Приливные электростанции

Под влиянием притяжения Луны и Солнца происходят периодические поднятия и опускания поверхности морей и океанов – приливы и отливы. Частицы воды совершают при этом и вертикальные и горизонтальные движения. Наибольшие приливы наблюдаются в дни сизигий (новолуний и полнолуний), наименьшие (квадратурные) совпадают с первой и последней четвертями Луны. Между сизигиями и квадратурами амплитуды приливов могут изменяться в 2,7 раза.

Вследствие изменения расстояния между Землей и Луной, приливообразующая сила Луны в течение месяца может изменяться на 40%, изменение приливообразующей силы Солнца за год составляет лишь 10%. Лунные приливы в 2,17 раза превышают по силе солнечные.

Основной период приливов полусуточный. Приливы с такой периодичностью преобладают в Мировом океане. Наблюдаются также приливы суточные и смешанные. Характеристики смешанных приливов изменяются в течение месяца в зависимости от склонения Луны.

В открытом море подъем водной поверхности во время прилива не превышает 1 м. Значительно большей величины приливы достигают в устьях рек, проливах и в постепенно суживающихся заливах с извилистой береговой линией. Наибольшей величины приливы достигают в заливе Фанди (Атлантическое побережье Канады). У порта Монктон в этом заливе уровень воды во время прилива поднимается на 19,6 м. В Англии, в устье реки Северн, впадающей в Бристольский залив, наибольшая высота прилива составляет 16,3 м. На Атлантическом побережье Франции, у Гранвиля, прилив достигает высоты 14,7 м, а в районе Сен-Мало до 14 м. Во внутренних морях приливы незначительны. Так, в Финском заливе, вблизи Ленинграда, величина прилива не превышает 4...5 см, в Черном море, у Трапезунда, доходит до 8 см.

Поднятия и опускания водной поверхности во время приливов и отливов сопровождаются горизонтальными приливо-отливными течениями. Скорость этих течений во время сизигий в 2...3 раза больше, чем во время квадратур. Приливные течения в моменты наибольших скоростей называют «живой водой».

При отливах на пологих берегах морей может происходить обнажение дна на расстоянии в несколько километров по перпендикуляру к береговой линии. Рыбаки Терского побережья Белого моря и полуострова Новая Шотландия в Канаде используют это обстоятельство при ловле рыбы. Перед приливом они устанавливают на пологом берегу сети, а после спада воды подъезжают к сетям на телегах и собирают попавшую в чих рыбу.

Когда время прохождения приливной волны по заливу совпадает с периодом колебаний приливообразующей силы, возникает явление резонанса, и амплитуда колебаний водной поверхности сильно возрастает. Подобное явление наблюдается, например, в Кандалакшском заливе Белого моря.

В устьях рек приливные волны распространяются вверх по течению, уменьшают скорость течения и могут изменить его направление на противоположное. На Северной Двине действие прилива сказывается на расстоянии до 200 км от устья вверх по реке, на Амазонке – на расстоянии до 1 400 км. На некоторых реках (Северн и Трент в Англии, Сена и Орне во Франции, Амазонка в Бразилии) приливное течение создает крутую волну высотой 2...5 м, которая распространяется вверх по реке со скоростью 7 м/сек. За первой волной может следовать несколько волн меньших размеров. По мере продвижения вверх волны постепенно ослабевают, при встрече с отмелями и преградами они с шумом дробятся и пенятся. Явление это в Англии называется бор, во Франции маскаре, в Бразилии поророка.

В большинстве случаев волны бора заходят вверх по реке на 70...80 км, на Амазонке же до 300 км. Наблюдается бор обычно во время наиболее высоких приливов.

Спад уровня воды в реках при отливе происходит медленнее, чем подъем во время прилива. Поэтому, когда в устье начинается отлив, на удаленных от устья участках еще может наблюдаться последействие прилива.

