Лекція 5. Альтернативні електричні станції

5.1. Сонячні електростанції (СЕС)

Сонячна енергія може бути перетворена в електричну двома основними шляхами: термодинамічним і фотоелектричним.

При термодинамічному методі електричну енергію за рахунок використання сонячної енергії можна отримати використанням традиційних схем в теплових установках, в яких теплота від згоряння палива замінюється потоком концентрованого сонячного випромінювання. Принципова схема отримання електричної енергії в сонячній теплоелектростанції наведена на рис. 5.1.

Існують сонячні тепло-електростанції трьох типів:

 баштового типу з центральним приймачем-паро-генератором, на поверхні якого концентрується сонячне випро-мінювання від плоских дзеркал-геліостатів;

 параболічного (лоткового) типу, де в фокусі параболо-циліндричних концентраторів розміщуються вакуумні прий-мачі-труби з теплоносієм;

 тарілкового типу, коли в фокусі параболічного таріл-кового дзеркала розташовується приймач сонячної енергії з робочою рідиною.

Рис. 5.1 - Принципова блок-схема сонячної теплоелектростанці

Станції баштового типу складаються з п’яти основних елементів: оптичної системи, автоматичної системи управління дзеркалами і станцією в цілому, парогенератора, башти і системи перетворення енергії, яка включає теплообмінники, акумулятори енергії і турбогенератори.

Принципова схема сонячної електростанції баштового типу показана на рис. 5.2.

Рис. 5.2 - Схема електростанції баштового типу	Рис 5.3 - Схема сонячної електростанції параболічного типу

Оскільки у такій електростанції використовується пряме сонячне випромінювання, концентруючі геліостати повинні мати систему слідкування за Сонцем, при цьому кожний з геліостатів орієнтується в просторі індивідуально.

Температура, яку можна отримати на вершині башти з допомогою дзеркальних концентраторів, складає 300–1500°С. В одному модулі можна отримати потужність, яка не перевищує 200 МВт, що пов’язано зі зниженням ефективності перенесення енергії від найбільш віддалених концентраторів на вершину башти.

Світова практика експлуатації станцій баштового типу довела їх технічну можливість і працездатність. Основним недоліком таких установок є значна площа, яку вони займають. Так, для розміщення баштової електростанції потужністю 100 МВт необхідна площа 200 га.

У сонячних електростанціях параболічного типу (рис. 5.3) використовуються параболічні дзеркала (лотки), що концентрують сонячну енергію на приймальних трубках, які розташовані в фокусі конструкції і вміщують в собі рідинний теплоносій. Ця рідина нагрівається приблизно до 400°С і прокачується через ряд теплообмінників, при цьому виробляється перегріта пара, яка приводить в дію звичайний турбогенератор для вироблення електричної енергії.

Станції параболічного типу використовуються все ширше завдяки більш простій системі слідкування за Сонцем і меншій металоємності. Питома вартість станцій параболічного типу близька до питомої вартості АЕС.

В установках тарілкового типу (рис. 5.4) використовуються параболічні тарілкові дзеркала (схожі за формою на супутникову тарілку), які фіксують сонячну енергію на приймачі, розташованому в фокусі кожної тарілки. Рідина в приймачі нагрівається до 1000°С і її енергія використовується для вироблення електричної енергії в генераторі. Установки мають систему слідкування за Сонцем. Внаслідок ефекту аберації при відхіленні від ідеальної форми та інших конструктивних факторів максимальний діаметр тарілок не перевищує 20м при потужності до 60–75 кВт.

Рис. 5.4 - Схема сонячної установки тарілкового типу.

Питома вартість сонячної електростанції тарілкового типу є меншою, ніж електростанцій баштового і параболічного типів.

Сонячні електростанції найбільш ефективні в районах з високим рівнем сонячної радіації і малою хмарністю. Їх к.к.д. може досягати 20%, а потужність 100 МВт.

Сонячна фотоенергетика являє собою пряме перетворення сонячної радіації в електричну енергію. Принцип дії фотоелектричного перетворювача базується на використанні внутрішнього фотоефекту в напівпровідниках і ефекту ділення фотогенерированих носіїв зарядів (електронів і дірок) електронно-дірочним переходом або потенційним бар’єром типу метал–діелектрик–напівпровідник.

