Практична робота 5.2 Розрахунок припливних електростанцій
ПРАКТИЧНА РОБОТА 5 (продовження)
РОЗРАХУНОК ПРИПЛИВНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ
Рідина в океанах утримується на поверхні обертової Землі силами гравітації. Гравітаційна ж взаємодія Землі з Місяцем і Сонцем збурює ці сили, утворюючи припливи. Приливна енергія, знята з турбін ПЕС, через які протікає вода в процесі припливів, відбирає, таким чином, частину кінетичної енергії обертової Землі. Якщо задіяти в усьому світі всі скільки-небудь значні місця з досить високими припливами, то відповідно до розрахунків це призведе до скорочення періоду обертання Землі на одну добу за 2000 років: це не так вже й страшно для навколишнього середовища.
Приливні коливання рівня у величезних океанах планети цілком передбачувані. Основні періоди цих коливань - добові, тривалістю близько 24 год і півдобові - близько 12 год 25 хв.
Рисунок – Схема припливної електростанції
Різниця рівнів між послідовними найвищим і найнижчим рівнями води - висота припливу. Діапазон зміни цієї величини становить 0,5-10 м. Перша цифра найбільш характерна, друга досягається й навіть перевищується лише в деяких особливих місцях поблизу узбережжя континентів. Під час припливів і відливів переміщення водних мас утворить приливні хвилі, швидкість яких у прибережних протоках і між островами може досягати приблизно 5 м/с.
Очевидно, що місця з більшими висотами припливів володіють і більшими потенціалами приливної енергії. Перетворення енергії припливів використовувалося для приведення в дію порівняно малопотужних пристроїв ще в середньовічній Англії та у Китаї. Із сучасних ПЕС найбільш відомі великомасштабна електростанція Рані потужністю 240 МВт, розташована в естуарії річки Ла Рані, що впадає в затоку Сен Мало (Бретань, Франція), і невелика, але принципово важлива станція потужністю 400 кВт у Кислій губі на узбережжі Баренцевого моря в Росії. Поведінка припливів може бути передбачена досить точно, з похибкою менше 4%. Таким чином, приливна енергія виявляється досить надійною формою поновлюваної енергії.
Але є й певні недоліки використання енергії припливів:
- зміна висоти і потужності припливу з періодом 2 тижні, що призводить до коливань виробництва енергії;
- дуже високі капітальні затрати;
- потенційні екологічні порушення і зміни режимів дельт річок і морських районів.
1) Потужність потоку води у випадку припливу рівна:
,
де ρ – густина води, 1000 кг/м3; V – швидкість припливу, м/с.
Але тільки частина цієї повної енергії може бути перетворена в корисну (на практиці не більше 40 %).
Швидкість припливних течій змінюється з часом приблизно так:
,
де V0 – максимальна швидкість течії, м/с; τ – період припливу (12 год. 25 хв. – для півдобового, 24 год. 50 хв. – для добового).
Таким чином, електрична потужність, яка знімається з 1 м2 площі поперечного перерізу (з урахуванням 40-% ефективності перетворення енергії потоку в електричну), в середньому рівна:
.
При максимальній швидкості 5 м/с, яка зустрічається у протоках між островами, qc = 14 кВт/м2. Перекривши площу 1000 м2, можна отримати середню потужність припливної електростанції близько 14 МВт.
2) Басейн ПЕС наповнюється при високій воді і спорожнюється через турбіни при малій воді. Підняту на максимальну висоту під час припливу воду можна відокремити від моря дамбою або греблею в басейні площею S м2. При цьому маса води, яка поступає в басейн:
(кг),
де S·R – об’єм води (R – перепад рівнів води, м).
Ця маса зосереджена у центрі тяжіння на висоті R/2 від рівня малої води.
Якщо потім під час відливу пропустити цю масу води через турбіни, то можна одержати максимальну потужність
,
Завдання
1) Розрахувати та графічно відобразити коливання швидкості течії протягом періоду припливу (добового/півдобового). Розрахувати значення середньої потужності припливної електростанції для різних площ.
2) За картою визначаються глибина затоки h, м; довжина протяжності затоки вглиб материка L, м; площа можливого припливного басейну S, м2. Результати занести у таблицю.
Визначити швидкість руху припливної хвилі (м/с):
,
де g – прискорення сили тяжіння, 9,81 м/с2.
Із умови виникнення резонансу в затоці визначається, чи є відповідні умови в даній затоці:
,
де j – непарне число.
Визначити максимально можливу потужність в одному циклі ПЕС (Вт):
,
де ρ – густина води, кг/м3; R – перепад рівнів, (при непарному цілому j – 6 м, при непарному j з дробовою частиною – 3 м).