Міністерство освіти і науки України
РЕФЕРАТ
на тему:
«Припливні електростанції»
Підготувала
учениця 11-Б класу
Миц Галина
Перевірив вчитель фізики
Бучинський В.Н.
Тернопіль 2010
Вступ
Розвиток технічної цивілізації на Землі в XX столітті характеризується стрімким збільшенням енергоспоживання. За оцінками, в 1945-1995 pp. населення планети використало 2/3 всього палива, добутого людством за час свого існування. Такі бурхливі темпи розвитку енергетики спричинили появу низки гострих проблем. На перший план виходить проблема ресурсозабезпеченості енергетичного господарства. 3 одного боку, сумарні запаси паливних ресурсів досить великі, до того ж щороку стають відомими нові поклади викопного палива. Крім того, сучасна технологія відкриває доступ до використання нетрадиційних джерел енергії, це свідчить на користь того, що абсолютного дефіциту енергетичних ресурсів на планеті поки що не існує. З іншого боку, спостерігається відносна ресурсна обмеженість, зумовлена можливістю швидкого вичерпання найбільш доступних родовищ, перехід до розробки складніших, що спричинює подорожчання енергоносіїв і робить використання більшої частини паливних ресурсів нерентабельними.
Але особливо загострилися проблеми, пов'язані з негативним впливом енергетики на стан навколишнього середовища. Масове використання енергії завдає збитків природі і здоров'ю людини через викиди, що містять важкі метали, двоокис сірки, окис азоту та інші шкідливі речовини. Рослини та океан уже не встигають поглинути всю кількість вуглекислоти, яка утворюється внаслідок спалювання органічного палива. Це веде до поступового збільшення її концентрації в атмосфері, що посилює "парниковий ефект" і викликає потепління клімату. Якщо тенденція зростання споживання енергії та викидів двоокису вуглецю збережеться, то вже до 2025 року на Землі потеплішає на 2 градуси Цельсія, що призведе до глобальних катастрофічних наслідків: зміщення кліматичних зон, зникнення багатьох видів рослин, скорочення лісових площ, збільшення пустель, розтавання льодовиків тощо. Все це створить небезпеку голоду, хвороб, масових міграцій населення із зон екологічного лиха.
Ось заходи, що дозволили б переламати негативні тенденції у сфері енергетики:
підвищення ефективності використання енергії (за нинішнього рівня техніки можна зменшити сумарне споживання енергії на 35-45%);
зменшення шкідливих викидів в атмосферу завдяки новим технологіям очищення відпрацьованих газів;
зміна структури паливно-енергетичного балансу через розвиток альтернативної енергетики;
вжиття заходів для сповільнення темпів росту населення.
Використання нових видів енергії
Енергія океану
Для перетворення і використання енергії океану існують припливні електростанції (ПЕС), хвильові електростанції (ХвЕС) і електростанції морських течій (ЕСМТ). В усіх цих типах енергоустановок проходить перетворення механічної енергії океану на електричну. Окремим напрямом є енергоустановки, використовуючи наявність температурного перепаду між верхнім і нижнім шарами Світового океану. Їх називають гідротермальними електростанціями (ГітЕС). Можливі і гідротермальні енергоустановки, в яких використовується температурний перепад між водою океану і повітряними масами у північних районах.
Припливні електростанції є новим напрямом енерговиробництва. Потенційна енергія припливів має значні ресурси. Передбачається, що тільки частина енергії припливів, яка розсіюється на тертя і вихровий рух мас води, складає біля 1 млрд. кВт., що відповідає енергетичному потенціалу майже всіх рік світу. Припливна електростанція (ПЕС) використовує обидві фази цього унікального явища - приплив і відплив. Черговість припливів і відпливів передбачає перемінні напрямки обертання гідротурбіни ПЕС. В процесі в кожної з двох фаз цього руху змінюється напір води перед гідротурбіною. Отже, компенсувати зниження напору можна збільшенням витрат води. Це збільшує вартість будівництва через необхідність збільшення запасів води під час припливу і вартість земляних робіт при утворенні акумулюючих ємностей ПЕС.
