В данной статье рассматриваются приливные электростанции как альтернативный экологический источник энергии, показана их история, развитие, достоинства и недостатки. На примере одной из электростанций приводится расчет годовой производимой мощности, в конце статьи представлены примеры известных приливных электростанций и пути дальнейшего развития.
Страны в Европе, не имеющие выход к морю, знают о морских приливах — точнее о уникальном природном феномене прилива — только в теории. Это явление даже у древних цивилизаций не заслуживало большого внимания. Плиний Старший и Страбон уже о зависимости между фазами Луны и приливах знали, но греческие, финикийские и римские пловцы, за малым исключением, с явлениями приливов и отливов в своей практике не встречались. Зато рыбаки с Атлантического побережья Европы были знакомы с приливами и отливами очень хорошо, поскольку должны выходить в море ежедневно в любую погоду, чтобы прокормить свои семьи [1].
На западном побережье Европы разность уровней воды в периоды прилива и отлива достигает нескольких метров, а в некоторых шотландских заливах даже больше 10 метров. Большое влияние на уровень воды имеет форма прибрежной зоны. Высокий уровень воды при приливе образуется, когда поднимающаяся вода выталкивается в длинный узкий залив. Классическим примером такого прилива является прилив в заливе Фанди (Канада), вода поднимается там до полных 20 м [1].
Когда европейцы стали отправляться в мореплавание в Атлантический и другие океаны, знания о приливах стали иметь большее значение: Европа буквально обогатилась на этом. В 16 веке, когда заморская торговля специями и другими товарами роскоши из Азии набрала свои обороты, искусственных гаваней практически не существовало и большинство из них лежали в устьях рек: Лиссабон в усти Тая, Лондон в устье Темзы, Антверпен в устье реки Шельда в, Брюгге на Реи и т. д. Для парусников, нагруженными товарами, плыть против течения без помощи прилива очень тяжело, потому что в устье рек ветер часто бывает изменчив или исчезает, буксировка повлекла бы за собой дополнительные расходы, а весловать на парусных суднах не представлялось возможным. Европейских прибрежные государства имели определенную выгоду, по отношению, например к Индии или Китаю, их уникальное преимущество состояло в том, что корабли нес к гавани прилив на протяжении приблизительно шести часов. Если моряки не успевали поймать прилив, то бросали якорь на месте, где были, и пережидали отлив на якоре, а спустя 6 часов продолжали путешествие со следующей приливной волной. При отплытии в обратный пусть действовали наоборот. Другими словами — португальские и испанские, а затем и английские, голландские и французские корабли в восточной части Атлантического океана, а позже и корабли США на западной стороне того же океана, использовали регулярно работающий естественный паром, который бесплатно переправлял их по морю и при возвращении обратно в порт. Паром работал по обе стороны Северной Атлантики два раза в день, в других местах чередование прилива с отливом встречается лишь один раз в день, это связывают с тем, что вторая волна очень незначительна. Евро-атлантическая цивилизация обладала неоспоримым преимуществом, что позволило ей строить большие мачтовые парусные фрегаты и вооружить их пушками. Именно поэтому Европа открыла мир, а не мир — Европу [1].
Высота приливов в английских портах измеряли еще в римскую эпоху, когда существовала купеческая гильдия Cinque Ports. Записи измерений продолжались на протяжении всего средневековья, а когда европейцы отправились путешествовать по океанам, то имели в наличии достаточно неплохой архив данных. Тем не менее, никто не смог объяснить это явление. Пытался объяснить это и Галилео Галилей, который в своем Диалоге о двух системах мира предложил ошибочную теорию, что за отливами и приливами стоит движение Земли вокруг Солнца. Только Исаак Ньютон, после того как была сформулирована теория гравитации, смог в своих Началах (1687) на основе гравитационного притяжения Луны и Солнца научно объяснить явление приливов. Его теория объясняла и регулярные различия уровней приливов и отливов в зависимости от фазы Луны.
Физические теории приливов также были предложены Кельвином и Додсоном, который использовал гармонический анализ. Теория Додсона используется и по сей день [1]. Однако морякам не нужны математические модели в виде дифференциальных уравнений, а практические таблицы (см. Рис.1).
