Волновые энергетические установки. Энергия Мирового океана объединяет энергию ветровых волн, океанических течений, приливов, прибоев, градиентов солёности и теплоты и.т.д. Мощности отдельных энергоресурсов мирового океана приведены в табл. 4. (см. Приложение)
Наиболее перспективными для электроэнергетики считаются следующие ресурсы:
энергия волн;
термоградиенты;
энергия течений.
Первоначальным источником морских волн является солнечное излучение, служащее причиной глобальных перепадов давления в различных точках Земли, вызывающих перемещение воздушных масс.
До 1980 г. в 20 странах мира было зарегистрировано около 1000 различных предложений по использованию энергии волн. Целесообразность использования энергии волн определяется ее высокой удельной мощностью. В открытом море при высоте волны более 10 м удельная мощность может достигать 2 МВт/м. Технически можно использовать энергию волн лишь в прибрежных зонах, где удельная мощность не превышает 80 кВт/м. Удельная мощность ветрового волнения составляет:
Каспийское море ……………… 7…11 кВт/м.
Баренцево море …………………. 22…29 кВт/м.
Балтийское море ……………… 7…8 кВт/м.
Охотское море ………………. 12…20 кВт/м.
На волновых электростанциях потенциальная и кинетическая энергия волн преобразуется в электрическую. Энергия волн может или непосредственно преобразовываться в энергию вращения вала генератора, или приводить во вращение турбину, на одном валу с которой устанавливается генератор. Создание мощных волновых электростанций (ВлЭС) встречает определенные трудности, связанные с креплением их на больших расстояниях от берега, защитой от коррозии в агрессивной морской среде, обеспечением надежности работы установок в штормовых условиях.
|
|
Все известные волновые установки состоят из четырех основных частей:
рабочего органа;
рабочего тела;
силового преобразователя;
системы крепления.
Рабочий орган находится в непосредственном контакте с водой. Под действием волн он совершает определенные движения, или изменяет условия движения волн. К рабочим органам относят всевозможные системы поплавков, водяные колеса и другие подобные устройства. Рабочее тело – это среда, воздействующая на силовой преобразователь. Им может быть вода или воздух. Силовой преобразователь предназначен для преобразования энергии, запасенной рабочим органом (механической энергии движения рабочего органа, перепада уровней в бассейнах, давления воздуха или масла), в электрическую энергию. В качестве силовых преобразователей используются многочисленные цепные, зубчатые и другие передачи, гидравлические насосы и турбины, воздушные турбины, генераторы и т.д.
Система крепления удерживает волновую установку на месте. Если установка является плавучей, она гибкими связями соединяется с транспортирующим ее судном. Если же установка располагается на берегу, то системой крепления служит конструкция самой установки.
Имеется большое число различных схем использования волновой энергии, воплощенных в проекты, модели и действующие электростанции разных масштабов и типов.
Наиболее распространенными волновыми установками являются поплавковые установки. Основной рабочий орган таких установок находится на поверхности моря и совершает вертикальные колебания согласно изменяющемуся в фиксированной точке уровню моря под воздействием ветровых волн. Вертикальные перемещения поплавка с помощью различных приспособлений переводятся во вращательное движение вала генератора. Наиболее простая волновая поплавковая установка представлена на рис. 29. С использованием такого принципа действия в Швеции разработан проект ВлЭС мощностью 10 МВт. Станция будет иметь 720 подобных поплавковых преобразователей.
|
|
Из других поплавковых волновых установок, наиболее интенсивно исследуемых в различных странах, следует отметить плот Кокерелля, качающуюся «утку» Солтера, пульсирующий столб Масуды и преобразователь Рассела.
Плот Кокерелля представляет собой плавающую по поверхности воды конструкцию, состоящую из трех шарнирно связанных между собой понтонов, при волнении принимающих очертания поверхности моря. Передний понтон 1 свободно движется вверх и вниз, подчиняясь колебаниям волн. Движения второго понтона 2 более ограничены, ибо поверхность воды под ним становится более пологой после того, как большую часть энергии волны перехватит первый понтон. Третий понтон 3в цепочке вдвое длиннее первых двух и относительно устойчивее. Таким образом, работа плота в целом основана на относительных поворотах смежных понтонов.