Река Сен-Джонс в Канаде, недалеко от места впадения в залив Фанди, проходит через узкое ущелье. Во время прилива ущелье задерживает движение воды вверх по реке, уровень воды выше ущелья оказывается ниже и поэтому образуется водопад с движением воды против течения реки. При отливе же вода не успевает достаточно быстро проходить через ущелье в обратном направлении, поэтому уровень воды выше ущелья оказывается выше и образуется водопад, через который вода устремляется вниз по течению реки.

Приливо-отливные течения в морях и океанах распространяются на значительно большие глубины, чем течения ветровые. Это способствует лучшему перемешиванию воды и задерживает образование льда на ее свободной поверхности. В северных морях благодаря трению приливной волны о нижнюю поверхность ледяного покрова происходит уменьшение интенсивности приливо-отливных течений. Поэтому зимой в северных широтах приливы имеют меньшую высоту, чем летом.

Поскольку вращение Земли вокруг своей оси опережает по времени движение Луны вокруг Земли, в водной оболочке нашей планеты возникают силы приливного трения, на преодоление которых тратится энергия вращения, и вращение Земли замедляется (примерно на 0,001 сек за 100 лет). По законам небесной механики дальнейшее замедление вращения Земли повлечет за собой уменьшение скорости движения Луны по орбите и увеличение расстояния между Землей и Луной. В конечном итоге период вращения Земли вокруг своей оси должен сравняться с периодом обращения Луны вокруг Земли. Это произойдет, когда период вращения Земли достигнет 55 суток. При этом прекратится суточное вращение Земли, прекратятся и приливо-отливные явления в Мировом океане.

В течение длительного времени происходило торможение вращения Луны за счет возникавшего в ней приливного трения под действием земного притяжения (приливно-отливные явления могут возникать не только в жидкой, но и в твердой оболочке небесного тела). В результате Луна потеряла вращение вокруг своей оси и теперь обращена к Земле одной стороной. Благодаря длительному действию приливообразующих сил Солнца потерял свое вращение и Меркурий. Как и Луна по отношению к Земле, Меркурий обращен к Солнцу только одной стороной.

В XVI и XVII веках энергия приливов в небольших бухтах и узких проливах широко использовалась для приведения в действие мельниц. Впоследствии она применялась для приведения в действие насосных установок водопроводов, для транспортировки и монтажа массивных деталей сооружений при гидростроительстве.

В наше время приливная энергия в основном превращается в электрическую энергию на приливных электростанциях и вливается затем в общий поток энергии, вырабатываемой электростанциями всех типов, В отличие от гидроэнергии рек, средняя величина приливной энергии мало меняется от сезона к сезону, что позволяет приливным электростанциям более равномерно обеспечивать энергией промышленные предприятия.

В приливных электростанциях используется перепад уровней воды, образующийся во время прилива и отлива. Для этого отделяют прибрежный бассейн невысокой плотиной, которая задерживает приливную воду при отливе. Затем воду выпускают, и она вращает гидротурбины

Приливные электростанции могут быть ценным энергетическим подспорьем местного характера, но на Земле не так много подходящих мест для их строительства, чтобы они могли изменить общую энергетическую ситуацию.

В Кислой губе вблизи Мурманска с 1968 года начала работать первая в нашей стране приливная электростанция мощностью в 400 киловатт. Проектируется приливная электростанция в устье Мезени и Кулоя мощностью 2,2 млн. киловатт.

За рубежом разрабатываются проекты приливных электростанций в заливе Фанди (Канада) и в устье реки Северн (Англия) мощностью соответственно в 4 и 10 млн. киловатт, вступили в строй приливные электростанции Ранс и Сен-Мало (Франция) мощностью в 240 и 9 тыс. киловатт, работают небольшие приливные электростанции в Китае.

