Л. Б. Бернштейн, кандидат технических наук. 

Воды океана риритмично, в течение 6 часов 12 минут, наступают на сушу, Заливая при этом необозримые пространства, они поворачивают вспять многоводные реки, а затем, достигнув максимального уровня («полная вода»), внезапно останавливаются и откатываются обратно до уровня, называемого «малой водой». 

---

В некоторых местах побережья этот процесс носит иной характер. Например после «полной воды» наступает непродолжительный отлив, который сменяется новым приливом. Бывает и так, что прилив длится 12 часов 25 минут (суточный прилив) и т. д. Но всюду явление прилива носит строго закономерный характер. «Дыханием моря» назвал Гюго прилив. Наблюдая приливы, человек от слепого поклонения и восхищения поэтов пришел к полному познанию этого явления. Теперь на каждом корабле есть таблицы, которые предсказывают ход прилива на любое время года с точностью до десятых долей метра, но было время, когда люди, не понимая причины приливов, считали их «могилой человеческого любопытства». Есть даже предание о том что великий философ античного мира Аристотель покончил жизнь самоубийством, отчаявшись объяснить причину неравенства вод прилива в устье реки Эврип. 

Приливы возникают в результате совместного действия сил всемирного тяготения (главную роль играет притяжение Луны) и сил центробежного ускорения на поверхности Земли. 

Так как различные точки земной поверхности находятся на неодинаковом расстоянии от Луны, то и величина сил лунного притяжения для них различна. Центробежная же сила всюду одинакова, поэтому равнодействующие этих сил (приливообразующие силы) будут образовывать поле притяжения, которое, как эллипсоид, окружает Землю. Внутри этого воображаемого эллипсоида, большая ось которого всегда направлена к Луне, и вращается Земля. Қаждая точка поверхности земного шара, проходя под выпуклостью эллипсоида, направленной к Луне, подвержена силам, вызывающим прилив. Так же действует и Солнце, вызывая солнечный прилив. Но ввиду того, что оно находится от Земли дальше, чем Луна, его действие в 2,17 раза слабее. Наибольший прилив, называемый сизигийным, наступает в тот момент, когда Земля, Луна и Солнце оказываются на одной прямой. Затем в течение 7,3 суток происходит ослабление прилива и наступает квадратура (Земля, Луна, Солнце расположены по вершинам прямоугольного треугольника).

 

Понятно, что реальный прилив проходит под действием еще других сил. Волна прилива продвигается в материальной среде и поэтому подвержена влиянию сил трения, вязкости и инерции. Но вышеописанная модель этого сложного явления (создана еще Ньютоном) достаточна для общего правильного понимания сущности прилива и причин, его вызывающих. Считают, что вся энергия прилива составляет 40 миллиардов киловатт. Грандиозность приливной силы такова, что только лишь та ее часть, которая рассеивается на трение и перемешивание (1 миллиард киловатт), равна экономическому потенциалу всех рек земного шара.

 

Приливные явления тормозят вращение земного шара.

Человек пытается использовать не всю энергию прилива, а лишь ту часть, которую прилив приносит в мелководное море в виде волны, наступающей на берег. C давних пор пытались люди покорить эту энергию. На берегах Франции, Испании, Англии и Голландии еще в средние века работали примитивные приливные мельницы, остатки которых и сейчас сохранились в окрестностях Зудбриджа и Дюнкерка. Прошли века, само явление прилива наука узнала настолько полно, что может теперь предсказать его с небходимой точностью. Однако приливная энергия остается пока еще не использованной, и громадные деревянные колеса водоподъмной машины, снабжавшей в прошлом веке Лондон водой, служат как бы живым укором челозеку, обуздавшему энергию атома, но так и не покорившему прилив. 

Неосуществленные проекты ПЭС

Если проследить историю попыток инженерной мысли овладеть силой прилива только за последние 50-60 лет, то создается впечатление, что какие-то непреодолимые препятствия не позволяют человеческому разуму найти способы покорения этой энергии. Пожалуй, ни в одной области техники не было предложено такого большого количества совершенных и остроумных решений, из которых ни одно не было осуществлено. 

Только во Франции в 1918 году был опубликован список 218 патентов на эту тему. В 1928 году по решению французского парламента даже начали сооружение опытной станции Абер Врак, а в США в 1935 году приступили к строительству большой приливной электростанции (ПЭС) Кн Кнодди, но оба эти строительства вскоре были прекращены. 

