Технологии производства электроэнергии с использованием ресурсов мирового океана
Мировой океан занимает почти 70% поверхности нашей планеты и представляет собой нечто по истине великое и могущественное. Одной из главных его черт является постоянное движение, формируемое волнами, течениями, приливами и отливами. Их зарождению способствуют ветра, гравитационные силы Луны, Солнца, Земли, сейсмические толчки и многие другие факторы. Благодаря этому океаническая масса изобилует энергией, объемы которой во много раз превышают величины, необходимые людям, по крайней мере, на текущий момент.
Немного истории: вода как источник энергии
Использование воды в качестве источника энергии во многом определило вектор человеческого развития. Вертикальное водяное колесо, изобретенное, возможно, за два века до рождества Христова, вошло в широкое использование в течение нескольких сотен лет. К концу римской эпохи водяные мельницы обеспечивали энергией помол зерна, производство ткани, выделку кожи, распиловку дерева и т.п.
В средние века на берегах Англии и Франции начали появляться первые водяные мельницы, которые приводились в движение за счет энергии приливных волн. Конструкция таких устройств была довольно тривиальной – небольшая бухта на морском побережье перегораживалась дамбой, отделявшей бассейн от моря. В дамбе располагались отверстия с затворами и сама приливная мельница. Во время прилива вода через открытые отверстия в дамбе заполняла бассейн. При отливе уровень воды со стороны моря понижался, но в бассейне вода задерживалась, так как отверстия в дамбе закрывались. В XV веке большие фрезерные комплексы находились в абсолютной зависимости от водяной энергии. Изобретение и распространение коленчатого вала позволило применить эту энергию к задачам, требовавшим возвратно-поступательных движений. С течением времени в Европе появляется все больше и больше водно-промышленных комплексов (например, водяные хлопчатобумажные фабрики У. Струтта и Р. Окрайта, функционирующие в течение 1770-х годов в Англии).
В 1910 году для снабжения электроэнергией одного из частных домов в Руайяне (Франция) было использовано устройство, конструкция которого напоминает осциллирующий водяной столб, принципы работы которого используются и сегодня. В этом конструктивном варианте волны, осуществляя толчковые движения, заполняют собой специально изготовленные камеры, в которых содержатся воздушные массы. Воздух сжимается, создается избыточное давление, под действием которого он поступает на турбину, вращая ее лопастные механизмы. Вращательное движение турбины передается на генератор, который вырабатывается электрический ток.
Турбины используют в течение последних 200 лет, и за это время было изобретено множество подобных устройств, имевших различные конструкции и принципы действия. Но наиболее эффективными оказались радиальные и струйные турбины. Радиальные используются тогда, когда напор воды невелик, но есть возможность построить плотину и создать перепад высот в 10-15 метров. Такие турбины получили широкое распространение в XX веке в связи с развитием гидроэлектростанций. Струйные турбины по принципу действия схожи с верхненаливными колесами – струя воды под сильным напором ударяет в лопасти турбины и заставляет ее вращаться.
Современность
Сегодня за добычу электроэнергии отвечают целые отдельные отрасли экономики – тепловая электроэнергетика, атомная, гидро, развивается альтернативная (ветер, солнце, геотермальные источники, водород и т.п.). Каждая из них несет в себе как достоинства и недостатки. Одной из главных проблем использования невозобновляемых источников энергии является истощение природных ресурсов и загрязнение окружающей среды. Так, эксплуатация атомных электростанций, как показывает практика, не редко приводит к глобальным экологическим катастрофам; возрастают риски значительного изменения температуры и климата Земли (выбросы углеводородов в атмосферу приводят к увеличению парникового эффекта); ученые предсказывают истощение месторождений угля в течение одного-двух столетий, а нефти – уже через несколько десятилетий (при этом разработка новых месторождений становится все более трудоемкой и дорогостоящей); повышается уровень смертности и заболеваемости населения, в чем экологическая составляющая играет значительную роль. В то же время развитие абсолютно всех отраслей хозяйства не стоит на месте, и постепенно востребованность в большем количестве энергии становится все выше. Можно бесконечно перечислять подобные проблемы, но факт остается фактом – современная мировая экономика построена на использовании невозобновляемых природных ресурсах. И, откровенно говоря, это печально.
Но вместе с тем нельзя не отметить то, что хоть и малая, но все же часть общества понимает, что вопросы сохранения и воспроизводства природной среды нужно было начать решать еще вчера. И прогресс в этой сфере хоть и медленно, но уже начался. Помимо развития альтернативной электроэнергетики, на месте не стоит и поиск способов использования ресурсов мирового океана, который, как мы выяснили в начале, содержит в себе огромное количество энергии. Среди ключевых возобновляемых источников океанской энергии можно выделить:
- ветер;
- волны;
- приливы;
- океанские течения;
- энергию, получаемую за счет разницы температур на разных глубинах океана (преобразование тепловой энергии океана – OTEC);
- энергию, получаемую из разного содержания солей в пресной и соленой воде (осмотическая сила).
