часов, энергия водных масс, преобразуется в электрическую энергию. Циклы, в течение суток повторяются 4 раза.

Основным элементом любой электростанции служит генератор, который вырабатывает электрический ток, разница лишь в механизме, приводящем его во вращательное движение. В варианте приливной электростанции, этим механизмом становится гидротурбина.

Для того чтобы повысить КПД такого сложного комплекса, как приливная электростанция, выбирается местоположение, где регистрируются максимальные приливы. Затем монтируется плотина, которая отделяет акваторию самого моря от прибрежной зоны.

В тело построенной плотины монтируются гидротурбины, которые преобразуют кинетическую поступательную энергию воды, в кинетическую вращательную энергию. Также, чтобы повысить коэффициент использования, изготавливаются резервные водохранилища, которые во время прилива наполняются морской водой.

Во время отлива, набранная водная масса увеличивает количество вырабатываемой электрической энергии, за счет увеличения объема, который проходит через турбину. В качестве механизма, обеспечивающего набор воды во время прилива, выступают также гидротурбины.

Показателем работы электростанции любого типа является ее мощность, которая зависит от технических показателей и вида преобразуемой энергии.

У приливных электростанций мощность установки зависит от:

• характера приливов и отливов, а также их мощности;
• количества и объема резервных водохранилищ;
• количества и мощности гидротурбин.

Количество турбин и их мощность напрямую зависят от характеров приливов и объема резервных хранилищ.

В связи с тем, что сооружение плотин сильно увеличивает стоимость строительства станции, то и развитие гидроэнергетики этого типа шло довольно медленно. Последние десятилетия появились новые материалы и новые технологии, которые не обошли своим вниманием и энергетику, в свете этого, появились новые типы приливных электростанций.

Принцип действия приливных электростанций нового поколения остался прежним, это преобразование движения водных масс, отличие же в том, что на специальной конструкции, которая закрепляется на дне, монтируются лопасти большого диаметра. Они вращаются при движении водных масс и через редукторы передают вращательное движение на генераторы. По конструкции электростанции такого типа напоминают ветряные генераторы, с той лишь разницей, что источником энергии у ветряных установок служит ветер, а у приливных станций – вода.

Плюсы и минусы использования

У любого агрегата всегда есть положительные и отрицательные аспекты его использования, и именно соотношение этих параметров определяет целесообразность его применения. Приливные электростанции не являются исключением, рассмотрим все плюсы и минусы использования этого источника энергии.

К плюсам использования можно отнести:

1. экологическая безопасность установок;
2. возобновляемый источник энергии;
3. возможность рассчитать количество получаемой энергии в долгосрочной перспективе;
4. низкая себестоимость получаемой электроэнергии;
5. продолжительный срок эксплуатации.

К минусам данного типа электростанций относятся:

1. высокие затраты на строительство при продолжительном сроке окупаемости проекта;
2. малая мощность вырабатываемой энергии;
3. цикличность работы.

Приливные электростанции в России

Использование источников энергии, способных к возобновлению, которые позволяют получать электроэнергию с низкой себестоимостью, дает ученым и инженерам всех стран, новые идеи и способы воплощения их в жизнь.

На территории нашей страны уже построен ряд приливных электростанций, и работы в этом направлении продолжаются.

Успешными проектами являются следующие.

Кислогубская ПЭС

Расположена в губе Кислая Баренцова моря, в Мурманской области. Работала с 1968 по 1992 год, когда
была поставлена на консервацию. Начиная с 2004 года производилась реконструкция станции, и с 2007 года работа станции была возобновлена. В настоящее время станция работает в штатном режиме.

• Электрическая мощность – 1,7 МВт;
• Тип турбин – ортогональные;
• Количество турбин – 2 комплекта;
• Количество генераторов – 2 шт.;
• ОРУ – 35 кВ.

Малая Мезенская ПЭС

Расположена в Мезенском заливе Белого моря, в Архангельской области. Начало работы – 2007 год, работает по настоящее время.

• Электрическая мощность – 1,5 МВт;
• Тип турбины – ортогональная;
• Количество турбин – 1 комплект;
• Количество генераторов – 1 шт.

Ведутся работы по увеличения мощности и модернизации станции в более крупную Мезенскую ПЭС.

В настоящее время, кроме перечисленных выше, уже успешно реализованных, в стадии разработки и реализации находится еще несколько проектов.

Северная ПЭС

Расположена в губе Долгая-Восточная Баренцова моря, в Мурманской области. Проектная мощность 12,0 МВт, годовая выработка электрической энергии составит 23,8 млн. кВт/часов.

Пенжинская ПЭС

Расположена в Пенжинской губе залива Шелихоа в Охотском море.

Проектная мощность 21,4 ГВт, годовая выработка электрической энергии составит 50,0 млрд. кВт/часов.

Тугурская ПЭС

Расположена в Тугурском заливе Охотского моря, в Хабаровском крае.

Проектная мощность 8,0 ГВт, годовая выработка электрической энергии составит 20,0 млрд. кВт/часов.

Использование приливных электростанций за рубежом

Использование природной энергии широко распространено во многих странах мира, так приливные электростанции успешно работают в США, Франции, Канаде, Норвегии, Южной Корее, Великобритании, Китае и Индии. Важными условиями наличия подобных энергетических объектов являются: наличие технических возможностей и присутствие собственных морских побережий.

Рассмотрим несколько зарубежных проектов

Великобритания

В 1913 году около города Ливерпуль в бухте Ди в Великобритании впервые в мире запустили приливнуюэлектростанцию, мощность которой была 0,635 МВт.

В настоящее время там же в Великобритании на реке Северн идёт подготовка по реализации проекта в строительстве уже самой большой и мощной приливной электростанции. Проектная мощность составляет 8,6 ГВт.

