5.1. Используем энергию морских волн
Энергия морских волн
Как показывают расчеты, концентрация энергии морской волны почти в шесть раз выше, чем энергия ветра, который поднимает эту волну и составляет около 4000 Вт/м2 в среднем по океану.
Энергетический потенциал ветра на 1 м2 вертикальной поверхности при скорости 10 м/с составляет 650 Вт/ м2. Энергетический потенциал 1 м2 горизонтальной морской поверхности при высоте волны 2 м составляет. 4000 Вт/м2.
Т. е. через единичную площадь воздействия энергоносителя, морская волна почти в 6 раз эффективней ветра ().
Реактивный преобразователь энергии морской волны
Преобразователь представляет собой вертикально установленную трубу, нижний конец которой снабжен тройниковым наконечником с входным и выходным клапаном (рис. 5.1, левый).
Так, при площади сечения трубы 1 м2, амплитуде волны 2 м и периоде волнения 10 с, потенциальная энергия рабочего объема воды составит 8160 кгм, а средняя мощность в течение периода — 816 кгм/с или около 11 лошадиных сил.
При прохождении волны вода с одного конца входит в трубу, а из другого выходит. Имея однонаправленное горизонтальное движение, вода создает реактивную тягу, определяемую массой воды в трубе, высотой волны и скоростью свободного падения.
Трубы могут крепиться на борту плавсредства и обеспечивать ему:
♦ или линейное движение (для мобильного объекта);
♦ или круговое движение (для стационарного энергетического объекта).
Рис. 5.1. Преобразователи энергии морской волны
Вторая разработка (рис. 5.1, правый), представляет собой пневматический преобразователь. Группа труб, открытых с нижнего конца, устанавливается вертикально на водной поверхности. В верхней части каждая труба имеет по два клапана, входной и выходной которые также объединены, соответственно, между собой.
Конструкция представляет собой гигантский многоцилиндровый газовый компрессор, поршнями которого является вода, движимая, энергией морских волн по вертикальным трубам вверх и вниз.
Морской утюг. Между горизонтально расположенным трубопроводом верхнего давления и трубопроводом нижнего давления установлена воздушная турбина, вращающая электрогенератор для стационарного варианта, или редуктор с винтом для мобильного объекта.
Новым в предложенных разработках является то, что одна воздушная турбина может работать на неограниченное количество труб, играющих роль цилиндров в получившемся компрессоре.
Самоходная платформа «Морской утюг» (рис. 5.2) использует энергию морских волн для собственного движения и аккумулирования энергии. Может использоваться для защиты береговых сооружений, в качестве понтонной переправы, создания морских и авиационных портов на открытой морской акватории, зарядки аккумуляторов энергии, перевозки грузов и т. д.
Рис. 5.2. Самоходная платформа «Морской утюг»
Гидроаккумулирующая электростанция на энергии морских волн
Необычное устройство Searaser и проект под названием Dartmouth Wave Energy (английский изобретатель Элвин Смит (Alvin Smith) представляет собой волновую электростанцию, использующую энергию вертикального движения поплавка.
Однако сам поплавок не имеет электрических систем и представляет собой механический насос, который закачивает морскую воду на большую высоту в прибрежные скалы ().
Этот проект — необычная мини Гидроаккумулирующая электростанция (по-английски Pumped-storage hydroelectricity).
В основе установки — два поплавка (рис. 5.3), способных двигаться друг относительно друга. Верхний раскачивается волнами, нижний соединен с дном при помощи цепи и якоря. Между поплавками находится «насосная станция» (цилиндр с поршнем двойного действия, который качает воду при движении вниз и вверх) и клапанами с выходными трубами.
Рис. 5.3. Система поплавков
Автоматическая подстройка высоты положения верхнего поплавка в зависимости от уровня моря, который меняется в прилив и отлив — телескопическая труба, раздвигающаяся и складывающаяся под действием сил Архимеда и тяжести. К этой «приливной» колонне крепится насос с верхним поплавком.
Вода подается на сушу, в горы. В горах устраивается бассейн, в котором вода накапливается и выпускается обратно в море, по пути вращая турбину электростанции, идентичной традиционной ГЭС, но без дамбы.