Фотоефект має місце, коли фотон (світловий промінь) падає на елемент з двох матеріалів з різним типом електричної провідності (дірочної або електронної). Потрапивши в такий матеріал, фотон вибиває електрон з його середовища, утворюючи вільний негативний заряд і «дірку». У результаті рівновага так званого p-n -переходу порушується і в колі виникає електричний струм. Будова кремнієвого фотоелемента показана на рис. 5.5.

Чутливість фотоелемента залежить від довжини хвилі падаючого світла і прозорості верхнього шару елемента. В ясну погоду кремнієві елементи виробляють електричний струм приблизно силою 25мА при напрузі 0, 5В на 1см² площі елемента, тобто 12–13 мВт/см². Теоретична ефективність кремнієвих елементів складає біля 28%, практична – від 14 до 20%.

При послідовно-паралельних з’єднаннях сонячні елементи утворюють сонячну (фотоелектричну) батарею. Потужність сонячних батарей, що серійно випускаються промисловістю, складає 50–200Вт. На сонячних фотоелектричних станціях сонячні батареї використовуються для створення фотоелектричних генераторів.

На рис. 5.6 зображено блок-схему сонячної фотоелектричної станції. Термін служби такої станції становить 20–30 років, а експлуатаційні витрати мінімальні.

Рис. 5.5 - Схема кремнієвого фотоелементу	Рис. 5.6 - Блок-схема сонячної фотоелектричної станції

Недоліком плоских фотоелементів для отримання електричної енергії є їх висока вартість (до 5 дол. США/Вт) і значні площі, необхідні для розміщення фотоелектростанції.

Одним із шляхів удосконалення фотоенергетики є створення концентруючих фотоелементів. Система концентрації сонячної енергії складається безпосередньо з концентраторів і системи слідкування за положенням Сонця, бо концентруючі фотоелементи сприймають тільки пряме сонячне випромінювання.

Сьогодні для створення концентруючих сонячних елементів використовують кремній. Так, на основі кремнію в Австралії створені елементи зі степенем концентрації k = 11 і к.к.д. 20%.

Для підвищення ефективності фотоелектричного перетворення сонячної енергії в якості вихідного матеріалу використовують арсенід галію, фотоелектричні втрати якого при високих температурах значно нижчі, ніж у кремнію.

На основі арсеніду галію створено дво і трикаскадні елементи з високою ефективністю роботи при ступені концентрації 1000 і більше. Вже створено лабораторні зразки сонячних елементів площею 0, 5 см² з k = 500 і к.к.д. 40%.

Прогнози спеціалістів в галузі фотоелектричного перетворення сонячного випромінювання показують, що найбільш перспективними будуть концентратори з k = 1000, які працюють з багатокаскадними арсенідгалієвими сонячними елементами нового покоління.

Суттєвим недоліком існуючих сонячних енергетичних установок є нерівномірність їх роботи, що пов’язано зі зміною потоку сонячного випромінювання, який досягає поверхні Землі, викликаного погодними умовами, зміною пори року і часом доби.

Модульний тип фотоелектричних перетворювачів дозволяє створювати установки будь-якої потужності й робить їх дуже перспективними.

Сонячні аеростатні електростанції можуть стати одним з можливих нових напрямків, які дозволять більш ефективно використовувати сонячну енергію. Основний елемент сонячних аеростатних електростанцій – аеростат – може бути виведеним на декілька кілометрів над поверхнею Землі, вище хмар, що забезпечить безперервне використання сонячної енергії на протязі дня (рис.5.7).

Принципова схема роботи сонячної аеростатної електростанції (САЕС) з паровою турбіною полягає в поглинанні поверхнею аеростата сонячного випромінювання і нагрівання в результаті водяної пари, що знаходиться всередині (див. рис.5.7). При цьому оболонка аеростата виконується двошаровою. Сонячні промені, проходячи через зовнішній прозорий шар, нагрівають внутрішній шар оболонки з нанесеним покриттям, яке поглинає сонячне випромінювання. Водяна пара, що знаходиться всередині оболонки, нагрівається тепловим потоком, який потрапляє через оболонку, до 100–150°С. Прошарок газу (повітря) між шарами, виконуючи роль теплоізоляції, зменшує втрати теплоти в атмосферу. Тиск пари практично дорівнює тиску зовнішнього повітря. Водяна пара гнучним паропроводом подається на парову турбіну, потім конденсується в конденсаторі, вода з конденсатора знову подається помпами у внутрішню частину оболонки, де випарюється при контакті з перегрітою водяною парою. К.к.д. такої установки може складати 25%, причому