Океанські течії
Тільки течії Гольфстрім і Куросіо несуть відповідно 83 млн. метрів кубічних і 55 млн. метрів кубічних води за секунду. Однак для реалізації енергії океанських течій потрібні турбіни діаметром у 170 метрів і довжиною ротора 80 метрів, виготовлені з алюмінієвого сплаву з припустимим строком служби не менше 30 років. Турбіну припускають встановити в районах течій на якорі і піднімати на поверхню з глибини робочого стану тільки для профілактичних оглядів. За оцінками спеціалістів, собівартість вироблюваної електроенергії на такій електростанції може бути в 1,8 раз нижче, ніж на ТЕС.
Раціональне використання енергії
Швидкі темпи розвитку переробних, обробних та інших галузей народного господарства зумовлюють значні потреби у всіх видах енергії. Показником енергоємності того чи іншого технологічного процесу є витрата енергії на одиницю отриманої продукції. Чим менше енергії витрачається на виробництво одиниці продукції, тим нижча собівартість продукції, і навпаки, у процесі виробництва металів, фосфору, хлору - це одна з головних статей витрат. Зменшити енергоємність продукції можна різними шляхами - утилізацією вторинних енергоресурсів, удосконаленням технологічного обладнання, заміною енергоємних технологічних процесів процесами незначної енергоємності, кращою підготовкою сировини до переробки. Утилізація - це доцільне застосування відходів у господарстві. Через недосконалість технологічного обладнання велика кількість енергетичних ресурсів втрачається
або використовується нераціонально. У кожному технологічному процесі існують різні шляхи вдосконалення технологічного обладнання та раціонального використання вторинних енергоресурсів.
Енергія морів та океанів
Моря та океани займають 71% поверхні Землі і мають енергію таких видів:
енергія хвиль та припливів:
енергія хімічних зв'язків газів, солей, мінералів тощо;
прихована енергія течій у різних частинах морів та океанів;
невичерпна енергія, яку можна виробляти, використовуючи різницю температур води на поверхні та в глибині також перетворюючи її на традиційні види.
Такі величезні запаси енергії та різноманітність її форм - гарантія того, що в майбутньому людство не буде відчувати її браку.
Найбільш поширеним способом використання енергії морів та океанів є спорудження припливних електростанцій (ПЕС). З 1967 р. у гирлі річки Ране у Франції працює ПЕС потужністю 240 МВт. На черзі спорудження ПЕС у затоці Фанді в Канаді з рекордним 18-метровим припливом, у гирлі річки Северен в Англії із 14,5-метровим припливом та в інших регіонах із великими припливами води. Великі надії покладають на використання енергії морських хвиль. Бакени та маяки, які використовують цю енергію, вже покрили прибережні води Японії.
Цікавим напрямком океанської енергетики виявилося вирощування із плотів в океані гігантських водоростей - келпів, які швидко ростуть і легко перероблюються на метан. За зарубіжними оцінками, для повного забезпечення енергією кожної людини-споживача достатньо 1 га плантацій келпів.
Перетворення енергії припливу на механічну енергію використовувалося ще на початку XI століття в припливних млинах, які будували в гирлах річок, що впадали в океан. Для цього перегороджували дамбами річки і створювали резервуари, в яких встановлювалися засувні ворота чи шлюзи.
Коли починався приплив, шлюзи відчинялися всередину, й вода заповнювала резервуар. Знижуючи свій рівень при відпливі, вода сама зачиняла шлюзи. Якщо було необхідно, вода подавалася крізь вузькі ворота зливу на лопаті водяних коліс.
У перших припливних млинах використовувалась тільки потенційна енергія води, зібраної в резервуар. Пізніше, коли були винайдені ефективні насоси, з'явилася можливість використання й другого виду енергії припливів - кінетичної, тобто енергії води, яка рухається.
Припливні електростанції мають великий водозбірний басейн чи резервуар, з'єднаний з морем руслом річки чи спеціальним каналом, в якому встановлюють реверсивні турбіни, що примушують обертатися електрогенератор. Така електростанція перетворює енергію припливів послідовно на механічну, а потім на електричну як під час припливу, так і під час відпливу.