Преимущества у подобной установки следующие. В поплавке нет проводов, магнитов, катушек, контактов и герметичных отсеков для оборудования, что делает его гораздо более дешевым, простым и надежным. Турбины и электрогенераторы волновой станции, расположенные на берегу, — давно опробованная и испытанная на ГЭС техника. В отличие от традиционной ГАЭС, Searaser не требует нижнего водохранилища. В отличие от волновых электростанций, эта установка решает проблему неравномерности силы волн.
По оценке создателя машины, Searaser может поднимать морскую воду на высоту до 200 м. Один полноразмерный поплавок Searaser развивает мощность 0,25 МВт.
Волновая энергетическая установка
Волновая энергетическая установка представляет собой укрепленную в донном грунте стойку, на которой шарнирно закреплен двуплечный рычаг (рис. 5.4). На одном конце рычага находится поплавок, а другой связан с поршнем водяного насоса. Колебания поплавка вызывают движение поршня водяного насоса, нагнетающего по трубопроводу воду в накопитель. Из него вода под действием силы тяжести стекает вниз, вращая лопасти турбины гидрогенератора. Последний вырабатывает электрический ток.
Рис 5.4. Волновая энергетическая установка
Главный плюс изобретения заключается в том, что у него нет ахиллесовой пяты большинства современных волновых установок. Обычно устройства генерируют энергию непосредственно в море, а на берег доставляют ее с помощью кабеля.
В итоге снижается себестоимость установки, облегчаются монтаж и эксплуатация. В конструкции предусмотрена штормовая защита. Изобретение запатентовано и получило свидетельство № 2006121511 (023345) «Волновая энергетическая установка». Создана действующая модель установки. Таким образом, российский изобретатель Антон Кирюнин предложил новый метод использования энергии морских волн. Изобретатель руководствовался принципами ТРИЗа — классической теории решения изобретательских задач, разработанной «отцом» советских изобретателей Генрихом Альтшуллером ().
Новая волновая установка может работать не только в прибрежных водах морей и океанов, но и на речных магистралях. По предварительным расчетам, оптимальная мощность одного энергомодуля будет составлять порядка 10 кВт при КПД 25 %. Себестоимость 1 кВт-ч, вырабатываемого волновой установкой, сравнима с себестоимостью 1 кВт-ч, вырабатываемого ветряками.
Электростанция-поплавок
Московские ученые из компании «Прикладные технологии» представили новую разработку — электростанцию-поплавок. В ней предусмотрен специальный колебательный механизм, который действует согласованно с морским волнением и эффективно преобразует энергию волн в электричество. Его принцип производства электричества из энергии волн более эффективен по сравнению с существующими аналогами ().
Само устройство (рис. 5.5) представляет собой капсулу-поплавок, плавающую на поверхности воды. Его, можно располагать как вблизи от берега, так и вдали от него. Капсулу необходимо либо привязывать к стационарному объекту, либо можно установить множество капсул, которые будут связаны между собой. В последнем случае их общая мощность может достигать нескольких десятков мегаватт.
Рис. 5.5. Электростанция-поплавок
Поплавковые электростанции можно использовать для обеспечения энергией прибрежных и островных поселений, плавучих заводов, морских нефтяных вышек. По оценкам разработчиков, стоимость электроэнергии при этом будет составлять не более 2 руб. за кВт-ч, а капитальные затраты на сооружение электростанций окупятся за 2 года при общем сроке службы в десятки лет.
В России поплавковые электростанции были бы наиболее перспективны в незамерзающих акваториях Баренцева моря, в качестве регионального или сезонного источника энергии — на Черном, Каспийском и Дальневосточных морях.
Волновое устройство
Среди специалистов, занимавшихся энергией морских волн, существует общая точка зрения: энергия морских волн может быть использована довольно просто, но, в первую очередь, не в полосе прибоя, как многие думали раньше, а в открытом море, причем мощность установок будет весьма скромная ().
В качестве примера подобной установки приведем представленное на рис. 5.6 устройство.
Рис. 5.6. Волновое устройство
Это устройство представляет собой нечто подобное плавающему на воде ящику (платформе), обращенному открытой стороной вниз. Устройство имеет довольно большие линейные размеры для того, чтобы колебания ящика под действием волн были небольшими.
Платформа разделена на открытые снизу секции, заполненные воздухом, играющие роль цилиндров поршневой воздушной машины. Волны, проходя под платформой, сжимают поочередно находящийся в секциях воздух. Таким образом, вода играет роль поршня.
