TERMÉSZETTUDOMÁNYOS ALAPISMERETEK Az árapály-energia újra felfedezése. Rendes Zoltán Programtervező informatikus (levelező) H4Q58W 2011
Az apály és a dagály kialakulása a Nap és a Hold gravitációs hatásának a következménye. A jelenség egyszerűbben leírható, ha első közelítésben vesszük, hogy a Föld és a Hold, a közös S súlypontjuk körül mozognak úgy, hogy a középpontjaik a Föld egyenlítő síkjában egy-egy kört írnak le, és gondoljuk egyelőre merevnek a Földet, eltekintve a tengely körüli forgásától. Ekkor a Föld minden pontja körpályát ír le, vagyis a Föld transzlációs mozgást végez, a Newton-féle törvényből számítható állandó gyorsulással. Így a Földön egy P pontba rögzített m tömegű testre hat a forgó mozgásból eredő, a pont helyzetétől független F t tehetetlenségi erő, és a Hold vonzásából származó F g gravitációs erő is. (1.ábra) 1. A Föld pontjaira ható transzlációs és a Hold vonzásából adódó gravitációs erők A két erő eredője a P pont helyzetétől függ. Ha az eredőt a földfelszín minden pontjára meghatározzuk, akkor azt tapasztaljuk, hogy az erők a Holdhoz közelebbi félgömbön a Hold felé, a távolabbin a Holdtól ellenkező irányba mutatnak. (2. ábra). Emiatt a vízfelszín az A és B pontokban a legmagasabb, C és D helyeken a legalacsonyabb. 2. Az árapály jelenséget okozó erők eredője
Figyelembe véve, hogy a Föld és a Hold 27,32 napos keringési idővel kering közös súlypontjuk körül, továbbá a Föld még tengely körüli forgást is végez 23 óra 56 perces forgásidővel, a holdközeli A pont 24 óra 50 perc alatt jut ismét holdközelbe, így a Föld egy adott helyén a Holdtól származó dagály és apály kétszer ismétlődik. A Hold fent leírt hatásához még hozzájárul a Nap kisebb erejű és 12 órás periódusú hatása is. Ezek a hatások összeadódnak, vagyis erősítik egymást, ha a Föld, a Hold és a Nap egy egyenesben vannak, vagyis újholdkor és teliholdkor. Az első és utolsó negyedben pedig gyengítik egymást, ekkor az apály és a dagály közötti vízszintkülönbség kisebb lesz. A szárazföldek hatásai, az elhelyezkedés, és sok más tényező is befolyásolja ezeket az erőket. A Föld egyes helyein akár a 15 métert is elérheti a szintkülönbség, máshol alig észrevehető. Az árapály jelenséget, vagyis a tengerek szintjének a partokon megfigyelhető szabályos váltakozását, már az ókori hajósok is megfigyelték, és felhasználták. A kikötő öblökbe dagálykor beáramló víz segíti a hajókat a part elérésében, a tetőzés után a vízszintcsökkenés miatt az öblökből a tenger felé áramló víz pedig a kifutásban. A dagály-kikötőket a mai napig használják.... Dagály-kikötők azok, melyekbe nagyobb hajók csak dagály idején mehetnek. Az ily kikötőknek keskeny bejáratai az apály kezdetén elzáratnak, ugy hogy a bennök lévő viz le nem folyhatván, a magas vizállás megmarad. A belső kikötő partjait, medencéit a partomlások meggátlása végett kövekkel burkolják és kőpartnak vagy rakpartnak (quai) hivják, más helyen a partot a mederbe vert cölöpökkel és arra szögezett gerendákkal biztosítják, cölöpzetpart. A legnagyobb kőpartja Liverpoolnak van, hol a Mersey folyónak jobbpartján 60 medence, a balparton Birkenhead felé 40 medence terül el egymás mellett.... (3. ábra) 3. Dagály-kikötők Liverpoolban
Már a középkorban épültek az árapály energiáját használó malmok is a mai Nagy-Brittania és Franciaország területén. Dagálykor zsilipeket megnyitva egy gát mögé terelték a tengervizet, a tetőzéskor a zsilipet elzárták, és majd megfelelő szintkülönbség esetén újra megnyitották, és a kiáramló víz hozta mozgásba a malomkerekeket. A víztömegeknek ezt a periodikus mozgási energiáját hasznosítják az árapály-erőművekben, amiket tengerbe ömlő folyók torkolatánál alakítanak ki. Az első erőmű Franciaországban épült 1960-ban, azóta csak néhány követte, a magas építési költség miatt Franciaország, Nagy-Brittania, Kanada és Oroszország területén. (4.ábra) 4. Árapály erőmű Saint-Malo (Franciaország) mellett Az árapály erőművek működési elve megegyezik az általános vízerőművekével, ahol szintén a víz mozgási energiáját alakítják át turbinák és generátorok segítségével villamos energiává. A különbség annyi, hogy míg a folyami erőművekben mozgási energiát a folyók természetes esése, valamint a duzzasztógátaknál felgyülemlett víz potenciális energiája adja, addig az árapály erőműveknél csak a vízszintkülönbségből adódó potenciális energia hasznosítható. 5. Működési elv Az elsődleges áramlás a Venturi csöveken keresztül halad. A leszűkített keresztmetszet miatt alacsonyabb nyomású lesz, így szívóhatás alakul ki, ami a turbinákon keresztülvezeti a másodlagos áramlást, forgásba hozva a turbinákat, amik meghajtják a generátort, és az áramot termel. (5. ábra)
Gazdasági szempontokból maga az erőmű működése alacsony költségű, előre kiszámítható periódusokban képes villamos energia előállítására, emiatt könnyen szabályozható, viszont a vízerőműveknél jóval hosszabb gátak kialakítása magas építési költségeket von maga után, és csak 20-30 év múlva térül meg a kezdeti befektetés. Környezetvédelmi szempontokból viszont előnyösebb a vízerőműnél, mert nem kell külön duzzasztómedencéket létrehozni, és gátszakadás esetén sem kell nagy területek elöntésére számítani, csak mint máskor egy átlagos dagály esetén. Viszont a gáton lévő szűrő berendezések megakadályozzák a halfajok folyó-tenger közti mozgását, valamint a gáton belül kevésbé sós víz halmozódik fel, és a folyóból érkező szennyeződések, uszadékok is megrekedhetnek, amik veszélyesek lehetnek a torkolat élővilágára. Jelenleg is terveznek új erőműveket, például Nagy-Brittaniában, Solway Firth-ben. (6.ábra) Felhasznált irodalom: 6. Árapályerőmű madártávlati terv - Solway Firth. Kísérleti fizika I. - Budó Ágoston (1970) Pallas Nagylexikon Article for Water Power Yearbook on Severn tidal fence and government decision on Severn power projekt - Peter Roberts, Managing Director, VerdErg Renewable Energy Ltd, (2010) Ábrák: 1., 2. - Kísérleti fizika I. - Budó Ágoston (1970) 3., 4. http://maps.google.com 5., 6. - http://www.solwayenergygateway.co.uk