Нетрадиционные способы и источники получения энергии

Недостаточно проработаны в настоящее время экологические аспекты строительства и эксплуатации КСЭС. Например, возможны неблагоприятные изменения картины распределения заряженных частиц в атмосфере из-за воздействия СВЧ – пучка, что приведет к возникновению помех в радиосвязи. Кроме того, СВЧ – излучение интенсивно поглощается молекулами воды и кислорода, что может вызывать локальный нагрев воздуха.

Приливные электростанции

Приливные электростанции (ПЭС) выгодно отличаются от речных ГЭС тем, что их работа определяется космическими явлениями и не зависит от природных условий, определяемых целым рядом случайных факторов. Ритмично, со строгой закономерностью, в одних местах каждые 12 ч 25 мин, а в других через 24 ч 50 мин могучая волна океанского прилива наступает на берег. Вызванный взаимодействием космических сил системы Земля-Луна-Солнце прилив плавно поднимает уровень моря у берега в зависимости от положения на планете, формы русла и береговой линии от нескольких сантиметров до многих метров. Наивысший прилив (19 м) наблюдается на берегах залива Фанди (Канада). У северо-западных берегов США он достигает 10 м, в Южной Америке (Аргентина, Галегос) 11 м, в Англии (Бристоль) и Франции (Сен-Мало) 14 м. Значителен подъем прилива (10 м и выше) у берегов Австралии, Индии, Китая и Кореи. У берегов РФ высокие приливы наблюдаются в Пенжинском (до 13,4 м), Тугурском и Мезенском (до 10 м) заливах в Охотском и Белом морях. На Мурманском побережье прилив достигает 7,2 м. Мировой энергопотенциал морского прилива оценивается в 1 млрд. кВт, что в 2,5 раза больше, чем мощность всех существующих ГЭС на планете.

Главный недостаток ПЭС – неравномерный график работы. Неравномерность приливной энергии в течение лунных суток и месяца, отличных от солнечных, не позволяет систематически использовать эту энергию. Прилив в зависимости от видимости лунного диска от полнолуния к новолунию в течение 14,2 суток уменьшается в 3 раза. Кроме того, если морской залив или бухту отгородить плотиной и в этой плотине поставить турбину (рис. 20а), то при опускании уровня моря вследствие отлива напор, действующий на турбину, образуется не сразу, а через некоторый промежуток времени , в течение которого затворы турбин приливной электростанции закрыты (рис. 20б). В момент , когда напор, определяемый разностью уровней воды в заливе и море, достигнет значения технического минимума, открываются затворы и турбины начинают работать. Так будет продолжаться до момента, когда напор вновь достигнет минимального значения . После выравнивания уровней в бассейне и море (момент ) затворы турбин закрываются. Поэтому уровень воды в заливе будет сохраняться неизменным, а в море в результате прилива повышаться. Этот процесс будет продолжаться до момента , когда снова возникает необходимый напор и турбины смогут начать работу.

Таким образом, в интервале времени и в других аналогичных интервалах агрегаты ПЭС не выдают мощности, а в остальные периоды отлива и прилива она изменяется от нуля до некоторого максимального значения и вновь снижается до нуля (рис 20в). По этому принципу работает ПЭС, построенная по простейшей однобассейновой схеме двустороннего действия.

В условиях современной энергетики, когда в энергосистемах имеются большие возможности маневрирования генерирующим оборудованием, от приливной электростанции не требуется непрерывная работа. Гораздо важнее получить от нее мощность в часы наибольшего потребления, что позволит обеспечить более равномерную работу нуждающихся в этом тепловых и атомных электростанций. При этом реализуется очень ценное качество приливной энергии, заключающееся в неизменности ее среднемесячного значения в любой сезон.

Реализация этого качества приливной энергии может быть достигнута, если построить ПЭС по простой однобассейновой схеме двустороннего действия, обеспечивающей наибольшую выработку.

Другим серьезным препятствием для широкомасштабного сооружения ПЭС является дороговизна их строительства вследствие необходимости возведения сооружений на значительных глубинах при воздействии морской стихии. Для преодоления этого недостатка применяют при строительстве ПЭС наплавной способ, позволяющий построить здание ПЭС в благоприятных условиях приморского промышленного центра и в готовом виде со смонтированным оборудованием доставить его водным путем в труднодоступный с суши створ.