Следовательно, в секциях поочередно по мере прохождения под ними волн давление будет то больше, то меньше. Когда данная секция находится над гребнем волны, объем находящегося в лей воздуха уменьшается, воздух сжимается, давление его растет. Когда
Направление движения морских волн же секция находится над межволновой впадиной, давление воздуха снижается.
Если дать возможность воздуху из секции с большим давлением перетекать в секцию с меньшим давлением, а на пути потока воздуха установить небольшую воздушную турбину, соединенную с электрическим генератором, то такое устройство будет преобразовывать энергию волн в электрическую энергию.
Направление протекания воздуха из одной секции в другую будет периодически изменяться. При штиле устройство, очевидно, работать не будет. Поэтому в необходимых случаях на платформе должен быть установлен хорошо защищенный от влаги электрический аккумулятор.
Все сказанное иллюстрируется рис. 5.6. В Японии подобные устройства используются для питания электроэнергией плавающих буев. Пока еще рано говорить об экономической эффективности описанного и других подобных устройств (например, с использованием гидравлических турбинок), все это пока первые шаги.
Волновая электростанция
Энергия морских волн в природе представлена в наиболее сконцентрированном виде. Среднегодовые показатели энергии на один метр волнового фронта Северного моря составляет 90 кВт, а Черного моря — 40 кВт.
Волновая станция (рис. 5.7) обладает следующими преимуществами:
♦ содержит гибкую энергопоглащающую систему, которая непрерывно изменят свои параметры под воздействием набегающих морских волн широкого диапазона длин и амплитуд, что определяет КПД станции до 80 %;
♦ имеет низкий уровень удельных капитальных затрат — 2500–3500$ на 1 кВт/час производительности, что ниже этого показателя для существующих волновых электростанций;
♦ имеет низкую себестоимость производимой электроэнергии — 0,005$ за один кВт/час;
♦ представляет собой модульную конструкцию и может проектироваться требуемой производительности;
♦ производительность одного модуля, лежит в пределах от 0,1 МВт до 1 МВт, и зависит от энергетического потенциала акватории и размеров модуля;
♦ станция имеет высокую стойкость в штормующем море, что обеспечивается проницаемостью конструкции для морских волн и ее способностью погружаться на необходимую глубину;
♦ станция мобильна и может быть отбуксирована в любой участок акватории.
Рис. 5.7. Волновая электростанция
Для постановки волновых станций такого типа на производство на сегодняшний день по заданию и при участии НПФ «Крок-1» проведены следующие работы ():
♦ изготовлен и испытан макет станции в масштабе 1:10;
♦ испытания проводились в волновом бассейне института гидромеханики НАН Украины и в натурных условиях Киевского водохранилища.
5.2. Тепловая энергия океана
Методика использования тепловой энергии океана
За счет вертикальной разности температур тропического океана, вовлекая в процесс преобразования 5 % энергии от солнечного излучения на площади 4х1013м2 можно стабильно обеспечить генерирующие мощности на 10 000 ГВт (рис. 5.8).
Рис. 5.8. Тепловой энергетический потенциал океана
К сожалению, то, что ни в коем случае нельзя допускать, реализовано во всех экспериментальных установках.
#v.jpg_46 Примечание.
Ни в коем случае нельзя поднимать холодную воду к поверхности океана. Подъем воды создает трудно решаемые проблемы, которые сводят на нет все затраченные усилия, что практически и наблюдается.
Первая проблема — большие энергетические затраты для работы насосов, поднимающих воду. Вторая проблема — выделение растворенных газов из глубинных слоев при снятии давления. Третья проблема — обрастание теплообменных узлов, постоянно находящихся в теплой воде. Четвертая проблема — необходимость иметь технические и энергетические стартовые мощности для запуска станции ().
После установки рабочего тела в районе работы, оно в теплообменных узлах автоматически приобретает необходимую температуру. Проблемы обрастания решаются периодическим изменением глубины и температуры работы теплообменных узлов, т. е. теплообменные узлы меняют местами, а периодическая смена условий существования не дает развиваться морским организмам.
В результате решения этих проблем появляется возможность создания электростанций, береговых кондиционеров с дополнительной выработкой пресной воды, скоростных мобильных объектов и т. д.
В этой системе с помощью теплых поверхностных вод, подаваемых на теплообменник — испаритель, рабочее тело (аммиак, пропан и др.), превращается в пар, в результате чего создается повышенное давление. Проходя через турбину и выделив на ней механическую энергию, пар конденсируется на поверхности второго теплообменника, омываемого холодной водой глубинных слоев.