Первая подобную станцию, в этой стране, начали строить в 1935 году. В настоящее время успешно реализованы несколько проектов, и есть проекты в стадии разработки.

Южная Корея

ПЭС «Shihwa», которая построена в 2003 году, имеет мощностью 254 МВт, и затем до 2011 года прошла модернизацию. Объем вырабатываемой электроэнергии составляет 550 млн. кВт/часов ежегодно.

В планах строительство еще нескольких электростанций подобного типа.

ПЭС «Аннаполис» была построена в 1985 году в заливе Фанди и имеет мощность 20 МВт.

Норвегия

ПЭС «Хаммерфест.», мощностью 300 кВт, была построена в 2003 году

Франция

ПЭС «Ля Ранс», выдающая мощность 240 МВт, расположена в провинции Северная Бретань.

Хотя использованием возобновляемых источников энергии интересуется большое количество специалистов из разных стран нашей планеты, тем не менее широкое распространение способ использования энергии природных приливов и отливов пока не получил. Это обусловлено рядом объективных причин.

Причины малой распространенности приливных станций

Мировой океан обладает огромным потенциалом, энергией которого можно обеспечить почти 20% от необходимого количества энергопотребления.

Причинами, которыми можно объяснить малое распространение приливных электростанций, можно назвать следующие:

1. При строительстве станций подобного типа приходится осуществлять вывод из общего пользования прибрежных территорий, что обусловлено организацией бассейна станции (строительство резервных бассейнов и охранные мероприятия).
2. Высокая стоимость при малой проектной мощности, что определяет большой срок окупаемости проекта.

Приведенные выше причины постепенно утрачивают свою актуальность, т. к. при использовании новых типов станций с лопастно-редукторными агрегатами, позволяет отказаться от строительства плотин и резервных бассейнов, что значительно снижает стоимость строительства и снижает сроки окупаемости проекта. А разработка новых, более мощных генераторов, позволяет получать большее количество электрической энергии, при тех же исходных параметрах первичной энергии, которой является энергия приливов и отливов.

Приливная электростанция

В мире возобновляемых источников энергии есть некоторые более известные, такие как солнечная энергия и энергия ветра, и другие, менее известные, такие как энергия приливов и отливов. Это тип возобновляемой энергии, который использует океанские приливы. Для этого вам понадобится приливная электростанция именно здесь происходит преобразование кинетической энергии приливов электрической энергии.

В этой статье мы расскажем вам все, что вам нужно знать о приливной электростанции, ее характеристиках и функциях.

Энергия приливов

Океан обладает огромным энергетическим потенциалом, который можно преобразовать в электричество с помощью различных технологий. Среди морских источников энергии, определенных Институтом диверсификации и энергосбережения (IDAE), мы находим различные типы:

• Энергия морских течений: Он заключается в использовании кинетической энергии океанских течений для выработки электроэнергии.
• Волновая энергия или волновая энергия: Это использование механической энергии волн.
• Приливные термики: Он основан на использовании разницы температур между поверхностными водами и морским дном. Это тепловое изменение используется для электричества.
• Приливная энергия или приливная энергия: Он основан на использовании приливов и отливов морской воды, вызванных гравитационным действием Солнца и Луны. Таким образом, потенциальная энергия приливов преобразуется в электрическую энергию за счет движения турбины, как на гидроэлектростанциях.

Энергия приливов — это альтернативный источник энергии, основанный на использовании приливов и отливов океанской воды, который создается гравитационным притяжением Солнца и Луны. Таким образом, это предсказуемое природное явление, которое позволяет нам предвидеть, когда эти движения воды можно будет преобразовать в электричество.

Приливная электростанция

Приливная электростанция — это та, где найдено соответствующее оборудование для преобразования кинетической энергии приливов в электрическую энергию. Есть несколько способов получить приливную энергию. Мы собираемся увидеть каждый из них и их основные аспекты:

Генераторы приливных течений

Эти генераторы, также известные как TSG (генераторы приливных потоков), используют движение воды для преобразования кинетической энергии в электричество. Это самый известный метод. Этот способ получения энергии он предполагает более низкую стоимость и меньшее воздействие на окружающую среду по сравнению с другими методами.

Приливные плотины

Эти плотины используют потенциальную энергию воды, которая существует между неравномерностью между приливом и отливом. Это барьеры с турбинами, очень похожи на традиционные дамбы, построенные на входе в залив или озеро. Стоимость высока, а прибыль невелика. Нехватка мест в мире, отвечающих условиям для их размещения, и воздействие на окружающую среду являются двумя основными недостатками.

Динамическая приливная энергия

Технология находится в теоретической стадии. Также известный как DTP (динамическая приливная мощность), он сочетает в себе первые два, используя взаимодействие между кинетической энергией и мощностью приливных потоков. Этот метод состоит из системы больших плотин, которые вызывают различные фазы приливов в воде для мобилизации турбин, вырабатывающих электроэнергию.

Преимущества и недостатки

Подчеркнем, что эта альтернативная энергетика имеет ряд преимуществ:

• Это чистый источник энергии, который не производит парниковых газов или других загрязняющих веществ из других источников энергии.
• Дополнительное топливо не используется.
• Непрерывное и надежное производство электроэнергии.
• Приливы неисчерпаемы и легко предсказуемы.
• Это возобновляемый источник энергии.

Несмотря на большой потенциал, использование приливной энергии имеет и недостатки, в том числе:

• Этого можно достичь за счет значительных финансовых вложений. Это дорого установить.
• Он оказывает большое визуальное и ландшафтное воздействие на побережье, являясь одним из самых тревожных недостатков приливной энергии.
• Приливная энергия — не лучший вариант для всех географических зон. Потому что количество энергии, которую мы можем получить, зависит от степени движения океана и силы приливов.

Энергия приливов Он используется для выработки электроэнергии с 1960-х годов. Страной-первопроходцем является Франция, чья приливная электростанция в Лансе работает до сих пор.

