Периодические изменения уровня воды в морях и океанах, называемые приливами и отливами, происходят под действием сил притяжения в космической системе Земля-Луна-Солнце. Смена приливов и отливов наблюдается на большинстве морских побережий 4 раза в сутки. При этом амплитуда колебаний уровня моря достигает максимума (сизигия) при расположении Земли, Луны и Солнца на одной прямой, а минимума (квадратуры) - при их расположении в вершинах треугольника, образуемого этими космическими телами.
Наибольшая амплитуда колебаний этих уровней, т.е. разность их максимального значения при приливах и минимального при отливах, составляет в открытом океане около 2 м. У побережий, в узких проливах, заливах и устьях рек эта амплитуда возрастает, достигая наибольшего значения до 19,6 м в заливе Фазди на Атлантическом побережье Канады, на побережье Охотского моря до 11 м, в Мезенском заливе - 10 м и на Кольском побережье - до 7,4 м.
Графики изменения рассматриваемых уровней воды, называемые мареограммами, для суток имеют синусоидальный характер. Чередование максимальных и минимальных уровней моря происходит через каждые 6 ч 12 мин. Амплитуда суточных колебаний уровня моря не остается постоянной, а изменяется по дням, а также существенно зависит от времени года. Лунный месяц составляет 29,53 сут., что соответствует продолжительности времени между двумя полнолуниями или новолуниями.
Рассматриваемый подъем и спад уровней сопровождаются изменениями течения и расхода воды от моря к побережью и обратно, что определяет гидравлическую энергию приливов и отливов.
Преобразование энергии отливов и приливов в электрическую возможно путем строительства приливных электростанций (ПЭС), схема которых заключается в следующем. Суженный створ пролива или устья реки перегораживается путем сооружения здания станции, воспринимающего напор, и плотины. При этом образуется бассейн, куда во время прилива вода поступает из моря, а при отливе - обратно. Разность уровней воды в море и бассейне обеспечивает работу гидротурбин. При выравнивании уровней воды в бассейне и море и сокращении напора ниже минимально необходимого для работы турбин значения они останавливаются до следующего восстановления напора во время прилива или отлива.
Технический потенциал ПЭС оценивается в 33% потенциальной энергии, так как значительная ее часть не может быть использована вследствие снижения напора и других потерь энергии.
Схемы проектируемых ПЭС разделяются на одно- и многобассейновые. Первые могут выполняться как одностороннего, так и двустороннего действия.
В однобассейновых схемах бассейн отгорожен от моря зданием ПЭС, воспринимающим напор, и плотиной (рис.8.6). Режим, или цикл, ПЭС одностороннего действия заключается в следующем. После заполнения во время прилива бассейна, куда вода поступает через специальные отверстия в здании ПЭС, эти отверстия закрываются затворами. Через некоторое время, когда уровень моря снижается в результате начавшегося отлива, начинают работать турбины, пропуская воду в море из бассейна и срабатывая его вместимость. Когда напор становится ниже минимального, при котором могут работать турбины, они отключаются, и после достижения необходимого напора для работы турбин цикл повторяется.
При режиме двустороннего действия турбин компоновка сооружений аналогична предыдущей схеме, а цикл работы следующий (рис.8.6). После начала прилива затворы отключают бассейн от моря, в результате чего между обеими акваториями образуется перепад, достаточный для работы турбин, последние включаются и наполняют бассейн. После начала отлива, когда перепад уровней и напор турбин снова становится недостаточным для их работы, турбины отключаются и открываются водопроводящие отверстия для наполнения бассейна. Это продолжается до момента выравнивания уровней в море и бассейне, после чего закрываются отверстия и станция отключается до образования требуемого перепада для работы турбин при опорожнении бассейна. Далее цикл повторяется.
Рассмотренный режим ПЭС двустороннего действия с выработкой энергии во время прилива и наполнения бассейна, а также во время отлива и опорожнения бассейна увеличивает использование потенциальной приливной энергии до 34%. Дальнейшее увеличение выработки ПЭС достигается за счет работы их оборудования в реверсном режиме, который применяется при низких напорах и дает возможность продлить время работы турбинного режима с более высоким напором.
Рисунок 8.6 - Одно- и многобассейновые (двустороннего действия) ПЄС
Целью этого режима работы ПЭС двустороннего действия является уменьшение времени простоя оборудования при низких перепадах уровней моря и бассейна. Достигается это следующим образом: после начала прилива во время первого простоя агрегаты откачивают воду из бассейна в море, а при простое во время отлива вода перемещается из моря в бассейн.
Продолжительность насосной работы ПЭС в обоих направлениях невелика, и выгодность этого режима в значительной мере зависит от совпадения времени простоев оборудования со временем прохождения максимумов и минимумов нагрузки энергосистемы. Если простой ПЭС при сниженном напоре совпадает с минимумом нагрузки, то насосный режим выгоден, так как расход топлива и стоимость энергии в это время минимальны. При совпадении максимума нагрузки с рассматриваемым простоем ПЭС насосный режим невыгоден, так как он увеличивает максимум нагрузки.
Периодическое несовпадение во времени прохождения максимума нагрузки и выработки энергии ПЭС с однобассейновой схемой затрудняет использование приливной энергии. Поэтому предложены схемы ПЭС с двумя и тремя бассейнами, которые дают возможность получать энергию непрерывно с небольшими колебаниями мощности в течение суток.
Двухбассейновая схема хотя и выравнивает суточную выработку энергии, но не может, как и любая другая схема, выравнивать внутримесячную неравномерность работы ПЭС, определяемую суточными колебаниями уровней приливов и отливов. Несмотря на преимущества, в том числе и на то, что равномерная выработка энергии ПЭС не только экономит топливо, но и вытесняет мощность других станций, многобассейновые схемы имеют и ряд недостатков, в том числе более высокую строительную стоимость, чем однобассейновые схемы.
Вследствие этого для ПЭС с однобассейновыми схемами ведутся поиски возможностей компенсирования неравномерности их работы как в суточном, так и в месячном разрезе. В качестве таких компенсаторов рассматриваются другие электростанции и, в частности, гидроаккумулирующие станции, расположенные в районе действия ПЭС. При этом ночная выработка ПЭС явится источником заряда ГАЭС.
