Уровень воды на морских побережьях в течение суток меняется три раза. Такие колебания особо заметны в заливах и устьях рек, впадающих в море. В ХVIII веке английский физик Исаак Ньютон разгадал тайну морских приливов и отливов: огромные массы волы в мировом океане приводятся в движение силами притяжения Луны и Солнца. Через каждые 6 и 12 часов прилив сменяется отливом. Максимальная амплитуда приливов в разных местах нашей планеты неодинакова и составляет от 4 до 20 м.
Приливные электростанции сооружаются на побережье морей и океанов со значительными приливно-отливными колебаниями уровня воды. Для этого естественный залив отделяется от моря плотиной и зданием приливной электростанции (ПЭС). При приливе уровень моря будет выше уровня воды в отделенном от него заливе, а при отливе, наоборот, ниже уровня воды в заливе. Перепады этих уровней создают напор, который используется при работе гидротурбины ПЭС. Принципиальная схема ПЭС показана на рисунке– фрагмент IV.
Для устройства простейшей ПЭС нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит.
Считается экономически целесообразным строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность ПЭС зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.
В некоторых морских заливах приливы достигают 10 ÷ 12 м, а наибольшие приливы наблюдаются в заливе Фанди (Канада) и достигают 19,6 м.
В приливных электростанциях двустороннего действия турбины работают при движении воды из моря в бассейн и обратно. ПЭС двустороннего действия способна вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4 ÷ 5 ч с перерывами в 1 ÷ 2 ч четыре раза в сутки. Для увеличения времени работы турбин существуют более сложные схемы – с двумя, тремя и большим количеством бассейнов, однако стоимость таких проектов весьма высока.
Энергетические установки, преобразующие энергию океана. Электростанции, используемые энергию океанических волн, существуют пока только в стадии научно-исследовательских разработок и научных идей. Рассмотрим принципиальные идеи и перспективы использования некоторых из них.
Наиболее простым и достаточно эффективным является устройство профессора Эдинбургского университета С. Солтера. Это устройство преобразовывает колебательное движение жидкости во вращательно-колебательное движение поплавка, называемого "уткой".
Поплавок Солтера
Волны слева от поплавка заставляют его колебаться вокруг заякоренной оси, а цилиндрическая противоположная поверхность препятствует перемещению волны вправо, то есть, прерывает движение волны, отбирая ее энергию. Полезная мощность снимается с оси вращательно-колебательной системы. Данное устройство пропускает не более 5% энергии волны вправо, то есть, является достаточно эффективным. На рисунке 8.2 показана зависимость КПД (коэффициент полезного действия) устройства Солтера от периода колебаний волны при диаметре 15 метров.
Устройство Солтера работает независимо от направления волны, что позволяет использовать его в открытом океане на глубокой воде. Предлагается нить таких поплавков протяженностью несколько километров установить в районе западнее Гебридских островов (Атлантический океан). Предполагаемая мощность такой станции 100 МВт. Другой тип преобразователя энергии волны в электроэнергию использует колебания давления газа, защемляемого столбом воды
Энергетическая эффективность поплавка Солтера
а б
Установка для преобразования энергии волны
а – подъем волны, б – спад волны
Принцип работы:
Ученые подсчитали, что для хорошей работы электростанции необходимо, чтобы перепад уровней между отливом и приливом составлял более четырех метров. Таким образом с увеличением разницы высот воды увеличивается эффективность работы приливной электростанции. Наиболее подходящим местом для использования энергии приливов необходимо считать такое место на морском побережье, где приливы обычно имеют наибольшую амплитуду, а береговой рельеф позволяет создать большой замкнутый «бассейн».
Хорошим местом для постройки приливной электростанции является узкий морской залив, который отсекается плотиной от океана. В отверстиях плотины размещаются гидротурбины с генераторами. Генератор и турбина заключены в обтекаемую капсулу, которая очень удобна в использовании. Главным достоинством таких капсульных агрегатов является их универсальность. Они способны не только вырабатывать электрическую энергию при движении через них морской воды, но и выполнять функции насосов. При этом производство электроэнергии происходит как в период прилива, так и в период отлива.
Принцип работы ПЭС
Режим работы приливной электростанции обычно состоит из нескольких циклов. Четыре цикла, это простой, по 1-2 часа, периоды начала прилива и его окончания. Затем четыре рабочих цикла продолжительностью по 4-5 часов, периоды прилива или отлива, действующих в полную силу. В ходе прилива водой наполняется бассейн приливной электростанции. Движение воды вращает колеса капсульных агрегатов, и электростанция вырабатывает ток. Во время отлива вода, уходя из бассейна в океан, опять вращает рабочие колеса, теперь в обратную сторону. И вновь электростанция снова производит электрический ток, потому что рабочий агрегат обеспечивает одинаково хорошую работу при вращении колеса в любую из сторон. В промежутках между приливом и отливом движение колес останавливается. Какой же выход из этого положения? Чтобы не было перебоев, энергетики связывают приливную электростанцию с другими станциями. Это могут быть, например, тепловые или атомные электростанции. Получившееся энергетическое кольцо помогает во время пауз переложить нагрузку на соседей по кольцу.
Пример суточного режима работы приливной электростанции
Установка работает следующим образом:
При подъеме волны нижняя полость заполняется водой, которая вытесняет газ через левый нижний клапан в верхнюю полость и через правый верхний клапан в атмосферу. Газ, проходя через турбину, вращает ее, которая в свою очередь вращает генератор.При спаде волны уровень в нижней полости падает, создавая разрежение. Воздух из атмосферы засасывается через верхний левый клапан в верхнюю полость, проходит через турбину, вращая ее, и далее поступает через правый нижний клапан в нижнюю полость. Таким образом турбина вращается в одну сторону и при подъеме, и при спаде волны, а не совершаются вращательно-колебательные движения, как в поплавке Солтера. Уже имеются коммерческие установки такого типа, работающие по принципу изменения давления газа, правда, небольшой мощности. Такие установки используются для электроосвещения аварийных буйков.
Схема действия приливной энергоустановки приведена на рисунке
Схема приливной электростанции
Приливные электростанции устанавливаются на входе в бассейн высокого прилива на высоте, несколько меньшей нижнего уровня воды при отливе. Это дает возможность использовать оба направления движения воды (и при приливе, и при отливе). Естественно необходима система реверсирования, подобная представленной на рисунке 10.3, или реверсивная турбина. Принцип действия приливной электростанции /9/ понятен из рисунка 10.4 и не требует дополнительных пояснений.
Схема электростанции на тепловой энергии океана
1 – подача теплой воды, 2 – испаритель, 3 – насос подачи рабочей жидкости, 4 – турбина, 5 – генератор, 6 – конденсатор, 7 – подача холодной воды, 8 – поверхность океана, 9 – океанические глубины.
Приливные электростанции в отличие от волновых имеют практическое применение. Этому способствовали более низкие затраты на транспортировку электроэнергии, и высокая регулярность, и предсказуемость энергии приливов.
Приведенная на рисунке электростанция по сути является тепловой машиной, приводимой в действие разностью температур холодного и горячего тела, и вращающей генератор. Рабочее тело (легко испаряемая жидкость) циркулирует по замкнутой схеме: отбирает тепло горячей воды в теплообменнике испарителя, в паровой фазе приводит в действие турбину, соединенную с генератором, конденсируется в конденсаторе, охлаждаемом холодной водой. Затем цикл повторяется. Электростанции, работающие за счет разности температур слоев океана, находятся в стадии научно-исследовательских разработок, коммерческих проектов пока нет.