Каждое шарнирное крепление через два длинных шатуна и специальные рычаги соединено с поршнями гидравлических цилиндров. Движение плота заставляет поршни двигаться вперед и назад, перекачивая жидкость в изолированной замкнутой системе. Жидкость перекачивается через четыре патрубка и под низким давлением поступает из резервуара под поршень, а под высоким давлением подается с рабочей стороны поршня в трубу и далее в турбину, вал которой соединен с валом генератора. Вся конструкция плота закрепляется якорями. В случае очень длинных волн энергия на подобных ВлЭС не вырабатывается, ибо тогда все три понтона представляют собой единый поплавок и приводы в шарнирных сцеплениях неподвижны.
|
|
Качающаяся «утка» Солтера состоит из опорных стенок с балластом и подвижного элемента («утки»), перемещающегося вокруг оси в соответствии с колебаниями уровня моря (рис. 31). Несколько «уток» соединяются между собой опорным валом, который приводится во вращение с помощью храповиков, имеющихся на каждой «утке». Непрерывность вращения вала обеспечивается тем, что хотя бы одна «утка» из нескольких, посаженных на вал, стремится повернуть его в нужном направлении. После того как эта «утка» перестанет принимать воздействия волны, всегда найдется другая, находящаяся на подъеме какой-либо волны.
Имеется другая конструкция ныряющей «утки». В ней на одном опорном валу также находится несколько «уток», каждая из которых приводит в движение несколько гидравлических насосов, расположенных внутри вала. Насосы в свою очередь подают под давлением воду в гидравлическую турбину, на одном валу с которой находится ротор генератора. Считается, что с одного метра цепи, состоящей из описанных «уток», можно получить в среднем от 30 до 50 кВт мощности, а с цепи длиной 480 км можно удовлетворить все современные потребности в электроэнергии всей Великобритании. Диаметр опорного вала такой цепи достигает 15 м. Размер «утки» близок к размеру небольшого коттеджа. Наиболее трудной проблемой в использовании принципа качающейся «утки» является согласование движения «уток» с постоянно меняющимися параметрами волны (высотой, частотой, направлением).
Третьим типом ВлЭС является пульсирующий водный столб Масуды. Конструктивно это устройство представляет собой плавающий перевернутый бак, нижняя открытая часть которого погружена под низший уровень воды (впадины волны). При подъеме и опускании уровня воды в баке происходит циклическое сжатие и расширение воздуха. Воздушные потоки через систему клапанов приводят во вращение колесо турбины, расположенной в отверстии наверху бака (рис. 32).
Достоинства столба Масуды состоят в отсутствии в его конструкции значительных по размерам подвижных элементов, использование воздушной турбины с высокой частотой вращения, а также незначительную зависимость КПД от направления движения волн. Вместе с тем эффективность столба Масуды сильно зависит от частоты колебания волн, достигая максимума в интервале 1,2–1,3 Гц. Конструкция столба Масуды была усовершенствована в Англии, где ее назвали осциллирующим столбом.
Волновая электростанция, использующая преобразователь Рассела, в отличие от рассмотренных установок, являющихся плавучими, устанавливается на морском дне. Преобразователь состоит из нескольких последовательно расположенных коробкообразных конструкций (рис. 34). Смежные перегородки между ними образуют резервуары с разными уровнями воды (в зависимости от положения и размера приходящих волн). Заполнение и опорожнение резервуаров происходит в соответствии с заданной программой работы клапанов и режимов поднятия и опускания уровня моря в данном месте. Из резервуаров вода попадает в верхний бассейн, поднимая в нем уровень. Единственный выход из этого бассейна ведет через турбину в другой бассейн с более низким уровнем.
Широкое использование энергии ветровых волн пока затруднено. Во-первых, эта энергия имеет случайный характер и непостоянна во времени, во-вторых, мощность волновой установки зависит от размера волн и не может изменяться в соответствии с необходимым режимом потребления, вследствие чего необходимо использовать аккумуляторы. Кроме того, еще не полностью решены такие технические проблемы, как крепление установок в море, противокоррозионная защита и долговечность оборудования, передача энергии (особенно на большие расстояния и при больших глубинах) и др.
Процесс преобразования волновой энергии в электрическую экологически чист. Однако при расположении волновой энергетической установки типа ныряющих «уток» Солтера в открытом океане может произойти неблагоприятные воздействия на морскую фауну и флору, так как волны способствуют обогащению поверхностного слоя воды кислородом и питательными веществами. Волновые установки не требуют изъятия земельных угодий, что свойственно всем существующим электростанциям и другим установкам, использующим возобновляемые энергоресурсы. ВлЭС, располагаемые в береговых зонах морей, в результате отбора ими энергии волн будут снижать их размывающую способность и тем самым заменят дорогостоящие гидротехнические сооружения, предназначенные для берегозащитных целей.