Рис. 1. Пример прогноза приливов [2]
Принцип явления прилива
Гравитационная сила, с которой Луна воздействует на Землю, создает приливные изменения уровня моря (океана), которая поднимается и опускается в соответствии с движением Луны вокруг Земли, хотя без Луны их диапазон значительно уменьшился бы, но само явление не исчезло полностью. Луна создает только две трети от приливных эффектов на нашей планете. Остальная часть формируется Солнцем и в меньшей части планетами (в особенности Юпитером). Земля, вместе с Луной, вращаются вокруг общего центра тяжести, что создает центробежную силу (см. Рис. 2). В центре Земли сила притяжения Луны такой же величины, как и центробежная сила, действуя в противоположных направлениях, они взаимно обнуляются. На стороне Земли, обращенной к Луне, сила притяжения немного больше, чем центробежная, поэтому там возникает выпуклость — прилив. На стороне Земли, обращенной в противоположную сторону, т. е. от Луны, центробежная сила больше силы притяжения Луны, поэтому и там возникает прилив. Таким образом, существуют две приливных выпуклости на противоположных сторонах Земли, а между ними зоны отлива. Из этого следует, что в каждом порту дважды в день наблюдаются приливы и отливы [3]
Рис. 2. Вращение системы Земля — Луна [4]
Центр тяжести системы Земля —Луна движется по почти круговой орбите вокруг Солнца.
Диапазон приливной волны зависит от положения Луны и Солнца по отношению к Земле (см. Рис. 3). Различают две крайности [3]:
- прилив скачком (скоковый) — крупнейший приток, происходит, когда Земля, Солнце и Луна (полнолуние или новолуние) находятся на прямой линии;
- глухой прилив — самый низкий прилив, возникает, когда вышеупомянутые элементы расположены под прямым углом (первая и третья четверти Луны).
Приливные деформации сопровождаются потерей энергии системой Земля — Луна из-за внутреннего трения (приливного трения) в следствии чего увеличивается длина дня (около 1,5 миллисекунды за сто лет), и немного увеличивает расстояние Земля — Луна (Луна отдаляется на более высокую орбиту, на 3,8 см в год). Значительный эффект оказывают приливные силы на уровень мировых морей и океана (приливы и отливы), а также на атмосфере Земли, где наблюдаются периодические колебания давления воздуха [3].
Рис. 3. Диапазон приливной волны в зависимости от положения Луны и Солнца по отношению к Земле: а) прилив скачком (скоковый); б) глухой прилив [3], [4]
Использование приливной электростанции
Использование приливных мельниц на испанском, французском и британском побережьях восходит к 787 году. Приливные мельницы состояли из перекрытого пруда или малого водохранилища, шлюзы и плотины переполнения. Выравнивание уровней воды происходит через водяное колесо [3]. Приток и отток воды приводят в движение водяное колесо, производится механическая энергия, а мельница перемалывает зерна в муку. Примером таких мельниц может служить мельница Иль-де-Бреа в Birlot (L'ile de Brehat Mill to tide the Birlot) с 1633 (см. Рис. 4) http://en.wikipedia.org/wiki/Tide_mill
Рис. 4. Мельница Иль-де-Бреа в Birlot [5], [6]
Плотинныеприливные электростанции
Энергия прилива используется в специальных емкостях в морских заливах или устьях рек с высоким уровнем прилива (см. Рис. 5). Вода может быть поймана в так называемой «приливной лагуне», которая будет для этих селей оснащена плотиной с вратами, в которых размещены турбогенераторы. Лагуна заполняется водой, пока растет высота прилива. Разность уровней воды лагуны и моря приведет к возникновению потенциальной энергии, которая может быть использована для вырывнивания уровней воды. При сбалансировании водных уровней возникает гидростатическое давление, действующее на лопатки турбины, которая будет ращать генератор и тем самым производить электричество. Во время отлива происходит снижение уровня открытого моря, то есть сила и энергия будет работать в противоположном направлении. Очевидно, что величина потенциальной энергии увеличивается с увеличением разницы в уровнях между лагуной и моря, реки или океана, а наиболее эффективными будут такие электростансии, у которых приливы и отливы достигают значительных величин [3].
Рис. 5. Производство энергии плотинными приливными электростанциями [7]
Расчет энергии для плотинных приливных электростанций
Формулы для расчета энергии [7]
, отсюда 
за приливной цикл
где R — размер (высота) прилива, м.