завдяки запасу водяної пари у внутрішній частині аеростата установка може працювати і вночі. При діаметрі аеростата 150м і розміщенні на висоті 5км установка може мати потужність 2МВт.Такі САЕС можуть розташовуватися в декілька сотень метрів над поверхнею Землі або над поверхнею моря із силовою установкою на платформах з якорем, до платформ також кріпиться аеростат. При розташуванні аеростата на висоті 5–7км забезпечується робота САЕС незалежно від погодних умов. При цьому силова паротурбінна установка може розташовуватися на землі або в люльці аеростата з передачею електроенергії по кабелю на землю. На сьогодні існує досвід використання таких САЕС на Тайвані.

Рис. 5.7 - Схема сонячної аеростатної електростанції: 1 – прозора оболонка; 2 – поглинаюча оболонка; 3 – паропровід; 4 – трубопровід з водяними помпами; 5 – парова турбіна з генератором; 6 – конденсатор; 7 – ЛЕП.

Поблизу невеликого селища Перово, розташованого в Криму, знаходиться найбільша у світі сонячна електростанція. Її загальна потужність перевищує 100 МВт. СЕС у районі Перово складається з 440 тис. кристалічних сонячних фотоелектричних модулів, які з'єднано 1500км кабелю. Під нею знаходиться площа у 200га. Об’єму електроенергії, яку виробляє ця електростанція, цілком достатньо для потреб міста Сімферополя. Встановлена потужність СЕС еквівалентна піковим навантаженням в енергосистемі поруч розташованого міста, тобто електростанція в світлий час доби може виробляти стільки ж електроенергії, скільки споживає місто в період максимальних навантажень, що значно підвищує надійність та якість електропостачання всього регіону.

Перово та інші сонячні електростанції компанії проектували українські інженери. При будівництві об'єктів застосовувалися вітчизняні технології, матеріали та обладнання. Обслуговують сонячні електростанції також українські фахівці.

Після введення в експлуатацію цього об’єкту сумарна потужність усіх сонячних електростанцій, розташованих на території Криму: «Перово», «Охотникове» і «Джерельне», становить 187, 5 МВт, задовольняючи тим самим більше 15% від загальної енергетичної потреби всього Криму.

На Кіровоградщині запрацювала перша в Україні рухома сонячна електростанція. Цей проект вирізняється застосуванням унікальних систем управління та динамічного стеження за Сонцем. Ефективність нових технологій рухомих платформ порівняно із нерухомими вища на 30 %.

Платформи мають функцію повного оберту та нахилу з 90 до 180 градусів. Коригування відбувається щосекунди, а кількість отриманої енергії можна відслідковувати кожні 10 хвилин. Показники зібраної електроенергії можна перевіряти в он-лайн режимі. А за бажанням власника електростанції енергію можна продавати державі за зеленим тарифом по 25 євроцентів за кіловат.

Кожна рухома платформа виробляє до 5 кіловат на 1 годину. Цього достатньо, аби забезпечити електрикою та теплом фермерське господарство, адміністративну будівлю та елеватор.

Унікальний для України проект коштував підприємцю 3 мільйони гривень. Строк придатності цих платформ – 25 років. На думку власника електростанції, цього часу має вистачити, аби держава перейняла досвід і почала використовувати безпечну і ефективну енергію сонця.

Важливо відзначити, що енергетична стратегія України до 2030 року передбачає зниження імпорту первинних енергоресурсів у паливно-енергетичному балансі країни більш ніж на 40%. Цього передбачається досягти за рахунок енергозбереження, зменшення споживання природного газу більш ніж на 30% і використання поновлюваних джерел енергії.

5.2. Вітрові електростанції (ВЕС)

Вітрова електростанція (ВЕС), також: вітроелектростанція — електростанція, яка за допомогою вітрової турбіни перетворює механічну енергію вітру на електричну. Вітрові електростанції — це система відновлюваної енергетики, оскільки вітер — відновлюване джерело енергії.

Вітер утворюється в результаті нерівномірного нагрівання поверхні Землі Сонцем. Потужність вітрового потоку пропорційна площі, яку пересікає вітровий потік, і швидкості вітру в кубі. Вітроенергетичні ресурси класифікують в залежності від середньорічної швидкості або середньо-річної питомої потужності вітру на висотах 10 і 50м від поверхні землі (табл. 5.1).

