|
|
Приливные колебания у побережья
происходят за счет энергии, приносимой сюда приливной волной. Эта энергия
либо отражается от берега в океан, формируя в прибрежной зоне режим стоячей
приливной волны, либо диссипирует в этой зоне. В этом случае приливная волна
сохраняет прогрессивный характер. Поскольку всегда имеют место оба процесса —
отражение и диссипация, то реальный режим прибрежного прилива носит 18
характер смешанной (прогрессивно- стоячей) волны, в которой результирующий
«чистый» поток энергии, обусловленный преобладанием падающей волны над
отраженной, характеризует интенсивность прибрежной диссипации.
Существующие методы анализа структуры природных приливных
колебаний позволяют оценить потоки энергии, связанные с падающей и отраженной
приливными волнами, а так- же чистый поток рассеиваемой энергии как их
разность.
В некоторых ранних исследованиях значение рассеиваемой
энергии, равное 1—1,4 ТВт, по аналогии с речным водотоком отождествляли с
понятием валового теоретического потенциала, который—характеризует теоретичестог-
возможную максимальную мощность (или выработку)
гидроэлектростанции. В таком случае данные о прибрежной диссипации,
приведенные ниже, могли бы служить ориентиром для определения оптимальных
мест расположенияПЭС. Однако, как показал Жибра 11551, аналогия приливной
энергии с энергией речного водотока нарушается. Приливная энергия обладает
рядом специфических особенностей, объясняющихся прежде всего тем, что в
отличие от речной энергии она связана с волновым процессом. В частности,
неправомерным оказывается и отождествление рассеиваемой энергии с валовым
теоретическим потенциалом. Это становится очевидным при сравнении двух
заливов одинаковой формы и размеров, различающихся только тем, что один из
них характеризуется сильной диссипацией, сосредоточенной в вершине, а другой
бездиссипативен. В природных условиях при одинаковом внешнем воздействии со
стороны океана в первом заливе прилив будет близок к прогрессивной волне, а
во втором возникает стоячая приливная волна. Однако при сооружении плотины на
одинаковом расстоянии от вершины диссипативный участок будет исключен,
условия в обоих заливах сравняются и с наружной стороны плотины сформируются
одинаковые приливные колебания, что определит и одинаковый режим работы ПЭС с
одинаковой выработкой
Таким образом, прямой связи между природной рассеиваемой
энергией и ожидаемыми мощностными характеристиками ПЭС нет, и в ряде случаев
j (при слабой природной диссипации) ПЭС может дать энергии больше, чем ее
рассеивается за счет трения в природных условиях. Например, мощность.
—рассеиваемая в—эстуарии
р. Ране, определяется в 60 МВт, а фактическая мощность ПЭС
Ране, использующей энергию прилива в этом эстуарии, составляет 240 МВт.
Отсюда очевидно, что рассеиваемая энергия не может быть мерилом мощности ПЭС.
Увеличение приливной энергии, отбираемой в условиях ПЭС, по срав- нению с
энергией при бытовом режиме может быть обусловлено прежде всего
трансформацией приливных колебаний, происходящей при сооружении ПЭС. Кроме
того, при искусственном регулировании приливной энергии можно полностью
устранить сдвиг фазы течения и уровня и достигнуть коэффициента мощности,
равного единице. В этом случае максимум скорости будет наступать одновременно
с экстремумом колебания уровня. Физическая сущность этого эффекта
регулирования аналогична перекачке энергии прилива из океана в мелководные
моря и концентрации ее в створе ПЭС.
В работах ряда исследователей приводятся значения
теоретического энергопотенциала прилива, превышающие диссипацию на шельфе
(1,7 ТВт), но приближающиеся к общей диссипации (2,4 ТВт). Так, Джефрис
оценивает его в 1, Жибра в 1,4, Тейлор в 3 и Дафф в 4 ТВт.