На рис. 5.9 показан термодинамический цикл такой тепловой машины в координатах абсолютная температура-энтропия. Полезная работа, совершаемая паром в турбине, определяется ветвью 1–2, на участке 2–3 происходит конденсация, затем насосом рабочее тело подается в испаритель 3–4, где нагревается (ветвь 4–5) и испаряется (ветвь 5–1).
Рис. 5.9. Термодинамический цикл тепловой машины в координатах абсолютная температура-энтропия
Таким образом, подвод рабочего тела к системе тепла осуществляется на ветви 3-4-5, а отвод — на ветви 2–3. Дополнительную работу приходится затрачивать на закачку конденсата в испаритель (3–4) и на перекачивание воды сквозь нагреватель и холодильник. Максимальный теоретический КПД такой системы определяется разностью температур воды, перекачиваемой через нагреватель и холодильник, как КПД эквивалентного цикла Карно.
Для перепадов температур между поверхностными и глубинными слоями воды в пределах от 15 до 26 °C он, соответственно, изменяется в диапазоне от 5 до 9 %. Реальный КПД, как правило, существенно ниже.
Это связано с конструктивными ограничениями, не позволяющими в реальной установке довести температуру паров и конденсата до температуры теплых и холодных вод, соответственно (на рис. 5.9 это подчеркнуто с помощью разностей температур).
Можно подсчитать, что при теоретическом КПД, равном 7,3 %, на турбине получаем величину примерно в 2 раза меньшую — 3,6 %.
Причем она не учитывает потери на собственные нужды станции, которые сведут КПД до величины, порядка 2,5 %.
Принимая во внимание, что теплообменные узлы являются определяющими по массе, габаритам и стоимости, можно, допустив некоторый резерв, предположить что, водоизмещение станции составит порядка 75 000 т/ГВт.
На рис. 5.10 приведена экспериментальная станция. Основным и наиболее дорогим материалом для строительства станций является титан, ежегодный расход которого при крупномасштабном строительстве может составить порядка 1 миллиона тонн, что может быть легко достигнуто мировой промышленностью.
Рис. 5.10. Тепловая океанская станция
Установка, преобразующая тепловую энергию океана, работающая по открытому циклу
Сам термин «преобразование тепловой энергии океана» (ОТЕС) — «ocean termal energy conversion» — означает преобразование некоторой части этой тепловой энергии в работу и далее в электроэнергию.
Схема установки, работающей по открытому циклу Клода, показана на рис. 5.11. В качестве рабочего тела здесь использована морская вода, подаваемая в испаритель через деаэратор, освобождающий воду от растворенных в ней газов ().
Рис. 5.11. Схема ОТЭС, работающей по открытому циклу (цикл Клода)
Предварительно из полостей испарителя и конденсатора удаляется воздух, так что давление над поверхностью жидкости определяется только давлением насыщенных паров, которое сильно зависит от температуры. При характерных для ОТЭС температурах этот перепад составляет примерно 1,6 кПа (при замкнутом цикле на аммиаке около 500 кПа), под действием этого перепада пары воды приводят в движение турбину, попадают в конденсатор, где и превращаются в жидкость.
Основное отличие цикла как раз и состоит в малости перепада давлений, что требует использования соответствующих гигантских турбин диаметром в несколько десятков метров. Это, пожалуй, основной технический недостаток систем открытого цикла. Основное же их достоинство — отсутствие гигантских нетехнологичных теплообменников. Кроме того, при работе систем открытого цикла могут быть получены большие количества пресной воды, что немаловажно в жарком поясе планеты.
Использование перепада температур океан-атмосфера
Особенность работы таких станций — так называемый «треугольный» цикл: нагрев и испарение рабочего тела в результате политропного процесса, адиабатное расширение через турбину, изотермическое сжатие при подаче в испаритель с одновременным отводом избыточного тепла в холодильнике.
КПД такого цикла ниже термического КПД цикла Карно примерно в 2 раза. С точностью до 1 % он определяется выражением
η = ( T01 — Т02 )/2 Т01 ,
где T01 — температура теплой подледной воды (275 К); Т02 — температура охлаждающего воздуха (до 233 К).
