Турбина гэс что это

Ликбез № 18: Такие разные турбины

Гидравлическая турбина – основной элемент любой ГЭС, преобразующий механическую энергию воды в энергию электрическую. Несмотря на то, что турбин великое множество, и на любой станции они уникальны, по принципу действия они делятся всего на два типа. «Кислород.ЛАЙФ» разъясняет, на какие.

В конце прошлой недели в рамках комплексной программы модернизации гидростанций «ЕвроСибЭнерго» «Новая энергия» на второй по мощности в России Красноярской ГЭС был введен в эксплуатацию первый модернизированный гидроагрегат с новым рабочим колесом. Два таких колеса весом по 244 тонны каждое в конце прошлого года доставили на станцию по северному морскому пути из Санкт-Петербурга. Это самые крупные рабочие колеса в российской гидроэнергетике.

Для ГЭС это историческое событие – с момента пуска станции, а это полстолетия, здесь еще ни разу не меняли рабочие колеса. В 1960-е, когда Ленинградский металлический завод (ныне входит в концерн «Силовые машины») делал первые турбины для дивногорской стройки, они уже были уникальны – и по размеру, и по весу, и по напорам, на которых им предстояло работать. Новые колеса – уникальны вдвойне, поскольку сделаны и с учетом накопленного исторического опыта эксплуатации, и с применением самых современных технологий. Эффективность работы ГЭС повысится: новые рабочие колеса позволят вырабатывать больше энергии, пропуская через турбину тот же объем воды.

Неизменным остался только тип турбины – она по-прежнему радиально-осевая. Но что это значит? Для ответа на вопрос нужно углубиться в теорию и начать, как говориться, с азов.

Электромеханическое оборудований любой ГЭС состоит из турбин, генераторов и трансформаторов. Именно сочетание гидротурбины с гидрогенератором и называют гидроагрегатом (хотя в СМИ иногда так нарекают и одну турбину, и колесо, что неправильно). Главный элемент во всей этой на самом деле не особо сложной конструкции – рабочее колесо гидротурбины, которое и преобразует механическую энергию воды в энергию вращающегося вала. Вал, в свою очередь, вращает гидрогенератор. А уже с него – через трансформаторы и распределительные устройства – электричество поступает в сеть. И по линиям электропередач доходит, в том числе, вплоть до конкретного жилого дома или предприятия.

Каждый из этих типов подходит под определенные сочетания расходов воды и напоров, уникальных для каждого гидроузла. При выборе турбин для той или иной ГЭС также учитывают необходимость обеспечения высоких КПД в заданном диапазоне напоров и нагрузок, кавитационные показатели и ряд других факторов. Впрочем, диапазоны бывают схожие, поэтому на одних и тех же напорах могут работать турбины разных типов. Например, на низконапорных ГЭС обычно ставят поворотно-лопастные турбины, но на Волховской ГЭС, первенце Плана ГОЭЛРО, уже больше 90 лет работают радиально-осевые. Так уже там сложилось исторически, но менять этот расклад не стали даже в ходе модернизации.

Теперь посложнее. Активные турбины используют только кинетическую энергию потока воды, причем сами в воде не находятся. Давление на входе в рабочее колесо и на выходе из него одинаковое, и равно атмосферному. Прообразы таких турбин появились еще в средние века; для создания напора в них используют сопла, с помощью которых и регулируют мощность. Активные турбины еще называют струйными, и этим прилагательным легко объяснить суть их работы – под сильным напором струя воды ударяет в лопатки колеса, тем самым заставляя его вращаться.

Такие турбины делятся на ковшовые, наклонно-струйные, кольце-струйные и двойного действия. Самые распространенные, однако, ковшовые, подходящие в основном под напоры более 200 метров (чаще всего 300-500 метров и более) и расходы до 100 кубометров в секунду. Мощность наиболее крупных ковшовых турбин может достигать 200-250 МВт и выше. Как правило, ГЭС с такими турбинами строят по деривационной схеме, так как получить столь значительные напоры при помощи плотины практически невозможно.

