Использование энергии приливов и морских течений

7.3.2.1. Мощность приливных течений
и приливного подъема воды

Вблизи побережья и между островами приливы могут создавать достаточно сильные течения, пригодные для преобразования энергии. Устройства для преобразования энергии приливных течений будут практически сходны с аналогичными устройствами, приводимыми в действие течениями рек.

Соотношения, позволяющие оценить мощность приливных течений, подобны тем, которые используются в ветроэнергетике, при этом следует иметь в виду, что плотность воды во много раз выше плотности воздуха, а скорости течения воды сравнительно низки.

Плотность мощности потока воды, Вт/м², равна

. (7.23)

В случае приливного или речного течения при скорости, например, 3 м/с . Только часть полной энергии потока может быть преобразована в полезную. Как и для ветра, это значение не может превышать 60%. На практике оказывается, что это значение можно довести максимум до 40%.

Скорости приливных течений изменяются во времени примерно как

, (7.24)

где – период естественного прилива, 12 ч 25 мин для полусуточного; – максимальная скорость течения, м/с.

Таким образом, электрическая мощность, снимаемая с 1 м² площади поперечного сечения потока (с учетом 40%-й эффективности преобразования энергии потока в электрическую), в среднем равняется:

. (7.25)

При максимальной скорости около 5 м/с, встречающейся в проливах между островами, ≈14 кВт/м². Перекрыв площадь 1000 м², можно получить полную среднюю мощность электростанции около 14 МВт.

Обычный прилив в открытом океане имеет высоту менее 1 м и не пригоден для целей энергетики. Однако вблизи ряда эстуариев и некоторых других природных образований высоты приливов увеличиваются.

Приливное движение в море имеет форму движущейся волны, называемой приливной волной. В этой волне, длина которой довольно велика, если сравнить с глубиной моря, весь столб воды от поверхности до дна движется с одинаковой скоростью. Движение непрерывно распространяющейся приливной волны имеет скорость , связанную с ускорением силы тяжести и глубиной моря соотношением .

Резонансное усиление приливов в эстуариях и заливах подобно тому, как это происходит при резонансе звуковых волн в акустических резонаторах (см. рис. 7.8).

Рисунок 7.8 – Вид в плане резонансного усиления приливной волны в эстуарии для идеализированного залива глубиной и длиной

Резонанс для приливной волны, набегающей со стороны открытого моря, наступает, когда:

, (7.26)

где – 1, 3, 5... нечетное число.

Соответствующая резонансная частота и период связаны между собой таким образом:

, (7.27)

Следовательно,

. (7.28)

Резонанс возникает, если период вынужденных колебаний равен периоду собственных колебаний _, то есть:

. (7.29)

Уже разработан целый ряд современных устройств для преобразования энергии приливных течений, один из которых показан на рис. 7.9. Капитальные затраты на создание подобных устройств в расчете на 1 кВт установленной мощности достаточно высоки, поэтому их строительство целесообразно лишь в отдаленных районах с высокими скоростями приливных течений, где любые альтернативные источники энергии еще более дороги.

Рисунок 7.9 – Схема электростанции на приливном течении

Основы теории приливной энергетики достаточно просты. Предположим, что бассейн ПЭС наполняется при высокой воде и опустошается через турбины при малой воде (см. рис. 7.10).

Рисунок 7.10 – Схема извлечения приливной энергии

Пусть бассейн имеет постоянную площадь , остающуюся покрытой водой при малой воде. Допустим, что поступившая в бассейн вода имеет массу , сосредоточенную в центре тяжести на высоте от уровня малой воды, и что вся вода вытекает из бассейна при малой воде. Потенциально максимальную энергию от прилива можно получить, если вся вода падает с высоты . В этом случае энергия прилива:

. (7.30)

Если энергия преобразуется в течение продолжительности периода прилива, то средняя потенциальная мощность за приливный период оказывается равной:

. (7.31)

Высота прилива в течение месяца изменяется от максимального значения (сизигийный прилив) до минимального (квадратурный прилив). Форма огибающей этого изменения имеет синусоидальный характер (см. рис. 7.11).

Рисунок 7.11 – Изменение высоты прилива в течение лунного месяца (29,53 суток)

В любой произвольный момент времени после достижения приливом средней высоты в течение всего лунного месяца ( =29,53 суток), высота прилива определяется соотношением

. (7.32)

Если

, (7.33)

то высота прилива определяется таким образом:

. (7.34)

При определении мощности учитывается средний квадрат высоты прилива:

. (7.35)

Вычислив интеграл (7.35), получим

. (7.36)

Средняя мощность, производимая в течение месяца, равняется:

. (7.37)

где ; – период прилива.

