Приливный заграждение

Приливная электростанция Ранс , приливная плотина во Франции.

Приливное заграждение — это плотиноподобная конструкция, используемая для улавливания энергии масс воды, перемещающихся в залив или реку и из них под действием приливных сил.

Вместо того, чтобы запирать воду с одной стороны, как обычная плотина , приливная плотина позволяет воде течь в залив или реку во время прилива и выпускать воду во время отлива . Это делается путем измерения приливного потока и управления шлюзовыми воротами в ключевые моменты приливного цикла. На этих шлюзах установлены турбины, улавливающие энергию, поступающую и вытекающую из воды.

Приливные заграждения являются одними из старейших методов производства приливной энергии : приливные мельницы были разработаны еще в шестом веке. В 1960-е годы мощностью 1,7 МВт Кислаягубская приливная электростанция в Кислая Губе , Россия , была построена . Примерно в то же время приливная электростанция Ла Ранс , Франция, была построена в Бретани мощностью 240 МВт , открытая в ноябре 1966 года. Ла-Ранс был крупнейшим приливным заграждением в мире в течение 45 лет, пока приливная электростанция на озере Сихва не была введена в эксплуатацию в 2011 году в Южной Корее мощностью 254 МВт . Однако других примеров в мире немного.

Генерирующие методы

Художественное впечатление от приливной заграждения, включая насыпи, корабельный шлюз и кессоны со шлюзом и двумя турбинами.

Заградительный метод извлечения приливной энергии включает в себя строительство плотины через залив или реку, подверженную приливному потоку. Турбины, установленные в стене плотины, вырабатывают электроэнергию, когда вода течет в и из бассейна устья, залива или реки. Эти системы похожи на гидроплотину, которая создает статический напор или напор (высоту давления воды). Когда уровень воды за пределами бассейна или лагуны меняется относительно уровня воды внутри, турбины могут производить электроэнергию.

Основными элементами заграждения являются кессоны , насыпи, шлюзы , турбины и судовые шлюзы . Шлюзы, турбины и судовые шлюзы размещаются в кессонах (очень больших бетонных блоках). Насыпи герметизируют котловину там, где она не запечатана кессонами. Шлюзовыми воротами, применимыми к приливной энергии, являются откидные ворота, вертикальные поднимающиеся ворота, радиальные ворота и восходящий сектор.

Таких растений существует всего несколько. Первой была приливная электростанция Ранс на реке Ранс во Франции, которая работает с 1966 года и вырабатывает 240 МВт. Более крупная электростанция мощностью 254 МВт начала работу на озере Сихва , Корея, в 2011 году. К станциям поменьше относятся Королевская электростанция Аннаполис в заливе Фанди и еще одна через крошечный залив в Кислая Губа , Россия . Был рассмотрен ряд предложений по созданию заграждения через реку Северн , от Брин-Даун в Англии до Лавернок-Пойнт возле Кардиффа в Уэльсе .

Системы заграждений зависят от высоких затрат на гражданскую инфраструктуру, связанных с тем, что по сути представляет собой плотину, возводимую через устьевые системы. По мере того, как люди стали лучше осознавать экологические проблемы, они выступали против строительства заграждений из-за неблагоприятных последствий, связанных с изменением большой экосистемы, которая является средой обитания для многих разновидностей видов.

Поколение отлива

Бассейн заполняется через шлюзы до прилива. Затем шлюзовые ворота закрываются. (На этом этапе возможна «Прокачка» для дальнейшего повышения уровня). Ворота турбины остаются закрытыми до тех пор, пока уровень моря не упадет, чтобы создать достаточный напор через заграждение. Ворота открываются, чтобы турбины работали до тех пор, пока напор снова не станет низким. Затем открываются шлюзы, отключаются турбины и бассейн снова наполняется. Цикл повторяется с приливами. Генерация отлива (также известная как генерация отлива) получила свое название потому, что генерация происходит, когда прилив меняет направление прилива.