Перша у світі та найбільша на сьогодні ПЕС міститься у Франції на березі Ла-Маншу в гирлі річки Ране. Приплив у цьому місці переміщує 189 тис. м3 води за секунду. Різниця рівнів становить 13 м, а швидкість течії між містами Брестом і Сен-Мало часто досягає 90 км/год. У середині дамби дуже великого накопичувального резервуара містяться 24 турбогенератори зі зворотними лопатками ротора турбіни. Кожен з них може функціонувати і як турбіна, і як насос, який працює і в бік моря, і в зворотному напрямку. В дамбу вмонтовані навігаційні замки і спускні шлюзи.
До недоліків ПЕС слід віднести труднощі, пов'язані із захистом дамб та устаткування від ударів льодяних торсів, особливо у північних районах. Поблизу дамб морська флора й фауна дуже потерпає внаслідок, хоча й незначного, підвищення температури та зменшення вмісту кисню у воді. Крім того, дамби перешкоджають міграції риб. Основною позитивною рисою енергії припливів є те, що вона легко обліковується завдяки постійності її фаз. Однак велика тривалість останніх і малий потенціал енергії припливів зумовлюють необхідність створення ємних акумуляторів цієї енергії. Використання енергії припливів у мало потужних установках взагалі неекономічне. Краще використовувати енергію морських і океанських хвиль. Відомим є випадок, коли хвилі викинули камінь масою 69,5кг на покрівлю маяка висотою 40 м над рівнем моря (штат Орегон, США). У Франції (г. Шербур) хвилі перекинутій валун масою 2700 кг через дамбу висотою 6м. Максимальна висота хвиль, зареєстрована в Тихому океані, досягала 35 м. За оцінками спеціалістів, енергія морських і океанських хвиль становить приблизно 30% всієї використовуваної у світі енергії.
Припливні електричні станції (ПЕС)
Енергія морських припливів, яку інколи називають “місячна енергія, відома людству з давен, і ще тоді її використовували для приведення в рух різних механізмів, в основному млинів, а також для зрошування (в Німеччині), для постачання води за допомогою водопідйомних машин (в Англії) і ін.
ПЕС може також працювати з річковою ГЕС, що має водосховище. Під час сумісної роботи з ГЕС ця електростанція збільшує потужність при спаді потужності ПЕС і її зупинці. Коли ПЕС працює з великою потужністю, ГЕС накопичує воду у водосховище. Таким чином можна зменшити як добову, так і сезонну нерівномірність роботи ПЕС.
Враховуючи те, що ПЕС працюють в умовах швидкої зміни напору, їх турбіни повинні мати великий ККД при змінних напорах. На даний час створена достатньо досконала і компактна горизонтальна турбіна подвійної дії. Електричний генератор і частина деталей турбіни заключені у водонепроникній капсулі, що занурена у воду.
У 70-х роках минулого століття перетворювачі хвильової енергії морських хвиль в електричну почали використовувати для освітлення навігаційних буїв. Встановлений на буї турбогенератор служив для підзарядки акумуляторів, від яких енергія надходила до освітлювального приладу.
На даний час хвильова електростанція, яка здатна перетворювати не тільки потенційну енергію, а й кінетичну, потужністю 2 ГВт, проектується у Великобританії для Гебридських островів. Вона простягнеться вздовж берега на десятки кілометрів і буде складатися з окремих модулів потужністю по 5 МВт. Корпус модуля висотою 84 м, шириною 15 м і довжиною 84 м виконується з залізобетону. Будівництво електростанції має також мету – захист узбережжя від руйнування.
В нашій країні роботи зі створення хвильових електростанцій відновилися теж у 70-х роках у Київському політехнічному університеті. На Чорному морі проводились випробування установки, в якій електроенергія виробляється при переміщенні (або гойданні) постійного магніту відносно електричної обмотки. Корисна потужність установки при двобальних хвилях складала біля 4 кВт.
Під впливом тяжіння Місяця і Сонця відбуваються періодичні підняття і опускання поверхні морів і океанів – приливи і відливи. Частинки води здійснюють при цьому і вертикальні і горизонтальні рухи. Найбільші приливи спостерігаються в дні сизигий (молодих і повних місяців), найменші (квадратура) співпадають з першою і останньою чвертями Місяця. Між сизигиями і квадратурою амплітуди приливів можуть змінюватися в 2,7 раз.