Страны, которые в настоящее время имеют мощности по производству приливной энергии: Южная Корея, за которой следуют Франция, Канада, Великобритания и Норвегия. В настоящее время приливная энергия представляет собой лишь небольшую долю от общего объема возобновляемой энергии в мире, но ее потенциал огромен.

Работа приливной электростанции

Приливная электростанция — это место, где энергия, производимая океанскими приливами, преобразуется в электричество. Чтобы этим воспользоваться, в нижней части строят плотины с турбинами, обычно в устье реки или залива. Резервуар, созданный строительством плотины, наполняется и опорожняется с каждым движением прилива и прохождением воды, которую он производит, что позволяет запускать турбины, вырабатывающие электроэнергию.

Как приливные электростанции преобразуют энергию приливов в электричество? Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть закономерности потенциальной и кинетической энергии характерных возрастаний и падений в приливы, вызванные гравитационным взаимодействием Солнца и Луны. Подъем воды называется течением, а время спуска короче предыдущего.

Разница по высоте между уровнем моря и уровнем водохранилища принципиальна, поэтому, по данным Института диверсификации и сохранения энергии (IDAE), выгодна только в прибрежных точках, где высота прилива и спуск отличается более чем на 5 метров по центру установки этих характеристик. Эти условия могут быть выполнены только в ограниченном количестве мест на Земле. На заводах электричество преобразуется турбинами или генераторами переменного тока. При вращении его лопастей и при циркуляции самой воды вырабатывается электрическая энергия.

Я надеюсь, что с помощью этой информации вы сможете больше узнать о приливной электростанции и ее характеристиках.

Содержание статьи соответствует нашим принципам редакционная этика. Чтобы сообщить об ошибке, нажмите здесь.

Энергия приливов и отливов как альтернативный источник энергии

Крживка, Владимир. Приливные электростанции / Владимир Крживка. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2013. — № 11 (58). — С. 120-126. — URL: https://moluch.ru/archive/58/7984/ (дата обращения: 27.02.2023).

В данной статье рассматриваются приливные электростанции как альтернативный экологический источник энергии, показана их история, развитие, достоинства и недостатки. На примере одной из электростанций приводится расчет годовой производимой мощности, в конце статьи представлены примеры известных приливных электростанций и пути дальнейшего развития.

Страны в Европе, не имеющие выход к морю, знают о морских приливах — точнее о уникальном природном феномене прилива — только в теории. Это явление даже у древних цивилизаций не заслуживало большого внимания. Плиний Старший и Страбон уже о зависимости между фазами Луны и приливах знали, но греческие, финикийские и римские пловцы, за малым исключением, с явлениями приливов и отливов в своей практике не встречались. Зато рыбаки с Атлантического побережья Европы были знакомы с приливами и отливами очень хорошо, поскольку должны выходить в море ежедневно в любую погоду, чтобы прокормить свои семьи [1].

На западном побережье Европы разность уровней воды в периоды прилива и отлива достигает нескольких метров, а в некоторых шотландских заливах даже больше 10 метров. Большое влияние на уровень воды имеет форма прибрежной зоны. Высокий уровень воды при приливе образуется, когда поднимающаяся вода выталкивается в длинный узкий залив. Классическим примером такого прилива является прилив в заливе Фанди (Канада), вода поднимается там до полных 20 м [1].

Когда европейцы стали отправляться в мореплавание в Атлантический и другие океаны, знания о приливах стали иметь большее значение: Европа буквально обогатилась на этом. В 16 веке, когда заморская торговля специями и другими товарами роскоши из Азии набрала свои обороты, искусственных гаваней практически не существовало и большинство из них лежали в устьях рек: Лиссабон в усти Тая, Лондон в устье Темзы, Антверпен в устье реки Шельда в, Брюгге на Реи и т. д. Для парусников, нагруженными товарами, плыть против течения без помощи прилива очень тяжело, потому что в устье рек ветер часто бывает изменчив или исчезает, буксировка повлекла бы за собой дополнительные расходы, а весловать на парусных суднах не представлялось возможным. Европейских прибрежные государства имели определенную выгоду, по отношению, например к Индии или Китаю, их уникальное преимущество состояло в том, что корабли нес к гавани прилив на протяжении приблизительно шести часов. Если моряки не успевали поймать прилив, то бросали якорь на месте, где были, и пережидали отлив на якоре, а спустя 6 часов продолжали путешествие со следующей приливной волной. При отплытии в обратный пусть действовали наоборот. Другими словами — португальские и испанские, а затем и английские, голландские и французские корабли в восточной части Атлантического океана, а позже и корабли США на западной стороне того же океана, использовали регулярно работающий естественный паром, который бесплатно переправлял их по морю и при возвращении обратно в порт. Паром работал по обе стороны Северной Атлантики два раза в день, в других местах чередование прилива с отливом встречается лишь один раз в день, это связывают с тем, что вторая волна очень незначительна. Евро-атлантическая цивилизация обладала неоспоримым преимуществом, что позволило ей строить большие мачтовые парусные фрегаты и вооружить их пушками. Именно поэтому Европа открыла мир, а не мир — Европу [1].

Высота приливов в английских портах измеряли еще в римскую эпоху, когда существовала купеческая гильдия Cinque Ports. Записи измерений продолжались на протяжении всего средневековья, а когда европейцы отправились путешествовать по океанам, то имели в наличии достаточно неплохой архив данных. Тем не менее, никто не смог объяснить это явление. Пытался объяснить это и Галилео Галилей, который в своем Диалоге о двух системах мира предложил ошибочную теорию, что за отливами и приливами стоит движение Земли вокруг Солнца. Только Исаак Ньютон, после того как была сформулирована теория гравитации, смог в своих Началах (1687) на основе гравитационного притяжения Луны и Солнца научно объяснить явление приливов. Его теория объясняла и регулярные различия уровней приливов и отливов в зависимости от фазы Луны.