Так как »0,5, то выражение (7.37) мало отличается от часто применяемой аппроксимации:

, (7.38)

где – средняя высота по всем приливам.

Среднюю мощность можно выразить еще как:

, (7.39)

гдe и – максимальное и минимальное значения .

На практике в системе, использующей срабатывание запаса воды из заполняемого в прилив бассейна, несмотря на достаточно высокую эффективность преобразования получить максимальную мощность нельзя. Этому препятствуют следующие обстоятельства.

Генерирование электроэнергии не может быть обеспечено вплоть до условий малой воды, таким образом, часть потенциальной энергии прилива не может быть преобразована.

Турбины ПЭС должны работать при низком напоре и при больших скоростях потоков – условия необычные для имеющейся обычной гидроэнергетической практики.

Невозможно равномерно снабжать потребителей электроэнергией из-за изменения уровня воды в бассейне.

На рис. 7.12 показано, что ПЭС может работать как при опустошении бассейна, так и при его наполнении. Оптимальная станция, использующая реверсируемые гидроагрегаты, которые, кроме того, можно еще использовать и в насосном режиме для повышения уровня в бассейне, может перерабатывать до 90% потенциальной энергии прилива.

Рисунок 7.12 – Работа ПЭС

Благоприятными условиями для строительства ПЭС являются значительные высоты прилива , большая площадь бассейна , малая длина створа и соответственно малые затраты на строительство плотины. ПЭС Ле-Ранс во Франции, расположенная в устье р. Ранс, имеет мощность 240 МВт, годовая выработка энергии составляет 600 млн. кВт.·ч. Экспериментальная Кислогубская ПЭС в России расположена на побережье Кольского полуострова, имеет один гидроагрегат мощностью 400 кВт. Проектируется Лумбовская ПЭС на Кольском полуострове мощностью 320 МВт с выработкой 800 млн. кВт.·ч. В отдаленной перспективе рассматривается возможность строительства Мезенской ПЭС мощностью 6000 МВт. По проекту длина плотины этой ПЭС составит 45 км, в ней будут установлены 2000 обратимых турбоагрегата, годовая выработка электроэнергии должна составить 36 млрд кВт.·ч. В Англии разработан проект приливной станции Северн мощностью 7000 МВт, на которой горизонтальные турбины имеют диаметр ротора 15 м. Во Франции пректируют станцию Шозе на 12000 МВт.

Недостаток простейших ПЭС с одним бассейном (см. рис. 7.13, а) – суточная неравномерность производства электроэнергии.

Рисунок 7.13 – Приливные электростанции:

а – с одним бассейном; б – с двумя бассейнами

Станция работает следующим образом. Затворы в плотине, пропускающие воду через гидротурбину, остаются закрытыми, пока разность уровне в море и бассейне не станет достаточной для работы турбин. Когда достигается необходимый напор, затворы открываются и начинают работать, пропуская воду в бассейн или в море. Таким образом, на такой ПЭС дважды в сутки на протяжении 3-4 часов производится электроэнергия, и между этими периодами станция не работает, причем рабочие периоды смещаются во времени из-за несовпадения продолжительности лунных и солнечных суток.

ПЭС с двумя бассейнами (см. рис. 7.13, б) вырабатывают энергию непрерывно и с небольшими колебаниями в течение суток. На станции такого типа гидроагрегаты установлены в дополнительной плотине, разделяющейтипа гидроагрегаты установлены в дополнительной плотине, разделяющей бассейн на два. В момент максимума уровня в море, когда верхний бассейн заполнен до отказа, закрываются водопропускные отверстия в плотине 1. Вода через турбины ПЭС срабатывается в нижний бассейн, также отключенный от моря. Когда уровень в нижнем бассейне выравнивается с уровнем моря, понижающимся при отливе, открывают водопропускные отверстия на плотине 2, и уровень в нижнем бассейне следует за уровнем моря. В этой фазе ПЭС работает на разности уровней верхнего бассейна и моря. При минимальном уровне отлива нижний бассейн отключается от моря и продолжает заполняться из верхнего бассейна через турбины. Когда уровень верхнего бассейна сравнивается с морским, повышающимся при приливе, открываются водопропускные отверстия в плотине 2, и ПЭС работает на воде из моря.

Строительство гидротехнических сооружений ПЭС с двумя бассейнами обходится гораздо дороже. Представляют интерес проекты сочетания ПЭС с одним бассейном и ГАЭС, когда ночная выработка приливной электростанции идет на заряд ГАЭС.