Таблиця 5.1 - Класифікація вітроенергетичних ресурсів на висотах 10 і 50 м від поверхні землі

Споруджуються ВЕС переважно постійного струму. Вітряне колесо приводить у рух динамо-машину — генератор елект­ричного струму, який одночасно заряджає паралель­но з'єднані акумулятори.

Принцип дії всіх вітроустановок один: під напором вітру обертається вітроколесо з лопастями, яке передає крутильний момент через систему передач валу генератора, що виробляє електроенергію. Реальний к.к.д. кращих вітрових колес досягає 45% у разі стійкої роботи при оптимальній швидкості вітру.

Існують дві принципово різні конструкції вітроенергетичних установок (ВЕУ): з горизонтальною і вертикальною віссю обертання.

Конструктивна схема ВЕУ з горизонтальною віссю наведена на рис. 5.8. Основними елементами установки є вітроприймальний пристрій (лопасті), редуктор передачі крутильного моменту до електрогенератора, електрогенератор і башта. Вітроприймальний пристрій разом з редуктором утворюють вітродвигун. Завдяки спеціальній конструкції лопастей в повітряному потоці виникають несиметричні сили, які створюють крутильний момент.

Оскільки вітер може змінювати свою силу і напрям, вітрові установки обладнуються спеціальними пристроями контролю і безпеки. Ці пристрої складаються з механізмів розвороту вісі обертання за вітром (віндроза), нахилу лопатей відносно землі при критичній швидкості вітру, системи автоматичного контролю потужності та аварійного відключення для установок великої потужності.

Найчастіше на ВЕС використовується трилопатеве вітроколесо з горизонтальним розташуванням вісі ротора. Удосконалення відбуваються шляхом збільшення розмірів лопатей, покращення техніко-економічних показників енергетичного обладнання і електронного управління, використання композитних матеріалів і застосування більш високих башт. Деякі ВЕУ функціонують зі змінною швидкістю або взагалі не використовують редуктор і працюють за методом прямого приводу. Так, при потужності ВЕУ 2, 5МВт діаметр лопастей вітроколеса досягає 80м, а висота башти більше 80м.

ВЕУ з вертикальною віссю обертання мають переваги перед установками з горизонтальною віссю, які полягають у тому, що зникає необхідність у пристроях орієнтації на вітер, спрощується конструкція і знижуються гіроскопічні навантаження, обумовлені додатковим напруженням в лопастях, системі передачі та інших елементах установки, з’являється можливість встановлення редуктора з генератором в основі башти. Конструктивна схема ВЕУ з вертикальною віссю обертання наведена на рис. 5.9.

Рис. 5.8 - Конструктивна схема ВЕУ з горизонтальною віссю обертання: 1 – робоча лопасть; 2 – трансмісія; 3 – віндроза; 4 – башта; 5 – вал відбору потужності; 6 – електрогенератор.	Рис. 5.9 - Конструктивна схема ВЕУ з вертикальною віссю обертання: 1 – стартер (ротор Савоніуса); 2 – вісь; 3 – електрогенератор; 4 – гальмівний пристрій; 5 – робоча лопать; 6 – розтяжка; 7 – рама; 8 – перетворювач напруги; 9 – акумулятор; V – швидкість вітру; H – висота вітроустановки; h – половина висоти робочої лопаті; n – швидкість обертання робочої лопаті; D – діаметр розгортки лопатей.

У залежності від потужності генератора вітроустановки підрозділяються на класи, їх параметри і призначення наведені в табл. 6.2.

На сьогодні розроблена і використовується значна кількість схем перетворення енергії вітру в електричну енергію постійного чи змінного струму або для виконання механічної роботи.

Основними недоліками ВЕС є:

• Непостійне і нерівномірне вироблення електроенергії як протягом доби, так і за сезонами року, що пов’язано з наявністю вітру і його швидкістю.

• Використання значних площ земельних ресурсів. Так, для ВЕС потужністю 1000 МВт треба загальна площа 70–200 км², хоча більша частина цих земель може бути використаною в сільському господарстві та ін. (сама ВЕС займає 1% загальної площі). При використанні ВЕС морського базування цей недолік зникає.

Таблиця 2.2 - Класифікація вітроустановок

Обмеження шумового впливу ВЕС досягається їх віддаленістю від населених пунктів (для ВЕС до 300м).