Физические теории приливов также были предложены Кельвином и Додсоном, который использовал гармонический анализ. Теория Додсона используется и по сей день [1]. Однако морякам не нужны математические модели в виде дифференциальных уравнений, а практические таблицы (см. Рис.1).

Рис. 1. Пример прогноза приливов [2]

Принцип явления прилива

Гравитационная сила, с которой Луна воздействует на Землю, создает приливные изменения уровня моря (океана), которая поднимается и опускается в соответствии с движением Луны вокруг Земли, хотя без Луны их диапазон значительно уменьшился бы, но само явление не исчезло полностью. Луна создает только две трети от приливных эффектов на нашей планете. Остальная часть формируется Солнцем и в меньшей части планетами (в особенности Юпитером). Земля, вместе с Луной, вращаются вокруг общего центра тяжести, что создает центробежную силу (см. Рис. 2). В центре Земли сила притяжения Луны такой же величины, как и центробежная сила, действуя в противоположных направлениях, они взаимно обнуляются. На стороне Земли, обращенной к Луне, сила притяжения немного больше, чем центробежная, поэтому там возникает выпуклость — прилив. На стороне Земли, обращенной в противоположную сторону, т. е. от Луны, центробежная сила больше силы притяжения Луны, поэтому и там возникает прилив. Таким образом, существуют две приливных выпуклости на противоположных сторонах Земли, а между ними зоны отлива. Из этого следует, что в каждом порту дважды в день наблюдаются приливы и отливы [3]

Рис. 2. Вращение системы Земля — Луна [4]

Центр тяжести системы Земля —Луна движется по почти круговой орбите вокруг Солнца.

Диапазон приливной волны зависит от положения Луны и Солнца по отношению к Земле (см. Рис. 3). Различают две крайности [3]:

— прилив скачком (скоковый) — крупнейший приток, происходит, когда Земля, Солнце и Луна (полнолуние или новолуние) находятся на прямой линии;

— глухой прилив — самый низкий прилив, возникает, когда вышеупомянутые элементы расположены под прямым углом (первая и третья четверти Луны).

Приливные деформации сопровождаются потерей энергии системой Земля — Луна из-за внутреннего трения (приливного трения) в следствии чего увеличивается длина дня (около 1,5 миллисекунды за сто лет), и немного увеличивает расстояние Земля — Луна (Луна отдаляется на более высокую орбиту, на 3,8 см в год). Значительный эффект оказывают приливные силы на уровень мировых морей и океана (приливы и отливы), а также на атмосфере Земли, где наблюдаются периодические колебания давления воздуха [3].

Рис. 3. Диапазон приливной волны в зависимости от положения Луны и Солнца по отношению к Земле: а) прилив скачком (скоковый); б) глухой прилив [3], [4]

Использование приливной электростанции

Использование приливных мельниц на испанском, французском и британском побережьях восходит к 787 году. Приливные мельницы состояли из перекрытого пруда или малого водохранилища, шлюзы и плотины переполнения. Выравнивание уровней воды происходит через водяное колесо [3]. Приток и отток воды приводят в движение водяное колесо, производится механическая энергия, а мельница перемалывает зерна в муку. Примером таких мельниц может служить мельница Иль-де-Бреа в Birlot (L’ile de Brehat Mill to tide the Birlot) с 1633 (см. Рис. 4) http://en.wikipedia.org/wiki/Tide_mill

Рис. 4. Мельница Иль-де-Бреа в Birlot [5], [6]

Плотинныеприливные электростанции

Энергия прилива используется в специальных емкостях в морских заливах или устьях рек с высоким уровнем прилива (см. Рис. 5). Вода может быть поймана в так называемой «приливной лагуне», которая будет для этих селей оснащена плотиной с вратами, в которых размещены турбогенераторы. Лагуна заполняется водой, пока растет высота прилива. Разность уровней воды лагуны и моря приведет к возникновению потенциальной энергии, которая может быть использована для вырывнивания уровней воды. При сбалансировании водных уровней возникает гидростатическое давление, действующее на лопатки турбины, которая будет ращать генератор и тем самым производить электричество. Во время отлива происходит снижение уровня открытого моря, то есть сила и энергия будет работать в противоположном направлении. Очевидно, что величина потенциальной энергии увеличивается с увеличением разницы в уровнях между лагуной и моря, реки или океана, а наиболее эффективными будут такие электростансии, у которых приливы и отливы достигают значительных величин [3].

Рис. 5. Производство энергии плотинными приливными электростанциями [7]

Расчет энергии для плотинных приливных электростанций

Формулы для расчета энергии [7]

, отсюда за приливной цикл

где R — размер (высота) прилива, м.

A — площадь приливого бассейна, м 2

m — масса воды, кг

g — гравитационная постоянная, равная 9,81 м/с 2

η — коэффициент использования, приблизительно равен 0,40, т. е. 20–40 %

ρ — плотность морской воды, равна 1025 кг/м 3 Если предположить, что в году бывает около 706 приливовых циклов (12 часов и 24 мин в цикле), то формула примет следующий вид:

Приведем практические расчеты для одной из плотинной приливной электростанции

La Rance, находящаяся во Франции в области Бретане, с высотой прилива 8,5 м. Данная электростанция была запущена в эксплуатацию в 1966 году, владельцем на сегодняшний момент является Électricité de France.

Исходные данные для расчета:

— плотина: длина 390 м, ширина 33м и высота от дна моря 25 м, максимальный разлив прилива 13 м;

— общая мощность 24 турбины×10 МВт (240 МВт);

— годовое использование мощности ≈ 33 %;

— среднее количество рабочих часов в год: 2200;

— годовой объем производства электроэнергии: более 600 ГВт;

— удельные затраты электроэнергии: 1Чешская крона/ КВт.