Рассмотрим несколько интересных технологий, позволяющих добывать энергию из океана.
1. Шведская инженерная компания Minesto разработала специальные планеры, похожие на беспилотные летательные аппараты. Они предназначены для добычи энергии благодаря подводным течениям. На сайте компании приведен простой, но одновременно хорошо иллюстрирующий работу устройства пример: «Представьте, что вы стоите на пляже и запускаете воздушного змея (=кайт) на ветру. Вы чувствуете мощную подъемную силу кайта за счет строп, прикрепленных к нему. Когда он находится в зените, то тяга практически отсутствует, и удается стоять на месте. Но если попробовать переместить кайт в какую-либо сторону, то становится заметно, что он начинает тянуть за собой, и чем сильнее ветер, тем больше тяга. Собственно, если прикрепить турбину к кайту и поместить его в океанское течение, то таким образом и получится предлагаемая концепция энергетической технологии под названием Deep Green».
Отличительной особенностью Deep Green от других разработок в сфере приливной энергии является крыло, размеры турбины и тот факт, что вся установка движется под водой. Крыло толкает турбину через воду по восьмиугольной траектории, охватывая большую площадь с относительной скоростью, которая в несколько раз превышает фактическую скорость подводного течения. Турбина передает энергию генератору, а генератор пропускает ее через силовой кабель. Шланг на морском дне передает электроэнергию на берег.
Важным преимуществом здесь является то, что приливы вызваны движением Земли, Солнца и Луны, которое можно рассчитать с максимальной точностью. Океанские течения в определенной степени постоянны.
«Размах крыла Deep Green составляет 12 метров, и каждое из них вырабатывает 1,2 мегаватта энергии», – сообщил генеральный директор Minesto Мартин Эдлунд. «Мы считаем, что достаточное количество наших устройств позволит обеспечить энергией половину домашних хозяйств на Фарерских островах, которые по-прежнему используют импортное дизельное топливо для покрытия примерно половины своих энергетических потребностей».
2. От добычи приливной энергии перейдем к волновой. Американская компания Northwest Energy Innovations (NWEI) разработала волновую электростанцию Azura, которая представляет собой маятник, нижняя часть которого прикреплена к океанскому дну. Он извлекает энергию как из вертикального, так и из горизонтального (импульсного) движения волн. Выработка происходит в результате относительного вращательного движения корпуса и поплавка. Поплавок, соединенный с ротором генератора, способен непрерывно вращаться на 360 градусов или колебаться вперед и назад, что позволяет устройству извлекать энергию в самых разных волновых условиях и повышает общую эффективность системы. Генератор приводится в движение гидравлической системой высокого давления. Совершаемые круговые движения поплавка преобразовываются в электрическую энергию, которая передается по подводному кабелю. Вес Azura составляет 45 тонн. В настоящее время устройство проходит испытания на Гавайях. Оно подключено к муниципальной сети, обеспечивающей электричеством весь штат. Устройство может генерировать 20 киловатт энергии.
3. В 2015 году в Шотландии компании Equinor (75%) и Masdar (25%) представили первую в мире коммерческую ветроэлектростанцию Hywind Scotland, использующую плавучие турбины мощностью по 6 МВт каждая. Станция размещается в 25 км от берега. Для установки ветряных генераторов на Hywind Scotland используются специальные анкера, удерживающие их на глубине до 800 м. В состав электростанции входят пять ветряков. Высота мачты каждого из них над поверхностью воды составляет 176 м, под водой – еще 78 м. Диаметр ротора – 154 м, масса всей конструкции – около 12 тонн. От каждого ветрогенератора отходит кабель, который подключается к электросети города.
Турбины установки также высокотехнологичные – на станции установлено специальное программное обеспечение, которое может менять угол поворота лопастей ветрогенератора в зависимости от силы ветра, уменьшать нежелательную качку и оптимизировать выходную мощность. В будущем планируется оснащение электростанции литий-ионным аккумулятором Batwind емкостью 1 МВт⋅ч. Такая батарея будет служить накопителем электричества и отдавать его при безветренной погоде.
На данный момент устройство испытывают рядом с городом Петерхед, Шотландия.
Заключение
Несомненно, сегодня может быть использована только малая часть потенциала такого рода энергетических ресурсов: освоение многих районов океана, по крайней мере, на данный момент, является очень трудным, затраты на подключение выражаются огромными числами; кроме того, многие из потенциальных мест в прибрежных районах «зарезервированы» для судоходства, рыбной промышленности и являются охраняемыми территориями. Но тем не менее, во многих странах правительство помогает и стимулирует развитие такого рода источников энергии. Например, в США Министерство энергетики организовывает соревнования для компаний и частных лиц по разработке подобных устройств.