Вітроустановки найбільш доцільно застосувати в регіонах України із середньою швидкістю вітру 5 м/с: на Азовсько-Чорноморському узбережжі, в Одеській, Херсонській, Запорізькій, Донецькій, Луганській, Миколаївській областях, АР Крим та в районі Карпат.

Існуючі на сьогоднішній день в Україні потужності вітрових електростанцій перевищують 51 МВт, а з моменту, коли запрацювала перша вітчизняна вітрова електростанція, вироблено більше 80 млн. кВт·год. електроенергії (Донузлавська, Вітроенергопром, Східно-Кримська, Акташська, Чорноморська, Євпаторійська, Аджигільська, Трускавецька, Асканійська, Мирненська). За оцінками фахівців, загальна потенційна потужність української вітроенергетики складає 5000 МВт.

Підраховано, що за нинішнього рівня розвитку вітроенергетики спорудження у «вітряних» регіонах України вітрових електростанцій (ВЕС) дозволило б покрити ледве не третину потреби електроенергії, яку ми споживаємо. Із технічної точки зору вітрова електроенергетика на сьогодні вже впритул наблизилася до традиційної: на сучасних вітрових турбінах коефіцієнт використання встановленої потужності сягає 42 відсотків. Це майже стільки, як на турбінах поширених нині теплових електростанцій.

5.3. Припливні електростанції (ПЕС)

Особливістю припливних електростанцій (ПЕС) є використання ними природної відновлювальної енергії морських припливів, природа яких пов’язана з припливоутворюючою силою, що виникає при гравітаційній взаємодії Землі з Місяцем і Сонцем. Для водяної оболонки Землі практичне значення має лише горизонтальна складова припливоутворюючої сили. Через близькість Місяця до Землі величина припливу під дією Місяця у 2, 2 раза більша сонячного.

На узбережжях морів і океанів найбільш часто зустрічається півдобовий приплив, в якого за добу Місяця (24 години 50 хвилин) максимальна хвиля припливу приходить двічі (мал. 5.10, а).

Величина припливу А визначається різницею рівня води при максимальному підйомі та мінімальному зниженні за період припливу. Максимальне відхилення від середнього рівня моря називається амплітудою припливу, рівною 0, 54.

Нерівномірність припливних коливань на протязі місячного місяця характеризується зміною величини припливу від Амакс (сигізія) до Амін (квадратура).

Зміну величини припливу протягом місячного місяця (29, 5 діб) наведено на рис. 5.10.

Закономірність зміни припливів всередині місяця, викликана рухом Місяця і Сонця, залишається практично незмінною для всіх місячних місяців року. Середнє значення величини припливу для всіх однойменних діб місячного місяця також є практично незмінним у річному багаторічному розрізі. Відмінною особливістю припливної енергії є і незмінність величини середньомісячної енергії для будь-якого року.

Рис. 5.10 - Графіки припливних коливань рівня моря: а – півдобового припливу;

б – місячної зміни величини припливу

Амплітуди і форми припливно-відпливних хвиль на різних узбережжях Світового океану суттєво різняться, що пов’язано із такими факторами, як глибина, конфігурація берегової лінії тощо. Так, максимальна величина припливу Амакас, що склала 19, 5 м, спостерігалась у Канаді в затоці Фанді на узбережжі Атлантичного океану, 16, 3 м – у Великобританії в поймі р. Северн, 14, 7 м – на півночі Франції, 11, 0 м – у Росії в Пенжинській затоці Охотського моря.

Для спорудження ПЕС необхідні сприятливі природні умови, що включають: значні припливи (А > 3–5 м); контур берегової лінії (бажано з утворенням затоки), який дозволяє відділити від моря басейн для роботи ПЕС при мінімальній довжині та висоті перегороджуючої греблі, сприятливі геологічні умови її підмурку.

Загальний потенціал, можливої для використання припливної енергії, у всьому світі орієнтовано оцінюється за потужністю в 1 млрд. кВт, а за виробленням – 2000 млрд. кВт·год.

На сьогодні у світі експлуатуються з 1967 р. ПЕС «Ля Ранс» (Франція) потужністю 240 МВт, з 1968 р. Кислогубська ПЕС (Росія) потужністю 0, 4МВт, з 1984 р. ПЕС Аннаполіс (Канада) потужністю 20МВт, 5 невеликих ПЕС в Китаї загальною потужністю 4, 3МВт, в тому числі збудована в 1985 р. ПЕС «Цзянсянь» потужністю 3 МВт, завершується будівництво ПЕС на озері Сихва в Південній Кореї потужністю 254 МВт.