В 1940 году в СССР был составлен проект Кислогубской ПЭС. Экспертиза проектов, отмечая полную техническую возможность использования приливной энергии, указывала, однако, на неблагоприятные эпергоэкономические показатели эксплуатации этих гидростанций. Так, энергия Қислогубской ПЭС по проекту оказалась в 2 раза дороже энергии, вырабатываемой речными станциями. Энергия установки Абер Врак стоила бы на 10 процентов дороже тепловой. По английскому проекту (1933 год) приливная электростанция Северн давала бы энергию стоимостью на 20 процентов выше тепловой, а в американском проекте Кводди на 33 процента выше (1 в 3 раза дороже энергин речных ГЭС).

Не удивительно поэтому, что в дискуссии, проведенной по проекту Кводди, протинники окрестили его как «экономическое безумие» и «дорогостоящий к

априз», после чего строительство, поглотившее 7 миллионов долларов, было прекращено. В то время многие считали, что эти неудачи окончательно похоронили мечту о покорении энергии прилива. Причину этого видели в казавшихся тогда непреодолимыми недостатках приливной энергии. 

Қакие же это недостатки ПЭС? 

 Смена приливного течения на отливное приводит к перемене вращения турбины на обратное. Кроме того, приливный подъем происходит с неравномерной скоростью: постепенно усиливаясь, он достигает максимума и затем падает до нуля в момент «малой воды», чтобы затем повторить этот цикл в обратном направлении. Это обусловливает и соответствующую неравномерность в мощности приливной электростанции. Қ этому добавляется еще одно неприятное обстоятельство. Самая лучшая современная турбина не может вращаться при напоре, меньшем 0,5 метра, поэтому она остановится при падении напора ниже этой величины и заработает снова только тогда, когда напор между морем и бассейном ПЭС вновь поднимется до 0,5 метра.

Нарисованная нами картина усложняется еще и тем, что приливы происходят в лунном времени и ежедневно запаздывают на 50 минут. Естественно, все это может привести к тому, что в моменты максимальной потребности в энергии ПЭС будет работать не на полную мощность или вовсе остановится; может случиться и так, что в часы наименьшего потребления энергии, например ночью, станция будет давать максимум выработки. 

Ценное качество ПЭС 

Hо тем не менее, в последние годы, даже когда на энергетической арене появился «атомный колосс», инженерная мысль снова вернулась к старой проблеме-проблеме использования «синего угля». B 1956 году во Франции приступили к строительству приливной электростанции Ля-Ранс мощностью 360 тысяч киловатт с годовой выработкой 800 миллионов киловатт часов; ведутся широкие проектные, лабораторные и практические исследования по этому сооружению: построено четыре опытных ГЭС, на которых испытываются обратимые турбины общей мощностью 73 тысячи киловатт. 

Энергия прилива действительно прерывиста и переменна в течение суток. Более того, ее величи не изменяется вместе с убыванием и нарастанием фазы Луны (от сизигий к квадратуре). Но средняя величина амплитуды прилива, а следовательно, и энергии за этот период, или за лунный месяц (29,5 суток), остается почти неизменной (колебания в пределах +2 процента) для любого месяца, любого года. Это качество приливной энергии, выгодно отличающее ее от речной энергии (которая подвержена резким колебаниям в сезонном и многолетнем периоде), позволяет не только восполнить дефицит энергобаланса, но и улучшить работу других электростанций, входящих в объединенную энергосистему. 

 

В многочисленных проектах ПЭС все внимание было направлено на устранение неравномерно и прерывистости приливной энергии в течение суток. Поскольку неудачный опыт Абер Врак, Кводдн и Северн показал, что решение этой задачи с помощью сооружения параллельно работающей гидроаккумулирующей электростанции (которая должна качать воду в свое водохранилище в моменты избытка энергии ПЭС и срабатывать его, то есть пропускать эту воду через турбнны, при падении мощности ПЭС) оказывается экономически не оправданным, внимание проектировщиков вернулось к старой схеме Бслидора. 

 

Этот французский артиллерийский инженер еще в 1837 году предложил для обеспечения непрерывной работы приливной мельницы разделить ее бассейн на две части Современные схемы приливных электростанций весьма остроумно и изощренно развивают эту идею. Например, по схеме инженера Ликера, предложившего ее для ПЭС в устье Сомы, здание станции располагается в плотине, делящей залив пополам, а каждый залив поочередно соединяется с морем таким образом, что в одном из них поддерживается горизонт прилива, а в другом — горизонт отлива; турбины при этом могут работать непрерывно. Наиболее сложные схемы (Дефура, Како) предлагают разделить залив на три части и дополняют гидростанцию насосной станцией, которая в периоды излишней энергии будет подкачивать воду из моря в бассейн приливной станции и срабатывать ее в моменты наибольшей потребности Такая подкачка (и откачка) бассейна приливной станции дает выигрыш энергии, потому что подкачка происходит при «полной воде» и, значит, на небольшую высоту, а срабатывается эта вода в период отлива, когда уро вень в море опустился и поднятый насосом объем воды сбрасывается через турбину с большей высоты. 