На ПЭС устанавливают обратимые капсюльные агрегаты (рис. 21), которые могут работать в генераторном режиме во время приливов и отливов, так и в насосном режиме для закачивания воды в бассейн с целью обеспечения достаточного напора.

Природные условия России позволяют построить ПЭС с суммарной установленной мощностью около 150 тыс. МВт. Многолетние научные исследования привели к выводу о том, что возможно строительство нескольких ПЭС:

 Лумбовской в Баренцевом море мощность 320 МВт (в другом варианте 672 МВт);

 Мезенской в Белом море мощностью 15200 МВт и выработкой электроэнергии 42000 ГВт ч в год;

 Тугурской мощностьк 6800 МВт и выработкой электроэнергии 16200 ГВт* ч в год;

 Пенжинской мощность 21400 МВт (в другом варианте 87400 МВт) в Охотском море.

В течение нескольких десятков лет в бывшем СССР велись научные и проектные работы по приливной энергетике. К настоящему времени выполнены проработки по Лумбовской, Пенжинской, Мезенской и Тугурской ПЭС.

С 1968 г. работает экспериментальная Кислогубская ПЭС мощностью 400кВт (рис. 22). Выполнено технико – экономическое обоснование по опытно – промышленной Кольской ПЭС мощностью 40 МВт, которая предназначалась для проведения натурных испытаний конструктивных решений по капсульному агрегату для мощных Тугурской и Мезенской ПЭС.

За рубежом работают три приливных станции:

 ПЭС Ранс мощностью 240 МВт во Франции (построена в 1967 г. и имеет 24 агрегата).

 ПЭС Цзянсян мощностью 32 МВт в Китае (пуск шести агрегатов осуществлен в период 1980…1985 гг.).

 ПЭС Аннаполис мощностью 196 МВт в Канаде (построена в 1984 г., имеет 1 агрегат).

Кроме того, в Китае построены десятки микро и мини ПЭС, являющихся элементами комплексов для осуществлении проектов обводнения, осушения, судоходства и т.д.

На Мезенской и Тугурской ПЭС предусмотрена установка соответственно 800 и 420 агрегатов. Единичная мощность агрегатов Мезенской ПЭС 19 МВт. Это капсульные агрегаты с диаметром рабочего колеса турбины 10 м с двухсторонним режимом работы. Единичная мощность агрегатов Тугурской ПЭС 16,2 МВт. Подобные типы агрегатов уже разработаны зарубежными фирмами. Большое количество агрегатов на ПЭС – серьезное препятствие для их сооружения, так как для создания такого числа агрегатов необходимо задействовать всю энергетическую промышленность страны.

Серьезное препятствие для создания описанных ПЭС – их исключительно большая установленная мощность, не имеющая аналогов в мире, и связанный с нею значительный объем капиталовложений.

Геотермальные электростанции

На геотермальных электростанциях (ГеоТЭС) в качестве источника энергии используется теплота земных недр. На основе геофизических исследований установлено, что температура земной коры возрастает на 1 °С при увеличении глубины на 30–40 метров. Таким образом, на глубине 3–4 км достигается температура кипения воды, а на глубине 10–15 км температура породы составляет 1000–1500 °С. В некоторых районах температура горячих источников достаточно высока в непосредственной близости от поверхности.

Источником геотермальной теплоты является горячая магма, которая проникает из недр Земли и в некоторых местах близко подходит к поверхности. Источники глубинной теплоты размещаются, как правило, вблизи границ литосферных плит и в районах повышенной геологической активности. Месторождения геотермальной энергии разделяются на шесть видов:

 гидротермальные системы (парогидротермы), залегающие на глубине до 3 км, рис. 23;

 месторождения низкотемпературной геотермальной теплоты (100…200 °С);

 системы аномально высокого давления (глубина до 10 км);

 сухие горячие горные породы (глубина до 10 км);

 магма (на глубине до 10 км).

В настоящее время широкое применение находят месторождения первого типа.