Удельная мощность, получаемая с 1 м2 площади океана, при разности температур воды и воздуха, равной 10 °C, составляет примерно 18 кВт/м2 при разности 20 °C — 60 кВт/м2, а при разности 30 °C — 125 кВт/м2.
В этих оценках величина скорости движения воды принята равной 0,02 м/с — характерная скорость для прибрежных районов Северного Ледовитого океана. Таким образом, при отсутствии ограничении по глубине океана в зоне размещения полярной ОТЭС и мощности в 1 МВт она будет возмущать тепловой режим на площади всего около 20 м2.
На рис. 5.12 приведена разработанная А.К. Ильиным и В.В. Тикменовым схема АОТЭС с обдуваемыми воздухом теплообменниками. В ней использован дополнительный контур с промежуточным теплоносителем, позволяющий существенно снизить потери энергии на собственные нужды станции.
Рис. 5.12. Схема арктической ОТЭС на перепаде вода-воздух
Схема напоминает обычные тепловые станции с градирнями для охлаждения отработавшей воды. Но данные градирни действуют в условиях, когда температура наружного воздуха много ниже нуля, а охлаждаемая жидкость имеет температуру всего на несколько градусов выше.
#v.jpg_44 Примечание.
Поэтому в охлаждающем контуре такой станции необходимо использовать рассол с низкой температурой замерзания.
В качестве промежуточного теплоносителя применяется водный раствор хлористого кальция с концентрацией не менее 26 кг на 100 кг воды, который достаточно широко используется в холодильной технике. Рабочим телом в основном контуре станции служит фреон-12, пары которого приводят в движение турбину с электрогенератором.
Промежуточный теплоноситель охлаждается путем разбрызгивания через форсунки оросительного охладителя. Причем важно обеспечить определенное распыление, чтобы, с одной стороны, капли теплоносителя не выносились потоком холодного воздуха, а с другой — успевали охладиться во время падения.
Для того чтобы капля диаметром 1 мм охладилась на 2 °C при движении в воздухе со средней разностью температур 30 °C ей необходимо пролететь в свободном падении чуть более 3 м. Распыляя таким образом раствор хлористого кальция, можно добиться удельного съема энергии более 230 Вт/(м2К).
Такие значения коэффициентов теплоотдачи, конечно, уступают получаемым в настоящее время в конструкциях водо-водяных теплообменников традиционных ОТЭС (до 5 кВт/(м2К)), но превышают примерно в 5 раз характерные величины для простейших воздушных теплообменников станций без промежуточного теплоносителя.
Это позволяет снизить металлоемкость конденсаторов и примерно на 20 % увеличить выработку полезной энергии.
Прямое преобразование тепловой энергии
Схема ОТЭС на термоэлектрических преобразователях показана на рис. 5.13.
Рис. 5.13. Схема ОТЭС с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую:
а — устройство отдельного блока; б , в — варианты устройства термоэлектрического преобразователя
В основе ее действия — явление Зеебека, заключающееся в возникновении разности потенциалов в электрической цепи, составленной из материалов с различной концентрацией носителей заряда, места соединений которых нагреты до разных температур.
Действие такой системы полностью описывается законами термодинамики, справедливыми для обычных ОТЭС. КПД такого преобразователя, выполненного на полупроводниковых элементах, достигает 10 %. Это значительно больше, чем у систем, работающих по циклу Ренкина и Клода.
Кроме того, в системах таких ОТЭС к минимуму могут быть сведены потери на собственные нужды станции. Величина термо-ЭДС для полупроводниковых пар может достигать нескольких милливольт на градус (для металлических термопар они примерно в 1000 раз ниже). Например, постоянная Зеебека для кристаллов теллурида висмута с n- и р-проводимостью равна 3,14x10-4 В/К.
Другое достоинство полупроводниковых систем — возможность обеспечения достаточно высокой теплоизоляции между нагревателем и холодильником, что сильно влияет на КПД систем.
К недостаткам таких систем относятся достаточно высокая стоимость материалов, из которых изготовляются элементы, и необходимость изолировать спаи от непосредственного контакта с морской водой. Происходит шунтирование через воду соседних элементов, обладающих достаточно высоким собственным сопротивлением, и, следовательно, снижение мощности, выдаваемой в цепь нагрузки. В свою очередь, изолирование спаев приводит к удорожанию преобразователей и ухудшению их показателей. Работы, выполненные группой исследователей из университета Осаки (Япония), показывают, что при отсутствии изолятора в несколько раз увеличивается съем полезной мощности. Однако необходимо иметь в виду, что в опытах японских исследователей в качестве носителя энергии использовалась не сама морская вода, а фторуглеродистые соединения.