Первую реактивную турбину изобрел в 1827 французский инженер Бенуа Фурнерон. Но с тех пор технологии ушли далеко вперед, хотя конструктивно ничего особо не изменилось – это всегда колесо с искривленными лопатками, насаженное на вал. Принципиальные отличия реактивных турбин от активных: они работают только в воде, поэтому давление перед рабочим колесом всегда больше атмосферного (а вот на выходе может быть как больше, так и меньше), а напор создается с помощью направляющего аппарата (а не сопла). Это неподвижное колесо с лопатками, которые либо открываются, либо закрываются. И в первом случае поток воды давит с регулируемой силой на лопатки и вращает рабочее колесо самой турбины. А во втором – позволяет полностью перекрыть воду, что нужно, например, для проведения ремонтов или замен. Перед направляющим аппаратом ставят спиральную камеру (их еще называют «улитками»), а на выходе – отсасывающую трубу, отводящую воду в нижний бьеф. В конструкциях активных турбин таких элементов проточной части не бывает.

Реактивные турбины в XX веке получили очень широкое распространение в гидростроительстве, поскольку оказались удобны там, где напор воды невелик, но есть возможность создавать перепады. По направлению потока в рабочем колесе реактивные турбины делят на осевые и радиально-осевые. По расположению вала – на вертикальные, горизонтальные и наклонные.

Наиболее распространены осевые турбины, которые бывают горизонтальные капсульные (при напорах в основном до 25 метров), поворотно-лопастные вертикальные (их еще называют турбинами Каплана) и пропеллерные (оба типа используются при напорах до 60 метров). Горизонтальные обычно ставят на малых ГЭС, за исключением капсульных, используемых и при напорах до 25 метров. Впервые в СССР такие гидроагрегаты заработали на Киевской ГЭС. В России же их можно найти на Саратовской ГЭС «РусГидро».

Поворотно-лопастные турбины незаменимы там, где колебания напора ГЭС значительны и подвержены частым и быстрым скачкам. Там же, где таких проблем не возникает, ставят пропеллерные гидротурбины, у которых лопасти вращаться не могут, а закрепляются намертво. Это дает возможность увеличить расход через турбину и повысить ее мощность.

А вот на Зейской ГЭС установлены уникальные для России диагональные поворотно-лопастные турбины с диаметром рабочего колеса в 6 метров – при напорах 74,5-97,3 метров они могут выдавать мощность в 220 МВт каждое. Лопасти на них установлены с наклоном к оси вращения, но их можно поворачивать. Однако обычно на высокие напоры – от 40 до 700 метров – ставят более надежные радиально-осевые гидротурбины. Их так называют потому, что поток воды входит в рабочее колесо в радиальном направлении, а выходит из него в осевом. Такие турбины работают на самых мощных ГЭС России – Красноярской, Саяно-Шушенской, Братской, Усть-Илимской, Богучанской.

Конструктивно такая турбина состоит из лопастей, обрамленных жестким ободом. Со стороны такая махина напоминает летающую тарелку. В мире самые крупные радиально-осевые турбины стоят на ГЭС Гранд-Кули-3 (США, мощность 820 МВт, напор 87 метров, диаметр 9,7 метров), Итайпу (Бразилия – Парагвай, мощность 800 МВт, напор 118,4 метров) и «Три ущелья» (Китай, мощность 700 МВт, напор 71-113 метров, диаметр 10 метров). На крупнейшей в России Саяно-Шушенской ГЭС работает 10 гидроагрегатов мощностью 640 МВт каждый, с радиально-осевыми турбинами, работающими при расчетном напоре 194 метра (рабочий диапазон напоров — от 175 до 220 метров).

На Красноярской ГЭС стартовала замена рабочих колес гидроагрегатов – в рамках реализуемой «ЕвроСибЭнерго» масштабной программы модернизации станций Ангаро-Енисейского каскада. Начнут здесь с двух колес, но за 8-10 лет компания рассчитывает заменить все 12 «сердец» турбин. И тогда вторая по мощности ГЭС в России, разменяв седьмой десяток, станет еще и самой современной.