Унаслідок зміни відстані між Землею і Місяцем, припливоутворююча сила Місяця протягом місяця може змінюватися на 40%, зміна припливоутворюючої силскладає лише 10%. Місячні приливи в 2,17 раз перевищують сонячні.
Основний період приливів півдобовий. Приливи з такою періодичністю переважають в Світовому океані. Спостерігаються також приливи добові і змішані. Характеристики змішаних приливів змінюються протягом місяця залежно від відміни Місяця.
У відкритому морі підйом водної поверхні під час приливу не перевищує 1 м. Значно більшої величини приливи досягають в гирлах річок, протоках і в затоках, що поступово звужуються, із звивистою береговою лінією. Найбільшої величини приливи досягають в затоці Фанді (Атлантичне побережжя Канади). У порту Монктон в цій затоці рівень води під час приливу піднімається на 19,6 м. У Англії, в гирлі річки Северн, що впадає в затоку Брістольський, найбільша висота приливу складає 16,3 м. На Атлантичному побережжі Франції, у Гранвіля, прилив досягає висоти 14,7 м, а в районі Сен-мало до 14 м. У внутрішніх морях приливи незначні. Так, у Фінській затоці, поблизу Ленінграда, величина приливу не перевищує 4...5 см, в Чорному морі, у Трапезунда, доходить до 8 см.
Коли час проходження приливної хвилі по затоці співпадає з періодом коливань припливоутворюючої сили, виникає явище резонансу, і амплітуда коливань водної поверхні сильно зростає.
У гирлах річок приливні хвилі розповсюджуються вгору за течією, зменшують швидкість течії і можуть змінити його напрям на протилежний. На Північній Двіне дія приливу позначається на відстані до 200 км. від гирла вгору по річці, на Амазонці – на відстані до 1 400 км. На деяких річках (Северн і Трент в Англії, Сіно і Орне у Франції, Амазонка в Бразилії) приливна течія створює круту хвилю заввишки 2-5 м, яка розповсюджується вгору по річці із швидкістю 7 м/сек. За першою хвилею може слідувати декілька хвиль менших розмірів. У міру просування вверх хвилі поступово слабшають, при зустрічі з мілинами і перешкодами вони Сонця за рік з шумом дробляться і піняться. Явище це в Англії називається бор, у Франції маскаре, в Бразилії поророка.
В більшості випадків хвилі бору заходять вгору по річці на 70-80 км., на Амазонці ж до 300 км. Спостерігається бор зазвичай під час найбільш високих приливів.
У наш час приливна енергія в основному перетворюється на електричну енергію на приливних електростанціях і вливається потім в загальний потік енергії, що виробляється електростанціями всіх типів. На відміну від гідроенергії річок, середня величина приливної енергії мало міняється від сезону до сезону, що дозволяє приливним електростанціям більш рівномірно забезпечувати енергією промислові підприємства.
У приливних електростанціях використовується перепад рівнів води, що утворюється під час приливу і відливу. Для цього відокремлюють прибережний басейн невисокою дамбою, яка затримує приливну воду при відливі. Потім воду випускають, і вона обертає гідротурбіни
Поки енергія приливних електростанцій обходиться дорожчим за енергію теплових електростанцій, але при раціональнішому здійсненні будівництва гідроспоруд цих станцій вартість енергії, що виробляється ними, цілком можна понизити до вартості енергії річкових електростанцій. Оскільки запаси приливної енергії планети значно перевершують повну величину гідроенергії річок, можна вважати, що приливна енергія гратиме помітну роль в подальшому прогресі людського суспільства.
Світову спільноту припускає лідируючі використання в ХХI столітті екологічно чистій і поновлюваній енергії морських приливів. Її запаси можуть забезпечити до 15 % сучасного енергоспоживання.
33-річний досвід експлуатації перших в світі ПЕС - Ранс у Франції і Кислогубськой в Росії - довели, що приливні електростанції:
стійко працюють в енергосистемах як в базі так і в пік графіка навантажень при гарантованому постійному місячному виробленні електроенергії
не забруднюють атмосферу шкідливими викидами на відміну від теплових станцій
не затоплюють земель на відміну від гідроелектростанцій
не представляють потенційної небезпеки на відміну від атомних станцій
капітальні вкладення на споруди ПЕС не перевищують витрат на ГЕС
вартість електроенергії найдешевша в енергосистемі (доведено за 35 років на ПЕС Ранс - Франція).