Для ПЕС в основному використовується найбільш ефективна однобасейнова схема з односторонньою і двосторонньою дією. До складу споруд припливних електростанцій входять будівля для ПЕС, водопропускне спорудження і глуха гребля.

При однобасейновій схемі двосторонньої дії досягається найбільш повна відповідність роботи ПЕС природному циклу припливів і відпливів. Схема передбачає, що на початок припливу опущені засувки відділяють басейн від моря і при досягненні необхідного мінімального напору (між рівнями моря і басейну) починають працювати турбіни, використовуючи потік води з моря в басейн, прии цьому відбувається наповнення басейну. Коли перепад між морем і басейном досягає мінімуму, відключаються турбіни, засувки піднімаються і відбувається вирівнювання рівнів у морі та басейні, після чого засувки закриваються, відділяючи басейн від моря. У період відпливу при досягненні необхідного напору (між рівнями басейну і моря) включаються турбіни і відбувається зпорожніння басейну. Потім цикл повторюється (мал. 2.26).

а б

Рис. 5.11 - Схема ПЕС з одним басейном (а) і графік роботи ПЕС двосторонньої дії (б):
1 – рівні моря; 2 – рівні басейну; t p – періоди видавання потужності;
t o – період відкриття засувок для вирівнювання рівнів у басейні та морі

При роботі припливних електростанцій в енергосистемі, де спостерігається надлишок електроенергії в провальній частині графіка навантажень, можливе використання однобасейнової схеми двосторонньої дії з помповою підкачкою, що потребує встановлення оборотних агрегатів. Ці агрегати, працюючи в помповому режимі у період провалу в графіку навантажень, збільшують об’єм води в басейні й дозволяють збільшити вироблення електроенергії при відпливі, спрацьовуючи додатковий об’єм при збільшеному напорі. Основний ефект такої роботи досягається шляхом кращого вписування циклу роботи ПЕС в графік навантаження енергосистеми.

При однобасейновій схемі односторонньої дії спрощується цикл роботи ПЕС і її робота відбувається в одному напрямі при спорожненні або заповненні басейну, причому більш ефективною є робота турбін по схемі зі спорожненням басейну. За такою схемою також може використовуватися помпова підкачка зі встановленням оборотних агрегатів. У залежності від конкретних умов для одних ПЕС більш ефективною може бути схема односторонньої дії, для інших – двосторонньої.

Режим роботи ПЕС характеризується специфічними особливостями, пов’язаними з циклічністю припливів. ПЕС виробляє електроенергію протягом доби перервно у періоди припливів, які, однак, не співпадають у часі з піком у добовому графіку навантаження енергосистеми. У зв’язку з цим більш ефективна робота ПЕС в енергосистемах може бути досягнута при встановленні на них оборотних агрегатів, що дозволяє краще вписати цикл роботи ПЕС в графік навантаження енергосистеми. У цьому випадку ПЕС можуть також приймати участь в покритті пікової частини графіка навантаження.

У багатьох країнах, узбережжя яких омивається океанами, ведуться роботи з використання припливної енергії.

Виконання широкомасштабних робіт зі створення нових технологій і обладнання для ПЕС, застосування наплавного методу будівництва і нового гідроагрегату з ортогональною турбіною з к.к.д. до 70%, що являє собою поперечно-струйну турбіну, здатну обертатися в одну сторону при припливах і відпливах, дозволяє значно знизити капітальні вкладення і підвищити економічну ефективність ПЕС.

Другий варіант ПЕС дозволяє взагалі обходитися без греблі: на дні моря недалеко від берега встановлюються генератори з лопатями (подібно вітрякам), які обертаються водою, що рухається під час припливів/відпливів.

Ефективність використання відновлювальної енергії потужних ПЕС може бути досягнута в умовах об’єднаних систем при роботі разом з ТЕС, АЕС, ГЕС і ГАЕС, завдяки чому при переривистій роботі ПЕС у добовому циклі може забезпечуватися її оптимальне вписування у графік навантаження енергосистеми. Так, у період вироблення максимальної потужності ПЕС (при максимальній величині припливу) ГЕС з регулюючими водосховищами можуть відповідно знизити свою потужність і за рахунок цього збільшити потужність та вироблення енергії у період пікової частини графіка навантажень, у період роботи в помповому режимі ПЕС використовує надлишкову енергію ТЕС і АЕС.