Влиять на поток воды практически невозможно, но можно выжимать максимум из оборудования – рабочих колес, турбин и современной электроники. Это доказали в «ЕвроСибЭнерго» в рамках программы модернизации ГЭС Ангаро-Енисейского каскада. Эффекты от нее сопоставимы со строительством в Сибири новой гидростанции мощностью 300-400 МВт, а «дополнительные» 1,5 млрд кВт*часов, которые будут вырабатывать модернизированные ГЭС, позволят экономить до 800 тыс. тонн угля в год и уменьшить выбросы сибирских угольных станций в атмосферу.

Источник

Лекция 7. Турбинное оборудование ГЭС.

Гидротурбина, гидравлическая турбина, водяная турбина, ротационный двигатель, преобразующий механическую энергию воды (её энергию положения, давления и скоростную) в энергию вращающегося вала. По принципу действия Гидротурбины делятся на активные и реактивные. Основным рабочим органом Гидротурбины, в котором происходит преобразование энергии, является рабочее колесо. Вода подводится к рабочему колесу в активных Гидротурбинах через сопла, в реактивных — через направляющий аппарат. В активной Гидротурбине (рис. 1) вода перед рабочим колесом и за ним имеет давление, равное атмосферному.

В реактивной Гидротурбине (рис. 2) давление, воды перед рабочим колесом больше атмосферного, а за ним может быть как больше, так и меньше атмосферного давления.

Первая реактивная Гидротурбина была изобретена в 1827 французским инженером Бенуа Фурнероном; эта Гидротурбина имела на рабочем колесе мощность 6 л. с., но из-за плохих энергетических свойств подобные гидротурбины уже не применяются. В 1855 американский инженер Джеймс Френсис изобрёл радиально-осевое рабочее колесо Гидротурбины с неповоротными лопастями, а в 1887 немецкий инженер Финк предложил направляющий аппарат с поворотными лопатками (Радиально-осевая гидротурбина.). В 1889 американский инженер Лестер Аллан Пелтон запатентовал активную — ковшовую гидротурбину, в 1920 австрийский инженер Виктор Каплан получил патент на поворотнолопастную гидротурбину. Радиально-осевые, поворотнолопастные и ковшовые турбины сейчас широко применяются для выработки электрической энергии

Рассмотрим каждый из типов турбины отдельно:

Активные турбины:

В качестве представителя класса активных гидротурбин рассмотрим здесь наиболее распространенную ковшовую турбину с основными элементами конструкции (рис.5.1). Главными составными частями ковшовой турбины являются рабочее колесо, сопло и игла с регулирующим механизмом.

Вода из верхнего бьефа подводится трубопроводом к рабочему колесу, выполненному в виде диска и закрепленному на валу турбины. Колесо вращается в воздухе. По окружности колеса равномерно расположены ковшеобразные лопасти (ковши). Чтобы максимально преобразовать кинетическую энергию воды в механическую энергию вращения рабочего колеса, ковши выполняют эллиптической формы. На эллиптических частях ковша вода меняет свое направление на 180º и сходит с них с очень малой скоростью.

Формирование струи, придание ей необходимой скорости и преобразование энергии подводимой трубопроводом воды в кинетическую производится с помощью сопла 1, в котором помещается игла 2 для регулирования расхода и мощности турбины. При перемещении иглы изменяется выходное сечение струи и тем самым ее расход. Скорость перемещения иглы ограничена из-за опасности возникновения гидравлического удара. Для исключения появления гидравлического удара закрытие иглы идет медленно, в течение 20-40 с. В случае необходимости быстрого снижения мощности используется отклонитель струи, который за 2-3 с отводит струю от лопаток.

У ковшовых турбин лопасти рабочего колеса испытывают переменную нагрузку. В связи с этим возникают усталостные явления в металле, приводящие к расслаблению крепления. В настоящее время стали применять цельнолитые и сварнолитые рабочие колеса с повышенной надежностью.

Конструктивно ковшовые турбины могут различаться по расположению вала (вертикальные и горизонтальные), по числу сопел и рабочих колес на одном валу.

Ковшовые турбины, диаметр рабочего колеса которых достигает 7,5 м, используются в диапазоне напоров 300-2000 м при расходах порядка 100 м3/с и имеют мощность до 200 МВт. КПД таких турбин составляет 88-91 %.