Генерация наводнений

Бассейн наполняется посредством турбин, которые во время прилива создают паводок. Обычно это гораздо менее эффективно, чем генерация отлива, поскольку объем, содержащийся в верхней половине бассейна (где происходит генерация отлива), больше, чем объем нижней половины (заполненной первой во время генерации прилива). Таким образом, доступная разница уровней – важная для вырабатываемой турбиной мощности – между стороной бассейна и морской стороной плотины уменьшается быстрее, чем при отливе. Реки, впадающие в бассейн, могут еще больше снизить энергетический потенциал, а не повысить его, как при отливах. Конечно, это не проблема модели «лагуна», без притока реки.

Накачка

Турбины могут работать в обратном направлении за счет избыточной энергии в сети, чтобы повысить уровень воды в бассейне во время прилива (для образования отлива). Большая часть этой энергии возвращается во время генерации, поскольку выходная мощность сильно зависит от головы. Если вода поднимется на 2 фута (61 см) в результате откачки во время прилива на 10 футов (3 м), во время отлива она поднимется на 12 футов (3,7 м).

Двухбассейновые схемы

Другой формой конфигурации энергетического заграждения является конфигурация двойного бассейна. Имеются два бассейна: один наполняется во время прилива, а другой опорожняется во время отлива. Между бассейнами размещены турбины. Схемы с двумя бассейнами имеют преимущества перед обычными схемами, поскольку время генерации можно регулировать с высокой гибкостью, а также можно производить практически непрерывно. Однако в обычных ситуациях в устье строительство двухбассейновых схем очень дорого из-за стоимости дополнительной длины плотины. Однако есть некоторые благоприятные географические регионы, которые хорошо подходят для реализации такой схемы.

Сила приливной лагуны

Приливные бассейны представляют собой независимые ограждения, построенные на высоком уровне приливно-отливного устья, которые улавливают паводковую воду и выпускают ее для выработки электроэнергии, один бассейн, около 3,3 Вт/м ² . Две лагуны, работающие с разными интервалами времени, могут гарантировать непрерывную выходную мощность около 4,5 Вт/м. ² .Улучшенное насосное хранилище приливная серия лагун поднимает уровень воды выше, чем во время прилива, и использует периодические возобновляемые источники энергии для откачки, около 7,5 Вт/м. ² . т.е. 10 × 10 км ² обеспечивает постоянную мощность 750 МВт круглосуточно и без выходных.Эти независимые плотины не блокируют течение реки.

Воздействие на окружающую среду

Размещение плотины в устье реки оказывает значительное влияние на воду внутри бассейна и на экосистему. Многие правительства в последнее время неохотно дают разрешение на строительство приливных заграждений. В ходе исследований, проведенных на приливных станциях, было обнаружено, что приливные плотины, построенные в устьях эстуариев, представляют такую ​​же экологическую угрозу, как и большие плотины. Строительство крупных приливных электростанций изменяет поток соленой воды в и из эстуариев, что меняет гидрологию и соленость и может нанести вред морским млекопитающим, которые используют эстуарии в качестве своей среды обитания. Завод Ла-Ранс, расположенный у побережья Бретани на севере Франции, был первым и крупнейшим в мире сооружением приливно-отливных заграждений. Это также единственный объект, где была проведена полномасштабная оценка экологического воздействия приливной энергосистемы, работающей в течение 20 лет.

Однако французские исследователи обнаружили, что изоляция устья на этапе строительства приливной дамбы нанесла ущерб флоре и фауне; через десять лет произошла «переменная степень биологической адаптации к новым условиям окружающей среды».

Некоторые виды потеряли свою среду обитания из-за строительства Ла Ранса, но другие виды колонизировали заброшенное пространство, что привело к изменению разнообразия. Также в результате строительства исчезли песчаные отмели, сильно пострадал пляж Сен-Серван, а возле шлюзов, представляющих собой водные каналы, контролируемые воротами, возникли высокоскоростные течения.