- гидроэлектростанции
- энергия
- энергия волн
- энергия из окружающей среды
- океан
- ветроэнергетика
- ветряки
- турбины
- Читальный зал
- Научно-популярное
- Экология
- Будущее здесь
- Инженерные системы
Энергия морских вод, использование энергии морей и океанов
Мировым океаном мы называем всю водную массу, которая находится на поверхности земли, за исключением вод на суше. Это воды рек, озер и подземные воды. Это не включает воду в континентальных ледниках, кристаллическую минеральную воду, биосферную воду и всю воду в атмосферных парах.
96,5% всей воды на планете Земля сосредоточено в мировом океане. Средняя глубина Мирового океана составляет примерно 3790 метров. Если бы все воды океанов распределились равномерно по всей поверхности Земли, уровень достиг бы высоты 2200 метров.
Мировые океаны и моря имеют свою систему течений, стратификацию наносов, соленость. Важна температурная стратификация в водоемах.
Верхний слой имеет широко колеблющуюся температуру и подвержен сезонным изменениям. Следующий слой, следующий за предыдущим, значительно более термически стабилен.
Однако грань между ними не является резкой. Двигается на глубинах от десятков до тысяч метров. Здесь наблюдается резкий скачок температуры.
В целом можно сказать, что она уменьшается с увеличением широты. Например, в тропиках он уже встречается на глубине в несколько десятков метров. Этот термический интерфейс принципиально влияет на степень течения водных масс.
Другим фактором, влияющим на океанские воды, является плотность воды. Это зависит от температуры и солености. От всех этих основных и других, более второстепенных свойств зависят возможности их энергетического использования и они прямо вытекают из них.
Энергия прилива
Волнение моря, которое проявляется в регулярных подъемах и падениях уровня моря, является результатом приливных сил Луны и Солнца. Так возникают приливы в Мировом океане.
Форма побережья оказывает большое влияние на высоту приливов. Высокие приливы образуются там, где бурлящая вода устремляется в узкие и длинные заливы. Самый высокий известный прилив наблюдается у берегов Новой Шотландии в США. Вода там поднимается на целых 20 м.
Ход приливных сил и, таким образом, приливов только по видимости закономерен. В течение лунных суток (т. е. за 24 ч 50 мин и 30 с) одно и то же место дважды сменяется отливом и дважды приливом.
Солнце и все неровности планеты Земля своим притяжением вмешиваются в этот устойчивый бег. В результате возникают неравномерности приливного ритма водных масс в разных местах Земли.
В определенный период возникает так называемый глухой прилив. Бывает и однодневный прилив.
При строительстве приливных электростанций необходимо учитывать все особенности того или иного места и все неровности, которые оно влечет за собой.
Во Франции и Италии приливные мельницы известны еще с 13 века. Приливная волна хлынула прямо в водоемы и во время отлива сбрасывалась на мельничные колеса. Однако неравномерность приливов доставляла немалые трудности, и не только древним мельницам. Проблемы возникли и у приливных электростанций, построенных позже.
Старейшей приливной электростанцией можно считать английскую гидростанцию на реке Ди в Честере мощностью 635 кВт. Она была построена в 1913 году.
Старая гидроэлектростанция города Честер
По-настоящему современная приливная электростанция начала работать только в 1966 году. Это французская приливная электростанция в Бретани, в устье реки Ранс.
В этих местах средняя высота прилива составляет 8,4 м. Водохранилище над электростанцией использует морфологическую форму русла реки и имеет площадь 22 км2. Кроме того, приливная вода для турбин также усиливается притоком реки.
Электростанция имеет мощность 240 МВт. Она оснащена 24 реверсивными турбинами, поэтому использует как приливы, так и отливы. Электростанция в устье реки Ранс работает 2250 часов в год и производит 540 миллионов кВтч электроэнергии.
Приливная электростанция на реке Ранс во Франции
Подробно про эту необычную ГЭС смотрите здесь: Приливная электростанция Ля Ранс во Франции
В 1984 году в Канаде в бассейне Аннаполиса была запущена первый генератор приливной электростанции с высотой приливов до 15,8 м. Ротор турбины постоянного тока с четырьмя лопастями имеет диаметр 7,6 м и мощность 17,8 МВт.
Серьезным недостатком приливных электростанций является то, что время их работы часто не совпадает с энергетическим пиком систем электроснабжения.
Другим недостатком является то, что места, подходящие для строительства этих электростанций, часто находятся довольно далеко от мест потребления вырабатываемой энергии.
Потери на междугородных линиях тогда настолько значительны, что строительство нецелесообразно.
Тем не менее, приливная энергия является перспективным источником энергии для будущего использования. Таким образом, ежегодно можно было бы получать от 7,2 до 11,8 трлн МДж электроэнергии. Таким образом, приливная энергия может сыграть важную роль в будущем.
Энергия прибоя
Характер морских волн существенно меняется, когда они достигают мелководья. Когда волны ударяются о морское дно, их длина и высота меняются. Он увеличивается, и гребни волн ломаются.
Сила прибоя во время больших штормов невероятна. Например, во Франции волны прибоя выбрасывали через каменный волнорез высотой 7 м валуны весом до 3,5 т и передвигали бетонный блок весом 65 т на расстояние 20 м.