Пока энергия приливных электростанций обходится дороже энергии тепловых электростанций, но при более рациональном осуществлении строительства гидросооружений этих станций стоимость вырабатываемой ими энергии вполне можно снизить до стоимости энергии речных электростанций. Поскольку запасы приливной энергии планеты значительно превосходят полную величину гидроэнергии рек, можно полагать, что приливная энергия будет играть заметную роль в дальнейшем прогрессе человеческого общества.

Мировое сообщество предполагает лидирующее использование в ХХI веке экологически чистой и возобновляемой энергии морских приливов. Ее запасы могут обеспечить до 15 % современного энергопотребления.

33-летний опыт эксплуатации первых в мире ПЭС - Ранс во Франции и Кислогубской в России - доказали, что приливные электростанции:

• устойчиво работают в энергосистемах, как в базе, так и в пике графика нагрузок при гарантированной постоянной месячной выработке электроэнергии;

• не загрязняют атмосферу вредными выбросами в отличие от тепловых станций;

• не затапливают земель в отличие от гидроэлектростанций;

• не представляют потенциальной опасности в отличие от атомных станций;

• капитальные вложения на сооружения ПЭС не превышают затрат на ГЭС благодаря апробированному в России наплавному способу строительства (без перемычек) и применению нового технологичного ортогонального гидроагрегата;

• стоимость электроэнергии самая дешевая в энергосистеме (доказано за 35 лет на ПЭС Ранс - Франция).

Экологический эффект (на примере Мезенской ПЭС) заключается в предотвращении выброса 17,7 млн. тонн углекислого газа (СО2) в год, что при стоимости компенсации выброса 1 тонны СО2 в 10 USD (данные Мировой энергетической конференции 1992 г.) может приносить по формуле Киотского протокола ежегодный доход около 1,7 млрд. USD.

Российской школе использования приливной энергии - 60 лет. В России выполнены проекты Тугурской ПЭС мощностью 8,0 ГВт и Пенжинской ПЭС мощностью 87 ГВт на Охотском море, энергия которых может быть передана в энергодефицитные районы Юго-Восточной Азии. На Белом море проектируется Мезенская ПЭС мощностью 11,4 ГВт, энергию которой предполагается направить в Западную Европу по объединенной энергосистеме " Восток-Запад".

Наплавная "российская" технология строительства ПЭС, апробированная на Кислогубской ПЭС и на защитной дамбе С-Петербурга, позволяет на треть снизить капитальные затраты по сравнению с классическим способом строительства гидротехнических сооружений за перемычками.

Природные условия в районе исследований (Заполярье): морская вода океанической солёности 28-35 о/оо и температурой от -2,8 С до +10,5 С температура воздуха в зимний период (9 месяцев) до -43 С влажность воздуха не ниже 80 % количество циклов (в году): замачивания-осушки - до 690, замораживания-оттаивания до 480 обрастание конструкций в морской воде биомассой - до 230 кг/м2 (слои толщиной до 20 см) электрохимическая коррозия металлов до 1 мм в год экологическое состояние района - без загрязнений, морская вода - без нефтепродуктов.

В России обоснования проектов ПЭС осуществляются на специализированной морской научной базе на Баренцевом море, где идут исследования морских материалов, конструкций, оборудования и антикоррозионных технологий.

Создание в России нового эффективного и технологически простого ортогонального гидроагрегата предполагает возможность его массового изготовления и кардинального снижения стоимости ПЭС. Результаты российских работ по ПЭС опубликованы в капитальной монографии Л.Б. Бернштейна, И.Н. Усачева и др. "Приливные электростанции", изданной в 1996 г. на русском, китайском и английском языках.

Российские специалисты по приливной энергии в институтах Гидропроект и НИИЭС осуществляют полный комплекс проектных и научно-исследовательских работ по созданию морских энергетических и гидротехнических сооружений на побережье и на шельфе, в том числе в условиях Крайнего Севера, позволяющие в полной мере реализовать все преимущества приливной гидроэнергетики.