Предварительная количественная оценка той энергии, которая
может быть извлечена из природного приливного процесса с помощью конкретной
ПЭС, в общем случае представляет весьма сложную задачу даже при
идеализированных предпосылках, когда КПД агрегатов станции принимается равным
единице. Одна из главных причин возникающих затруднений состоит в том, что
сооружение ПЭС и работа ее агрегатов оказывают обратный эффект на структуру
приливной волны, приводя к трансформации приливного режима. Поэтому для
оценки будущей выработки ПЭС наряду со знанием ее технических характеристик
необходим прогноз указанной трансформации приливных колебаний, что требует
сложных мо- дельных расчетов. В то же время для ряда оговоренных ниже
ситуаций предложены и успешно используются упрощенные формулы таких оценок,
достаточные для предварительных стадий проектирования. В проектной практике и
литературе как в СССР, так и за рубежом наибольшее применение имеют нижеприведенные
формулы Бернштейна для районов с правильным полусуточным и неправильным
приливами. Формулы эти основаны на понятии энергопотенциала приливного
бассейна и дают возможность получить кадастровую оценку энергии намеченного к
использованию бассейна на предварительных стадиях проектирования на основе
простых параметров, имеющихся в распоряжении проектировщика до проведения
специальных исследований и изысканий, подобно тому, как это делается для
речных водотоков.
Для речного водотока валовой теоретический потенциал
определяется как взятое с определенным коэффициентом произведение
среднеарифметического бытового расхода за многолетний период на валовой напор
Н на всем падении реки. Но если для речного водотока в его естественном
состоянии энергия растрачивается на трение, турбулентное перемешивание и
эрозионную переработку русла, то для приливного бассейна его энергопотенциал
выражается в работе, производимой приливом в течение года при подъеме и
опускании уровня в течение каждого приливного цикла. При этом основными
аргументами для выражения мощности установки являются не расход и напор
(которые могут быть получены в дальнейшем расчете после регулирования энергии
прилива), а площадь бассейна 5, км , и величина прилива А, м.
Работа Р, совершаемая приливом за приливно-отливный цикл в
предположении отсутствия поверхностных уклонов, т. е. при мгновенном
заполнении бассейна, определится умножением веса поднятой и опущенной
приливом воды Л5у-106кН на высоту А/2 поднятия его центра тяжести Р =—
AS-10,05- Ю6. (2.6) 2
Здесь Р — в килоджоулях, А — в метрах, S — в квадратных
километрах; 10,05 — удельный вес морской воды у, кН/'м3.
Работа, совершенная за сутки, равна 3,87 Р (3,87 — число
полуциклов колебания приливной волны в сутки).
Эта мощность не может приниматься для определения
установленной мощности ПЭС, так как она берется здесь осредненной. В то же
время она может использоваться для определения годового запаса потенциальной
энергии приливного бассейна, кВт-ч,
= 8760-225Л2 5= 1,97-106 ЛС2Р5.
Удельную потенциальную энергию на 1 км2 можно назвать
энергетическим потенциалом приливного бассейна, который пропорционален
квадрату средней величины прилива.
Жибра определяет энергию после пропуска ее через турбину с
некоторым условно назначенным максимальным напором. Поскольку при этих
условиях явление прилива искажается, представляется, что термин «естественная
энергия» не может быть применен.
Формула может применяться для оценки энергопотенциала
бассейна в том случае, если прилив имеет правильный полусуточный характер. На
большинстве побережий, где могут быть созданы ПЭС, прилив имеет именно такой
характер. Однако, как указывалось выше, в ряде мест приливные колебания
содержат заметную суточную составляющую, которая иногда может даже
преобладать над полусуточной. Такие смешанные (неправильные) приливы в
принципе также могут быть зарегулированы с использованием их энергии.
При смешанном характере прилива оценка его энергии и
энергопотенциала усложняется, поскольку чередующиеся циклы колебаний
становятся неодинаковыми по величине; с увеличением критерия Д один из них
(допустим, четный) становится все меньше, практически исчезая при Д > 4
(чисто суточный прилив). Ясно, что в этом предельном случае правильного
суточного прилива, когда число циклов прилива в сутки уменьшится в 2 раза, в следует
ввести коэффициент 0,5. Для получения количества энергии при изменении
характера прилива от Д = 4 (суточный прилив) до Д — 0 (полусуточный прилив)
в следует ввести коэффициент, учитывающий это изменение по прямолинейной
функции. Тогда энергопотенциал приливного бассейна, кВт-ч, в зависимости от
показателя Д будет определяться таким выражением:
Згид.бвс= 1,97-0,5- 10е АсР s х x(.+ l=*L).
Дальнейшие исследования показали, что расчеты могут быть
уточнены, если вести вычисления отдельно для каждого типа колебании (Кин-
дюшев), наблюдаемых в данном заливе, а затем суммировать результаты, а также
рассчитывать энергопотенциал бассейна как сумму энергопотенциалов
гармонических составляющих приливов. Так удалось уточнить энергопотенциал
бассейна Пенжин- ской ПЭС (южный створ) с 892 до 726 (с учетом распределения
приливов по типам) и до 706 ТВт-ч (с учетом энергопотенциала, определенного суммированием
по гармоническим составляющим).