Скорость потока воды из форсунок зависит от напора и может достигать значительных величин, порядка 500—600 км/ч. Скорость вращения турбины также весьма велика, до 3000 об/мин.

Крупнейшие в мире ковшовые турбины установлены на швейцарской ГЭС Bieudron, их мощность составляет 423 МВт. Эта же ГЭС является мировым рекордсменом по напору на гидроагрегатах, составляющему 1 869 м.

Реактивные турбины

Реактивные гидротурбины получили на ГЭС наибольшее распространение вследствие ряда достоинств. Они имеют высокий КПД, обладают относительно большим числом оборотов, могут использоваться для широкой шкалы напоров и мощностей, их конструкция хорошо компонуется со зданием ГЭС.

Конструкция реактивной гидротурбины (рис. 5.2) включает в себя: турбинную (спиральную) камеру 1, статор 2, направляющий аппарат 3, рабочее колесо 4 и отсасывающую трубу 5. Характерные особенности каждой из систем реактивных турбин заключаются, в основном, в особенностях конструкции их рабочих колес.

Рис. 5.2. Схема реактивной гидротурбины

Спиральная камера. Вода из верхнего бьефа поступает в турбинную камеру по трубопроводу. В ней происходит формирование осесимметричного потока воды, который затем проходит через направляющий аппарат турбины. При такой форме потока обеспечивается его равномерное распределение по окружности рабочего колеса и более эффективный отбор мощности. Вода, поступающая на рабочее колесо с любого направления, имеет равную скорость и начальную вихревую закрутку. Чаще всего турбинная камера выполняется в виде спирали и имеет название спиральной камеры. На ГЭС с напором, превышающим 50-60 м, применяются стальные спиральные камеры гидротурбины круглого сечения (см рисунок), охватывающие статор почти полностью («полная спираль»). На ГЭС с меньшим напором Спиральные камеры изготовляются из железобетона, угол охвата составляет около 225°, сечение имеет вид тавра. Спиральная камера гидротурбины в отличие от других турбинных камер (например, открытых) позволяют вынести значительную часть механизмов гидротурбины в сухое помещение, что улучшает условия эксплуатации турбины.

Статор турбины (рис. 5.3) служит для передачи нагрузки от вращающихся частей агрегата, осевого усилия воды и конструкций здания электростанции над спиралью на фундамент ГЭС. Обычно статор выполняется в виде двух колец специальной формы, между которыми установлены металлические колонны. Число колонн, их расположение и форма определяются условиями необходимой прочности и обтекания

Направляющий аппарат служит для подвода воды к рабочему колесу, регулирования расхода в соответствии с необходимой для генератора мощностью, закрытия доступа воды к рабочему колесу турбины при ее остановке и создания определенного направления (закрутки) потока. Конструкция направляющего аппарата (рис 5.4) состоит, в основном, из двух опорных колец и подвижных лопаток обтекаемой формы, размещенных между этими кольцами. Лопатки с помощью регулирующего кольца могут одновременно поворачиваться вокруг собственных осей на определенный угол, образуя одинаковые просветы величиной а₀, называемые открытием направляющего аппарата. Число подвижных лопаток зависит от размеров турбины и колеблется от 12 до 32.

На рабочем колесе происходит непосредственное преобразование энергии движущейся воды в механическую энергию вращения колеса. Для реактивных турбин характерны следующие признаки:

1) рабочее колесо располагается полностью в воде. Поток воды отдает энергию одновременно всем лопастям рабочего колеса;

Избыточное давление и разность уровней потока на входе и выходе из рабочего колеса приводят к увеличению его относительной скорости и тем самым к созданию реактивного давления потока на лопасти турбины. Изменение направления потока за счет кривизны лопастей приводит к возникновению активного давления потока;

3) действие потока на лопасти рабочего колеса складывается из реактивного воздействия, возникающего из-за увеличения относительной скорости, и активного давления, возникающего из-за изменения направления потока.

Рассмотрим конструктивные особенности рабочих колес реактивных турбин различных систем.

