"Альтернативные источники энергии - приливы и отливы"

Введение
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 19,6м. В Англии, в устье реки Сёверн, 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 Аскаре, в Бразилии пророка. 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.1. Энергия приливов и отливовСтолетиями люди думали и размышляли над природой морских приливов и отливов. Сегодня мы точно знаем, что это грандиозное явление природы - ритмичное движение морских вод провоцируют силы притяжения Солнца и Луны. Так как наше Солнце расположено от Земли в 400 раз дальше, то гораздо более скромная масса Луны оказывает действие на земные воды вдвое большее, чем масса Солнца. Поэтому определяющую роль играет именно прилив, вызванный Луной (лунный прилив).По оценкам экспертов организации «Greenpeace», ресурсы приливной энергии в мире таковы, что их использование позволит получить количество энергии, превышающее современные потребности человечества в электричестве в 5 тыс. раз.На морских просторах приливы сменяются отливами теоретически через 6 часов 12 минут 30 секунд. Если Луна, Солнце и Земля находятся на одной прямой линии (сизигия), Солнце своим притяжением усиливает воздействие Луны, и тогда наступает более сильный прилив (сизигийный прилив, или большая вода). А когда Солнце находится под прямым углом к отрезку прямой Земля-Луна (квадратура), имеет место слабый прилив (квадратурный, или малая вода). Сильный и слабый приливы сменяют друг друга через 7 дней.Однако истинный ход прилива и отлива весьма сложен. На него влияют особенности движения небесных тел, характер береговой линии, глубина воды, морские течения и ветер. Для использования приливной энергии наиболее подходящими можно считать такие места на морском побережье, где приливы имеют большую амплитуду, а контур и рельеф берега позволяют устроить большие замкнутые «бассейны».Рисунок 1 – Крупнейшая в мире приливная электростанция на реке Ля Ранс, ФранцияПриливная электростанция (ПЭС) - особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 13 метров.Для их использования сооружаются плотины, образуется водоем - бассейн приливной электростанции и при достаточной высоте прилива создается напор. Сила падения воды, проходящей через гидротурбины, вращает их и приводит в движение генераторы электрического тока. На однобассейновой приливной станции двойного действия, работающей как во время прилива, так и во время отлива, можно вырабатывать электроэнергию четыре раза в сутки в течение 4-5 часов во время наполнения и опорожнения бассейна. Агрегаты такой станции должны быть приспособлены к работе в прямом и обратном режимах и служить как для производства электроэнергии, так и для перекачки воды.Крупная приливная электростанция мощностью 240МВт работает в устье реки Ля Ранс (рис. 1). Она действует в сочетании с другими электростанциями в качестве пиковой (т.е. покрывающей потребность в электроэнергии в часы пик). Система использует двадцать четыре 10-мегаваттных турбины Каплана и ежегодно производит около 50 ГВт*ч электроэнергии. Амплитуда прилива в устье реки составляет 14 м, бассейн площадью 22 км2, который содержит 180 млн м3 полезной воды.В России в 1968 г. вступила в строй небольшая приливная электростанция на побережье Баренцева моря в губе Кислой. Разработаны проекты Мезенской приливной электростанции на берегу Белого моря, а также Пенжинской и Тугурской не берегу Охотского моря.Существуют проекты строительства подводных электростанций-турбин, которые будут собраны на дне моря и станут работать от быстрых течений, вызванных приливами и отливами (рис. 2).Рисунок 2 – Проект подводной станцииТурбины будут находиться на глубине, достаточной для прохождения на ними судов, любого водоизмещения. Негативное влияние на экологию предполагается даже меньшим, чем у традиционных «барьерных» приливных электростанций, препятствующих миграции рыб, например лососю, сельди и угрю.Ожидается, что мощности станции хватит на обеспечение потребности в электроэнергии 200 000 домов. Внешний вид турбин обусловлен существующей технологией, применяющейся при производстве нефтяных платформ. Каркас, весом 2500 тон, служит основой для насоса, генератора, мотора и электроники. Возможными местами размещения таких электростанций может быть залив Пентланд в Шотландии, где станция могла бы дать 10 тыс. МВт, пролив Св. Георгия, акваторий острова Уайт и Нормандских островов, а также Южная Корея.Преимуществами ПЭС является сравнительная экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатками - во-первых, высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в составе энергосистемы, располагающей достаточной мощностью электростанций других типов. Во-вторых, недостаток приливных электростанции в том, что они строятся только на берегу морей и океанов, к тому же они развивают не очень большую мощность, да и приливы бывают всего лишь два раза в сутки. И даже они экологически не безопасны. Они нарушают нормальный обмен соленой и пресной воды и тем самым - условия жизни морской флоры и фауны. Влияют они и на климат, поскольку меняют энергетический потенциал морских вод, их скорость и территорию перемещения. Морские теплостанции, построенные на перепаде температур морской воды, способствуют выделению большого количества углекислоты, нагреву и снижению давления глубинных вод и остыванию поверхностных. А процессы эти не могут не сказаться на климате, флоре и фауне региона.2. Плюсы и минусы использованияУ любого агрегата всегда есть положительные и отрицательные аспекты его использования, и именно соотношение этих параметров определяет целесообразность его применения. Приливные электростанции не являются исключением, рассмотрим все плюсы и минусы использования этого источника энергии. К плюсам использования можно отнести:- экологическая безопасность установок;- возобновляемый источник энергии;- возможность рассчитать количество получаемой энергии в долгосрочной перспективе;- низкая себестоимость получаемой электроэнергии; продолжительный срок эксплуатации.