глава 8
ПРИЛИВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРИЛИВНЫХ КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ
Природа приливов на морских побережьях связана с воздействием на водную оболочку Земли сил притяжения Луны и Солнца. Несмотря на значительно большую массу Солнца по сравнению с массой Луны близость нашего спутника к Земле создает большее притяжение водной поверхности по сравнению с Солнцем. Амплитуда колебания уровня моря под воздействием Луны в 2,2 раза больше амплитуды от солнечного воздействия.
При движении Луны вокруг Земли эллипсоид вращения водной поверхности следует за Луной (рис. 8.1,а), и за время одного оборота Луны вокруг Земли (лунный месяц) Земля вокруг своей оси делает 29,53 оборота.
Луна за это время проходит все фазы своего движения, а уровень моря в соответствии с этими фазами охватывает полный диапазон колебаний волны прилива. Закономерность колебания уровня моря в данном месте побережья практически не меняется от одного лунного месяца к другому.
Рис. 8.1. Закономерности приливных колебаний уровня океана:
а — схема воздействия Луны наводную поверхность; б — график полусуточного прилива; в — изменение величины прилива в течение месяца; г — график обеспеченности величины прилива; д — идеальный цикл обработки и заполнения бассейна; I — Земля; 2 — Луна; 3 — эллипсоид вращения водной поверхности Земли
На побережьях океанов и морей чаще всего наблюдается так называемый полусуточный прилив, в течение которого за лунные сутки (24 ч 50 мин) максимальная волна прилива наступает 2 раза с интервалом по времени в 12 ч 25 мин — период прилива (рис. 8.1,б). Величина прилива А (разность уровней моря при максимальном подъеме и минимальном снижении за период прилива) зависит от взаимного расположения Земли, Солнца и Луны. На рис. 8.1,в показано колебание уровня моря zM в течение лунного месяца. При расположении Солнца, Земля и Луны на одной прямой силовые воздействия Солнца и Луны на видную оболочку Земли складываются и тогда возникает максимальный сизигийный прилив. Когда Луна и Солнце находятся по отношению к Земле под углом 90°, силовое воздействие Солнца вычитается из лунного притяжения и происходит минимальный квадратурный прилив.
В действительности закономерности приливов значительно сложнее. На них сказываются и другие факторы, в частности глубины и конфигурация береговой линии, что и приводит к различиям в амплитудах и в формах приливно-отливной волны в разных местах.
Характерным показателем является средний уровень моря (СУ), причем предельные отклонения от среднего уровня за период называют амплитудой прилива А/2. Экстремальные отметки поверхности воды называют низкой малой водой (НМВ), высокой малой водой (ВМВ), низкой полной водой (НПВ) и высокой полной водой (ВПВ).
В течение лунного месяца величина прилива изменяется ОТ Амакс (СИЗИГИЯ) до Амин (квадратура). Отношение Амакс/Амин остается постоянным и равно трем. Средняя амплитуда колебаний в месячном, годовом и многолетнем разрезах также постоянна ввиду неизменности астрономических факторов.
За солнечный год (8760 ч) происходит 705 полусуточных приливных циклов, причем имеется абсолютная определенность зависимости уровня от времени zM=f(t), и график обеспеченности этой функции в заданном месте морского побережья изображается кривой (рис. 8.1,г) с коэффициентом асимметрии С, равным нулю.
Максимальная амплитуда колебания уровня на морских побережьях различна. Наибольшая величина прилива Амакс=19,6 м наблюдалась в заливе Фанди на Канадском побережье Атлантического океана. В Англии в устье р. Северн Амане — 16,3 м, на севере Франции Амакс=14,7 м. В СССР наибольшие приливы зафиксированы в Мезенском заливе Белого моря (10,2 м) и в Пенжинской губе Охотского моря (11,0 м); на Кольском побережье А =4-:-6,2 м.
Рис. 8.5. ПЭС с двумя бассейнами:
а — принципиальная схема; 6 — цикл непрерывной работы ПЭС с односторонним направлением течения
Здание станции 1 находится между двумя бассейнами с площадями зеркала Fσ1 и Fσ1, разделенными ограждающими водоподпорными сооружениями 2, которыми бассейны отделены и от моря. Имеются две группы водопропускных сооружений Β1 и В2 с затворами.
Цикл работы ПЭС с двумя бассейнами показан на рис. 8.5,б. Построение его таково, что всегда уровень в первом бассейне выше, чем во втором, причем первый бассейн затворами 1 соединяется с морем в фазе верхней части прилива, а второй бассейн соединяется затворами 2 с морем в фазе нижней части отлива. Турбины ПЭС все время работают в одном направлении — из бассейна 1 в бассейн 2. В момент t1 затворы 1 открываются, а 2 закрыты. В период t1 — 2 расход ПЭС определяется соотношением
С момента t2 обе группы затворов закрыты, бассейн 1 срабатывается, бассейн 2 заполняется. В этот период
В момент h открываются затворы 2 и в период U бассейн опорожняется:
Далее процесс повторяется. Выдача мощности в энергосистемы осуществляется непрерывно, причем имеется возможность распределять ее в течение суток в соответствии с требованиями графика нагрузки.
