Глава 7.Энергия приливов

7.1. Введение

Приливные колебания уровня в морях и океанах Земли вполне предсказуемы. Основные периоды этих колебаний – суточные, продолжитель­ностью около 24 часов и полусуточные – около 12 ч. 25 мин. Разность уровней между последовательными – самым высоким и самым низким уровнями воды – высота прилива R. Диапазон изменения этой величины составляет 0,5…10 м. Во время приливов и отливов перемещение водных масс обра­зует приливные течения, скорость которых в прибрежных проливах, или между островами, может достигать примерно 5 м/с.

Поднятую на максимальную высоту во время прилива воду можно отде­лить от моря дамбой или плотиной в бассейне площадью А. Если затем во время отлива пропустить эту массу воды через турбины, то можно получить среднюю мощность Р = 0,5 АR² g.

Например, при А = 10 км², R= 4 м и  = 12 ч. 25 мин усредненная величина мощности Р=17 МВт.

Энергия приливных течений может быть преобразована подобно тому, как это делается с энергией ветра. Мощность, снимаемая с 1 м² площади поперечного сечения приливного потока при максимальной скорости U₀, равна примерно q  0,1U_o³. Для U_o=3 м/с q12 кВт/м².

Несмотря на большие потенциальные возможности, присущие приливным электростанциям (ПЭС), они имеют и определенные недостатки. Это очень высокие капитальные затраты на сооружение большинства предпо­лагаемых ПЭС; потенциальные экологические нарушения и изменения режимов эстуариев и морских районов. Безусловно, вопрос о строительстве ПЭС в данном районе зависит от многих факторов, которые должны учи­тываться при проектировании такой ПЭС. Окончательный критерий ком­мерческого успеха ПЭС – затраты на 1 кВт/ч, вырабатываемой ею электроэнергии. Они могут быть снижены за счет следующих мероприятий: если станция будет решать несколько комплексных задач; если проценты на капитал, вложенный в финансирование строительства при высоких капитальных затратах невысоки; если вырабатываемая электроэнергия ис­пользуется для снижения потребления дорогого дизельного топлива.

Но обычно стремятся мощность ПЭС довести до значений 1000 Мвт, так как они дают дешевую электроэнергию, но проектируют и строят небольшие ПЭС [40]. Далее в этой главе рассмотрим основные вопросы, позволяющие рассчитать мощность ПЭС.

7.2.Усиление приливов

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 С, связанную с ускорением силы тяжести и глубиной моря h соотношением C = (gh)^0,5.

Резонансное усиление приливов в эстуариях и заливах подобно тому, как это происходит при резонансе звуковых волн в акустических резонаторах (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Вид в плане резонансного усиления приливной волны в эстуарии для идеализированного залива глубиной h и длиной L = /4

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

L = n/4. (7.1)

где n – 1, 3, 5... нечетное число.

Соответствующая резонансная частота f_r и период Т_r связаны между собой таким образом:

f_r= 1/T_r = с/, (7.2)

Следовательно,

T_r= /c = 4L/n (gh)^0.5 . (7.3)

Резонанс возникает, если период вынужденных колебаний Т_n равен периоду собственных колебаний Т_r, то есть

T_n = 4L / (gh)^0,5 ; L/h^0,5 = h/4 g^0,5 T_f. (7.4)