Для сооружения малых ГЭС, как правило, используется тех­нология деривации (отведения части потока), хотя иногда для них и создают небольшие искусственные водохранилища. Небольшая турбина на быстрой речке или речном пороге достаточной высоты, предназначенная для обеспечения электричеством жилого дома или отдельного предприятия, способна давать до 20 кВт электричества, чего вполне достаточно даже в часы пиковой нагрузки.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ

Малые гидростанции могут быть автономными и интерактивны­ми. Интерактивные гидростанции могут быть оснащены аккумуля­торами, а могут обходиться без них. Такие гидростанции также на­зываются межсистемными, или межсетевыми.

Автономная гидростанция оснащается блоком перезаряжаемых батарей, способных частично или целиком накапливать производи­мую электроэнергию. Аккумуляторы применяются в качестве вспо­могательного источника энергии или резервного — на случай, если турбина не работает. Аккумулирующая интерактивная система ис­пользует для подзарядки аккумуляторов электричество, поставляе­мое коммунальными службами (сетевое электричество), а не то, что вырабатывается турбиной. При применении интерактивной системы без аккумуляторов излишки электроэнергии в период минимального потребления продаются коммунальной службе, поставляющей элек­тричество в сеть, а в периоды повышенного потребления выкупаются обратно у этой же компании. В некоторых штатах США предлагаются 229

хорошие условия компенсационных сделок (выкупа электроэнергии) с коммунальными компаниями, в некоторых — нет. Дополнитель­ную информацию о том, как работают подобные системы, вы найдете в разделе «Малая ветроэнергетика» в этой главе. Принципы работы малых электростанций практически одинаковы, невзирая на то, что именно служит источником энергии — вода, ветер или солнце.

ПРЕИМУЩЕСТВА МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ

• Малые ГЭС снижают или вовсе снимают энергетическую зави­симость от коммунальных служб.

• Водный поток — постоянный источник энергии, если он до­статочно большой и быстрый. Он более надежен, чем ветер или солнце (если не пересохнет или не промерзнет до дна).

• Малые ГЭС практически не загрязняют окружающую среду. Небольшое количество тепла, образующегося из-за трения дви­жущихся частей турбины, передается протекающей воде, но оно незначительно.

• Электричество, производимое малой ГЭС, можно использовать для дополнительного обогрева или испарительного охлаждения.

НЕДОСТАТКИ МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ

• Немногие могут похвастать тем, что живут на участках земли, по которым текут реки или ручьи, подходящие для строитель­ства малой ГЭС.

• Небольшой ручей может периодически пересыхать или промер­зать, останавливая работу системы.

• Водяная турбина требует значительной массы воды для работы, а также значительного перепада высот для того, чтобы выра­батывать достаточное количество энергии (допустим, для обо­грева дома). Для создания этих условий может потребоваться строительство небольшой плотины или искусственного водопа­да, что, в свою очередь, может быть запрещено природоохран­ным или иным законодательством.

• Затраты на сооружение даже малой ГЭС весьма высоки. Она долго окупается, и высокие стартовые вложения могут свести на нет экономическую выгоду от ее использования.

Задача 11.2

Я бы хотел установить малую автономную ГЭС на своем ранчо. По его территории протекает достаточно полноводный ручей. Квали-

фицированный инженер произвел все необходимые расчеты. Пере­пад высот достаточен, и приток воды высок на протяжении всего года. Мне необходимо построить небольшую плотину, чтобы сделать запас воды в озере. Разрешения от местных властей, властей штата и федеральных властей получены. Но я беспокоюсь о том, какое воздействие эта система окажет на окружающий животный и рас­тительный мир.

Решение 11.2

Ответ на этот вопрос лучше всего дает сбор как можно большего спектра мнений. Натуралисты из ближайшего университета вполне смогут предложить свои соображения. Можно ожидать, что пруд будет привлекать птиц, рыб и других животных (как желательных, так и нежелательных).

ПРИЛИВНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Океанические приливы вызываются взаимодействием гравитаци­онных полей Луны и Солнца с вращением Земли вокруг своей оси. Упрощая, можно сказать, что приливы — это волны, обладающие чрезвычайно длинным периодом (временем полного колебательного цикла) с двумя (в большинстве мест) гребнями (наивысшие точки прилива) и двумя впадинами (низшие точки отлива) ежедневно.

ПРИЛИВНАЯ ПЛОТИНА

Приливная плотина напоминает небольшую дамбу с двумя шлю­зами (водоспусками), которые могут открываться и закрываться, позволяя воде перетекать из одного бассейна в другой за счет раз­ницы высот. Это течение приводит в действие турбину, подсоединен­ную к электрогенератору. Схема работы такой системы показана на рис. 11.2.

Во время прилива бассейн наполняется через большой канал (на схеме не показан) до тех пор, пока прилив не достигает наивысшей точки (гребня). В это время шлюзы закрыты, и турбина не работает. В апогей прилива уровень воды в бассейне соответствует уровню моря вне бассейна. С началом отлива уровень моря понижается, и бассейн начинает работать как резервуар: шлюзы открываются, и вода проходит сквозь турбину, приводящую генератор в действие. В максимальной точке отлива вода все еще продолжает поступать через турбину, но вскоре уровень воды в океане повышается (на­чинается новый прилив), и уровни воды в океане и бассейне вы-

равниваются. Шлюзы вновь закрываются, турбина останавливается, и бассейн снова наполняется с приливом.

К линиям электроснабжения Рис. 11.2. Упрощенная функциональная схема работы приливной электростанции

Другая модель электростанции позволяет использовать энергию как прилива, так и отлива. Для этого сооружаются два бассейна: в одном из них уровень воды всегда выше уровня моря, в другом — всегда ниже. В идеальном случае приливная ГЭС эксплуатирует две работающие попеременно системы, подобные показанной на рис. 11.2. Турбины, установленные в них, направлены в противопо­ложные стороны.

ДОННЫЕ (ПРИЛИВНО ОТЛИВНЫЕ) ТУРБИНЫ

Приливы и отливы порождают течения в непосредственной бли­зости от неровной береговой линии. Прибрежные течения направ­лены параллельно берегу, обратные течения образуют крупные во-

довороты у побережья. Подобные приливным волнам течения также могут возникать в результате крупных штормов в открытом океане. Кроме того, в разных частях мирового океана существуют крупные постоянные течения. Одним из самых известных таких течений яв­ляется Гольфстрим, берущий начало в Мексиканском заливе, оги­бающий полуостров Флорида и пересекающий Атлантический океан к Британским островам. Другой пример — Аляскинское течение, северная ветвь Северо-Тихоокеанского течения, движущееся вдоль берегов залива Аляска с юга на север и далее с востока на запад.

Донные турбины очень похожи на ветряные турбины (описаны ниже в этой главе). Приливная турбина и ее опора закрепляются на морском дне. Несколько таких турбин образуют приливной тур­бинный парк. Каждая турбина подсоединена к электрогенератору. Вся система находится под водой, с поверхности ее не видно. Ско­рость океанических течений ниже скорости ветра, но вода в сотни раз плотнее воздуха, и давит она на единицу площади лопастей тур­бины с гораздо большей силой. Поэтому приливные турбины гораздо меньше ветряных.

ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИЛИВНЫХ ГЭС

• Приливы — возобновляемый, надежный и предсказуемый ис­точник энергии.

• В районах, где велика разница между высшей и низшей точкой прилива и отлива, отливные и приливные течения можно ис­пользовать для постоянной выработки электричества.

• Приливные ГЭС, так же как и обычные ГЭС, не производят угарного газа (СО), углекислоты (С02) и окислов азота и серы, пылевых загрязнителей и других вредных отходов, не загряз­няют почву. Небольшое количество тепла, образующегося из-за трения движущихся частей турбины, передается в океан, но оно незначительно.

• Приливные ГЭС — это экзотика для некоторых людей. Строи­тельство приливной ГЭС может стимулировать туризм в регио­не, принося дополнительную прибыль.