Экологическая характеристика приливных электростанций

Экологическая безопасность:

• плотины ПЭС биологически проницаемы

• пропуск рыбы через ПЭС происходит практически беспрепятственно

• натурные испытания на Кислогубской ПЭС не обнаружили погибшей рыбы или ее повреждений (исследования Полярного института рыбного хозяйства и океанологии)

• основная кормовая база рыбного стада - планктон: на ПЭС гибнет 5-10 % планктона, а на ГЭС - 83-99 %

• снижение солености воды в бассейне ПЭС, определяющее экологическое состояние морской фауны и льда составляет 0,05-0,07 %, т.е. практически неощутимо

• ледовый режим в бассейне ПЭС смягчается

• в бассейне исчезают торосы и предпосылки к их образованию

• не наблюдается нажимного действия льда на сооружение

• размыв дна и движение наносов полностью стабилизируются в течение первых двух лет эксплуатации

• наплавной способ строительства дает возможность не возводить в створах ПЭС временные крупные стройбазы, сооружать перемычки и прочее, что способствует сохранению окружающей среды в районе ПЭС

• исключен выброс вредных газов, золы, радиоактивных и тепловых отходов, добыча, транспортировка, переработка, сжигание и захоронение топлива, предотвращение сжигания кислорода воздуха, затопление территорий, угроза волны прорыва

• ПЭС не угрожает человеку, а изменения в районе ее эксплуатации имеют лишь локальный характер, причем, в основном, в положительном направлении.

• Энергетическая характеристика приливных электростанций

• Приливная энергия

• возобновляема

• неизменна в месячном (сезонном и многолетнем) периодах на весь срок эксплуатации

• независима от водности года и наличия топлива.

• используется совместно с электростанциями других типов в энергосистемах как в базе, так и в пике графика нагрузок.

• Экономическое обоснование приливных электростанций.

• Стоимость энергии на ПЭС самая низкая в энергосистеме по сравнению со стоимостью энергии на всех других типах электростанций, что доказано за 33-летнюю эксплуатацию промышленной ПЭС Ранс во Франции - в энергосистеме Electricite de France в центре Европы.

За 1995 г. стоимость 1кВт.ч электроэнергии ( в сантимах) на:

ПЭС -18,5

ГЭС -22,61

ТЭС -34,2

АЭС -26,15

Себестоимость кВт*ч электроэнергии (в ценах 1996 г.) в ТЭО Тугурской ПЭС - 2,4 коп., в проекте Амгуеньской АЭС - 8,7 коп. ТЭО Тугурской (1996 г.) и материалы к ТЭО Мезенской ПЭС (1999 г.) благодаря применению эффективных технологий и нового оборудования впервые обосновали равнозначность капитальных затрат и сроков строительства крупных ПЭС и новых ГЭС в идентичных условиях.

Социальное значение приливных электростанций

Приливные электростанции не оказывают вредного воздействия на человека:

• нет вредных выбросов (в отличие от ТЭС)

• нет затопления земель и опасности волны прорыва в нижний бьеф (в отличие от ГЭС)

• нет радиационной опасности (в отличие от АЭС)

• влияние на ПЭС катастрофических природных и социальных явлений (землетрясения, наводнения, военные действия) не угрожают населению в примыкающих к ПЭС районах.

Благоприятные факторы в бассейнах ПЭС:

• смягчение (выравнивание) климатических условий на примыкающих к бассейну ПЭС территориях

• защита берегов от штормовых явлений

• расширение возможностей хозяйств марикультуры в связи с увеличением почти вдвое биомассы морепродуктов

• улучшение транспортной системы района

• исключительные возможности расширения туризма.

ПЭС в энергосистеме Европы

Рис. 1 - Вариант использования ПЭС в энергосистеме Европы

По оценкам экспертов, они могли бы покрыть около 20 процентов всей потребности европейцев в электроэнергии. Подобная технология особенно выгодна для островных территорий, а также для стран, имеющих протяженную береговую линию (рис. 1).