ОТЭС, созданные на описанном принципе, вероятно, можно применить для обеспечения электроэнергией комплексов подводной добычи полезных ископаемых на океанском дне.
5.3. Использование энергии океанских течений
Механическая мощность, которую можно извлечь из океанского течения, определяется тем же соотношением, которое используется для оценки этой величины в ветроэнергетике. Коэффициент преобразования энергии, зависящий от типа турбины, для выполнения приближенных расчетов можно принять равным 0,6 для свободно вращающегося рабочего колеса и 0,75 для того же колеса в насадке.
Строительство крупных ветряных турбин (диаметром до 200 м) практически невозможно из-за ограничений, связанных с прочностью материалов и массовыми характеристиками подобных устройств ().
Для турбин, работающих в морской среде, массовые ограничения менее существенны из-за действия на элементы конструкций силы
Архимеда. Повышенная плотность воды позволяет, кроме того, уменьшить столь существенное для воздушных турбин воздействие вибраций, вызывающих усталостное разрушение материалов.
Важное достоинство океанских течений в качестве источников энергии по сравнению с ветровыми потоками — отсутствие резких изменений скорости (сравните с изменениями скорости при порывах ветра, при ураганах и т. п.). При достаточном заглублении в толщу воды турбины ОГЭС надежно защищены от волн и штормов на поверхности.
Для эффективного использования течений в энергетике необходимо, чтобы они обладали определенными характеристиками. В частности, требуются:
♦ достаточно высокие скорости потоков;
♦ устойчивость по скорости и направлению;
♦ удобная для строительства и обслуживания география дна и побережья.
Удаленность от побережья влечет удорожание транспортировки энергии и обслуживания этих станций, как, впрочем, и любых других. Большие глубины требуют увеличения затрат на сооружение и обслуживание якорных систем, малые — создают помехи судоходству.
Именно географические факторы не позволяют сейчас говорить о строительстве ОГЭС в открытом океане, где несут свои воды наиболее мощные течения. При средних и малых глубинах, особенно в местах образования приливных течений, важную роль играет топография дна.
В качестве недостатков преобразователей энергии океанских течений следует отметить необходимость создавать и обслуживать гигантские конструкции в морской воде, подверженность этих конструкций обрастанию и коррозии, трудности передачи энергии.
По аналогии с ВЭУ, существующие преобразователи энергии течений можно условно* разделить на две группы. К первой целесообразно отнести те из них, в основу которых положен принцип преобразования скоростного напора во вращательное движение турбин. Ко второй, менее многочисленной, группе относят преобразователи, основанные на других физических принципах (объемные насосы, упругие преобразователи и др.).
Для характеристики схем установки преобразователей можно выделить две основные схемы — сооружений, закрепляемых на морском дне, и сооружений, плавающих в толще воды и заякоренных к дну.
Родоначальником устройств первой группы по праву считают водяное колесо (рис. 5.14, а). В совершенствовании водяного колеса наблюдаются две основные тенденции. Одна — собственно улучшение показателей колеса (за счет оптимизации конструкции ферм, лопастей, механизмов передачи энергии, расположения по отношению к потоку, применения современных материалов и т. п.), другая — принципиальное изменение представлений о колесе.
Ленточное колесо (рис. 5.14, б) оказывается более компактным, требует меньше материалов, менее подвержено воздействию атмосферы. Подобное устройство может быть установлено в потоке на понтонах с таким расчетом, чтобы нижние лопасти входили в воду, а верхние оставались «сухими».
Рис. 5. 14. Эволюция водяного колеса:
а — колесо-прототип; б — ленточное колесо на плавучем основании; в — ленточное колесо в толще потока; г — ленточное колесо со складными лопастями
Эффективность преобразования скоростного напора повышается за счет того, что сразу несколько лопастей оказываются под воздействием потока. Однако простое увеличение числа лопастей ленточного колеса не приведет к существенному увеличению момента на валах.
На базе ленточного колеса созданы устройства, полностью погружаемые в толщу потоков (рис. 5.14, в, г). Для таких устройств предлагается несколько способов уменьшения сопротивления движению ленты во время холостого хода, например:
♦ сооружение воздушной камеры над колесом;
♦ применение различных вариантов механизмов складывания лопастей.