Пользуясь понятием энергопотенциала и формулами и , нужно
иметь в виду следующие обстоятельства.
Во-первых, в эти формулы входит естественная величина
прилива, т.е. эта формула справедлива только при отсутствии заметных
трансформационных эффектов, вызванных зарегулированием (сооружением ПЭС). Это
будет иметь место в тех случаях, когда природный прилив близок по своей
структуре к типу стоячей волны (слабая природная диссипация) и когда
протяженность отсекаемого бассейна I пренебрежимо мала по сравнению с местной
длиной приливной волны "К (например, I С л/10). В таких случаях вся
отсекаемая акватория практически умещается в прибрежной зоне пучности.
Во-вторых, при выводе формул и учитывается только
потенциальная энергия, тогда как полное энергосодержание реального бассейна
должно включать также и кинетическую энергию. Пренебречь кинетической
энергией можно только в тех случаях, когда рассматриваемый бассейн целиком
расположен в зоне пучности чисто стоячей волны, т. е. когда сооружение
плотины не приводит к заметным трансформационным эффектам в приливном режиме
снаружи от нее.
В-третьих, выражения и для энергопотенциала получены путем
рассмотрения изменения энергосодержания отсеченного бассейна при
гидравлическом процессе наполнения- опорожнения, т. е. фактически в
зарегулированных, а не природных условиях. В тоже время изменение
энергосодержания в зарегулированных и природных условиях происходит
принципиально различным образом. Если в первом случае (зарегулированные условия)
изменение энергосодержания отсеченного бассейна изменяется «в темпе» процесса
наполнения- опорожнения, т. е. с частотой прилива о= 2 л/74, то в природных
условиях энергосодержание той же акватории изменяется с удвоенной частотой
2<т. Кроме того, максимальное изменение энергосодержания при
зарегулированных условиях пропорционально квадрату величины прилива А2= =
(2Н)2 — 4И2, а в природных условиях оно пропорционально квадрату отклонения
уровня от среднего равновесного положения, т. е. квадрату амплитуды Я2. Можно
сказать, что зарегулированный бассейн «засасывает» и «выпускает» каждый раз
вчетверо большие порции энергии, чем в природных условиях при той же
амплитуде, но делает это в 2 раза реже.
В-четвертых, формулы действительны для неизменной в процессе
приливных колебаний водной поверхности бассейна. При наличии осуш- ных
площадок, кошек, отмелей в формулы следует ввести соответствующую поправку
или значение S брать на отметке среднего уровня моря плюс А /4. Следует также
учесть, что при строгом подходе средняя величина прилива А для формулы должна
определяться для полного цикла приливных колебаний, проходящего за 18,66 лет.
Но поскольку отклонения величины прилива за этот цикл отличаются от
среднемесячного значения на ±5 %, погрешность в определении энергии будет
составлять всего лишь ЧгЗ %. Также, по данным тических параметров станции
требует проверки полученных р е з у л ь та тов более строгими методами. Такие
оценки могут быть сделаны лишь на основе прогностического расчета приливного режима
с учетом его трансформации. Методы и результаты аналогичных расчетов
излагаются в гл. iO.
Следует также отметить, что в районах с суровым климатом
необходимо учитывать потери, связанные с образованием в зимний период льда. Для
этого в формулах следует ввести поправку на уменьшение объема сливной призмы,
исключа емой при колебаниях уровня в условиях льдообразования. При этом из
полезного объема исключается подошва припая, попадающая в зону колебания
уровней. Исключению также подлежит часть сливной призмы, которая не может
быть компенсирована вытеснением льдом нижележащего слоя воды, в том случае,
если лед зависает на подводном препятствии, не достигнув в плоскости плавания
минимального уровня.
Энергетические потери определяются как отношение
потерянного объема к полному объему используемой призмы.
Расчет потерь следует вести за период ледостава с учетом
толщины льда и величин прилива.
Расчет, выполненный для небольшой акватории бассейна
Киелогубской ПЭС при толщинах льда, близких к максимальным, показал, что
относительные потери равны 3,1 — 3,2 %. В больших заливах с малой площадью
осушных площадок по сравнению с общей площадью бассейна эти потери
пренебрежимо малы.
|