5.4. Хвильові електростанції (ХЕС)

У теперішній час знаходять практичне використання установки з використання енергії хвиль в морях і океанах, сумарна потужність яких за різними методиками оцінюється в більше ніж 100 млрд. кВт.

За середньою висотою хвиль у Світовому океані 2, 5 м і періоді 8 с питомий потік енергії, який припадає на 1 м фронту хвилі, складає 75 кВт/м. Питомий потік енергії вітрових хвиль, наприклад, в морях (кВт/м): Азовське – 3, Чорне – 6–8, а сумарна потужність хвиль, набігаючих на узбережжя, складає (млн. кВт): на Чорному морі – 14, 7.

До позитивних факторів хвильової енергії відносяться значний сумарний потенціал, збільшення потужності в осінньо-зимовий період, коли зростає споживання електроенергії, а до недоліків – її переривчатість.

У різних країнах експлуатується велика кількість навігаційних буїв, які використовують енергію хвиль.

Хвильові гідроенергетичні установки складаються з трьох основних частин – робочого тіла (або водоприймача), силового перетворювача з генератором енергії і системи кріплення.

Робоче тіло (тверде, рідинне або газоподібне), безпосередньо контактуючи з водою, переміщується під дією хвиль або змінює тим чи іншим шляхом умови їх розповсюдження. Як робоче тіло можуть використовуватися поплавки, водоприймальні камери, еластичні труби, хвильовідбійні споруди тощо.

Силовий перетворювач призначений для перетворення енергії, яка запасається робочим тілом (механічної енергії руху твердого тіла, перепаду рівнів води в басейнах, тиску повітря або рідини), в енергію, придатну для передачі на відстань або для безпосереднього використання. Як силові перетворювачі можуть використовуватися гідравлічні або повітряні турбіни, водяні колеса, зубчаті або ланцюгові передачі та інші пристрої.

Однією з найбільш ефективних вважається пневматична хвильова електростанція (рис. 5.12). Основною частиною такої установки є камера, нижня відкрита частина якої занурена під найнижчий рівень води (ложбина хвилі). При підніманні й опусканні рівня води в морі в камері відбувається циклічне стискання і розширення повітря, рух якого через систему клапанів приводить до обертання повітряної турбіни. Така система широко використовується в світі для живлення електроенергією навігаційних буїв.

Рис. 6.12 - Схема пневматичної хвильової електростанції: а – схема руху повітряного потоку;

б – схема хвильової електростанції; 1 – корпус; 2 – повітряна турбіна; 3 – повітряна камера;

4 – сталева башта; 5 – генератор

Одна з перших в світі хвильових електростанцій потужністю біля 500 кВт у Норвегії також являє собою пневматичну хвильову установку, основною частиною якої є камера з нижньою відкритою частиною, зануреною під найнижчий рівень поверхні води.

Друга з двох перших в світі хвильових електростанції потужністю 450 кВт в Норвегії, яка використовує ефект набігання хвилі на пологу звужувальну поверхню (конфузорний схил), включає розташований у фіорді звужувальний канал довжиною 147м з турбінним водоприймачем, розташованим на 3 м вище середнього рівня моря. Установки такого типу, розташовані на березі, мають переваги перед іншими типами хвильових установок, виключаючи складності, пов’язані з їх обслуговуванням і ремонтом.

5.5. Геотермальні електростанції (ГеоТЕС)

Вираз «геотермальна енергетика» буквально означає, що це енергія тепла Землі («гео» – земля, «термальна» – теплова). Основним джерелом цієї енергії слугує постійний потік теплоти з розжарених надр, направлений до поверхні Землі. Земна кора отримує теплоту в результаті тертя ядра, радіоактивного розпаду елементів (подібно торію і урану), хімічних реакцій. Постійні часу цих процесів настільки великі відносно часу існування Землі, що неможливо оцінити, збільшується чи зменшується її температура.

Розрізняють п’ять основних типів геотермальної енергії:

• нормальне поверхневе тепло Землі на глибині від декількох десятків до сотень метрів;

• гідротермальні системи, тобто резервуари гарячої або теплої води, в більшості випадків самовиливної;

• парогідротермальні системи – родовища пари і самовиливної пароводяної суміші;

• петрогеотермальні зони або теплота сухих гірничих порід;

• магма (нагріті до 1300°С розплавлені гірничі породи).