При освоении геотермальных месторождений возникают сложные проблемы, препятствующие широкомасштабному использованию этого вида энергии. Во-первых, температура геотермальных флюидов гораздо ниже, чем у пара, вырабатываемого на обычной ТЭС, поэтому необходимо принимать специальные меры, направленные на эффективное использование энергии. Во-вторых, геотермальные воды содержат большое количество растворенных минеральных веществ, имеющих высокую химическую агрессивность. При попадании этих веществ на лопатки турбины происходит их быстрое разрушение. Кроме того, на поверхностях трубопроводов и другого тепломеханического оборудования происходит значительное солеотложение. Поэтому необходимы специальные меры для предварительной очистки теплоносителя от вредных примесей.

Имеют место и значительные экологические проблемы:

 вероятность стимулирования землетрясений в результате гидравлического разрыва пласта;

 просадка почвы вследствие отбора воды;

 сильный шум, создаваемый из-за того, что при выходе на поверхность происходит резкое падение давления геотермального флюида;

 выброс вредных газов (двуокиси углерода СО2 и сероводорода );

 трудности с ликвидацией отработанного рассола.

ГеоТЭС достигли в настоящее время уровня достаточной конкурентоспособности и широко используются в ряде стран, обладающих ресурсами геотермальной энергии. В основном это ГеоТЭС на парогидротермах (рис. 23). В мире сегодня работают более 170 блоков ГеоТЭС суммарной мощностью более 7000 МВт, технология и оборудование ГеоТЭС на парогидротермах в основном разработаны. Вместе с тем на всех действующих ГеоТЭС возникают специфические проблемы экологии, солеотложений, коррозии металлических частей основного оборудования. Около 40% вынужденных аварийных остановов турбин на ГеоТЭС происходит из-за заноса солями первых двух ступеней сопловой решетки турбины и коррозионно-эрозионного разрушения последней ступени турбины. Кроме того, в Японии неоднократно происходили остановы ГеоТЭС по требованию природоохранных органов в связи с загрязнением окрестностей станций сероводородом и солевыми геотермальными водами.

Россия располагает большими потенциальными запасами геотермальной энергии в виде парогидротерм вулканических районов и энергетических термальных вод с температурой 60…200 °С в платформенных и предгорных районах. До последнего времени из за дешевизны органического топлива использование этих запасов было незначительным (Паужетская ГеоТЭС на Камчатке мощностью 11 МВт, системы геотермального теплоснабжения на Северном Кавказе и Камчатке с годовой экономией топлива около 1 млн. т.у.т.). По мере приближения цен на топливо к мировым рентабельность геотермальной энергетики повышается и появляется возможность строительства мощных ГеоТЭС.

В настоящее время применяются два основных способа использования геотермальной энергии:

 ГеоТЭС на парогидротермах.

 Двухконтурные ГеоТЭС, использующие низкотемпературное (100–200 °С) тепло термальных вод.

Электростанции первого типа строятся по одноконтурной и двухконтурным схемам. Одноконтурная ГеоТЭС работается так же, как и обычная ТЭС. Основное отличие заключается в том, что рабочее тело перед подачей на лопатки турбины проходит сложную систему очистки от агрессивных примесей.

Для кардинального решения проблем экологии, солеотложений, коррозии, эрозии разработана двухконтурная технологическая схема (рис. 25), согласно которой в комплект оборудования добавляется парогенератор. На «горячей» стороне парогенератора конденсируется геотермальный пар; на «холодной» стороне генерируется вторичный пар, полученный из питательной воды, химически очищенной традиционными методами. При этом используется обычная паровая турбина. В двухконтурной схеме за счет отсутствия газов во вторичном паре будет получен более глубокий вакуум в конденсаторе и этим будет компенсирована потеря потенциала геотермального пара парогенераторе.

На месторождениях термальных вод с небольшой температурой (100…200 °С), применяются двухконтурные ГеоТЭС на низкокипящих рабочих веществах (хладоне R-142в). Потенциальные запасы таких термальных вод сосредоточены в основном на Северном Кавказе в пластах на глубине 2,5…5 км и могут обеспечить создание геотермальных станций общей мощностью в несколько миллионов киловатт. По экономическим показателям в настоящее время такие станции приближаются к станциям на органическом топливе (стоимость электроэнергии в зависимости от глубины скважин и температуры воды может составлять 3…5 центов за кВт×ч). Уже в ближайшие годы по мере роста потребления электроэнергии и повышения стоимости топлива геотермальные станции могут составить конкуренцию традиционным электростанциям.

