Гидроэнергетика

Мощность приливных течений и приливного подъема воды

Вблизи побережья и между островами приливы могут создавать достаточно сильные течения, пригодные для преобразования энергии. Устройства для преобразования энергии приливных течений будут практически сходны с аналогичными устройствами, приводимыми в действие течениями рек.

Соотношения, позволяющие оценить мощность приливных течений, подобны тем, которые используются в ветроэнергетике, при этом следует иметь в виду, что плотность воды во много раз выше плотности воздуха, а скорости течения воды сравнительно низки.

Плотность мощности потока воды, Вт/м2, равна

формула

В случае приливного или речного течения при скорости, например, 3 м/с

формула

Только часть полной энергии потока может быть преобразована в полезную. Как и для ветра, это значение η не может превышать 60%. На практике оказывается, что η можно довести максимум до 40%.

Скорости приливных течений изменяются во времени примерно как

формула

где τ – период естественного прилива, 12 ч 25 мин для полусуточного;
V0 – максимальная скорость течения, м/с.

Таким образом, электрическая мощность, снимаемая с 1 м2 площади поперечного сечения потока (с учетом 40%-ной эффективности преобразования энергии потока в электрическую), в среднем равняется

формула

При максимальной скорости около 5 м/с, встречающейся в проливах между островами, q ≈14кВт/м2. Перекрыв площадь 1000 м2, можно получить полную среднюю мощность электростанции около 14 МВт.

Уже разработан целый ряд современных устройств для преобразования энергии приливных течений, один из которых показан на рис. 13.2.1. Капитальные затраты на создание подобных устройств в расчете на 1 кВт установленной мощности достаточно высоки, поэтому их строительство целесообразно лишь в отдаленных районах с высокими скоростями приливных течений, где любые альтернативные источники энергии еще более дороги.

Схема электростанции на приливном течении
Рис. 13.2.1. Схема электростанции на приливном течении.

Основы теории приливной энергетики достаточно просты. Предположим, что бассейн ПЭС наполняется при высокой воде и опустошается через турбины при малой воде (рис. 13.2.2). Пусть бассейн имеет постоянную площадь A, остающуюся покрытой водой при малой воде. Допустим, что поступившая в бассейн вода имеет массу ρAR, сосредоточенную в центре тяжести на высоте R/2   от уровня малой воды, и что вся вода вытекает из бассейна при малой воде. Потенциально максимальную энергию от прилива можно получить, если вся вода падает с высоты  R/2. В этом случае энергия прилива

формула

Если энергия преобразуется в течение продолжительности периода прилива, то средняя потенциальная мощность за приливный период оказывается равной

формула

На практике в системе, использующей срабатывание запаса воды из заполняемого в прилив бассейна, несмотря на достаточно высокую эффективность преобразования получить максимальную мощность нельзя. Этому препятствуют следующие обстоятельства.

Генерирование электроэнергии не может быть обеспечено вплоть до условий малой воды, таким образом, часть потенциальной энергии прилива не может быть преобразована.

Турбины ПЭС должны работать при низком напоре и при больших скоростях потоков – условия необычные для имеющейся обычной гидроэнергетической практики.

Невозможно равномерно снабжать потребителей электроэнергией из-за изменения уровня воды в бассейне.

Схема извлечения приливной энергии
Рис. 13.2.2. Схема извлечения приливной энергии.

На рис. 13.2.2 показано, что ПЭС может работать как при опустошении бассейна, так и при его наполнении. Оптимальная станция, использующая реверсируемые гидроагрегаты, которые, кроме того, можно еще использовать и в насосном режиме для повышения уровня в бассейне, может перерабатывать до 90% потенциальной энергии прилива.