Большая сила прибоя еще очень мало используется, в том числе и потому, что в местах сильного прибоя нет крупных городов и крупных промышленных предприятий.
В Японии была построена водяная турбина с вертикальным валом, пригодная для обоих направлений потоков воды. Ее лопасти самостоятельно раскрываются примерно на половину окружности в сторону против течения воды. Возникающий дисбаланс создает крутящий момент. Четырехлопастные турбины имеют диаметр до 700 мм и высоту до 150 мм.
Энергия морских течений
Океанические течения возникают в результате дифференциального нагрева поверхности моря солнцем. Для некоторых течений свой вклад в формирование вносят и разная соленость, плотность воды, рельеф морского дна и вращение Земли. Морские течения относительно постоянны и всегда текут в одном направлении.
Самое известное морское течение – Гольфстрим. Его скорость достигает 3,2 км/ч у дна и 8 км/ч на поверхности между Флоридой и мысом Хетеррас. Одна тысячная его энергии могла бы питать 35 процентов Флориды.
Другими течениями являются, например, Калифорнийское течение или течение Гумбольдта. Хотя океанские течения медленнее ветра, они несут гораздо больше энергии из-за плотности воды.
Карта океанских течений
США, Япония и Китай думают об использовании морских течений. Разрабатываются различные типы турбин, которые по своему принципу напоминают классическую ветряную электростанцию. Однако они передвигаются медленнее, поэтому рыба без проблем проходит через них.
Так одним из проектов предусмотрено использование больших турбин диаметром около 170 м, с двумя лопастями рабочего колеса, которые будут вращаться со скоростью 1 оборот в минуту.
Турбины должны быть закреплены стальными тросами к тяжелым анкерам на глубине от 30 до 130 м от поверхности. Их взаимное расстояние составило бы 100 м водопропускных труб для прохода крупных судов.
Однако все проекты, использующие океанские течения, сопряжены с большим риском. Гольфстрим может замедлиться, и возможные катастрофические последствия трудно предсказать.
Француз Морион предлагает погрузить в морское дно огромные диски, которые вращались бы с морским течением. Турбина имела бы диаметр более 100 м. Он предлагает разместить эти электростанции на побережье Франции, Японии и Пиренейских островов. Испытательный проект проводился у южного побережья Сицилии.
В мире существует значительный интерес к этому проекту еще и потому, что он не угрожает стабильности течений и не сопряжен с экологическими рисками.
В США когда-то была идея, что можно будет прокопать полуостров Флорида и повернуть Гольфстрим на север вдоль побережья США при полном использовании его энергии.
Благоприятный климат переместится из Европы в Америку, не так ли? Гольфстрим больше никогда не достигнет европейских берегов.
Реализация такого проекта повлекла бы за собой катастрофические последствия для всего европейского континента. На западе зимние температуры упадут до -43 °C, а климат будет похож на климат Аляски или Лабрадора.
Были сделаны и другие подобные предложения с потенциально ужасными последствиями. Существовал проект перекрытия Берингова пролива и строительства плотины между Гибралтаром и Африкой.
Однако, к счастью, их вовремя отзывали. Экологическое использование энергии морских течений еще ждет своего первооткрывателя.
Будущее морской энергетики связано с использованием сильных океанских течений, приводящих в движение приливные турбины
Тепловая энергия моря
Первое предложение использовать разницу температур в океане для выработки электроэнергии было в романе Верна «Двадцать тысяч миль под водой» 1870 года. Только в 1930 году первая электростанция, использующая тепловую энергию моря (22 кВт) была построена на Кубе французом Жоржем Клодом.
В Мировом океане содержится огромное количество тепловой энергии. Использование разницы температур между верхними и нижними слоями воды — один из способов получения электроэнергии из океанов.
Существуют системы преобразования тепловой энергии океана открытого и замкнутого цикла. В замкнутом цикле Ренкина используется теплообменная среда (например, аммиак), которая испаряет температуру поверхностной воды, образующийся пар приводит в действие турбину низкого давления, а более холодная морская вода снова конденсирует среду.
В открытых циклах в качестве рабочего тела используется морская вода, которая испаряется за счет снижения давления. После прохождения турбины и конденсации вода опресняется и становится пригодной для питья.
Специальный арктический вариант такой системы использует разницу между температурой теплой воды подо льдом 2 °C и холодным воздухом до 50 °C.
Энергия морских волн
Вся масса мировых морей находится в постоянном движении не только на поверхности, но и на значительных глубинах. Вертикальное движение частиц воды изменяет уровень моря, горизонтальное движение является причиной образования как локальных, так и океанических систем течений.
Важнейшим движением частиц воды на поверхности океанов и морей являются волны, имеющие различное происхождение.
Волны, вызванные ветром, приливным действием Луны и Солнца, волны перед устьями крупных рек, катастрофические волны цунами, являющиеся следствием подводных землетрясений. Подсчитано, что энергия, генерируемая волнами во всех мировых океанах, достигает значения 342 миллиарда МДж. Однако пока этот ресурс используется очень мало.