Мутность

Мутность (количество взвешенных веществ в воде) уменьшается в результате меньшего объема обмена воды между бассейном и морем. Это позволяет солнечному свету глубже проникать в воду, улучшая условия для фитопланктона . Изменения распространяются вверх по пищевой цепи , вызывая общие изменения в экосистеме .

Приливные ограждения и турбины

Приливные заграждения и турбины, если они построены правильно, представляют меньшую угрозу для окружающей среды, чем приливные заграждения. Приливные заграждения и турбины, подобно генераторам приливных течений , полностью полагаются на кинетическое движение приливных течений и не используют плотины или плотины для блокировки каналов или устьев эстуариев . В отличие от плотин, приливные заграждения не прерывают миграцию рыбы и не изменяют гидрологию , поэтому эти варианты обеспечивают возможность выработки энергии без серьезного воздействия на окружающую среду. Приливные ограждения и турбины могут оказывать различное воздействие на окружающую среду в зависимости от того, построены ли ограждения и турбины с учетом окружающей среды. Основное воздействие турбин на окружающую среду – это их воздействие на рыбу. Если турбины движутся достаточно медленно, например, на низких скоростях 25–50 об/мин, гибель рыбы сводится к минимуму, а ил и другие питательные вещества могут проходить через конструкции. Например, прототип приливной турбины мощностью 20 кВт, построенный на фарватере Святого Лаврентия в 1983 году, не сообщил об отсутствии гибели рыбы. Приливные заграждения блокируют каналы, что затрудняет миграцию через них рыб и диких животных. Чтобы уменьшить гибель рыбы, можно спроектировать ограждения таким образом, чтобы пространство между стенкой кессона и фольгой ротора было достаточно большим, чтобы рыба могла пройти через него. Более крупных морских млекопитающих, таких как тюлени или дельфины, можно защитить от турбин с помощью ограждений или системы автоматического торможения гидролокационного датчика, которая автоматически отключает турбины при обнаружении морских млекопитающих.

Соленость

В результате меньшего водообмена с морем средняя соленость внутри бассейна снижается, что также влияет на экосистему. «Приливные лагуны» не страдают от этой проблемы.

Движение отложений

Через эстуарии часто перемещаются большие объемы наносов из рек в море. Установка плотины в устье может привести к накоплению наносов внутри плотины, что повлияет на экосистему, а также на работу плотины.

Рыба

Рыба может безопасно проходить через шлюзы, но когда они закрыты, рыба будет искать турбины и пытаться проплыть через них. Кроме того, некоторые рыбы не смогут избежать скорости воды возле турбины и будут засосаны. Даже при самой благоприятной для рыбы конструкции турбины смертность рыбы за один проход составляет примерно 15 %. (от перепада давления, контакта с лопатками, кавитации и т. д.). Альтернативные технологии прохода ( рыбные лестницы , рыбные подъемники, рыбные эскалаторы и т. д.) до сих пор не смогли решить эту проблему для приливных заграждений, либо предлагая чрезвычайно дорогие решения, либо такие, которые используются только небольшой частью рыбы. Исследования в области звукового наведения рыб продолжаются. Турбина с открытым центром решает эту проблему, позволяя рыбе проходить через открытый центр турбины.

Недавно во Франции была разработана турбина реечного типа. Это очень большая медленно вращающаяся турбина типа Каплана, установленная под углом. Проверка смертности рыб показала, что смертность рыб составляет менее 5%. Эта концепция также кажется очень подходящей для адаптации к морским турбинам течений/приливов.

Энергетические расчеты

Энергия, получаемая от заграждения, зависит от объема воды. Потенциальная энергия, заключенная в объеме воды, равна:

$E\,=\,{\tfrac {1}{2}}\,A\,\rho \,g\,h^{2}$

где:

• h — вертикальный диапазон приливов ,
• А – горизонтальная площадь бассейна заграждения,
• ρ — плотность воды = 1025 кг на кубический метр (морская вода колеблется от 1021 до 1030 кг на кубический метр) и
• g — ускорение силы тяжести Земли = 9,81 метра в секунду в квадрате.