Рабочее колесо радиально-осевой турбины состоит из ряда лопастей 2 сложной пространственной формы, равномерно распределенных по окружностям ступицы 1 (верх­ний обод) и нижнего обода 3 (рис. 8.6. а и 8.7.). Все три части объединены между собой и представляют одну жесткую конструкцию. Число лопастей может колебаться от 9 для низконапорных до 21 для высоконапорных турбин. (За диаметр рабочего колеса принима­ется максимальный диаметр по входным кромкам лопастей D1).

Пропеллерные турбины (ПР). Рабочее колесо такой турбины располагается в ка­мере ниже направляющего аппарата. Поэтому между направляющим аппаратом и рабочим колесом осуществляется нерабочий поворот потока. На лопасти рабочего колеса поток поступает только в осевом направлении, из-за чего такие турбины называются осевыми.

Основным достоинством пропеллерных турбин является простота конструкции и сравнительно высокий КПД. Однако турбины имеют существенный недостаток, заклю­чающийся в том, что с изменением нагрузки резко изменяется и КПД. Зона высоких зна­чений КПД наблюдается только в узком диапазоне изменения мощности. Этот недостаток существенно снижает эффективность пропеллерных турбин при использовании их в сис­темах с дефицитом энергии. Однако это несущественно, если основным назначением ГЭС является работа в пиковой части графика нагрузки, т.е. при малом числе часов использо­вания установленной мощности ГЭС. Иногда на крупных ГЭС пропеллерные турбины ус­танавливаются совместно с радиально-осевыми или поворотно-лопастными, которые имеют более растянутый диапазон максимального значения КПД.

Поворотно-лопастные турбины (ПЛ). По конструктивному выполнению пово­ротно-лопастные турбины (за рубежом их называют турбины Каплана) отличаются от пропеллерных только тем, что у них лопасти рабочего колеса в процессе работы могут пово­рачиваться вокруг своих осей, перпендикулярных оси вала (рис. 5.6.,в).

Мощность, отдаваемая рабочим колесом такой турбины, и его КПД, при постоян­ном напоре, зависят как от открытия лопаток направляющего аппарата, так и от угла по­ворота лопастей по отношению к втулке. Изменяя угол установки лопастей при различных открытиях направляющего аппарата, а, следовательно, при различной мощности, можно найти такое положение лопастей, при котором КПД турбины будет иметь наибольшее значение. Конструктивно поворотно-лопастные турбины выполняются таким образом, что лопасти рабочего колеса на ходу турбины могут автоматически поворачиваться на некоторый (оптимальный) угол ф (отсюда название поворотно-лопастные) одновременно с изменением открытия направляющего аппарата. Такое двойное регулирование дает очень большие преимущества, так как обеспечивает автоматическое поддержание высокого зна­чения КПД в широком диапазоне изменения мощности.

Двухперовая турбина. Увеличение числа лопастей рабочего колеса поворотно-лопастной турбины по мере повышения используемого напора приводит к возрастанию относительного диаметра втулки (d_вт / D₁) и последующему ухудшению энергетических качеств турбины. Для смягчения этого недостатка применяются спаренные (двухперовые) рабочие лопасти, имеющие общий фланец и общую цапфу, что по­зволяет повысить пропускаемый турбиной расход. Двухперовые турбины не имеют широкого распространения.

Отсасывающая труба предназначена для отвода воды из рабочего колеса турбины в нижний бьеф, а также для повышения КПД гидротурбины за счет более полного использования энергии водного потока. Для турбин кинетическая энергия потока за рабочим колесом составляет от 1,5 до 50 % ее входной величины. При отсутствии отсасывающей трубы эта энергия теряется и общий КПД турбины, особенно быстроходной, мал.

Лекция 8
Приливные и волновые электростанции.

Помимо рассмотренных ранее электростанций, использующих энергию воды, существуют и другие электростанции, принцип действия которых основан на использовании гидравлической энергии. Это волновые и приливные электростанции. Вот отличии от ГЭС их работа основана на использовании не водного потока рек, а на эксплуатации колебаний водной поверхности морей и океанов.