У США в Долині гейзерів розташовано 19 геоТЕС загальною потужністю 1300МВт. Найпотужніша у світі геоТЕС (50 МВт) побудована також в США – геоТЕС Хебер.

Придатність термальних вод для тієї або іншої сфери використання ілюструється табл. 5.3.

Таблиця 5.3 - Сфера використання термальних вод

Температура термальної води, °С	Сфера використання
120–170	«Мала» електроенергетика з використанням робочих речовин типу фреону, аміаку та ін.
170–220	«Середня» електроенергетика з прямим використанням пароводяної суміші
Більше 220	«Велика» електроенергетика на природній сухій парі
	Геотермальні електростанції (геоТЕС) мають мають ряд особливостей: • постійний залишок енергоресурсів, що забезпечує використання повної встановленої потужності обладнання геоТЕС; • достатньо простий рівень автоматизації; • наслідки можливих аварій обмежують; • питомі капіталовкладення і собівартість електричної енергії в основному можуть бути нижчими, ніж на електростанціях, які використовують інші відновлювальні джерела енергії. ГеоТЕС можна розділити на три основні типи: • станції, які працюють на родовищах сухої пари; • станції з пароутворювачем, які працюють на родовищах гарячої води під тиском; • станції з бінарним циклом, в яких геотермальна теплота передається вторинній рідині (наприклад фреону або ізобутану) і відбувається класичний цикл Ренкіна.
Рис. 5.13 - Принципова схема двоконтурної геоТЕС: 1 – свердловина; 2 – теплообмінник; 3 – парогенератор; 4 – турбіна; 5 – електрогенератор; 6 – конденсатор з повітряним охолодженням; 7 – конденсатна живильна помпа; 8 – нагнітальна помпа.

Найбільший ефект має місце при комбінованих схемах використання геотермальних джерел як теплоносія для підігрівання води і вироблення електроенергії на теплових електростанціях, що забезпечує значну економію органічного палива і збільшує к.к.д. перетворення низькопотенційної енергії. Такі комбіновані схеми дозволяють використовувати для вироблення електроенергії теплоносії з початковими температурами вище 70–80°С.

ГеоТЕС, побудовані в США, Італії, Росії та інших країнах, за питомими капіталовкладеннями і вартістю електроенергії можуть конкурувати із сучасними ТЕС і АЕС.

У 2008 р. в світі встановлена потужність електрогенеруючих геотермальних установок склала біля 11 млн. кВт з виробленням біля 55 млрд. кВт·год.

За різними прогнозами потужність геотермальних станцій до 2030 р. зросте до 40–70 млн. кВт.

В Україні існують значні ресурси геотермальної енергії. Родовища геотермальних вод, придатних до промислового освоєння в Україні, розташовані в Закарпатській, Миколаївській, Одеській, Херсонській областях і в АР Крим. Найперспективнішими для використання геотермальних ресурсів є Карпатський регіон і Крим. Менш значимий потенціал геотермальних вод існує в Полтавській, Харківській, Сумській і Чернігівській областях. Річний технічний потенціал геотермальної енергії оцінюється як еквівалентний 12 млн. т у. п., що забезпечує перспективність розвитку геотермальної енергетики в країні.

Мінімальна – технологічно прийнятна для виробництва електроенергії при існуючих технічних можливостях – температура гірських порід становить 150°С. Така температура гірських порід у межах України зафіксована на глибинах 3-10 км (у Донбасі – 4-6 км). Відповідно до проведеної оцінки геологічні ресурси геотермальної енергії найперспективніших в Україні площ в інтервалі глибин 3-10 км складають близько 15 трлн. т у.п. до 7 км – 3 трлн. т у.п.

Першу геотермальну систему в Україні збудовано у 1988 р. на території с. Іллінки Сакського району Криму. Станом на 2004 р. в Україні введено дев’ять геотермальних установок загальною потужністю 10, 6 МВт. Звичайно, в сукупному енергетичному балансі геотермальна енергія не може відігравати значної ролі. Але для районів зі сприятливими умовами геотермальні станції можуть задовольнити місцеві потреби в електроенергії. Вони доцільні в технологічних процесах харчової та місцевої переробної промисловості, при виробництві будівельних матеріалів тощо.