Итак, из приведенных исходных данных, имеем η = 40 %; R=8,5 м; А= 22 км 2 .

Тогда энергия будет равна:

ГВт.

Примеры приливовых электростанций

В России c 1968 года действует экспериментальная приливная электростанция в Кислой губе [8] на побережье Баренцева моря (см. Рис. 6). На 2009 год её мощность составляла 1,7 МВт, первоначальная мощность была 0,4 МВт.

Станция установлена в узкой части губы Кислая, высота приливов в которой достигает 5 метров. Конструктивно станция состоит из двух частей — старой, постройки 1968 года, и новой, постройки 2006 года. Новая часть присоединена к одному из двух водоводов старой части. В здании приливной электростанции размещено два ортогональных гидроагрегата — один мощностью 0,2 МВт (диаметр рабочего колеса 2,5 м, находится в старом здании) и один ОГА-5,0 м мощностью 1,5 МВт (диаметр рабочего колеса 5 м, находится в новом здании) [8].

Рис. 6. Экспериментальная приливная электростанция в Кислой губе на побережье Баренцева моря [8]

Другими не менее известными электростанциями являются: южнокорейская — приливная электростанция Сихва (мощность 254 МВт), канадская — приливная электростанция Аннаполис и норвежская — приливная электростанция Хаммерфест.

Проблемы и недостатки приливных электростанций

Несмотря на указанные достоинства, в адрес приливных электростанций поступали и жалобы в отношении ко всем проектам плотинных приливных электростанций. Первой выявленной проблемой стала нерегулярность приливов. Луна никогда не считалась с фактом пикового потребления, и в основном наибольшая мощность приливных электростанций приходился на время самого низкого потребления, когда большое количество энергии совсем не нужно. Другим недостатком является то, что плотинные приливные электростанции не могут быть построены в любом месте на берегу моря, даже если прилив в данном месте достигает рекордно высокого значения. Классическая приливная электростанция зависит от формы побережья. Строительство искусственного залива по стоимости вышло бы намного дороже допустимого предела. И хотя строительство было подчеркнуто экологичным, поступали возражения против плотинных приливных электростанций и экологические организации. Само строительство приливной электростанции обременяла прибрежные районы. Перекрытие бухты плотиной нарушил пути миграции рыб, что приводило к накоплению мусора в образовавшемся водоеме. Двусторонние диски вращающихся турбин были как ловушки, а сами турбины для многих рыб постарались о печальный конец [9].

Приливная энергия является возобновляемым источником электроэнергии, которая не приводит к выбросам газов, которые способствуют глобальному потеплению, или причиной кислотных дождей, связанных с сжиганием ископаемых видов топлива при производстве электроэнергии. Использование приливной электростанции может уменьшить потребность в традиционных электростанциях с рисками, вытекающими из их эксплуатации [3].

Приливная энергия, создаваемая Луной и Солнцем обладает мощностью около 3,5 ТВт. Хотя и кажется, что это большое количество энергии, но в действительности это лишь около 20 % мощности всех мировых электростанций. Кроме того из этого количества может быть использована только часть [10].

Для того, чтобы использования приливной энергии себя оправдало, скорость потока должна быть не менее 1,2 м/с. Это исключает большое количество мест, которые находятся в открытом океане, где поток слишком медленный — скорость менее 0,1 м/с. На самом деле в мире существует около 20 подходящих мест, в том числе Северной Шотландии и устье реки Северн. В данных двадцати местах можно получеить менее 100 ГВт мощности [10].

Изменение прилива перекрытием залива или устья реки может привести к негативным последствиям для водных и прибрежных экосистем, включая воздействие на население данных мест [3].

Проведенные исследования показали, что воздействие на окружающую среду у приливных электростанций зависит от каждого конкретного объекта и реализации других географических и демографических условий.

В настоящее время приливные электростанции массово не используются. Благодаря нынешнему буму в области возобновляемых источников энергии, можно ожидать развитие в области приливных электростанций [11]. Тем не менее, их общий вклад остается небольшим, поскольку существует ограниченное число мест, где можно их строить. Их преимущество в том, что приливы более предсказуемы, чем поведение, например, ветера или солнца.

В будущем планируется развивать приливные электростанции, работающие с приливными течениями, похожими по принципу на ветряные электростанции (см. Рис. 7).

Рис. 7. Приливные электростанции, работающие с приливными течениями [3]

На побережье Евросоюза являются подходящими для строительства 106 мест, где могли бы быть данные электростанции. Она могли бы производить мощность до 12 ГВт [12]. Данный тип электростанций активно развивается и строится в последнее время, а значит имеют свой шанс на будущее.

1. 3pól — Magazín plný pozitivní energie, Dmutí moře, 3.12.2012. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://3pol.cz/1329-dmuti-more (дата обращения 20.9.2013).

2. The United Kingdom Hydrografic Office Admiralty EasyTide. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://easytide.ukho.gov.uk/EasyTide/EasyTide/SelectPort.aspx (дата обращения 15.9.2013).

3. Mastný P., Drápela J. Mišák S., Macháček J., Ptáček M., Radil. L., Bartošík T., Pavelka T.: Obnovitelné zdroje elektrické energie, ČVUT v Praze, 2011, ISBN 978–80–01–04937–2, стр. 121–128

Энергия приливов и отливов.

Электростанциями этого типа являются особого вида гидроэлектростанции, использующие энергию приливов. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды.

Для получения энергии залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты, которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для последующей работы в отсутствие приливов и отливов). В последнем случае они называются гидроаккумулирующая электростанция.

Преимуществами приливных электростанций являются экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатками — высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего приливная электростанция может работать только в единой энергосистеме с другими типами электростанций.

Энергия волн.