К минусам данного типа электростанций относятся:- высокие затраты на строительство при продолжительном сроке окупаемости проекта;- малая мощность вырабатываемой энергии;- цикличность работы. 3. Приливные электростанции в РоссииИспользование источников энергии, способных к возобновлению, которые позволяют получать электроэнергию с низкой себестоимостью, дает ученым и инженерам всех стран, новые идеи и способы воплощения их в жизнь.На территории нашей страны уже построен ряд приливных электростанций, и работы в этом направлении продолжаются.Успешными проектами являются следующие.Кислогубская ПЭС.Расположена в губе Кислая Баренцова моря, в Мурманской области. Работала с 1968 по 1992 год, когда была поставлена на консервацию. Начиная с 2004 года производилась реконструкция станции, и с 2007 года работа станции была возобновлена. В настоящее время станция работает в штатном режиме.Рисунок 3 – Кислогубская ПЭСОсновные характеристики:- Электрическая мощность – 1,7 МВт;- Тип турбин – ортогональные;- Количество турбин – 2 комплекта;- Количество генераторов – 2 шт.;- ОРУ – 35 кВ.Малая Мезенская ПЭС.Расположена в Мезенском заливе Белого моря, в Архангельской области. Начало работы – 2007 год, работает по настоящее время.Основные характеристики:- Электрическая мощность – 1,5 МВт;- Тип турбины – ортогональная;- Количество турбин – 1 комплект;- Количество генераторов – 1 шт.Ведутся работы по увеличения мощности и модернизации станции в более крупную Мезенскую ПЭС.В настоящее время, кроме перечисленных выше, уже успешно реализованных, в стадии разработки и реализации находится еще несколько проектов.Северная ПЭС.Расположена в губе Долгая-Восточная Баренцова моря, в Мурманской области. Проектная мощность 12,0 МВт, годовая выработка электрической энергии составит 23,8 млн. кВт/часов.Пенжинская ПЭС.Рисунок 4 – Пенжинская ПЭСРасположена в Пенжинской губе залива Шелихоа в Охотском море. Проектная мощность 21,4 ГВт, годовая выработка электрической энергии составит 50,0 млрд. кВт/часов.Тугурская ПЭС.Расположена в Тугурском заливе Охотского моря, в Хабаровском крае. Проектная мощность 8,0 ГВт, годовая выработка электрической энергии составит 20,0 млрд. кВт/часов. 4. Причины малой распространенности приливных станцийМировой океан обладает огромным потенциалом, энергией которого можно обеспечить почти 20% от необходимого количества энергопотребления.Рисунок 5 – Приливная станцияПричинами, которыми можно объяснить малое распространение приливных электростанций, можно назвать следующие:1. При строительстве станций подобного типа приходится осуществлять вывод из общего пользования прибрежных территорий, что обусловлено организацией бассейна станции (строительство резервных бассейнов и охранные мероприятия).2. Высокая стоимость при малой проектной мощности, что определяет большой срок окупаемости проекта.Приведенные выше причины постепенно утрачивают свою актуальность, т. к. при использовании новых типов станций с лопастно-редукторными агрегатами, позволяет отказаться от строительства плотин и резервных бассейнов, что значительно снижает стоимость строительства и снижает сроки окупаемости проекта. А разработка новых, более мощных генераторов, позволяет получать большее количество электрической энергии, при тех же исходных параметрах первичной энергии, которой является энергия приливов и отливов.
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. 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.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. Изменение прилива перекрытием залива или устья реки может привести к негативным последствиям для водных и прибрежных экосистем, включая воздействие на население данных мест.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. 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.
Список использованных источников
1. А., да Роза Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы / А. да Роза. - М.: МЭИ, Интеллект, 2019. - 704 c.2. Вест, К. Источник энергии / К. Вест. - Москва: ИЛ, 2019. - 224 c.3. Горегляд, В.П. Инновационный путь развития для новой России: моногр. / В.П. Горегляд. - М.: Наука, 2020. - 614 c.4. Загрядцкий, Владимир Иванович; Харитонова Л. Г. К Вопросу Создания Автономного Энергосберегающего Источника Энергии / Загрядцкий Владимир Иванович; Л. Г. Харитонова. - Москва: Высшая школа, 2019. - 137 c.5. Земсков, В. И. Возобновляемые источники энергии в АПК. Учебное пособие / В.И. Земсков. - М.: Лань, 2018. - 368 c.6. Коновалова, О. В. В. М. Чернов о путях развития России / О.В. Коновалова. - М.: Российская политическая энциклопедия, 2018. - 394 c.7. Конференция "Пути развития советского математического машиностроения и приборостроения". - Москва: Наука, 2017. - 132 c.8. Магическое воображение. Практическое руководство по развитию сверхспособностей. Высвобождение энергии. Тантрические пульсации для расслабления, раскрытия сексуальности и достижения высших состояний (комплект из 2 книг). - М.: ИГ "Весь", 2018. - 528 c.9. Макаренко, А.Н. Космический источник энергии в недрах Земли и планет / А.Н. Макаренко. - М.: LAP Lambert Academic Publishing, 2017. - 208 c.10. Методы расчета ресурсов возобновляемых источников энергии. - М.: МЭИ, 2018. - 144 c.11. Новикова, Ольга Альтернативные источники энергии Новой Зеландии / Ольга Новикова. - М.: LAP Lambert Academic Publishing, 2018. - 488 c.12. Сибикин, Ю. Д. Альтернативные источники энергии / Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин. - М.: РадиоСофт, 2017. - 248 c.