• Приливную плотину можно использовать для строительства железной или автомобильной дороги через залив или лиман.

• Техническое обслуживание приливных ГЭС несложно. Турби­ны рассчитаны на срок работы не менее 30 лет, а приливная плотина — несложное сооружение само по себе. Однако затра­ты на строительство приливных ГЭС все же значительны.

• Донные турбины целиком находятся под водой. Если они уста­новлены на достаточной глубине, они не будут представлять угрозы для морского транспорта.

НЕДОСТАТКИ ПРИЛИВНЫХ ГЭС

• Строительство приливной плотины требует значительных ин­вестиций, однако поддержание ее в рабочем состоянии не так дорого.

• Сооружение донных турбин осложняется тем, что наилучшие места для их установки (районы приливно-отливных течений) находятся в ненадежных водах, у сильно изрезанных берегов.

• Приливные ГЭС могут оказывать негативное влияние на мор­скую флору и фауну. Крупная рыба, черепахи и морские жи­вотные могут погибнуть, попав под лопасти турбины, а особо крупный «улов» такого рода может повредить турбину. Осо­бенную опасность для морских обитателей представляют при­ливные ГЭС с плотинами.

• Приливная плотина создает водный резервуар вне естествен­ных границ залива или лимана, изменяя его характеристики. Это оказывает влияние на мутность воды и на уровень ее седиментации (отложения наносов на дне).

• Ошибки при строительстве и эксплуатации приливной ГЭС мо­гут вызвать локальное наводнение.

Задача 11.3

Почему для обеспечения постоянной работы приливной ГЭС нужны две работающие попеременно системы, подобные представ­ленной на рис. 11.2? Разве невозможно разработать приливную ГЭС с одним бассейном, которая использовала бы как приливное, так и отливное течение, производя электричество бесперебойно?

Решение 11.3

Можно создать систему с приливной плотиной и одним резер­вуаром, которая будет производить энергию почти бесперебойно, но добиться постоянной выработки невозможно из-за технической специфики приливов-отливов. Предположим, есть система с двумя шлюзами (назовем их впускной шлюз и выпускной шлюз), через каждый из которых вода подводится к соответствующей турбине. Предположим также (для простоты), что система сконструирована таким образом, что резервуар наполняется целиком с отставанием

в одну четверть полного приливного цикла (т. е. вода в резервуаре достигает своего наивысшего уровня на одну четверть полного цик­ла прилива позже, чем сам прилив достигает своего гребня). Когда уровень воды в резервуаре выше, чем уровень моря, вода проходит через выпускной шлюз; впускной шлюз в это время закрыт. Когда уровень воды в резервуаре ниже, чем уровень моря, вода проходит через впускной шлюз; выпускной шлюз в это время закрыт. Таким образом, резервуар и море создают «приливные волны» одинаковой силы, отстоящие друг от друга по времени (рис. 11.3).

Рис. 11.3. Приливная плотина, в которой гребни прилива в бассейне отстают от гребня прилива моря на четверть приливно-отливного цикла

Энергия, производимая в данный конкретный момент времени, зависит от разности высот между уровнем моря и уровнем воды в резервуаре — на рисунке они отображаются расстоянием по вер­тикали между двумя точками (в один и тот же момент времени) на соответствующих кривых. Точки пересечения кривых отражают моменты, когда уровень моря и уровень воды в резервуаре одина­ков — в это время энергия не вырабатывается. К сожалению, по­добная система производит энергию неравномерно. Более того, она не способна выработать за один цикл прилива больше энергии, чем 235

обычная приливная ГЭС с одной турбиной. Наиболее эффективный и экономически целесообразный способ получать энергию с помощью приливной ГЭС состоит в эксплуатации двух или более попеременно работающих систем, подобных представленным на рис. 11.2, при­чем они должны иметь независимые резервуары, а их циклы работы должны быть рассчитаны таким образом, чтобы в любой момент вре­мени функционировала хотя бы одна из них.