Волновые электростанции используют потенциальную энергию волн переносимую на поверхности океана. Мощность волнения оценивается в кВт/м. По сравнению с ветровой и солнечной энергией энергия волн обладает большей удельной мощностью. Несмотря на схожую природу с энергией приливов, отливов и океанских течений волновая энергия представляет собой отличный от них источник возобновляемой энергии.

Геотермальная энергия.

Геотермальная энергетика — направление энергетики, основанное на производстве электрической энергии за счёт энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях. Обычно относится к альтернативным источникам энергии, использующим возобновляемые энергетические ресурсы.

В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температуры кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин. Более чем такие паротермы распространены сухие высокотемпературные породы, энергия которых доступна при помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды. Высокие горизонты пород с температурой менее 100 °C распространены и на множестве геологически малоактивных территорий, потому наиболее перспективным считается использование геотермальной энергии в качестве источника тепла.

Хозяйственное применение геотермальных источников распространено в Исландии и Новой Зеландии, Италии и Франции, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста-Рике, Филиппинах, Индонезии, Китае, Японии, Кении.

Главным достоинством геотермальной энергии является её практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.

Существуют следующие принципиальные возможности использования тепла земных глубин. Воду или смесь воды и пара в зависимости от их температуры можно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для всех этих целей. Высокотемпературное тепло околовулканического района и сухих горных пород предпочтительно использовать для выработки электроэнергии и теплоснабжения. От того, какой источник геотермальной энергии используется, зависит устройство станции.

Если в данном регионе имеются источники подземных термальных вод, то целесообразно их использовать для теплоснабжения и горячего водоснабжения. Например, по имеющимся данным, в Западной Сибири имеется подземное море площадью 3 млн м2 с температурой воды 70—90 °С. Большие запасы подземных термальных вод находятся в Дагестане, Северной Осетии, Чечне, Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Закавказье, Ставропольском и Краснодарском краях, на Камчатке и в ряде других районов России, также в Казахстане.

Главная из проблем, которые возникают при использовании подземных термальных вод, заключается в необходимости возобновляемого цикла поступления (закачки) воды (обычно отработанной) в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (например, бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности.

Наибольший интерес представляют высокотемпературные термальные воды или выходы пара, которые можно использовать для производства электроэнергии и теплоснабжения.

Технологии производства электроэнергии с использованием ресурсов мирового океана

Мировой океан занимает почти 70% поверхности нашей планеты и представляет собой нечто по истине великое и могущественное. Одной из главных его черт является постоянное движение, формируемое волнами, течениями, приливами и отливами. Их зарождению способствуют ветра, гравитационные силы Луны, Солнца, Земли, сейсмические толчки и многие другие факторы. Благодаря этому океаническая масса изобилует энергией, объемы которой во много раз превышают величины, необходимые людям, по крайней мере, на текущий момент.

Немного истории: вода как источник энергии

Использование воды в качестве источника энергии во многом определило вектор человеческого развития. Вертикальное водяное колесо, изобретенное, возможно, за два века до рождества Христова, вошло в широкое использование в течение нескольких сотен лет. К концу римской эпохи водяные мельницы обеспечивали энергией помол зерна, производство ткани, выделку кожи, распиловку дерева и т.п.

В средние века на берегах Англии и Франции начали появляться первые водяные мельницы, которые приводились в движение за счет энергии приливных волн. Конструкция таких устройств была довольно тривиальной – небольшая бухта на морском побережье перегораживалась дамбой, отделявшей бассейн от моря. В дамбе располагались отверстия с затворами и сама приливная мельница. Во время прилива вода через открытые отверстия в дамбе заполняла бассейн. При отливе уровень воды со стороны моря понижался, но в бассейне вода задерживалась, так как отверстия в дамбе закрывались. В XV веке большие фрезерные комплексы находились в абсолютной зависимости от водяной энергии. Изобретение и распространение коленчатого вала позволило применить эту энергию к задачам, требовавшим возвратно-поступательных движений. С течением времени в Европе появляется все больше и больше водно-промышленных комплексов (например, водяные хлопчатобумажные фабрики У. Струтта и Р. Окрайта, функционирующие в течение 1770-х годов в Англии).

В 1910 году для снабжения электроэнергией одного из частных домов в Руайяне (Франция) было использовано устройство, конструкция которого напоминает осциллирующий водяной столб, принципы работы которого используются и сегодня. В этом конструктивном варианте волны, осуществляя толчковые движения, заполняют собой специально изготовленные камеры, в которых содержатся воздушные массы. Воздух сжимается, создается избыточное давление, под действием которого он поступает на турбину, вращая ее лопастные механизмы. Вращательное движение турбины передается на генератор, который вырабатывается электрический ток.

Турбины используют в течение последних 200 лет, и за это время было изобретено множество подобных устройств, имевших различные конструкции и принципы действия. Но наиболее эффективными оказались радиальные и струйные турбины. Радиальные используются тогда, когда напор воды невелик, но есть возможность построить плотину и создать перепад высот в 10-15 метров. Такие турбины получили широкое распространение в XX веке в связи с развитием гидроэлектростанций. Струйные турбины по принципу действия схожи с верхненаливными колесами – струя воды под сильным напором ударяет в лопасти турбины и заставляет ее вращаться.

