Приливная плотина — это сооружение, похожее на плотину, используемое для улавливания энергии масс воды, движущихся в залив или реку и из них под действием приливных сил. [1] [2]
Вместо того, чтобы запруживать воду с одной стороны, как обычная плотина , приливная плотина позволяет воде течь в залив или реку во время прилива и сбрасывать воду во время отлива . Это делается путем измерения приливного потока и управления шлюзовыми воротами в ключевые моменты приливного цикла. Турбины размещаются на этих шлюзах, чтобы улавливать энергию, когда вода втекает и вытекает. [1]
Приливные плотины являются одними из старейших методов получения приливной энергии , приливные мельницы были разработаны еще в шестом веке. В 1960-х годах была построена приливная электростанция Кислая Губа мощностью 1,7 мегаватт в Кислой Губе , Россия . Примерно в то же время была построена приливная электростанция Ла Ранс мощностью 240 МВт в Бретани , Франция, открытая в ноябре 1966 года. [3] Ла Ранс была крупнейшей приливной плотиной в мире в течение 45 лет, пока в 2011 году в Южной Корее не была введена в эксплуатацию приливная электростанция на озере Сихва мощностью 254 МВт . [4] Однако в мире существует несколько других примеров.
Метод плотины для извлечения приливной энергии заключается в строительстве плотины через залив или реку, подверженную приливному течению. Турбины, установленные в стене плотины, генерируют электроэнергию, когда вода втекает и вытекает из эстуарного бассейна, залива или реки. Эти системы похожи на гидроплотину, которая создает статический напор или напор (высоту давления воды). Когда уровень воды снаружи бассейна или лагуны изменяется относительно уровня воды внутри, турбины способны вырабатывать электроэнергию.
Основными элементами плотины являются кессоны , насыпи, шлюзы , турбины и судоходные шлюзы . Шлюзы, турбины и судоходные шлюзы размещаются в кессонах (очень больших бетонных блоках). Насыпи герметизируют бассейн, где он не герметизирован кессонами. Шлюзовые затворы, применимые к приливной энергии, — это откидной затвор, вертикальный подъемный затвор, радиальный затвор и подъемный сектор.
Существует всего несколько таких электростанций. 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 меньшим электростанциям относятся Аннаполисская Королевская генерирующая станция в заливе Фанди и еще одна через крошечный залив в Кислой Губе , Россия . Было рассмотрено несколько предложений по плотине через реку Северн , от Брин-Дауна в Англии до Лавернок-Пойнт около Кардиффа в Уэльсе .
Системы плотин зависят от высоких расходов на гражданскую инфраструктуру, связанных с тем, что по сути является плотиной, возводимой через эстуарные системы. Поскольку люди стали больше осознавать проблемы окружающей среды, они выступили против плотин из-за неблагоприятных последствий, связанных с изменением большой экосистемы, которая является средой обитания для многих разновидностей видов.
Бассейн заполняется через шлюзы до прилива. Затем шлюзовые ворота закрываются. (На этом этапе может быть «перекачка» для дальнейшего повышения уровня). Турбинные ворота остаются закрытыми до тех пор, пока уровень моря не упадет, чтобы создать достаточный напор через плотину. Затворы открываются, чтобы турбины генерировали, пока напор снова не станет низким. Затем шлюзы открываются, турбины отключаются, и бассейн снова заполняется. Цикл повторяется с приливами. Генерация отлива (также известная как генерация оттока) получила свое название, потому что генерация происходит, когда прилив меняет приливное направление.
Бассейн заполняется через турбины, которые генерируют приливное наводнение. Это, как правило, намного менее эффективно, чем генерация при отливе, потому что объем, содержащийся в верхней половине бассейна (где работает генерация при отливе), больше объема нижней половины (заполняемой первой во время генерации приливов). Поэтому имеющаяся разница уровней — важная для вырабатываемой турбиной мощности — между стороной бассейна и морской стороной плотины уменьшается быстрее, чем при генерации при отливе. Реки, впадающие в бассейн, могут еще больше снизить энергетический потенциал, вместо того чтобы увеличивать его, как при генерации при отливе. Конечно, это не проблема с моделью «лагуны», без притока рек.