Однако первые шаги к практическому использованию морских волн уже сделаны.
Разработка электростанций с использованием морских волн происходит в основном в таких странах, как Япония, Великобритания, Ирландия, Норвегия и Дания.
Во всем мире были произведены различные прототипы силовых установок: подвижные буи, буферы уровня, нагнетатели и преобразователи с использованием гибких мембран.
Было подсчитано, что каждая волна открытого моря у берегов Великобритании непрерывно в течение года имеет мощность от 50 до 80 кВтч на метр своей длины.
Одним из многих решений является предложение по использованию трехсекционные понтоны. Они должны быть закреплены на дне и лежать на поверхности уровня моря. Движение волн будет передаваться водяному двигателю.
Другое интересное предложение известно как Pelamis. По сути, это серия поплавков, которые колеблются около оси под действием волн. Это движение преобразуется в электрическую энергию в генераторе системой гидравлических или механических устройств.
Система использования морских волн Pelamis обрабатывает колебательные движения длинных соединенных плеч на поверхности воды
Еще один способ способ использования волн был предложен в Японии. Калимайская электростанция похожа на танкер длиной 80 м и шириной 12 м. Морские волны сжимают воздух в камерах станции и приводят в движение 3 турбины с генераторами мощностью 200 кВт.
Модифицированная таким образом электростанция является многоцелевой, так как действует как волнорез перед гаванью и перед рыбными фермами.
У берегов Гавайев проводились эксперименты с миниэлектростанциями, размещенными в морских буях.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Электростанцию, работающую на океаническом течении, построили в Японии
В Японии успешно испытали опытную электростанцию «Кайрю», вырабатывающую ток за счет энергии океанических течений. Электростанция представляет собой три 20-метровых цилиндра, в двух из которых установлены генераторы с лопастями диаметром 11 м, сообщает ТАСС. Течение приводит в движение винты, благодаря чему генераторы производят энергию. Их общая мощность достигает 100 кВт. Третий цилиндр обеспечивает плавучесть станции. На сушу электричество передается с помощью кабелей. В ходе эксперимента станцию опускали на различную глубину, наблюдая за изменением мощности. Планируется, что до 2020 года начнется коммерческое использование таких установок у побережья острова Кутиносима. Течение Куросио, которое здесь проходит, считается особенно стабильным. Энергетики отмечают, что интенсивность течений практически не меняется, тогда как работа солнечных батарей зависит от времени суток.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ
Путин: альтернативная энергетика будет востребована при эффективности
Особенности энергетики морей и океанов
Об авторе: Григорий Аронович Шехтман – доктор технических наук, геолог-геофизик, лауреат Государственной премии СССР.
Приливная электростанция Аннаполис в Канаде. Фото Хартмута Инерла
Моря и океаны занимают 71% поверхности Земли. Объемы воды в этих акваториях огромны, а имеющаяся в них возобновляемая энергия практически неисчерпаема. Вода здесь пребывает в непрерывном движении, которое проявляется в волнах в открытом море, морском прибое, приливах и отливах, а также в морских течениях. Источником этой энергии является космос, главным образом Солнце: волны вызываются ветром, морские течения обусловлены особенностями климата, а приливы и отливы вызваны силами притяжения Луны и Солнца.
Кроме четырех океанов (Атлантического, Тихого, Индийского и Северного Ледовитого) имеется множество морей, среди которых выделяют окраинные моря – Баренцево, Берингово, Охотское и др., находящиеся по окраинам океанов, и внутриконтинентальные – Черное, Балтийское, Средиземное и др., связанные с океанами проливами. Аральское и Каспийское моря также некогда соединялись с океаном. Выделяют два типа морей: котловинные, глубина которых достигает 5 км, а рельеф дна сходен с рельефом океана (Берингово, Охотское, Японское и др.), и плоские, глубина которых лишь местами превышает 300 м (Баренцево, Белое, Карское, Балтийское и др.). Плоские моря возникли в результате опускания участков суши ниже уровня океана.
Каждому из источников энергии присущи свои особенности, с которыми человеку приходится считаться, когда он пытается поставить его себе на службу.
Частицы воды в морских волнах движутся по эллиптическим орбитам, приближающимся к круговым. Диаметр этих орбит у морской поверхности соответствует высоте волны, а на глубине, равной половине длины волны, колебания частиц воды практически отсутствуют.
Вдали от берега амплитуды волн открытого моря в штормы достигают 10 м и более, а длина волны может достигать сотен метров. Морская эрозия, действующая на морское дно, формирует горизонтальную поверхность (шельф или материковую отмель), глубина которой составляет 200–250 м, а ширина – до 1000 км. У берегов, образованных горными хребтами, шельф может отсутствовать.
Среднюю для океанических волн энергию оценивают величиной 50 кВт на погонный метр. Подсчитано, что с учетом неизбежных потерь использование энергии волн у побережья Англии дало бы 120 ГВт энергии, что превышает суммарную мощность электростанций страны. Суммарная мощность волн Мирового океана оценивается в 2700 ГВт. В России наиболее перспективными районами для освоения энергии морских волн считают побережье тихоокеанских морей и Баренцева моря.