Другой способ получения альтернативной электроэнергии – использовать разницу в температурах между морской водой и холодным воздухом арктических (антарктических) районов земного шара. В ряде районов Северного Ледовитого океана, особенно в устьях больших рек, таких как Енисей, Лена, Обь, в зимнее время года имеются особо благоприятные условия для работы арктических ОТЭС. Средняя многолетняя зимняя (ноябрь-март) температура воздуха не превышает здесь -26 С. Более теплый, и пресный сток рек прогревает морскую воду подо льдом до 30 С. Арктические океанические тепловые электростанции могут работать по обычной схеме ОТЭС, основанной на закрытом цикле с низкокипящей рабочей жидкостью. В ОТЭС входят: парогенератор для получения пара рабочего вещества за счёт теплообмена с морской водой, турбина для привода электрогенератора, устройства для конденсации отработавшего в турбине пара, а также насосы для подачи морской воды и холодного воздуха. Более перспективна схема арктической ОТЭС с промежуточным теплоносителем, охлаждаемым воздухом в оросительном режиме» (См. Б.М. Берковский, В.А. Кузьминов «Возобновляемые источники энергии на службе человека», Москва, Наука, 1987 г., стр. 63-65.) Такая установка может быть изготовлена уже в настоящее время. В ней могут быть использованы: а) для испарителя – кожухопластинчатый теплообменник APV, тепловой мощностью 7000 кВт. б) для конденсатора – кожухопластинчатый теплообменник APV, тепловой мощностью 6600 кВт или любой другой конденсационный теплообменник, такой же мощности. в) турбогенератор – турбина Юнгстрем на 400 кВт и два встроенных генератора с дисковыми роторами, на постоянных магнитах, общей мощностью 400 кВт. г) насосы – любые, производительностью для теплоносителя – 2000 м3/ч, для рабочего вещества - 65 м3/ч, для охладителя – 850 м3/ч. д) градирня – сборно-разборная 5-6 метров высотой, диаметром 8-10 м. Установка может быть собрана в 20 футовом контейнере и перебрасываться в любое необходимое место, где имеется река с потоком воды более 2500 м3/ч, с температурой воды не менее +30С или большое озеро, из которого можно брать такое количество воды, и холодный воздух температурой ниже –300С. На сборку градирни потребуется всего несколько часов, после чего, если обеспечена подача воды, установка будет работать и выдавать для полезного использования более 325кВт электроэнергии, без какого - либо топлива. Из вышеизложенного видно, что уже в настоящее время можно обеспечить человечество альтернативной электроэнергией, если вкладывать в это средства.

Есть еще один способ получения энергии из океана - электростанции, использующие энергию морских течений. Их называют также «подводными мельницами».

Литература

1. Усачев И.Н. Приливные электростанции. - М.: Энергия, 2002.

2. Усачев И.Н. Экономическая оценка приливных электростанций с учетом экологического эффекта// Труды XXI Конгресса СИГБ. - Монреаль, Канада, 16-20 июня 2003.

3. Велихов Е.П., Галустов К.З., Усачев И.Н., Кучеров Ю.Н., Бритвин С.О., Кузнецов И.В., Семенов И.В., Кондрашов Ю.В. Способ возведения крупноблочного сооружения в прибрежной зоне водоема и плавкомплекс для осуществления способа. - Патент РФ № 2195531, гос. рег. 27.12.2002.

4. Усачев И.Н., Прудовский А.М., Историк Б.Л., Шполянский Ю.Б. Применение ортогональной турбины на приливных электростанциях// Гидротехническое строительство. – 1998. – № 12.

5. Раве Р., Бьеррегорд Х., Милаж К. Проект достижения выработки 10% мирового электричества с помощью энергии ветра к 2020 г. // Труды форума FED, 1999.

6. Атласы ветрового и солнечного климатов России. - СПб: Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова. – 1997.