 Авторы схемы добились того, что приливная электростанция сможет работать непрерывно и менять свою мощность в соответствии с необходимостью потребления. Однако анализ цикла Дефура показывает, что, несмотря на все его остроумие, он (как и другие подобные циклы, при которых бассейн делится на 2-3 части) не может «выскочить» из непреодолимого закона изменения силы прилива в течение месяца, закона, который обусловлен изменением положения Земли по отношению к Луне и Солнцу. 

 

Поэтому оказывается, что приливная станция, построенная по схеме Дефура, из двух недель сможет обеспечивать потребителей энергией только в течение нескольких дней, остальное же время придется вводить в эксплуатацию резервную электростанцию, которая должна иметь мощность, равную 80 процентам мощности ПЭС. Таким образом, выявляется нецелесообразность схемы Дефура. Такое сооружение потребовало бы больших средств для строительства дополнительных плотин, электрических и насосных станций, при этом использовалась бы лишь незначительная часть полезной энергии прилива (бассейн делится на три части, следовательно, общее количество энергии уменьшается в 3 раза) 

Не скрыта ли в свойствах приливной энергии возможность ее использования иным, более простым и экономически целесообразным путем? Исследования, выполненные автором еще в 1946 годе, позволили разработать принципы такого использования приливной энергии, при котором реализуются ее положительные качества. Главная идея этого решения основывается на том, что для работы современной энергосистемы, объединяющей различные виды электростанций, не требуется постоянства выработки энергии приливной станцией, а компенсация ее неравномерности может быть осуществлена без полного дублирования мощности ПЭС.

 

Иначе говоря, нет необходимости затрачивать усилия на весьма сложные и, как оказывается, неэкономичные попытки добиться непрерывной работы ПЭС с желаемой мощностью. Чтобы пояснить это положение, рассмотрим, как потребляет ся энергия, вырабатываемая современным крупным объединением электростанций. Утром нагрузка быстро растет, включаются бытовые приборы, усиливается движение городского транспорта и, наконец, начинают работать фабрики, заводы, различные предприятия. К полудню нагрузка достигает максимума, немного спадает в обеденный перерыв и поднимается ко второму, еще более высокому вечернему пику, который связан с тем, что работа двухсменные предприятий и транспорта совпадает с включением вечернего освещения. Чтобы обеспечить энергией такой график нагрузок, электростанциям приходится работать неравномерно. Для речной гидростанции, имеющей большое водохранилище (например, Волжская ГЭС имени Владимира Ильича Ленина), такая работа не представляет затруднений. 

 

Но, к сожалению, количество воды, а следовательно, и количество энергии, вырабатываемой речными гидростанциями, подвержены сезонным и многолетним колебаниям зимой. Практически из-за недостаточной емкости водохранилищ ГЭС полностью не покрывают всей пиковой и полупиковой (белые участки) нагрузки, которую вынуждены принять на себя тепловые станции, работая при этом в невыгодном режиме. водность рек значительно меньше, чем весной, а в засушливые годы она невелика и в весенний период. Для устранения этой неравномерности стока объем водохранилища должен быть значительно больше того количества воды, которое протекает в реке за весь год. 

В мире существует лишь несколько электростанций, для которых природа создала сама или дала возможность человеку создать такие большие водохранилища. К их числу относятся, например. Рыбинская, Ангарская и Братская ГЭС.

 

В остальных случаях речные электростанции вынуждены работать «по воде», которой в летние и особенно зимний периоды не хватает для обеспечения неравномерной (пиковой) части графика нагрузок. Эту задачу приходится взять на себя тепловым станциям. Но работа их в неравномерном режиме очень невыгодна. Во время спада мощности котлы тушить нельзя, нужно держать их в «горячем резерве», что приводит к значительному перерасходу угля и удорожанию энергии. Еще менее приспособлена к колебаниям мощности атомная станция. Стоимость ее энергии почти не зависит от нагрузки. Вот здесь и сказывается особое качество приливной энергии. 