Наибольшие надежды гидроэнергетики, занимающиеся разработкой преобразователей энергетики океанских течений, связывают с агрегатами, с помощью которых могут быть получены значительные единичные мощности.
В качестве вариантов таких устройств рассматриваются рабочее колесо в виде свободного пропеллера, пропеллера в насадке, водяной аналог турбины Дарье, системы с управляемым крылом (рис. 5.15, а-в). Во всех этих конструкциях, так же как и у перспективных ветряных турбин, главный преобразующий элемент — крыловой профиль, обтекание которого потоком создает гидродинамическую силу, заставляющую турбины вращаться.
Рис. 5.15. Варианты схем перспективных турбин для ОГЭС:
а — свободный ротор; б — ротор в насадке; в — ротор, устанавливаемый поперек потока
Наилучшими показателями обладает турбина, выполненная в виде рабочего колеса с горизонтальной осью в насадке. Это объясняется тем, что такое рабочее колесо меньше возмущает поток, не так сильно, как свободное, вовлекая жидкость во вращательное движение.
Насадок как бы отделяет возмущенную часть потока от невозмущенной и в то же время обеспечивает некоторую концентрацию энергии. Форму насадка выбирают из такого расчета, чтобы обеспечить плавное безотрывное течение потока на подходе к турбине, сделать всю систему устойчивой на потоке, максимально снизить завихренность потока на выходе из нее.
Увеличения мощности одного такого агрегата можно достигнуть за счет удлинения крыла. По сравнению с ветряными преобразователями океанские турбины в этом плане имеют преимущество: критический размер крыла, при котором в нем достигается предел прочности материалов для такой турбины выше.
Но есть ограничения и в воде: при слишком большой длине крыла на смену изгибающим моментам, создаваемым под воздействием силы тяжести, приходят моменты, создаваемые силой давления потока.
Другое ограничение диаметра рабочего колеса связано с технологическими трудностями при постройке и установке столь громоздких сооружений в океане. Специалисты сходятся во мнении, что диаметр турбин в насадках вряд ли превысит 200 м (по габаритам подобное сооружение напоминает крытый стадион на 20 тысяч зрителей). Накопленный к настоящему времени опыт строительства эксплуатационных платформ для добычи нефти и газа водоизмещением в сотни тысяч тонн показывает, что такие объекты могут быть созданы.
Объемный насос. Рассмотрим преобразователи энергии потоков, относящиеся по нашей классификации ко второй группе, и, прежде всего, устройства типа объемного насоса. На рис. 5.16 изображена одна из схем такого устройства, в основе которого — неподвижно закрепленное в потоке сопло Вентури.
Рис. 5.16. Схема объемного насоса
В пережатом сечении сопла из-за увеличения скорости жидкости происходит падение статического давления, которое может быть использовано, например, для засасывания воздуха с поверхности.
В выходном сечении уже сжатый воздух вытесняется из потока в напорную камеру, откуда поступает в воздуховод турбины, соединенной с электрогенератором. При умеренных степенях пережатия потока работа такого устройства может быть описана с помощью уравнения Бернулли.
Производительность такого насоса зависит от расхода жидкости через сечение насоса и может быть доведена примерно до 20 % объемного расхода. Эжекционные свойства сильно зависят от способа ввода в поток подсасываемого газа.
Перечень различных вариантов преобразователей можно продолжить, но важно отметить, что со временем могут быть открыты как более эффективные способы преобразования энергии потоков в океане, так и новые гидродинамические явления, которые потребуют принципиально новых разработок.
Уже сейчас можно обратить внимание:
♦ на энергию океанских противотечений, скрытых толщей поверхностных вод и часто лишь достаточно тонкими пограничными слоями отделенных от поверхностных;
♦ на энергию различных вихрей, возникающих в открытом океане под воздействием метеорологических возмущений и крупномасштабной гидродинамической неустойчивости в океанах.
Известны даже постоянно действующие вихри. Один из них находится в 400 км от Огасавары (Япония) в Тихом океане. Он представляет собой водоворот диаметром около 200 км, поднимающийся с глубины 3 км почти до самой поверхности. Примечательна одна из особенностей водоворота — примерно через каждые 100 дней он изменяет направление вращения на обратное. По оценкам японских ученых удельные энергетические характеристики этого водоворота значительно выше, чем у ряда океанских течений.