Приливные электростанции

Периодические изменения уровня воды в морях и океанах, называемые приливами и отливами, происходят под действием сил притяжения в космической системе Земля — Луна — Солнце. Смена приливов и отливов наблюдается на большинстве морских побережий 4 раза в сутки. При этом амплитуда колебаний уровня моря достигает максимума (сизигия) при расположении Земли, Луны и Солнца на одной прямой, а минимума (квадратуры)—при их расположении в вершинах треугольника, образуемого этими космическими телами.

Наибольшая амплитуда колебаний этих уровней, т. е. разность их максимального значения при приливах к минимального при отливах, составляет в открытом океане около 2 м. У побережий, в узких проливах, заливах и устьях рек эта амплитуда возрастает, достигая наибольшего значения до 19,6 м в заливе Фанди на атлантическом побережье Канады. В Советском Союзе максимальные амплитуды приливов наблюдаются на побережье Охотского моря до 11 м, в Мезенском заливе—10 м и на Кольском побережье —до 7,4 м.

Так же, многие страны сейчас ведут проекты создания ПЭС значительно более высокой мощности. Самые крупные из них: Skerries Tidal Farm (Скерриз, Англия) мощностью 10,5 ГВт, Мезенская ПЭС мощностью 8 ГВт и Dalupiri Blue Energy Project мощностью 2200 МВт на Филлипинах.

Помимо этого, одно время существовал проект строительства ПЭС в Пенжинской губе Охотского моря. Это станция могла бы быть крупнейшей в мире. Площадь ее бассейна составляет 20530 км², а перепад уровней воды от 9 до 13 метров. Это соответствует 360−530 км³ воды, что в 20−30 раз превышает расход воды в устье крупнейшей реки Земли Амазонки.

Однако процесс создания ПЭС достаточно трудоемкий, хотя у ПЭС есть и ряд преимуществ перед традиционными ГЭС: достаточно низкая себестоимость электроэнергии (например, себестоимость одного кВт⋅ч ПЭС «Ля Ранс» приблизительно в 1,5 раза ниже обычной стоимости кВт·ч, произведенного на АЭС Франции (1,8 ¢⁄кВт·ч против 2,5)) и высокая степень прогнозируемости величины выдаваемой в сеть мощности.

Принцип работы ПЭС.

Графики изменения рассматриваемых уровней воды, называемые мареограммами, для суток имеют синусоидальный характер. Чередование максимальных и минимальных уровней моря происходит через каждые 6 ч 12 мни. Амплитуда суточных колебаний уровня моря не остается постоянной, а изменяется по дням, как это показано на рисунке, а также существенно зависит от времени года. Лунный месяц составляет 29.53 сут, что соответствует продолжительности времени между двумя полнолуниями или новолуниями.

Рассматриваемый подъем и спад уровнен сопровождаются изменениями течения и расхода воды от моря к побережью и обратно, что определяет гидравлическую энергию приливов и отливов.

Таким образом, преобразование энергии отливов и приливов в электрическую возможно путем строительства приливных электростанций (ПЭС).

Схема работы ПЭС заключается в следующем:

1. Суженный створ пролива или устья реки перегораживается путем сооружения дамбы, включающей в себя здания станции и плотины. При этом образуется бассейн, куда во время прилива вода поступает из моря, а при отливе — обратно.

2. Разность уровней воды в море и бассейне обеспечивает работу гидротурбин. При выравнивании уровней воды в бассейне и море и сокращении напора ниже минимально необходимого для работы турбин значения они останавливаются до следующего восстановления напора во время прилива или отлива.

Для определения потенциальной мощности Nп, кВт, и годовой выработки энергии Эп, кВт.ч, отдельных створов, в которых возможно сооружение ПЭС, рекомендуются следующие формулы:

где А — среднегодовая амплитуда прилива, м; F— площадь бассейна, км2.

Технический потенциал ПЭС оценивается в 33% потенциальной энергии, так как значительная ее часть не может быть использована вследствие снижения напора и других потерь энергии.

Схемы и режимы работы ПЭС.

1. Однобассейновая схема

1.1. Одностороннего действия

1.2. Двустороннего действия

2. Многобассейновая схема.

