Використання енергії припливів

Рівень води на морських узбережжях протягом доби міняється чотири рази, такі коливання особливо проявляються в затоках і гирлах річок, що впадають у море. Древні греки поясняли коливання рівня води волею володаря морів Посейдона. В XVIII ст. англійський фізик Ісаак Ньютон розкрив таємницю морських припливів і відпливів: великі маси води у Світовому океані приводяться в рух силами притягання Місяця і Сонця з періодом 6 год 12 хв.

Якщо Місяць, Сонце і Земля знаходяться на одній прямій (так звана сизигія), Сонце своїм притяганням підсилює вплив Місяця, і тоді наступає сильний приплив (сизігійний приплив, або велика вода). Коли ж Сонце стоїть під прямим кутом до відрізка Земля - Місяць (квадратура), наступає слабкий приплив (квадратурний, або мала вода). Сильний і слабкий припливи повторюються через сім діб. Однак суть припливів і відпливів значно складніша, вона залежить від руху небесних тіл, глибини води, морських течій, вітру, характеру берегової лінії.

Найбільш високі припливи виникають у мілких і вузьких затоках, гирлах річок, що впадають у моря та океани. Припливна хвиля Атлантичного океану розповсюджується на 900 км вверх по Амазонці, в річці Г анг припливна хвиля Індійського океану відчувається на відстані 250 км від гирла річки. В таких закритих морях, як Середземне та Чорне, виникають припливи, але висотою близько 50-70 см. Загальна кількість припливної енергії у Світовому океані оцінюється на 3,9-1014 кДж.

Велике значення має й конфігурація океанських акваторій та берегів, які часто створюють унікальні умови для припливів. Наприклад, різниця в рівнях припливів на Таїті становить 25 м.

Перетворення енергії припливу на механічну енергію застосовувалося ще на початку XI ст. в припливних млинах, які будували в гирлах річок, що впадали в океан. Для цього перегороджували дамбами річки і створювали резервуари, в яких встановлювалися засувні ворота чи шлюзи. Коли починався приплив, шлюзи відчинялися всередину, й вода заповнювала резервуар. Знижуючи свій рівень при відпливі, вода сама зачиняла шлюзи. Якщо було необхідно, вода подавалася крізь вузькі ворота зливу на лопаті водяних коліс.

У перших припливних млинах використовувалася тільки потенціальна енергія води, зібраної в резервуар. Пізніше, коли були винайдені ефективні насоси, з'явилася можливість використання й другого виду енергії припливів - кінетичної, тобто енергії води, яка рухається.

В затоки і гирла річок вода затікає при припливі і витікає при відпливі. Якщо перегородити створ затоки або гирла річки греблею, за нею утворюється басейн, рівень води в якому нижчий, а при відпливі вищий, ніж у морі. Ця різниця рівнів використовується турбінами припливних електростанцій (ПЕС); при вирівнюванні рівнів - ПЕС припиняє роботу. Спрощену схему припливної електростанції подано на рисунку 4.8.9.

Г ребля

Найбільш високий рівень води

Басейн

Найбільш низькии - рівень води -

:Зворотний ^ гідротурбогенератор

Рисунок 4.8.9 - Спрощена схема ПЕС

Потенціальна (теоретична) потужність ПЕС (кВт) визначається виразом [2]

Р = 225-A2 F, де А - середньорічна висота припливів, м;

F - площа басейну за дамбою, км.

Енергія, яку виробляє ПЕС за рік (млн кВт-год/рік), визначається виразом

W = 1,97 - A2-F, технічний потенціал реально досягає 33 % від теоретичного.

Недоліком найпростіших ПЕС з одним басейном (рисунок 4.8.10 а) є добова нерівномірність виробництва електроенергії, тобто двічі на добу протягом 3-4 год виробляється електроенергія, а між цими періодами станція не працює, при цьому робочі періоди зміщуються в часі в результаті неспівпадання сонячної і місячної діб.

ПЕС з двома басейнами (рисунок 4.8.10 б) виробляє електричну енергію безперервно і з невеликими коливаннями протягом доби. Гідроагрегати встановлені в додатковій греблі, що розділяє два басейни. Послідовність роботи така: при повному припливі

зачиняються отвори в греблі 1 і вода через турбіни ПЕС скидається в нижній басейн; при вирівнюванні рівнів нижнього басейну і моря при відпливі відкриваються отвори греблі 2; при мінімальному рівні відпливу нижній басейн перекривається від моря і продовжує заповнюватися з верхнього басейну; коли рівень верхнього басейну

зрівнюється з морським при припливі, відкриваються отвори в греблі 2 і ПЕС працює у зворотному порядку на воді з моря.

Графік потужності

tO 72 год

Гіребля

год

Рисунок 4.8.10 — Припливні електростанції:

а) - з одним басейном; б) - з двома басейнами

Припливні електростанції мають великий водозбірний басейн чи резервуар, з’єднаний із морем руслом річки чи спеціальним каналом, у якому встановлюють реверсивні турбіни, що примушують обертатися електрогенератор. Така електростанція перетворює енергію припливів послідовно на механічну, а потім на електричну як під час припливу, так і під час відпливу.

Перша у світі та найбільша на сьогодні ПЕС розташована у Франції на березі Ла-Маншу в гирлі річки Ране (рисунок 4.8.11). Приплив у цьому місці переміщує 189 тис. м3 води за 1 с. Різниця рівнів становить 13 м, а швидкість течії між містами Брестом і Сен - Мало часто досягає 90 км/год. У середині дамби дуже великого накопичувального резервуара містяться 24 турбоальтернатори - турбогенератори зі зворотними лопатями ротора турбіни. Кожен із них може функціонувати і як турбіна, і як насос, який працює і в бік моря, і в зворотному напрямку. В дамбу вмонтовані навігаційні замки і спускні шлюзи. В цілому потужність станції становить 240 МВт, і за рік станція виробляє в середньому 502 млн кВт-год електроенергії.

Рисунок 4.8.11 - Припливна електростанція на річці Ране

На черзі спорудження ПЕС у затоці Фанді в Канаді з рекордним 18-метровим припливом, у гирлі річки Северен в Англії із 14,5- метровим припливом та в інших регіонах із великими припливами води.

До недоліків ПЕС слід віднести труднощі, пов’язані із захистом дамб та устатковання від ударів льодяних торсів, особливо у північних районах. Поблизу дамб морська флора й фауна дуже потерпають внаслідок (хоча й незначного) підвищення температури та зменшення вмісту кисню у воді. Крім того, дамби перешкоджають міграції риб.

Основною позитивною рисою енергії припливів є те, що вона легко обліковується завдяки постійності її фаз. Однак велика тривалість останніх і малий потенціал енергії припливів зумовлюють необхідність створення ємних акумуляторів цієї енергії. Використання енергії припливів у малопотужних установках взагалі неекономічне.