 

Ее величина не подвержена сезонным и многолетним колебаниям. Имеющиеся же изменения величины амплитуды прилива строго закономерны, а период их настолько незначителен (суточная неравномерность прилива измеряется часами, а период междусезонной неравномерности проходит в течение лунного месяца), что эти изменения могут быть компенсированы очень небольшим (сравнительно с речной ГЭС) водохранилищем. При совместной же работе речной и приливной электростанций такое водохранилище вообще не требуется, так как необходимое для ПЭС регулирование обеспечивается более интенсивным использованием водохранилища речной ГЭС (оно может обеспечить выдачу энергии в часы остановки ПЭС). Для того, чтобы пропустить через турбины речной электростанции воду, сэкономленную во время работы приливной станции, мощность ГЭС должна быть несколько поднята. 

 

Приспособление работы приливной электростанции к потреблению может быть осуществлено и с помощью так называемого насосного эффекта, давно предложенного Клодом. По сейчас уже не требуются специальные насосные станции, так как это может быть достигнуто благодаря работе поворотно-лопастной турбины в насосном режиме. Аналогичное предложение было сделано автором в 1946 году, а в настоящее время для этого во Франции построена специальная гидромашина — так называемая обратимая турбина («моноблок»), которая установлена на строящейся ПЭС (Ране). В случае, если время «полной» или «малой воды» совпадает с избытком энергии в системе (обычно ночные часы), генератор обратимой турбины превращается в мотор. Он забирает энергию и с помощью турбины, обратившейся в насос, подкачивает воду (или на «малой воде» откачивает) в бассейн ПЭС. 

 

Днем, в часы пиковой нагрузки, произойдет обращение мотора в генератор, а насоса в турбину, и в сеть будет возвращено увеличенное количество энергии (по сравнению с затраченным ночью на работу насоса) Поэтому обратимая турбина не только увеличивает количество энергии ПЭС, но и приспособляет ее работу к характеру потребления. Теперь мы видим, что приливная станция, располагая обратимыми турбинами и работая совместно с речными гидростанциями, имеющими сезонное водохранилище, уже более не нуждается в специальных схемах и регулирующих станциях, которые делали до сих пор ее применение невыгодным. В объединениях мощных энергосистем приливная энергия, соединяясь с речной, восполняет нехватку последней и вместе с ней покрывает всю переменную часть графика нагрузок, оставляя атомным и тепловым электростанциям нижнюю часть графика. 

 

Так приливная энергия обеспечивает возможность наиболее экономичной работы тепловых и атомных станций. Создается своеобразная «энергетическая симфония», в которой все ее участники используются наиболее гармонично. В объединенной энергосистеме ПЭС сможет покрыть пиковую часть графика, освободив от невыгодного режима работы тепловые станции, которые в ночное время будут полностью загружены, давая энергию для вращения насосов ПЭС. В таких условиях отпадает всякая необходимость какого бы то ни было деления бассейна ПЭС на 2—3 части (чтобы получить от нее непрерывную мощность). Приливная электростанция должна обеспечить получение лишь наибольшего количества приливной энергии, которая будет уже в самой системе реализована наилучшим образом. 

Иначе говоря, будет использовано главное положительное качество приливной энергии: неизменность в сезонном и многолетнем периоде, что обеспечивает получение гарантированной энергии в маловодные годы, зимнюю и летнюю межень. Из всего сказанного ясно, что эту задачу с наибольшим успехом можно выполнить, не разделяя залив на несколько бассейнов, а используя приливную энергию в таком виде, как дает ее природа. Для этого надо соорудить простую однобассейновую установку двойного действия, работающую в обоих направлениях: как в отлив, так и в прилив. Такая установка даст наибольшее количество энергии при наименьших затратах. Прообразом такой установки были древние приливные мельницы. Их колеса, располагавшиеся в дамбах, отсекающих залив от моря, вращались под напором приливного и отливного течений во время наполнения и опорожнения залива. В современной приливной однобассейновой электростанции двойного действия на месте мельничных колес будут установлены обратимые турбины, которые могут работать в обе стороны в турбинном и насосном режимах. 

 

Как же направлять воду в бассейн приливной станции и опорожнять его, чтобы получить наибольшее количество энергии? Решить эту задачу аналитически очень сложно. Французский ученый Роберт Жибра писал, что такой путь «полон ловушек и горьких разочарований». Нами был предложен графический способ определения режима регулирования, при котором достигается максимум выработки электроэнергии. Этот способ позволил вывести простые и удобные для пользования формулы, которые дают возможность вычислить годовую энергию приливной электростанции по двум известным характеристикам залива, намеченного для сооружения ПЭС,— по его площади и по средней амплитуде прилива.