В однобассейновых схемах бассейн отгорожен от моря зданием ПЭС, воспринимающим напор, и плотиной (рисунок). Режим, или цикл, ПЭС одностороннего действия заключается в следующем. После заполнения во время прилива бассейна, куда вода поступает через специальные отверстия в здании ПЭС, эти отверстия закрываются затворами. Через некоторое время, когда уровень моря снижается в результате начавшегося отлива, начинают работать турбины, пропуская воду в море из бассейна и срабатывая его вместимость. Когда напор становится ниже минимального, при котором могут работать турбины, они отключаются и после достижения необходимого напора для работы турбин цикл повторяется.

Эта схема проста, не требует глубокой сработки резервуара, что важно при наличии мелководных бассейнов, по которым осуществляется судоходство, но степень использования потенциальной энергии оценивается всего лишь в 22%.

При режиме двустороннего действия турбин компоновка сооружений аналогична предыдущей схеме, а цикл работы следующий (рисунок). После начала прилива затворы отключают бассейн от моря, в результате чего между обеими акваториями образуется перепад, достаточный для работы турбин, последние включаются и наполняют бассейн. После начала отлива, когда перепад уровней и напор турбин снова становятся недостаточным для их работы, турбины отключаются и открываются водопроводящие отверстия для наполнения бассейна. Это продолжается до момента выравнивания уровней в море и бассейне, после чего закрываются отверстия, и станция отключается до образования требуемого перепада для работы турбин при опорожнении бассейна. Далее цикл повторяется.

Использование двусторонней схемы увеличивает степень использования потенциальной энергии до 34 %. Чтобы еще сильнее увеличить эту степень, можно установить турбины. Способные работать на малых напорах.

Периодическое несовпадение во времени прохождения максимума нагрузки и выработки энергии ПЭС с однобассейновой схемой затрудняет использование приливной энергии. Поэтому предложены схемы ПЭС с двумя и тремя бассейнами, которые дают возможность получать энергию непрерывно с небольшими колебаниями мощности в течение суток.

Рассмотрим двухбассейновую схему:

2. – разделительная плотина

3. – водопропускная плотина

Работа ПЭС осуществляется следующим образом (рисунок). В момент а верхний бассейн заполнен до наибольшего уровня прилива и отключен от моря путем закрытия водопропускных отверстий в глухой плотине. Вода через ПЭС срабатывается в нижний бассейн, который также отключен от моря затворами в водопропускной плотине. В момент b, когда поднявшийся уровень нижнего бассейна выравнивается с уровнем моря, отверстия в водопропускной плотине открываются, уровень нижнего бассейна следует за снижающимся уровнем отлива и ПЭС работает на разности уровней между верхним бассейном и морем. При минимальном уровне отлива в момент с нижний бассейн снова отключается от моря и наполняется из верхнего до момента d. К тому времени, когда уровень верхнего бассейна срабатывается до уровня моря, водопропускающие отверстия в глухой плотине открываются и работа ПЭС идет на транзитной воде из моря через верхний в нижний бассейн до момента а, откуда цикл повторяется снова.

Двухбассейновая схема хотя и выравнивает суточную выработку энергии, но не может, как и любая другая схема, выравнивать внутримесячную неравномерность-работы ПЭС, определяемую суточными колебаниями уровней приливов и отливов. Несмотря на преимущества, в том числе и на то, что равномерная выработка энергии ПЭС не только экономит топливо, но и вытесняет мощность других станций, многобассейновые схемы имеют и ряд недостатков, в том числе более высокую строительную стоимость, чем однобассейновые схемы.

Для ПЭС с однобассейновымн схемами ведутся поиски возможностей компенсирования неравномерности их работы как в суточном, так и в месячном разрезе. В качестве таких компенсаторов рассматриваются другие электростанции и, в частности, гидроаккумулирующие станции, расположенные в районе действия ПЭС. При этом ночная выработка ПЭС явится источником заряда ГАЭС.

Волновые электростанции

Установка, расположенная в водной среде, целью которой является получение электричества из кинетической энергии волн.

Волновые электростанции являются одними из самых чистых, безотходных и безопасных источников электроэнергии. На сегодняшний день, данный вид энергии используется весьма мало, не более 1% от всего производимого электричества в мире. Хотя подсчитано, что за счет энергии океанских волн возможно получение до 10 млрд. кВт. электроэнергии.