Первая в мире волновая электростанция была установлена в 2008 году вблизи побережья Португалии (система Pelamis).
В Великобритании был разработан ряд проектов, основанных на использовании заякоренных понтонов, соединенных между собой шарнирами. Проходящая волна вызывает изгибы в шарнирах, которые используют в поршневой гидравлической системе, запасающей энергию в жидкости, сжатой до высокого давления. Эту энергию затем используют в гидродвигателе и электрогенераторе. Недостатки таких систем состоят в невысокой надежности якорных зацеплений и шарнирных соединений при штормах и подвижках льда.
В Японии реализовано устройство с проектной мощностью 2,2 МВт, представляющее собой заякоренный буй с полостью, открытой снизу. Под действием волн уровень воды в полости меняется. В надводной части буя имеется отверстие, через которое воздух выходит из полости при его вытеснении водой на гребне волны. При прохождении впадины волны воздух входит в полость. Течения воздуха через отверстие приводят в движение воздушную турбину, связанную с электрогенератором. В автономных электрических буях полученную при этом электроэнергию используют для зарядки аккумуляторов, питающих мощную электролампу.
Еще одно устройство с высоким КПД (до 90%) мощностью 100 кВт было предложено в электротехнической школе штата Орегон (США). В нем заякоренная цепочка постоянных магнитов заключена в медную катушку, жестко прикрепленную к бую из стеклопластика, который под действием волн колеблется вверх-вниз. В катушке, пересекающей силовые линии магнитного поля, наводится электродвижущая сила (ЭДС). В таком устройстве не требуется ни гидравлических, ни пневматических насосов. Преимущество такого устройства перед источниками, использующими энергию ветра, в том, что поведение волн более предсказуемо, а плотность энергии волн в десятки раз выше, чем ветра.
Морской прибой возникает из-за разности скоростей частиц воды на поверхности водоема и у дна, где они тормозятся трением. Форма движения орбит частиц воды деформируется так, что на мелководье резко возрастает горизонтальная составляющая такого движения. Из-за замедления движения воды у дна верхние части волны, отличающиеся более высокой скоростью, поднимаются и обрушиваются на берег. Чем дно круче, тем больше разница в скоростях воды и тем мощнее прибой. Высота волн прибоя нередко превышает 50 м.
Энергия прибоя огромна. В Амстердаме на пирс высотой 4 м прибой смог забросить бетонный блок массой 20 т. Наблюдались случаи, когда прибой перемещал глыбы массой в 50 т и более.
 |
| Франция также активно использует энергию морского прибоя. Фото Даниэля Джоливета |
Особенно сильный прибой наблюдается в Северной Атлантике. Эта огромная энергия привлекла внимание норвежских энергетиков. В одном из технических решений они используют устойчивое бетонное сооружение, в котором имеется открытая в сторону моря камера. В нее поступают волны прибоя. Под водой в камере имеется широкое отверстие, выходящее в вертикальную шахту, в верхней части которой установлена воздушная турбина.Накатывающаяся вместе с прибоем вода заполняет камеру, уровень воды при этом в шахте повышается, а когда вода отступает – понижается. Поверхность воды в шахте служит своеобразным поршнем, который прогоняет воздух через турбину. Конструкция турбины такова, что направление ее вращения не зависит от направления потока воздуха. Турбина эта вращает электрогенератор. Мощность экспериментальной установки составила 400 кВт.
В Израиле компания SDE, занимающаяся волновой энергетикой, разработала установку, использующую энергию волн прибоя в области прибрежного подъема дна, где прибой почти никогда не затихает и где высота волн выше, чем в открытом море. Установка представляет собой пластиковые щиты (буи), приводящие в действие гидросистемы, связанные с генератором. В этой установке при сильном ударе штормовой волны пластиковый щит просто отбрасывается в нейтральное верхнее положение. После того как более слабая волна (ниже определенного порога) накатывается на устройство, оно автоматически опускает щит в рабочее положение. Преимущество данной установки состоит в том, что в ней в воду систематически погружается лишь минимум ее компонентов. Это позволяет сделать ее преимущественно надводной и более дешевой, чем ее прототипы, больше подверженные коррозии и загрязнению песком. В 2010 году опытная электростанция в районе Яффы в течение года работала с установленной мощностью до 40 кВт. Дальнейшие перспективы использования такой установки ее разработчики связывают с другими странами, а не с Израилем. Дело в том, что в Средиземном море волна относительно невысока, в отличие, к примеру, от американского побережья Тихого океана, где 3–4-метровый прибой в тихую погоду является обычным делом и где морские волны будут приносить на порядок больше энергии, чем в Израиле. Проблемы, однако, остаются, и они вызваны сильными штормами на Тихом океане.