Турбины могут приводиться в действие в обратном направлении избыточной энергией в сети для повышения уровня воды в бассейне во время прилива (для генерации отлива). Большая часть этой энергии возвращается во время генерации, поскольку выходная мощность тесно связана с напором. Если вода поднимается на 2 фута (61 см) путем перекачивания во время прилива высотой 10 футов (3 м), то во время отлива она поднимется на 12 футов (3,7 м).
Другая форма конфигурации энергетической плотины — это тип двойного бассейна. С двумя бассейнами один заполняется во время прилива, а другой опорожняется во время отлива. Турбины размещаются между бассейнами. Схемы с двумя бассейнами имеют преимущества по сравнению с обычными схемами в том, что время генерации можно регулировать с высокой гибкостью, а также можно производить почти непрерывно. Однако в обычных эстуарных ситуациях схемы с двумя бассейнами очень дороги в строительстве из-за стоимости дополнительной длины плотины. Однако есть некоторые благоприятные географические условия, которые хорошо подходят для этого типа схемы.
Приливные бассейны [5] представляют собой независимые ограждающие плотины, построенные на приливной эстуарии высокого уровня, которые задерживают высокую воду и выпускают ее для выработки электроэнергии, один бассейн, около 3,3 Вт/м 2 . Две лагуны, работающие с разными временными интервалами, могут гарантировать непрерывную выработку электроэнергии, около 4,5 Вт/м 2 . Улучшенное насосное хранение [6] приливная серия лагун поднимает уровень воды выше прилива и использует прерывистые возобновляемые источники энергии для перекачки, около 7,5 Вт/м 2 . т.е. 10 × 10 км 2 обеспечивает постоянную мощность 750 МВт 24/7. Эти независимые плотины не блокируют течение реки.
Размещение плотины в эстуарии оказывает значительное влияние на воду внутри бассейна и на экосистему. Многие правительства в последнее время неохотно давали разрешение на приливные плотины. Благодаря исследованиям, проведенным на приливных станциях, было обнаружено, что приливные плотины, построенные в устьях эстуариев, представляют такую же экологическую угрозу, как и крупные плотины. Строительство крупных приливных станций изменяет поток соленой воды в эстуарии и из них, что изменяет гидрологию и соленость и может нанести вред морским млекопитающим, которые используют эстуарии в качестве своей среды обитания. [7] Станция Ла Ранс у побережья Бретани на севере Франции была первой и крупнейшей приливной плотиной в мире. Это также единственное место, где была проведена полномасштабная оценка экологического воздействия приливной энергетической системы, работающей в течение 20 лет. [8]
Французские исследователи обнаружили, что изоляция эстуария во время строительства приливной плотины нанесла ущерб флоре и фауне; однако спустя десять лет наблюдалась «различная степень биологической адаптации к новым условиям окружающей среды» [8] .
Некоторые виды потеряли свою среду обитания из-за строительства Ла Ранса, но другие виды колонизировали заброшенное пространство, что вызвало сдвиг в разнообразии. Также в результате строительства исчезли песчаные отмели, пляж Сен-Серван был сильно поврежден, а высокоскоростные течения образовались вблизи шлюзов, которые представляют собой водные каналы, контролируемые воротами. [9]
Мутность (количество взвешенных веществ в воде) уменьшается в результате меньшего объема воды, обмениваемой между бассейном и морем. Это позволяет солнечному свету проникать в воду глубже, улучшая условия для фитопланктона . Изменения распространяются вверх по пищевой цепи , вызывая общее изменение экосистемы .
Приливные ограждения и турбины, если они построены правильно, представляют меньшую угрозу для окружающей среды, чем приливные плотины. Приливные ограждения и турбины, как и генераторы приливных потоков , полностью полагаются на кинетическое движение приливных течений и не используют плотины или плотины для блокирования каналов или устьев эстуариев . В отличие от плотин, приливные ограждения не прерывают миграцию рыб и не изменяют гидрологию , поэтому эти варианты предлагают возможности генерации энергии без ужасных последствий для окружающей среды. 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, с низкой скоростью 25–50 об/мин, гибель рыбы минимальна, а ил и другие питательные вещества могут проходить через конструкции. Например, прототип приливной турбины мощностью 20 кВт, построенный в проливе Святого Лаврентия в 1983 году, не сообщил об отсутствии гибели рыбы. Приливные ограждения блокируют каналы, что затрудняет миграцию рыб и диких животных через эти каналы. Чтобы сократить гибель рыбы, ограждения могут быть спроектированы таким образом, чтобы пространство между стенкой кессона и роторной фольгой было достаточно большим, чтобы позволить рыбе пройти. Более крупные морские млекопитающие, такие как тюлени или дельфины, могут быть защищены от турбин ограждениями или системой автоматического торможения с датчиком сонара, которая автоматически отключает турбины при обнаружении морских млекопитающих. [7]
В результате уменьшения водообмена с морем средняя соленость внутри бассейна уменьшается, что также влияет на экосистему. [ необходима цитата ] «Приливные лагуны» не страдают от этой проблемы. [ необходима цитата ]
Эстуарии часто имеют большой объем наносов, перемещающихся через них, из рек в море. Введение плотины в эстуарий может привести к накоплению осадка внутри плотины, что повлияет на экосистему, а также на работу плотины.