Принцип работы заключается в следующем:

Для производства электроэнергии используются две основные характеристики волн: кинетической энергия и энергии поверхностного качения. Именно эти факторы и пытаются использовать при строительстве волновых электростанций.

Для использования кинетической энергии волн на их пути ставится труба очень большого диаметра. Поступающие в нее волны вращают лопасти турбины, которая и приводит в движение генератор. В другом случае, поступающая вода выталкивает из замкнутого пространства трубы, находящийся там воздух. Далее выработка энергии происходит по обычному принципу. Выходящий воздух вращает лопасти турбины. Наиболее совершенные волновые электростанции для выработки электроэнергии применяют оба этих способа.

При использовании энергии волнового качения, электроэнергия вырабатывается посредством расположенных на поверхности воды поплавков. Качая их, волны приводят в движение систему поплавок-генератор, что приводит в конечном итоге к выработке энергии.

В большинстве проектов волновых электростанций предполагается использовать двухступенчатую схему преобразования. На первом этапе осуществляется передача энергии от волны к телу-поглотителю и решается задача концентрирования волновой энергии. На втором этапе поглощенная энергия преобразуется в вид, удобный для потребления.

Существует три основных типа проектов по извлечению волновой энергии:

1. В первом используется метод повышения концентрации волновой энергии и превращения ее в потенциальную энергию воды.

2. Во втором – тело с несколькими степенями свободы находится у поверхности воды. Волновые силы, действующие на тело, передают ему часть волновой энергии. Основным недостатком такого проекта является уязвимость тела, находящегося под действием волн.

3. В третьем типе проектов, система, поглощающая энергию, находится под водой. Передача волновой энергии происходит под действием волнового давления или скорости.

В ряде волновых установок для повышения эффективности плотность волновой энергии искусственно повышается. Изменяя рельеф дна в прибрежной зоне, можно сконцентрировать морские волны по­добно линзе, фокусирующей световые волны. Если сфокусировать волны с побережья длиной в несколько километров на фронте в 500 м, то высота волны может достигнуть 30 м. Попадая в специальные сооружения, вода поднимается на высоту в 100 м. Энергия поднятой воды может быть использована для работы гидроэлектростанции, распо­ложенной на уровне океана. Волновая электростанция подобного типа используется для обеспечения электроэнергией острова Маврикий, не имеющего традиционных источников энергии.

Ряд устройств по преобразованию волновой энергии использует различные свойства волновых движений: периодические изменения уровня водной поверхности, волнового давления или волновой скорости. Процент использования волновой энергии достигает 40 %. Электроэнергия передается на берег по кабелю. В Японии создан промышленный образец такой системы, имеющей 9 турбин общей мощностью в 2 МВт.

Основные типы ВлЭС:

1. 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.

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.

эффективность составляет около 45 %

3. Качающаяся «утка» Солтера

Утка Солтера»: а – схема преобразования энергии волны;

б – вариант конструкции преобразователя;

1 – плавучая платформа; 2 – цилиндрическая опора с размещенными в ней приводами и электрогенираторами; 3 – ассиметричный поплавок.

В волновом бассейне оно поглощало до 90 % падающей энергии.

В проекте предусматривается монтаж большого количества крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение силой собственного веса. При этом приводятся в действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводящая в движение турбины, установленные между поплавками и поднятые над поверхностью моря. Вырабатываемая электроэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20-30 поплавков.

Нить из уток протяженностью несколько километров предполагается установить в районе с наиболее интенсивным волнением западнее Гебридских островов. Мощность всей станции будет примерно 100 МВт.

Наиболее серьезными недостатками для «уток Солтера» оказались следующие:

— необходимость передачи медленного колебательного движения на привод генератора;

—необходимость снятия мощности с плавающего на значительной глубине устройства большой протяженности;

—вследствие высокой чувствительности системы к направлению волн необходимость отслеживать изменение их направления для получения высокого КПД преобразования;

—затруднения при сборке и монтаже из-за сложности формы поверхности «утки».

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Источник