Морские течения, в большинстве своем поверхностные, текут в разных направлениях. Об их силе и распространенности свидетельствует много примеров. Корабли-призраки, покинутые командой, бороздят океаны, следуя морским течениям. Английский корабль «Брунсвик» затонул вблизи южной оконечности Южной Америки, но бутылка с сообщением о его гибели была найдена у берегов Англии.
Морские течения могут быть постоянными, периодическими и случайными, теплыми и холодными. Среди них выделяют: дрейфовые, вода которых перемещается устойчиво дующим в одну сторону ветром; бароградиентные, у которых движение воды вызывается разницей атмосферного давления в разных частях моря; приливно-отливные; стоковые, вызванные продолжением течения рек под водой; конвекционные, образующиеся в результате изменения плотности воды в разных частях моря; компенсационные, когда течение воды компенсирует ее избыток или недостаток в той или иной части акватории.
Поверхностные течения хорошо исследованы. Пассатные течения протекают с востока на запад по обеим сторонам экватора. У материков они расходятся: на север теплыми течениями Гольфстрим и Куросио, которые затем поворачивают на юг уже холодными Гренландским и Лабрадорским течениями. К югу от экватора на восток протекает Антарктическое течение, а на север – Перуанское.
Современный уровень техники позволяет извлекать энергию течений при скорости потока более 1 м/с. При этом мощность одного квадратного метра поперечного сечения потока составляет около 1 кВт. Такие мощные течения, как Гольфстрим и Куросио, несут соответственно по 83 и 55 млн куб. м воды в секунду со скоростью 2 м/с.
Создание океанских электростанций сталкивается, однако, с рядом технических трудностей при разработке установок больших размеров, обусловленных их потенциальной угрозой судоходству.
В США с 1973 года разрабатывается программа «Кориолис», предусматривающая установку во Флоридском проливе, в 30 км восточнее города Майами, 242 турбин с двумя рабочими колесами диаметром 168 м, вращающимися в противоположных направлениях. Пара рабочих колес размещается внутри полой камеры из алюминия, обеспечивающей плавучесть турбины. Постоянное место турбины – под водой, подъем на поверхность воды – только для профилактического ремонта. Лопасти ее вращаются медленно, так что небольшие рыбы могут через нее свободно проплывать, а для крупных рыб вход закрыт предохранительной сеткой. Вся система общей длиной 60 км будет ориентирована вдоль основного потока. Ширина ее при расположении турбин в 22 ряда по 11 турбин в каждом составит 30 км. Предполагается заглубление агрегатов на 30 м, чтобы не препятствовать судоходству. Полезная мощность каждой турбины с учетом потерь при передаче энергии на берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флорида в энергии на 10%. Разработан также проект турбины мощностью 400 кВт с рабочим колесом диаметром 12 м.
Лабораторные испытания реактивной геликоидной (спиралевидной) гидротурбины (турбина Александра Горлова) позволили приступить к сооружению первой в мире океанской электростанции мощностью 136 МВт во Флоридском проливе в 5 км от острова Марафон. Эта турбина имеет три спирально закрученные лопасти и под действием воды способна вращаться в два-три раза быстрее скорости течения. Ее КПД в три раза выше, чем у обычных турбин. Существенно, что она способна вырабатывать энергию при слабых потоках жидкости. Вся станция расположится на значительной глубине и будет прикреплена ко дну якорями.
Компания «Кобольд» (Италия) разработала установку, представляющую собой 10-метровую платформу с вертикальной турбиной диаметром 6 м. Десять таких платформ позволят обеспечивать электричеством в автоматическом режиме остров с населением в тысячу человек.
В Японии для использования энергии течения Куросио сконструировали две трехлопастные гидротурбины с диаметром рабочего колеса 53 м. В другой конструкции электростанции, использующей энергию морского течения, на дно моря устанавливают бетонную колонну. В подводной части этой колонны установлены два рабочих колеса, связанных с двумя электрогенераторами, расположенными в надводной части колонны. Такая схема устраняет недостатки, связанные с необходимостью надежного уплотнения, и облегчает ремонтные и профилактические работы. На берегу острова Кучиносима построена уникальная электростанция, работающая от гребных винтов, расположенных на глубине около 50 м. Она работает в опытном режиме, а к 2020 году будет введена в постоянную эксплуатацию при мощности до 100 кВт.
В инновационном проекте «Морской конек» Окинавского института науки и техники (OIST) используют подводные плавучие турбины, удерживаемые под поверхностью моря специальной швартовкой. Электроэнергия, полученная из энергии течения Куросио, по кабелям передается на берег. В этом проекте есть новинка, нацеленная на преобразование энергии морского прибоя. В OIST планируют использовать глубинные потоки, с большой скоростью набегающие на риф. Для этого на кораллах устанавливают множество мини-турбин, которые помимо выработки электроэнергии будут служить своеобразными волнорезами, разбивающими волны и тем самым предотвращающими эрозию. Используя всего 1% побережья, Япония, по мнению ученых из OIST, может получить около 10 ГВт энергии, что эквивалентно десятку атомных станций. Свою разработку они назвали Wave Energy Converter (WEC). Турбины сконструированы так, чтобы смогли выдерживать не только постоянный прибой, но и резкие нагрузки во время тайфуна.
