7.1 Происхождение и виды приливов

Упрощенная схема взаимодействия Земли и Луны:

М – Луна; Е- Земля; СG- центр притяжения; 1- сила притяжения; 2 – центробежная сила

Взаимодействие Луны и Земли проиллюстрировано на рисунке. На стороне Земли обращенной к Луне сила притяжения (1) максимальна, а центробежная сила (2) минимальна. На этой стороне обе силы действуют в одном направлении (вовне) и складываются, вызывая повышение уровня воды в океане. На противоположной стороне земного шара сила притяжения направлена вовнутрь и минимальна, в то время как центробежная сила направлена вовне и максимальна. Наложение этих сил дает результирующую силу, которая направлена вовне. Таким образом, подъем уровня воды возникает с обеих сторон земного шара, и этот подъем – приливная волна – движется через весь океан вследствие вращения Земли вокруг своей оси. Скорость вращения земной поверхности на экваторе составляет 1600 км/ч. Однако приливная она не может передвигаться с такой скоростью и отстает от лунного меридиана, перемещаясь со скоростью только 500 км/ч. Время этого запаздывания называют возрастом прилива.

В конкретном месте приливная волна может проходить два раза в сутки. Эти приливы называют полусуточными.

Однако этот упрощенный подход был бы верным, если бы Луна находилась в экваториальной плоскости Земли. обычно есть некоторое отклонение плоскости вращения Луны, вследствие чего прилив в конкретном месте наблюдается только один раз в день; этот прилив получил название суточного. В большинстве случаев приливные колебания уровня воды являются комбинацией двух этих типов. И если оба типа приливных колебаний играют важную роль, то такой прилив называют смешанным. Высота приливной волны зависит от положения Луны и Солнца относительно Земли.

Итак, прилив имеет достаточно сложную природу. Кроме взаимного положения небесных тел, он зависит от распространения и формы океанов на земной поверхности. Тем не менее, при помощи существующих теорий достаточно точно можно предсказать характеристики приливов, в любом месте, в любое время дня и года.

Высота приливной волны в открытом океане обычно составляет менее 1 м. Совершенно очевидно, что этого недостаточно для выработки энергии, но при вхождении приливной волны в залив или устье реки её высота при благоприятных условиях увеличивается до размеров, превосходящих в некоторых местах 10 м.

7.2 Энергия и мощность прилива

Силы, вызывающие прилив – это силы притяжения между Землёй и Луной и центробежная сила, возникающая вследствие их вращения вокруг их общего центра притяжения. Работа, выполняемая этими силами, преобразуется в механическую энергию приливной волны, которая складывается из кинетической и потенциальной энергии. Первая возникает вследствие движения воды в приливной волне, а вторая представляет собой потенциальную энергию водных масс, поднятых в приливной волне над средним уровнем моря. Этот мировой приток, или мощность прилива, по некоторым оценкам достигает приблизительно 5 млрд. кВт. В природе около половины приходящей энергии прилива передается твердому массиву земли, а остаток рассевается, главным образом при преодолении силы трения, когда приливная волна приближается к мелкому прибрежному шельфу.

Самыми привлекательными местами с точки зрения использования приливной энергии являются заливы и бухты. Поведение приливной волны, входящей в бухту, достаточно сложно и представляет собой наложение входящей волны на волну, отраженную от берега. Л. Бернштейн высказал мысль о том, что для получения общих сведений об энергии, которую можно извлечь из прилива при помощи приливной электростанции, следует использовать не настоящие характеристики приливной волны (которые будут изменены плотиной), а энергетический потенциал бассейна (где будет установлена станция) (Бернштейн, 1987). Для регулярных полусуточных приливов энергетический потенциал одного приливного цикла может быть вычислен как потенциальная энергия водной массы в бассейне при поднятии её центра притяжения на высоту, равную амплитуде волны. Р, МДж – работа, выполненная приливом за один полуцикл; А, м – высота приливной волны (расстояние между гребнем и впадиной приливной волны); S, км² – площадь бассейна; р=10,05 кН/м удельный вес морской воды; g, м/с² – ускорение силы тяжести.

Работа, выполняемая приливом за сутки равна 3,87 Р (3,87 – количество полуциклов колебаний приливной волны в день).

Годовое количество приливной энергии Е, кВт/час, полученное по формуле, равно:

Е= 1,97*10⁶А_m²S,

где А_{m –} средняя высота приливной волны за год.

В большинстве мест, подходящих для установки приливной электростанций характер приливов приближается к регулярным полусуточным приливам, а, следовательно, их энергетический потенциал может быть рассчитан по формуле, приведено выше. Однако существуют места, где наблюдаются смешанные приливы, и где суточный прилив будет наблюдаться так же, как и полусуточный. Для того чтобы это можно было учитывать, предлагается ввести показатель D, значение которого в большинстве случаев находится в промежутке между 0 и 4. Первое значение используется при полусуточных приливах, а последнее при суточных. Для смешенного типа прилива, включающего оба компонента, предлагается использовать линейную интерполяцию, приводящую данную формулу в следующий вид:

Е=1,97*10⁶ А_m²S*0,5(1+ ).

Формулы для определения годовой энергии приливного бассейна могут быть использованы только для самой приблизительной оценки энергии или мощности приливной электростанции, которую там установят. И следует снова сказать, что истинная характеристика приливной электростанции могут быть определены только исходя из реальных условий в бассейне, после того как его отгородят от моря дамбой.