Наша страна – пионер в создании энергоустановок на низкокипящих рабочих телах (РТ). Первая в мире опытная ГеоТЭС мощностью 600 кВт на хладоне R-12 была построена на Паратунском месторождении термальных вод на Камчатке еще в 1967 г.

Технологическая схема двухконтурной ГеоТЭС показана на рис. 26. Применяемое оборудование обеспечивают добычу термальной воды, эффективное преобразование ее тепла в электроэнергию, закачку отработанной воды и продуктов промывки теплообменников в пласт.

Для эффективного использования низкотемпературных геотермальных вод разработана перспективная геотермальная модульная энергоустановка на бинарном водоаммиачном рабочем теле (РТ). Главное преимущество такой энергоустановки (рис. 27) состоит в возможности ее использования во всем интервале температур термальных вод: от 90 до 220 °С. ГеоТЭС на индивидуальных РТ проектируются на определенную температуру греющей воды. Ее изменение более чем на 10…20 °С приводит к значительному снижению КПД и экономических показателей. Путем изменения концентрации компонентов бинарного РТ можно обеспечить хорошие показатели энергоустановки без изменения ее конструкции во всем указанном интервале температур греющего источника.

В настоящее время в России начато строительство двух коммерческих ГеоТЭС: Мутновской на Камчатке суммарной мощностью 200 МВт и Океанской в Сахалинской обл. суммарной мощностью 30 МВт. Эти ГеоТЭС будут сооружены с применением модульных блоков мощностью 4…20 МВт полной заводской готовности, которые изготавливает Калужский турбинный завод. Для таких ГеоТЭС предпочтителен базовый режим работы, так как эксплуатационные скважины не допускают резких изменений давления и расхода.

Рассмотренные ГеоТЭС географически «привязаны» к парогидротермам, поэтому районы их применения в России ограничены. Гораздо большее распространение могут иметь ГеоТЭС на термальной воде с температурой 100…200 °С. Такие станции должны быть двухконтурными с низкокипящим рабочим телом во втором контуре.

Потенциальные запасы таких термальных вод сосредоточены в основном на Северном Кавказе в пластах на глубине 2,5…5 км и могут обеспечить создание ГеоТЭС общей мощностью в несколько миллионов киловатт. Скважины термальных вод допускают регулирование расхода, поэтому на двухконтурных ГеоТЭС возможно регулирование мощности без потерь теплоносителя.

В США разработана схема (рис. 28) для использования энергоресурсов, содержащихся в геотермальных системах аномально высокого давления. В этих геотермальных месторождениях горячая вода «заперта» в глубоко залегающих осадочных бассейнах. Температура воды составляет 200 °С, а давление достигает 500 …900 МПа. Кроме того, вода содержит большое количество растворенного метана, который является ценным энергетическим ресурсом. В ГеоТЭС, показанной на рис. 28, применяются следующие процессы преобразования энергии:

получение метана, который может использоваться в качестве энергетического топлива;

выработка электрической энергии с помощью гидроагрегата путем использования высокого давления геотермального флюида;

 утилизация теплоты для испарения низкокипящего рабочего тела, например изобутана.

Океанические электростанции

Волновые энергетические установки. Энергия Мирового океана объединяет энергию ветровых волн, океанических течений, приливов, прибоев, градиентов солёности и теплоты и.т.д. Мощности отдельных энергоресурсов мирового океана приведены в табл. 4. (см. Приложение)

Наиболее перспективными для электроэнергетики считаются следующие ресурсы:

 энергия волн;

 термоградиенты;

 энергия течений.

Первоначальным источником морских волн является солнечное излучение, служащее причиной глобальных перепадов давления в различных точках Земли, вызывающих перемещение воздушных масс.