Современность

Сегодня за добычу электроэнергии отвечают целые отдельные отрасли экономики – тепловая электроэнергетика, атомная, гидро, развивается альтернативная (ветер, солнце, геотермальные источники, водород и т.п.). Каждая из них несет в себе как достоинства и недостатки. Одной из главных проблем использования невозобновляемых источников энергии является истощение природных ресурсов и загрязнение окружающей среды. Так, эксплуатация атомных электростанций, как показывает практика, не редко приводит к глобальным экологическим катастрофам; возрастают риски значительного изменения температуры и климата Земли (выбросы углеводородов в атмосферу приводят к увеличению парникового эффекта); ученые предсказывают истощение месторождений угля в течение одного-двух столетий, а нефти – уже через несколько десятилетий (при этом разработка новых месторождений становится все более трудоемкой и дорогостоящей); повышается уровень смертности и заболеваемости населения, в чем экологическая составляющая играет значительную роль. В то же время развитие абсолютно всех отраслей хозяйства не стоит на месте, и постепенно востребованность в большем количестве энергии становится все выше. Можно бесконечно перечислять подобные проблемы, но факт остается фактом – современная мировая экономика построена на использовании невозобновляемых природных ресурсах. И, откровенно говоря, это печально.

Но вместе с тем нельзя не отметить то, что хоть и малая, но все же часть общества понимает, что вопросы сохранения и воспроизводства природной среды нужно было начать решать еще вчера. И прогресс в этой сфере хоть и медленно, но уже начался. Помимо развития альтернативной электроэнергетики, на месте не стоит и поиск способов использования ресурсов мирового океана, который, как мы выяснили в начале, содержит в себе огромное количество энергии. Среди ключевых возобновляемых источников океанской энергии можно выделить:

энергию, получаемую за счет разницы температур на разных глубинах океана (преобразование тепловой энергии океана – OTEC);

энергию, получаемую из разного содержания солей в пресной и соленой воде (осмотическая сила).

Рассмотрим несколько интересных технологий, позволяющих добывать энергию из океана.

1. Шведская инженерная компания Minesto разработала специальные планеры, похожие на беспилотные летательные аппараты. Они предназначены для добычи энергии благодаря подводным течениям. На сайте компании приведен простой, но одновременно хорошо иллюстрирующий работу устройства пример: «Представьте, что вы стоите на пляже и запускаете воздушного змея (=кайт) на ветру. Вы чувствуете мощную подъемную силу кайта за счет строп, прикрепленных к нему. Когда он находится в зените, то тяга практически отсутствует, и удается стоять на месте. Но если попробовать переместить кайт в какую-либо сторону, то становится заметно, что он начинает тянуть за собой, и чем сильнее ветер, тем больше тяга. Собственно, если прикрепить турбину к кайту и поместить его в океанское течение, то таким образом и получится предлагаемая концепция энергетической технологии под названием Deep Green».

Отличительной особенностью Deep Green от других разработок в сфере приливной энергии является крыло, размеры турбины и тот факт, что вся установка движется под водой. Крыло толкает турбину через воду по восьмиугольной траектории, охватывая большую площадь с относительной скоростью, которая в несколько раз превышает фактическую скорость подводного течения. Турбина передает энергию генератору, а генератор пропускает ее через силовой кабель. Шланг на морском дне передает электроэнергию на берег.

Важным преимуществом здесь является то, что приливы вызваны движением Земли, Солнца и Луны, которое можно рассчитать с максимальной точностью. Океанские течения в определенной степени постоянны.

«Размах крыла Deep Green составляет 12 метров, и каждое из них вырабатывает 1,2 мегаватта энергии», – сообщил генеральный директор Minesto Мартин Эдлунд. «Мы считаем, что достаточное количество наших устройств позволит обеспечить энергией половину домашних хозяйств на Фарерских островах, которые по-прежнему используют импортное дизельное топливо для покрытия примерно половины своих энергетических потребностей».

2. От добычи приливной энергии перейдем к волновой. Американская компания Northwest Energy Innovations (NWEI) разработала волновую электростанцию Azura, которая представляет собой маятник, нижняя часть которого прикреплена к океанскому дну. Он извлекает энергию как из вертикального, так и из горизонтального (импульсного) движения волн. Выработка происходит в результате относительного вращательного движения корпуса и поплавка. Поплавок, соединенный с ротором генератора, способен непрерывно вращаться на 360 градусов или колебаться вперед и назад, что позволяет устройству извлекать энергию в самых разных волновых условиях и повышает общую эффективность системы. Генератор приводится в движение гидравлической системой высокого давления. Совершаемые круговые движения поплавка преобразовываются в электрическую энергию, которая передается по подводному кабелю. Вес Azura составляет 45 тонн. В настоящее время устройство проходит испытания на Гавайях. Оно подключено к муниципальной сети, обеспечивающей электричеством весь штат. Устройство может генерировать 20 киловатт энергии.

3. В 2015 году в Шотландии компании Equinor (75%) и Masdar (25%) представили первую в мире коммерческую ветроэлектростанцию Hywind Scotland, использующую плавучие турбины мощностью по 6 МВт каждая. Станция размещается в 25 км от берега. Для установки ветряных генераторов на Hywind Scotland используются специальные анкера, удерживающие их на глубине до 800 м. В состав электростанции входят пять ветряков. Высота мачты каждого из них над поверхностью воды составляет 176 м, под водой – еще 78 м. Диаметр ротора – 154 м, масса всей конструкции – около 12 тонн. От каждого ветрогенератора отходит кабель, который подключается к электросети города.

Турбины установки также высокотехнологичные – на станции установлено специальное программное обеспечение, которое может менять угол поворота лопастей ветрогенератора в зависимости от силы ветра, уменьшать нежелательную качку и оптимизировать выходную мощность. В будущем планируется оснащение электростанции литий-ионным аккумулятором Batwind емкостью 1 МВт⋅ч. Такая батарея будет служить накопителем электричества и отдавать его при безветренной погоде.

На данный момент устройство испытывают рядом с городом Петерхед, Шотландия.

Заключение

Несомненно, сегодня может быть использована только малая часть потенциала такого рода энергетических ресурсов: освоение многих районов океана, по крайней мере, на данный момент, является очень трудным, затраты на подключение выражаются огромными числами; кроме того, многие из потенциальных мест в прибрежных районах «зарезервированы» для судоходства, рыбной промышленности и являются охраняемыми территориями. Но тем не менее, во многих странах правительство помогает и стимулирует развитие такого рода источников энергии. Например, в США Министерство энергетики организовывает соревнования для компаний и частных лиц по разработке подобных устройств.