Екологічна характеристика приливних електростанцій
Екологічна безпека:
дамби ПЕС біологічно проникні
пропуск риби через ПЕС відбувається практично безперешкодноосновна кормова база рибного стада – планктон( на ПЕС гине 5-10 % планктону, а на ГЕС - 83-99 %)
зниження солоності води в басейні ПЕС, що визначає екологічний стан морської фауни і льоду складає 0,05-0,07 %, тобто практично невідчутно
льодовий режим в басейні ПЕС лагідніє
не спостерігається нажимного дії льоду на споруду
розмив дна і рух наносів повністю стабілізуються протягом перших двох років експлуатації
наплавний спосіб будівництва дає можливість не зводити в створах ПЕС тимчасові крупні бази буд, споруджувати перемички і інше, що сприяє збереженню навколишнього середовища в районі ПЕС
виключений викид шкідливих газів, радіоактивних і теплових відходів, транспортування, переробка, спалювання і поховання палива, запобігання спалюванню кисню повітря, затоплення територій, загроза хвилі прориву
ПЕС не загрожує людині, а зміни в районі її експлуатації мають лише локальний характер, причому, в основному, в позитивному напрямі.
Соціальне значення приливних електростанцій
Приливні електростанції не надають шкідливої дії на людину:
немає шкідливих викидів (на відміну від ТЕС)
немає затоплення земель і небезпеки хвилі прориву в нижній б'єф (на відміну від ГЕС)
немає радіаційної небезпеки (на відміну від АЕС)
вплив на ПЕС катастрофічних природних і соціальних явищ (землетруси, повені, військові дії) не загрожують населенню в тих, що примикають до ПЕС районах.
Сприятливі чинники в басейнах ПЕС:
пом'якшення (вирівнювання) кліматичних умов на тих, що примикають до басейну ПЕС територіях
захист берегів від штормових явищ
поліпшення транспортної системи району
виняткові можливості розширення туризму.
Висновки
Припливні електростанції є новим напрямом енерговиробництва. Потенційна енергія припливів має значні ресурси.
Найбільш суттєвий недолік ПЕС – нерівномірність їх роботи протягом місячної доби і місяця, що відрізняються від сонячних. Це не дозволяє систематично використовувати енергію у періоди максимального споживання її в системі. Компенсація нерівномірності роботи ПЕС можлива шляхом сумісної роботи її з ГАЕС. В той час, коли надлишкова потужність виробляється ПЕС, ГАЕС працює у насосному режимі, споживаючи цю потужність і перекачуючи воду у верхній басейн. Під час спадів у роботі ПЕС, ГАЕС працює у генераторному режимі і віддає електроенергію у систему. Технічно такий проект дуже добрий, але вартість його велика за рахунок великої вартості потужних електричних машин, що необхідно встановлювати.
Отже, велика вартість припливних станцій і труднощі, що пов'язані з нерівномірністю їх роботи (пульсуючий характер видачі потужності), не дозволяють поки що вважати припливні станції достатньо ефективними, в зв'язку з чим їх розвиток іде повільно.
Список використаної літератури:
Усачев И.Н. Приливные электростанции. - М.:Энергия, 2002.
Усачев И.Н. Экономическая оценка приливных электростанций с учетом экологического эффекта.
Труды XXI Конгресса СИГБ. - Монреаль, Канада, 16-20 июня 2003.
Велихов Е.П., Галустов К.З., Усачев И.Н., Кучеров Ю.Н., Бритвин С.О., Кузнецов И.В., Семенов И.В.,
Кондрашов Ю.В. Способ возведения крупноблочного сооружения в прибрежной зоне водоема и плавкомплекс для осуществления способа.
Усачев И.Н., Прудовский А.М., Историк Б.Л., Шполянский Ю.Б. Применение ортогональной турбины на приливных электростанциях. Гидрот ехническое строительство. – 1998. – № 12.
|