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 около турбины и будут засосаны. Даже при самой дружественной к рыбе конструкции турбины смертность рыб за проход составляет приблизительно 15% [ нужна цитата ] (из-за перепада давления, контакта с лопастями, кавитации и т. д.). Альтернативные технологии прохода ( рыболовные лестницы , рыбоподъемники, рыбоэскалаторы и т. д.) до сих пор не смогли решить эту проблему для приливных плотин, предлагая либо чрезвычайно дорогие решения, либо те, которые используются только небольшой частью рыб. Исследования в области звукового наведения рыб продолжаются. [ нужна цитата ] Турбина с открытым центром решает эту проблему, позволяя рыбе проходить через открытый центр турбины.
Недавно во Франции была разработана турбина типа «run of the river». Это очень большая, медленно вращающаяся турбина типа Каплана, установленная под углом. Тестирование смертности рыб показало, что показатели смертности рыб составляют менее 5%. Эта концепция также кажется очень подходящей для адаптации к морским течениям/приливным турбинам. [10]
Энергия, доступная от плотины, зависит от объема воды. Потенциальная энергия, содержащаяся в объеме воды, равна: [11]
где:
Фактор половина обусловлен тем, что по мере опорожнения бассейна через турбины гидравлический напор на плотине уменьшается. Максимальный напор возможен только в момент низкой воды, при условии, что в бассейне все еще сохраняется высокий уровень воды.
Предположения:
Масса морской воды = объем морской воды × плотность морской воды
Потенциальное энергосодержание воды в бассейне во время прилива = ½ × площадь × плотность × ускорение свободного падения × квадрат амплитуды прилива
Теперь у нас есть 2 прилива и 2 отлива каждый день. Во время отлива потенциальная энергия равна нулю.
Таким образом, общий энергетический потенциал за день = Энергия для одного прилива × 2
Таким образом, средний потенциал выработки электроэнергии = потенциал выработки электроэнергии / время в 1 сутках.
Предположим, что эффективность преобразования энергии составляет 30%: Среднесуточная выработка энергии = 104 МВт * 30%
Поскольку доступная мощность меняется в зависимости от квадрата приливного диапазона, плотину лучше всего размещать в месте с очень высокими амплитудами приливов. Подходящие места находятся в России, США, Канаде, Австралии, Корее и Великобритании. Амплитуды до 17 м (56 футов) встречаются, например, в заливе Фанди , где приливной резонанс усиливает приливной диапазон.
Схемы приливной энергетики имеют высокую капитальную стоимость и очень низкую стоимость эксплуатации. В результате схема приливной энергетики может не приносить прибыли в течение многих лет, и инвесторы могут не захотеть участвовать в таких проектах.
Сообщается, что потребовалось около 20 лет, чтобы окупить затраты в размере 100 млн долларов на строительство приливной электростанции Rance. По состоянию на 2024 год [обновлять]она работает уже 60 лет, при этом стоимость приливной энергии ниже, чем ядерной или солнечной, так что она более чем окупила затраты на строительство. [3]
Правительства могут финансировать приливную плотину, но многие не желают этого делать также из-за задержки возврата инвестиций и высокой необратимости обязательств. Например, энергетическая политика Соединенного Королевства [12] признает роль приливной энергии и выражает необходимость понимания местными советами более широких национальных целей возобновляемой энергии при одобрении приливных проектов. Правительство Великобритании само ценит техническую жизнеспособность и доступные варианты размещения, но не смогло обеспечить значимые стимулы для продвижения этих целей.