Приливная электростанция

В мире возобновляемых источников энергии есть некоторые более известные, такие как солнечная энергия и энергия ветра, и другие, менее известные, такие как энергия приливов и отливов. Это тип возобновляемой энергии, который использует океанские приливы. Для этого вам понадобится приливная электростанция именно здесь происходит преобразование кинетической энергии приливов электрической энергии.

В этой статье мы расскажем вам все, что вам нужно знать о приливной электростанции, ее характеристиках и функциях.

Энергия приливов

Океан обладает огромным энергетическим потенциалом, который можно преобразовать в электричество с помощью различных технологий. Среди морских источников энергии, определенных Институтом диверсификации и энергосбережения (IDAE), мы находим различные типы:

• Энергия морских течений: Он заключается в использовании кинетической энергии океанских течений для выработки электроэнергии.
• Волновая энергия или волновая энергия: Это использование механической энергии волн.
• Приливные термики: Он основан на использовании разницы температур между поверхностными водами и морским дном. Это тепловое изменение используется для электричества.
• Приливная энергия или приливная энергия: Он основан на использовании приливов и отливов морской воды, вызванных гравитационным действием Солнца и Луны. Таким образом, потенциальная энергия приливов преобразуется в электрическую энергию за счет движения турбины, как на гидроэлектростанциях.

Энергия приливов — это альтернативный источник энергии, основанный на использовании приливов и отливов океанской воды, который создается гравитационным притяжением Солнца и Луны. Таким образом, это предсказуемое природное явление, которое позволяет нам предвидеть, когда эти движения воды можно будет преобразовать в электричество.

Приливная электростанция

Приливная электростанция — это та, где найдено соответствующее оборудование для преобразования кинетической энергии приливов в электрическую энергию. Есть несколько способов получить приливную энергию. Мы собираемся увидеть каждый из них и их основные аспекты:

Генераторы приливных течений

Эти генераторы, также известные как TSG (генераторы приливных потоков), используют движение воды для преобразования кинетической энергии в электричество. Это самый известный метод. Этот способ получения энергии он предполагает более низкую стоимость и меньшее воздействие на окружающую среду по сравнению с другими методами.

Приливные плотины

Эти плотины используют потенциальную энергию воды, которая существует между неравномерностью между приливом и отливом. Это барьеры с турбинами, очень похожи на традиционные дамбы, построенные на входе в залив или озеро. Стоимость высока, а прибыль невелика. Нехватка мест в мире, отвечающих условиям для их размещения, и воздействие на окружающую среду являются двумя основными недостатками.

Динамическая приливная энергия

Технология находится в теоретической стадии. Также известный как DTP (динамическая приливная мощность), он сочетает в себе первые два, используя взаимодействие между кинетической энергией и мощностью приливных потоков. Этот метод состоит из системы больших плотин, которые вызывают различные фазы приливов в воде для мобилизации турбин, вырабатывающих электроэнергию.

Преимущества и недостатки

Подчеркнем, что эта альтернативная энергетика имеет ряд преимуществ:

• Это чистый источник энергии, который не производит парниковых газов или других загрязняющих веществ из других источников энергии.
• Дополнительное топливо не используется.
• Непрерывное и надежное производство электроэнергии.
• Приливы неисчерпаемы и легко предсказуемы.
• Это возобновляемый источник энергии.

Несмотря на большой потенциал, использование приливной энергии имеет и недостатки, в том числе:

• Этого можно достичь за счет значительных финансовых вложений. Это дорого установить.
• Он оказывает большое визуальное и ландшафтное воздействие на побережье, являясь одним из самых тревожных недостатков приливной энергии.
• Приливная энергия — не лучший вариант для всех географических зон. Потому что количество энергии, которую мы можем получить, зависит от степени движения океана и силы приливов.

Энергия приливов Он используется для выработки электроэнергии с 1960-х годов. Страной-первопроходцем является Франция, чья приливная электростанция в Лансе работает до сих пор.

Страны, которые в настоящее время имеют мощности по производству приливной энергии: Южная Корея, за которой следуют Франция, Канада, Великобритания и Норвегия. В настоящее время приливная энергия представляет собой лишь небольшую долю от общего объема возобновляемой энергии в мире, но ее потенциал огромен.

Работа приливной электростанции

Приливная электростанция — это место, где энергия, производимая океанскими приливами, преобразуется в электричество. Чтобы этим воспользоваться, в нижней части строят плотины с турбинами, обычно в устье реки или залива. Резервуар, созданный строительством плотины, наполняется и опорожняется с каждым движением прилива и прохождением воды, которую он производит, что позволяет запускать турбины, вырабатывающие электроэнергию.

Как приливные электростанции преобразуют энергию приливов в электричество? Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть закономерности потенциальной и кинетической энергии характерных возрастаний и падений в приливы, вызванные гравитационным взаимодействием Солнца и Луны. Подъем воды называется течением, а время спуска короче предыдущего.

Разница по высоте между уровнем моря и уровнем водохранилища принципиальна, поэтому, по данным Института диверсификации и сохранения энергии (IDAE), выгодна только в прибрежных точках, где высота прилива и спуск отличается более чем на 5 метров по центру установки этих характеристик. Эти условия могут быть выполнены только в ограниченном количестве мест на Земле. На заводах электричество преобразуется турбинами или генераторами переменного тока. При вращении его лопастей и при циркуляции самой воды вырабатывается электрическая энергия.

Я надеюсь, что с помощью этой информации вы сможете больше узнать о приливной электростанции и ее характеристиках.

Содержание статьи соответствует нашим принципам редакционная этика. Чтобы сообщить об ошибке, нажмите здесь.