Как видно, ПЭС с двумя бассейнами имеет весьма благоприятные энергетические показатели, однако в настоящее время такие электростанции не считаются целесообразными в основном из-за высокой стоимости ограждающих водоподпорных сооружений, кроме того, разделение бассейна на две части снижает энергетический потенциал.
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПРИЛИВОВ
Первая крупная ПЭС Ране была пущена в эксплуатацию в 1966 г. во Франции. Она построена в устье р. Ране, которое использовано в качестве бассейна (рис. 8.6,с). Ширина перегороженного створа составляет 750 м. При максимальной высоте прилива 13,5 м наибольшая глубина достигает 12 м ниже нуля морских карт (фактическая наибольшая глубина 25,5). Подпорный фронт образован зданием ПЭС Ϊ длиной около 390 (мощность 240 МВт, 24 капсульных агрегата), водопропускным сооружением 2 длиной 115 м (6 пролетов 15Х 7Х10 м, перекрытые плоскими Катковыми затворами с гидроприводом) и глухой дамбой 3 длиной 175 м. Кроме того, в составе гидроузла имеется судоходный шлюз 4.
Станция работает в диапазоне величин прилива:сизигийных (9 — 12 м), проходящих в течение одной недели, и квадратурных (5 — 9 м), проходящих в другую неделю. Расчетный напор турбин 5,65 м. Один из осуществляемых на станции циклов работы показан на рис. 8.6,б. Как видно, цикл двусторонний с подкачкой в обе стороны и со сдвигом по фазе относительно прилива. Годовая выработка энергии составляет около 0,56-109 кВт-ч [по формуле (8.1), считая Аср—9 м, получаем 3=2,2 — 109, т. е. фактическая выработка энергии меньше потенциальной в 4 раза].
ПЭС Ране строилась традиционным методом с ограждением котлованов и сооружений шпунтовыми засыпными перемычками. Характерно распределение капиталовложений: 28% составили собственно строительные конструкции, 55%—оборудование, 13%—перемычки, 4% —другие расходы. Эксплуатационные издержки невелики, и стоимость энергии близка к стоимости энергии ГЭС. Первый опыт использования приливной энергии оказался экономически оправданным.
Широкомасштабные исследования и разработки в области использования энергии приливов проводятся в СССР с 50-х годов. Первым итогом этого этапа работы явились сооружение и пуск в 1968 г. на Баренцевом море недалеко от Мурманска опытной Кислогубской ПЭС проектной «мощностью 800 кВт в двух агрегатах (установлен один агрегат). Место сооружения ПЭС — губа Кислая — представляет собой узкий залив шириной около 150 и длиной около 450 м, а горловина, отделяющая губу от моря, имеет ширину всего 35 м, что значительно облегчало отделение ее от моря. Площадь акватории 1,1 км2. Прилив имеет правильную полусуточную форму, причем максимальный сизигийный прилив составляет 3,96 м, средний —2,27 м, минимальный квадратурный—1,07 м. Очевидно, что при столь малом приливе не представляется возможным получить существенный энергетический эффект.
Рис. 8.6. ПЭС Ране:
а - компоновка сооружения; б — двусторонний цикл работы с подкачкой
Но несмотря на это Кислогубская ПЭС оказала решающее воздействие на дальнейший подход к использованию энергии приливов, причем основным достижением была разработка и осуществление станции в виде тонкостенных железобетонных наплавных конструкций, которые изготовляются в специальных доках, доставляются буксировкой на плаву и устанавливаются на место без ограждения котлована перемычками. Это существенно удешевляет сооружение ПЭС и принято в мировой практике как наиболее целесообразное конструктивное «решение ПЭС.
В настоящее время ведутся работы по проектированию крупных ПЭС мощностью 320 и 4000 — 10 000 МВт — Кольской и Мезенской на Белом море, где приливы достигают 7 — 10 м. Особенно эффективным в энергетическом отношении может оказаться сооружение гидроэнергетического комплекса в составе ГЭС—ГАЭС и Кольской ПЭС. В дальнейшей перспективе имеется реальная возможность использования огромного гидроэнергетического потенциала приливной энергии Охотского моря.
Проблемой использования энергии приливов занимаются в ряде стран. В 1985 г. пущена в эксплуатацию ПЭС Аннаполис в заливе Фанди в Канаде (прямоточный агрегат диаметром 7,6 м, мощностью 19,9 МВт). Построены три ПЭС небольшой мощности в КНР. В Англии разрабатывается проект ПЭС Северн мощностью около 1000 МВт.
Имеются все основания предполагать, что в дальнейшем приливные электростанции будут более широко использоваться в качестве источников электроэнергии.