До 1980 г. в 20 странах мира было зарегистрировано около 1000 различных предложений по использованию энергии волн. Целесообразность использования энергии волн определяется ее высокой удельной мощностью. В открытом море при высоте волны более 10 м удельная мощность может достигать 2 МВт/м. Технически можно использовать энергию волн лишь в прибрежных зонах, где удельная мощность не превышает 80 кВт/м. Удельная мощность ветрового волнения составляет:

Каспийское море ……………… 7…11 кВт/м.

Баренцево море …………………. 22…29 кВт/м.

Балтийское море ……………… 7…8 кВт/м.

Охотское море ………………. 12…20 кВт/м.

На волновых электростанциях потенциальная и кинетическая энергия волн преобразуется в электрическую. Энергия волн может или непосредственно преобразовываться в энергию вращения вала генератора, или приводить во вращение турбину, на одном валу с которой устанавливается генератор. Создание мощных волновых электростанций (ВлЭС) встречает определенные трудности, связанные с креплением их на больших расстояниях от берега, защитой от коррозии в агрессивной морской среде, обеспечением надежности работы установок в штормовых условиях.

Все известные волновые установки состоят из четырех основных частей:

 рабочего органа;

 рабочего тела;

 силового преобразователя;

 системы крепления.

Рабочий орган находится в непосредственном контакте с водой. Под действием волн он совершает определенные движения, или изменяет условия движения волн. К рабочим органам относят всевозможные системы поплавков, водяные колеса и другие подобные устройства. Рабочее тело – это среда, воздействующая на силовой преобразователь. Им может быть вода или воздух. Силовой преобразователь предназначен для преобразования энергии, запасенной рабочим органом (механической энергии движения рабочего органа, перепада уровней в бассейнах, давления воздуха или масла), в электрическую энергию. В качестве силовых преобразователей используются многочисленные цепные, зубчатые и другие передачи, гидравлические насосы и турбины, воздушные турбины, генераторы и т.д.

Система крепления удерживает волновую установку на месте. Если установка является плавучей, она гибкими связями соединяется с транспортирующим ее судном. Если же установка располагается на берегу, то системой крепления служит конструкция самой установки.

Имеется большое число различных схем использования волновой энергии, воплощенных в проекты, модели и действующие электростанции разных масштабов и типов.

Наиболее распространенными волновыми установками являются поплавковые установки. Основной рабочий орган таких установок находится на поверхности моря и совершает вертикальные колебания согласно изменяющемуся в фиксированной точке уровню моря под воздействием ветровых волн. Вертикальные перемещения поплавка с помощью различных приспособлений переводятся во вращательное движение вала генератора. Наиболее простая волновая поплавковая установка представлена на рис. 29. С использованием такого принципа действия в Швеции разработан проект ВлЭС мощностью 10 МВт. Станция будет иметь 720 подобных поплавковых преобразователей.

Из других поплавковых волновых установок, наиболее интенсивно исследуемых в различных странах, следует отметить плот Кокерелля, качающуюся «утку» Солтера, пульсирующий столб Масуды и преобразователь Рассела.

Плот Кокерелля представляет собой плавающую по поверхности воды конструкцию, состоящую из трех шарнирно связанных между собой понтонов, при волнении принимающих очертания поверхности моря. Передний понтон 1 свободно движется вверх и вниз, подчиняясь колебаниям волн. Движения второго понтона 2 более ограничены, ибо поверхность воды под ним становится более пологой после того, как большую часть энергии волны перехватит первый понтон. Третий понтон 3 в цепочке вдвое длиннее первых двух и относительно устойчивее. Таким образом, работа плота в целом основана на относительных поворотах смежных понтонов.

Каждое шарнирное крепление через два длинных шатуна и специальные рычаги соединено с поршнями гидравлических цилиндров. Движение плота заставляет поршни двигаться вперед и назад, перекачивая жидкость в изолированной замкнутой системе. Жидкость перекачивается через четыре патрубка и под низким давлением поступает из резервуара под поршень, а под высоким давлением подается с рабочей стороны поршня в трубу и далее в турбину, вал которой соединен с валом генератора. Вся конструкция плота закрепляется якорями. В случае очень длинных волн энергия на подобных ВлЭС не вырабатывается, ибо тогда все три понтона представляют собой единый поплавок и приводы в шарнирных сцеплениях неподвижны.

Страницы: 1, 2, 3