5.4. Использование энергии приливов
Приливные колебания уровня в огромных океанах планеты вполне предсказуемы. Основные периоды этих колебаний:
♦ суточные продолжительностью около 24 ч;
♦ полусуточные — около 12 ч 25 мин.
Разность уровней между последовательными самым высоким и самым низким уровнями воды (высота прилива R) составляет 0,5—10 м.
#v.jpg_47 Примечание.
Первая цифра (0,5 м) наиболее характерна, вторая (10 м) достигается и даже превосходится лишь в некоторых особенных местах вблизи побережья континентов.
Во время приливов и отливов перемещение водных масс образует приливные течения, скорость которых в прибрежных проливах и между островами может достигать примерно 5 м/с ().
Поднятую на максимальную высоту во время прилива воду можно отделить от моря дамбой или плотиной. Места с большими высотами приливов обладают большими потенциалами приливной энергии. Однако не только этот фактор важен для развития приливной энергетики: надо принимать во внимание и капитальные затраты, и будущую прибыль от создания соответствующих приливных электростанций (ПЭС).
Энергия приливных течений может быть преобразована подобно тому, как это делается с энергией ветра. Преобразование энергии приливов использовалось для приведения в действие сравнительно маломощных устройств еще в средневековой Англии и в Китае.
Из современных ПЭС наиболее хорошо известны:
♦ крупномасштабная электростанция Ране мощностью 240 МВт, расположенная в эстуарии реки Ла Ране, впадающей в залив Сен Мало (Бретань, Франция);
♦ небольшая опытная станция мощностью 400 кВт в Кислой губе на побережье Баренцева моря (Россия).
Из мест, которые давно приковывают внимание гидростроителей, следует назвать эстуарий реки Северн в Великобритании и залив Фанди на восточном побережье Северной Америки на границе между США и Канадой.
Высота, ход и периодичность приливов в большинстве прибрежных районов хорошо описаны и проанализированы благодаря потребностям навигации и океанографии. Поведение приливов может быть предсказано достаточно точно, с погрешностью менее 4 %. Таким образом, приливная энергия оказывается весьма надежной формой возобновляемой энергии.
При её преобразовании возникают и определенные неудобства:
♦ несовпадение основных периодов возникновения приливов (12 ч 25 мин и 24 ч 50 мин), связанных с движением Луны, с привычным для человека периодом солнечных суток (24 ч), в связи с чем оптимум приливной генерации находится не в фазе с потребностями в энергии;
♦ изменение высоты прилива и мощности приливного течения с периодом в две недели, что приводит к колебаниям выработки энергии;
♦ необходимость создания потоков воды с большим расходом при сравнительно малом перепаде высот, что заставляет использовать большое число турбин, работающих параллельно;
♦ очень высокие капитальные затраты на сооружение большинства предполагаемых ПЭС;
♦ потенциальные экологические нарушения и изменение режимов эстуариев и морских районов.
Вблизи побережья и между островами приливы могут создавать достаточно сильные течения, пригодные для преобразования энергии. Устройства для преобразования энергии приливных течений будут практически сходны с аналогичными устройствами, приводимыми в действие течениями рек.
Соотношения, позволяющие оценить мощность приливных течений, подобны тем, которые используются в ветроэнергетике, при этом следует иметь в виду, что плотность воды во много раз выше плотности воздуха, а скорости течения воды сравнительно низки.
Уже разработан целый ряд современных устройств для преобразования энергии приливных течений, один из которых показан на рис. 5.17. Капитальные затраты на создание подобных устройств в расчете на 1 кВт установленной мощности достаточно высоки, поэтому их строительство целесообразно лишь в отдаленных районах с высокими скоростями приливных течений, где любые альтернативные источники энергии еще более дороги. На эту тему интересна книга Волеваха Н.М., Волеваха В.А. Нетрадиционные источники энергии . — К: Вища школа. — 1988. — 58 с.
Рис. 5.17. Схема электростанции на приливном течении
Основы теории приливной энергетики достаточно просты. На рис. 5.18 показано, что ПЭС может работать как при опустошении бассейна, так и при его наполнении. Оптимальная станция, использующая реверсируемые гидроагрегаты, которые, кроме того, можно еще использовать и в насосном режиме для повышения уровня в бассейне, может перерабатывать до 90 % потенциальной энергии прилива.
Рис. 5.18. Схема извлечения приливной энергии