В Шотландии используют подводную турбину, являющуюся частью достаточно мощной электростанции, производящей энергию путем использования морских течений. Турбина установлена на глубине около 30 м неподалеку от Оркнейских островов.
Приливы и отливы
Морские приливы дважды в сутки накатываются на берег, а затем отступают от него в виде отливов. Приливы обладают большой энергией и разрушают берег, действуя сообща с прибоем.
Притяжение Солнца и Луны создает гигантскую приливную волну, энергия которой колоссальна. Приливная волна Индийского океана катится на 250 км против течения Ганга, а приливная волна Атлантического океана распространяется по Амазонке на 900 км. Попытки использовать энергию приливов известны давно. В древние времена силу приливов Ионического моря использовали греки. В 1100–1200 годах англосаксы и голландцы строили на побережье приливные мельницы. В Соловецком монастыре на Белом море в XVIII веке также была построена приливная мельница.
Специфика приливных электростанций (ПЭС) состоит в том, что через водоагрегаты приходится пропускать огромное количество воды при очень малых ее напорах, и это требует установки большого числа специальных агрегатов с большими размерами рабочих колес.
В 1968 году в Кольском заливе под Мурманском была построена Кислогубская ПЭС мощностью 800 кВт. На 2009 год мощность этой ПЭС составила 1,7 МВт. За многие годы ее эксплуатации был проведен большой объем исследований по выявлению стойкости всей установки и ее отдельных узлов, ее эффективности и защищенности. Полученные при этом конструктивные, инженерные и экологические решения легли в основу разработки более мощных ПЭС. Использование в ней наплавных элементов позволило отказаться от сооружения дорогостоящих стационарных перемычек, дамб и плотин, что значительно удешевило объем строительных работ. Российский опыт широко используют в других странах. ПЭС успешно действуют во Франции, в Канаде, Китае.
В России существует проект строительства ПЭС в Мезенской губе на Белом море мощностью 8 ГВт, он включен в инвестпроект РАО «ЕЭС». Размещение ПЭС в Мезенской губе выбрано в связи с большой высотой приливов, которая здесь достигает 10 м. Годовая выработка электроэнергии составит около 40 млрд кВт-ч. Это столько же, сколько у всего Волжско-Камского каскада ГЭС.
Разность температур слоев воды
Разность температур в воде на поверхности акватории и в ее глубоких слоях также используют для выработки электроэнергии. Для электростанции, построенной по этому принципу, разность температур должна составлять как минимум 20 градусов по Цельсию. Соответствующая технология больше всего подходит для теплых морских районов (в экваториальных широтах), в которых поглощается до 35% солнечной энергии. Состоит она в том, что теплую воду используют для того, чтобы выпарить жидкость, кипящую на низких температурах, производя пар, который приводит в движение турбину. Холодная морская вода затем закачивается с глубины нескольких сотен метров и используется для охлаждения и конденсации пара обратно в жидкое состояние. За рубежом соответствующие технологии называют аббревиатурой OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion).
В начале XX века французский инженер Джордж Клод у берегов Кубы построил опытную электростанцию мощностью 22 кВт, работающую по этому принципу. Позже французские ученые работали над созданием морских парогенераторов у Берега Слоновой Кости. В качестве рабочей жидкости в термоустановках применяли пропан и аммиак, имеющие низкую температуру испарения. Поверхность океана в ОТЕС используется в качестве солнечных батарей. Они проще и дешевле, чем береговые солнечные электростанции.
Интерес к ОТЕС возобновился в сравнительно недавнее время. Американо-тайваньский консорциум запланировал строительство установки мощностью 10 МВт на Гавайях. Этой технологией, как и другими океанскими возобновляемыми источниками энергии, заинтересовались во Франции. По некоторым оценкам она имеет потенциал в несколько тысяч терраватт-часов электроэнергии в год. Такой способ производства электроэнергии, в отличие от энергии ветра и волн, вообще не подвержен колебанию погодных условий.
В районе Нью-Йорка построена электростанция мощностью 7180 кВт, использующая тепло океанской воды. Отработавший пар не сбрасывается в море, а конденсируется и образует пресную дистиллированную воду. В Карибском море создан энергобиологический комплекс. Он производит электрическую энергию в низкотемпературных парогенераторных установках и решает, кроме этого, множество других задач. С открытием гидротермальных источников на дне Тихого океана связывают идею создания подводных тепловых электростанций, работающих на разности температур источников и окружающей среды.
Американская компания Ocean Thermal Energy планирует построить на Багамских островах две водотермальные электростанции мощностью 10 МВт каждая. В 2013 году было подписано соглашение между концерном Lockheed Martin и пекинской компанией Reignwood о создании и размещении на юге Китая к 2017 году первой в мире коммерческой плавучей станции OTEC мощностью 10 МВт.
Оставлять комментарии могут только авторизованные пользователи.