Приливные электростанции (ПЭС) используют потенциальную энергию приливов для выработки электроэнергии. Первые установки подобного типа использовали в основном кинетическую энергию прилива (т. е. приливное течение), которая весьма невелика. Действительно, максимальный потенциальный поток мощности, проходящий через 1 м2 живого сечения потока S при максимальной скорости прилива υ=2,5 м/с может быть рассчитан по формуле N=9,81 QН=9,81 (vS)v2/(2g) и составляет 7,35 кВт.
Учитывая синусоидальный характер изменения скорости прилива во времени, можно утверждать, что средневзвешенное значение N будет не более 3 кВт на 1 м2 живого сечения приливного потока, что весьма мало для современной энергетики. Однако для изолированных регионов с малыми нагрузками, где сооружение крупных ПЭС нецелесообразно, подобное использование энергии прилива может быть оправдано.
ПЭС в основном ориентированы на использование потенциальной энергии прилива (энергия давления и положения) и относятся к низконапорным ГЭУ; их напор не превышает 20 м. Это определяет тип используемого турбинного оборудования; в основном это горизонтальные капсульные поворотно-лопастные агрегаты. Режим ПЭС во многом зависит от приливно-отливных явлений на Земле и схемы станции. Различают одно- и многобассейновые ПЭС, одностороннего и двустороннего действия с разным размещением здания ПЭС (ГЭС и НС). Концентрация напора на ПЭС осуществляется за счет строительства глухой плотины и совмещенного здания ГЭС. Эти сооружения разделяют водную акваторию на бассейны ПЭС и море (океан) (рис. 1.9). Напор ПЭС создается за счет искусственного поддержания разницы уровней в море и бассейне и определяется схемой станции и режимом ее работы.
Рис. 1.9. Схема концентрации напора однобассейновой ПЭС:
а — план гидроузла; б — разрез по створу; в — обобщенная схема ПЭС; 1 — глухая плотила; 2 — водосливная плотина; 3 — здание ПЭС
По технологическому циклу ПЭС представляют собой сочетание ГЭС и НС низкого напора с замкнутым водным бассейном и морем — акваторией с независимым от ПЭС режимом изменения уровня воды. График выработки энергии ПЭС существенно зависит от схемы гидроузла и установленного оборудования (одностороннего действия или обратимого).
Для однобассейновой схемы ПЭС одностороннего действия (рис. 1.10, а) вода, собранная в бассейне, при отливе может быть пропущена через турбины ПЭС. Мощность будет выдаваться в течение меньшей половины приливного цикла. Коэффициент использования потенциальной энергии прилива здесь не превышает 22 %.
Рис. 1.10. Возможные схемы ПЭС:
Рис. 1.11. Схема работы однобассейновой ПЭС с обратимыми агрегатами
При установке в той же схеме ПЭС обратимых агрегатов энергия будет выдаваться при приливе и отливе (рис. 1.10, б) в течение большей части суток. Здесь существует высокая вероятность совпадения режима ПЭС с пиком нагрузки. Эта схема обеспечивает использование до 34 % энергии прилива.
В двухбассейновой схеме агрегаты могут быть размещены как на основной плотине, отделяющей бассейны от моря, так и на вспомогательной, разделяющей весь бассейн ПЭС на две части — верхнюю и нижнюю (рис. 1.10, г—е). Для такой схемы будет иметь место относительно непрерывный режим выработки энергии ПЭС при значительной стоимости самой станции. В зависимости от места установки оборудования ПЭС и принципа деления бассейна станции на части степень использования энергии прилива в двухбассейновой схеме колеблется от 13% в схеме Декера (рис. 1.10, г) до 27,7% в схеме Бернштейна (рис. 1.10, е). В схеме Клода (рис. 1.10, д) предполагается наличие одной насосной станции и двух генерирующих установок в плотинах ГЭС, что увеличивает отдачу ПЭС при значительном удорожании ее строительства.
Увеличение степени использования энергии прилива в энергосистеме возможно путем реализации на ПЭС насосного режима для ускорения заполнения или опорожнения бассейна или дополнительного поднятия его уровня по отношению к уровню моря (рис. 1.10, в, г, е).
По длительности цикла регулирования ПЭС относятся к электрическим установкам краткосрочного регулирования. Особенность режима ПЭС — изменение потенциальной энергии прилива в соответствии с лунным, а не солнечным календарем.
Для пояснения принципа использования приливной энергии на рис. 1.11 дана схема работы ПЭС с одним бассейном и обратимыми агрегатами для некоторого повторяющегося цикла в период t0—t5 (рис. 1.10, в).
Пусть в момент времени уровень воды в бассейне zб больше уровня воды в море zм на величину Ηт, достаточную для работы агрегатов ПЭС в прямом турбинном режиме (рис. 1.11). До момента времени t1 агрегаты ПЭС будут отдавать энергию в систему. В момент t1 разница уровней zб и zм станет предельной по условиям использования агрегатов в прямом турбинном режиме.
В интервале t1—t2 происходит холостой сброс воды из бассейна в море и дополнительная перекачка воды в море для ускорения опорожнения бассейна (обратный насосный режим).
Период t2 — соответствует режиму, когда zб=УМО=const, a zM поднимается в соответствии с мареограммой.
В период t3—t4 напор на ПЭС достаточен для работы агрегатов обратном турбинном режиме, когда вода из моря поступает в бассейн.
В интервале времени t4—t5 происходит холостой сброс воды из моря в бассейн для быстрейшего подъема его уровня, а также насосная подача воды в бассейн (прямой насосный режим). Период t5—t6 — режим ожидания; далее весь цикл работы ПЭС повторяется.
На рассмотренном примере четко просматривается дискретный во времени режим ПЭС — недостаток, который частично можно устранить, используя многобассейновую схему ПЭС.