A — площадь приливого бассейна, м2
m — масса воды, кг
g — гравитационная постоянная, равная 9,81 м/с2
η — коэффициент использования, приблизительно равен 0,40, т. е. 20–40 %
ρ — плотность морской воды, равна 1025 кг/м3Если предположить, что в году бывает около 706 приливовых циклов (12 часов и 24 мин в цикле), то формула примет следующий вид:
Приведем практические расчеты для одной из плотинной приливной электростанции
La Rance, находящаяся во Франции в области Бретане, с высотой прилива 8,5 м. Данная электростанция была запущена в эксплуатацию в 1966 году, владельцем на сегодняшний момент является Électricité de France.
Исходные данные для расчета:
- плотина: длина 390 м, ширина 33м и высота от дна моря 25 м, максимальный разлив прилива 13 м;
- общая мощность 24 турбины×10 МВт (240 МВт);
- годовое использование мощности ≈ 33 %;
- среднее количество рабочих часов в год: 2200;
- годовой объем производства электроэнергии: более 600 ГВт;
- удельные затраты электроэнергии: 1Чешская крона/ КВт.
Итак, из приведенных исходных данных, имеем η = 40 %; R=8,5 м; А= 22 км2.
Тогда энергия будет равна:
ГВт.
Примеры приливовых электростанций
В России c 1968 года действует экспериментальная приливная электростанция в Кислой губе [8] на побережье Баренцева моря (см. Рис. 6). На 2009 год её мощность составляла 1,7 МВт, первоначальная мощность была 0,4 МВт.
Станция установлена в узкой части губы Кислая, высота приливов в которой достигает 5 метров. Конструктивно станция состоит из двух частей — старой, постройки 1968 года, и новой, постройки 2006 года. Новая часть присоединена к одному из двух водоводов старой части. В здании приливной электростанции размещено два ортогональных гидроагрегата — один мощностью 0,2 МВт (диаметр рабочего колеса 2,5 м, находится в старом здании) и один ОГА-5,0 м мощностью 1,5 МВт (диаметр рабочего колеса 5 м, находится в новом здании) [8].
Рис. 6. Экспериментальная приливная электростанция в Кислой губе на побережье Баренцева моря [8]
Другими не менее известными электростанциями являются: южнокорейская — приливная электростанция Сихва (мощность 254 МВт), канадская — приливная электростанция Аннаполис и норвежская — приливная электростанция Хаммерфест.
Проблемы и недостатки приливных электростанций
Несмотря на указанные достоинства, в адрес приливных электростанций поступали и жалобы в отношении ко всем проектам плотинных приливных электростанций. Первой выявленной проблемой стала нерегулярность приливов. Луна никогда не считалась с фактом пикового потребления, и в основном наибольшая мощность приливных электростанций приходился на время самого низкого потребления, когда большое количество энергии совсем не нужно. Другим недостатком является то, что плотинные приливные электростанции не могут быть построены в любом месте на берегу моря, даже если прилив в данном месте достигает рекордно высокого значения. Классическая приливная электростанция зависит от формы побережья. Строительство искусственного залива по стоимости вышло бы намного дороже допустимого предела. И хотя строительство было подчеркнуто экологичным, поступали возражения против плотинных приливных электростанций и экологические организации. Само строительство приливной электростанции обременяла прибрежные районы. Перекрытие бухты плотиной нарушил пути миграции рыб, что приводило к накоплению мусора в образовавшемся водоеме. Двусторонние диски вращающихся турбин были как ловушки, а сами турбины для многих рыб постарались о печальный конец [9].
Заключение
Приливная энергия является возобновляемым источником электроэнергии, которая не приводит к выбросам газов, которые способствуют глобальному потеплению, или причиной кислотных дождей, связанных с сжиганием ископаемых видов топлива при производстве электроэнергии. Использование приливной электростанции может уменьшить потребность в традиционных электростанциях с рисками, вытекающими из их эксплуатации [3].
Приливная энергия, создаваемая Луной и Солнцем обладает мощностью около 3,5 ТВт. Хотя и кажется, что это большое количество энергии, но в действительности это лишь около 20 % мощности всех мировых электростанций. Кроме того из этого количества может быть использована только часть [10].