Половинный коэффициент обусловлен тем, что по мере того, как бассейн течет через турбины, гидравлический напор над плотиной уменьшается. Максимальный напор возможен только в момент маловодия, при условии, что в бассейне все еще сохраняется высокий уровень воды.

Пример расчета приливной генерации

Предположения:

• Приливная дальность прилива в конкретном месте составляет 32 фута = 10 м (приблизительно).
• Площадь завода по использованию приливной энергии составляет 9 км. ² (3 км × 3 км) = 3000 м × 3000 м = 9 × 10 ⁶ м ²
• Плотность морской воды = 1025,18 кг/м. ³

Масса морской воды = объём морской воды × плотность морской воды.

= (площадь × диапазон приливов) воды × массовая плотность

= (9 × 10 ⁶ м ² × 10 м) × 1025,18 кг/м ³

= 92 × 10 ⁹ кг (приблизительно)

Потенциальное энергосодержание воды в бассейне во время прилива = ½ × площадь × плотность × гравитационное ускорение × квадрат диапазона приливов.

= ½ × 9 × 10 ⁶ м ² × 1025 кг/м ³ × 9,81 м/с ² × (10 м) ²

=4.5 × 10 ¹² Дж (приблизительно)

Теперь у нас каждый день бывает 2 прилива и 2 отлива. Во время отлива потенциальная энергия равна нулю.
Следовательно, общий энергетический потенциал за день = Энергия за один прилив × 2.

= 4.5 × 10 ¹² Дж × 2

= 9 × 10 ¹² Дж

Следовательно, средний потенциал выработки электроэнергии = потенциал выработки энергии / время в 1 день.

= 9 × 10 ¹² Дж/86400 с

= 104 МВт

Предполагая, что эффективность преобразования энергии составляет 30%:Среднесуточная вырабатываемая мощность = 104 МВт * 30%

= 31 МВт (приблизительно)

Поскольку доступная мощность варьируется в зависимости от квадрата диапазона приливов, заграждение лучше всего размещать в месте с очень высокими приливами. Подходящие места находятся в России, США, Канаде, Австралии, Корее и Великобритании. Амплитуда до 17 м (56 футов) встречается, например, в заливе Фанди , где приливный резонанс усиливает диапазон приливов.

Экономика

Схемы приливных заграждений имеют высокие капитальные затраты и очень низкие эксплуатационные расходы. В результате схема приливной энергетики может не приносить прибыли в течение многих лет, а инвесторы могут не захотеть участвовать в таких проектах.

Сообщается, что на то, чтобы окупить затраты в 100 миллионов долларов на строительство приливной электростанции Ранс, потребовалось около 20 лет. По состоянию на 2024 год , он работает уже 60 лет, при этом стоимость приливной энергии ниже, чем у атомной или солнечной, поэтому затраты на его строительство с лихвой окупились.

Правительства, возможно, смогут профинансировать создание приливных заграждений, но многие не желают этого делать, в том числе из-за задержки до возврата инвестиций и высоких необратимых обязательств. Например, энергетическая политика Соединенного Королевства признает роль приливной энергии и выражает необходимость того, чтобы местные советы понимали более широкие национальные цели возобновляемой энергии при утверждении приливных проектов. Само правительство Великобритании высоко оценивает техническую жизнеспособность и доступные варианты размещения, но не смогло обеспечить значимые стимулы для продвижения этих целей.

См. также

• Список приливных заграждений
• Список приливных электростанций
• Морская энергетика
• Tethys , база данных о потенциальных экологических последствиях развития морской, гидрокинетической и морской ветроэнергетики.

Внешние ссылки

• ФИЛЬМ Конец наводнениям: раскрыта новая технология, защищающая верховья Северна, самофинансирование и защиту экологии.