Для того, чтобы использования приливной энергии себя оправдало, скорость потока должна быть не менее 1,2 м/с. Это исключает большое количество мест, которые находятся в открытом океане, где поток слишком медленный — скорость менее 0,1 м/с. На самом деле в мире существует около 20 подходящих мест, в том числе Северной Шотландии и устье реки Северн. В данных двадцати местах можно получеить менее 100 ГВт мощности [10].
Изменение прилива перекрытием залива или устья реки может привести к негативным последствиям для водных и прибрежных экосистем, включая воздействие на население данных мест [3].
Проведенные исследования показали, что воздействие на окружающую среду у приливных электростанций зависит от каждого конкретного объекта и реализации других географических и демографических условий.
В настоящее время приливные электростанции массово не используются. Благодаря нынешнему буму в области возобновляемых источников энергии, можно ожидать развитие в области приливных электростанций [11]. Тем не менее, их общий вклад остается небольшим, поскольку существует ограниченное число мест, где можно их строить. Их преимущество в том, что приливы более предсказуемы, чем поведение, например, ветера или солнца.
В будущем планируется развивать приливные электростанции, работающие с приливными течениями, похожими по принципу на ветряные электростанции (см. Рис. 7).
Рис. 7. Приливные электростанции, работающие с приливными течениями [3]
На побережье Евросоюза являются подходящими для строительства 106 мест, где могли бы быть данные электростанции. Она могли бы производить мощность до 12 ГВт [12]. Данный тип электростанций активно развивается и строится в последнее время, а значит имеют свой шанс на будущее.
Литература:
1. 3pól — Magazín plný pozitivní energie, Dmutí moře, 3.12.2012. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://3pol.cz/1329-dmuti-more (дата обращения 20.9.2013).
2. The United Kingdom Hydrografic Office Admiralty EasyTide. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://easytide.ukho.gov.uk/EasyTide/EasyTide/SelectPort.aspx (дата обращения 15.9.2013).
3. Mastný P., Drápela J. Mišák S., Macháček J., Ptáček M., Radil. L., Bartošík T., Pavelka T.: Obnovitelné zdroje elektrické energie, ČVUT v Praze, 2011, ISBN 978–80–01–04937–2, стр. 121–128
4. Slapové jevy: příliv a odliv. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.stranypotapecske.cz/teorie/priliv-odliv.asp (дата обращения 17.9.2013).
5. Tide Mill. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://en.wikipedia.org/wiki/Tide_mill (дата обращения 22.9.2013).
6. Walks, Nature and passions / Gr34 — Tregastel — Castel BELAMBRA — Presqu'ile the Renote — Pink Granite Coast — Island of Brehat — Ile aux Moines — Ploumanac'h — unusual Rocks.. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://fp.reverso.net/daniel-tiefenbach-over-blog/3964/en/article-tregastel-110092880.html (дата обращения 25.9.2013).
7. Abualtayef M.: Oceanic Energy, Environmental Engineering Department, Islamic University of Gaza, Palestine [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://site.iugaza.edu.ps/mabualtayef/wp-content/uploads/04 %20Oceanic %20Energy.pdf(дата обращения 17.9.2013).
8. Кислогубская ПЭС. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/ %D0 %9A %D0 %B8 %D1 %81 %D0 %BB %D0 %BE %D0 %B3 %D1 %83 %D0 %B1 %D1 %81 %D0 %BA %D0 %B0 %D1 %8F_ %D0 %9F %D0 %AD %D0 %A1 (дата обращения 28.9.2013).
9. Zkrocení přílivu. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://vtm.e15.cz/clanek/zkroceni-prilivu (дата обращения 28.9.2013).
10. Slapová energie — netradiční obnovitelný zdroj energie. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://3pol.cz/1171 (дата обращения 10.9.2013).
11. Přílivová elektrárna. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://cs.wikipedia.org/wiki/P %C5 %99 %C3 %ADlivov %C3 %A1_elektr %C3 %A1rna (дата обращения 15.9.2013).
12. Jiříček I.: Oceanická energie a integrace OZE do energetických sítí, VŠCHT. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.vscht.cz/ktt/studium/predmety/AZE_II/10AZE.II.2013.pdf (дата обращения 12.9.2013).