Перечисленные преимущества волновой энергетики стимулируют дальнейшее развитие исследований по совершенствованию технологических схем преобразования волновой энергии и тем самым улучшению технико-экономических показателей ВлЭС.
Океанические тепловые электростанции. Солнце нагревает лишь верхний слой воды морей и океанов, и нагретая вода не опускается вниз, поскольку по плотности она меньше, чем холодная. В тропических морях верхний слой воды, толщина которого не превышает нескольких метров, нагревается до 25…30° С. Температура воды на глубине одного километра составляет около 5 °С. Такой температурный градиент создает огромные запасы тепловой энергии, равные 95×1012 кВт×ч/год.
Принцип действия океанических тепловых электростанций (ОТЭС), опирающийся на основные законы термодинамики, весьма прост. Теплая морская вода из верхних слоев используется для испарения жидкости, точка кипения которой не превышает 25…30 °С (фреон, пропан, аммиак). Пар этой жидкости подается в турбогенератор и приводит его во вращение. Отработавший после выхода из турбины пар охлаждается более холодной водой, поступающей из глубинных слоев, конденсируется и вновь используется в цикле. Таким образом, поддерживается перепад давления пара на входе в турбину и выходе из нее, необходимый для вращения ее вала.
Технологически схема ОТЭС показана на рис. 35. Насос подает теплую воду, взятую с поверхностного слоя моря, в теплообменник, где рабочая жидкость превращается в пар. Пар под давлением поступает в турбину и приводит в движение ее вал, который соединен с валом генератора. После прохождения через турбину пар поступает в конденсатор, где под воздействием холодной воды, подаваемой насосом, вновь превращается в рабочую жидкость, которая насосом вновь подается в теплообменник, и цикл повторяется.
Разработаны ОТЭС с открытым циклом. В таких установках рабочим телом служит теплая поверхностная вода (25…30 °С), испаряющаяся при пониженном давлении. Получающийся при этом пар приводит во вращение турбогенератор. На выходе из турбины пар конденсируется холодной глубинной водой и превращается в качестве побочной продукции в пресную воду, что дает дополнительный экономический эффект. Однако при использовании открытого цикла имеет место существенный недостаток. При кипении морской воды из нее выделяется растворенный воздух, повышая давление в вакуумной камере и приостанавливая кипение. Поэтому требуется его непрерывная откачка. На это необходимо затрачивать до 10% вырабатываемой электроэнергии, что значительно увеличивает расход на собственные нужды.
Разработки по использованию тепловой энергии океана входят в национальные научно-технические программы таких стран, как США, Япония, Франция, Швеция, Индия. В 1979 г. в США вблизи Гавайских островов была испытана первая в мире океаническая ТЭС (ОТЭС) мощностью 50 кВт, смонтированная на барже. В 1980 г. там же была пущена ОТЭС мощностью 1 МВт, смонтированная на переоборудованном танкере. Обе установки работали по замкнутому циклу и предназначались для исследовательских целей. В октябре 1981 г. на острове Науру в Тихом океане (Япония) была пущена опытная ОТЭС мощностью 100 кВт, использующая замкнутый цикл. Это первая в мире океаническая береговая электростанция. Ее успешная работа показала целесообразность сооружения на японских островах береговых ОТЭС мощностью до 10 МВт. Опыты и расчеты показывают, что себестоимость электроэнергии ОТЭС соответствует себестоимости энергии, вырабатываемой современными ТЭС и АЭС.
Однако широкому строительству ОТЭС в настоящее время препятствуют некоторые технические проблемы. Так, например, еще нет достаточно эффективных и экономически приемлемых средств для борьбы с коррозией и биологическим обрастанием оборудования и трубопроводов.
ОТЭС экологически чисты. Однако, при утечке в контуре, по которому циркулирует рабочая жидкость, возможен существенный ущерб для морской флоры и фауны.
Описанный способ преобразования тепловой энергии океана наиболее эффективен там, где выше перепад температур между верхними и нижними слоями воды. Наиболее перспективны в этом отношении тропические и субтропические районы океана. Разновидностью описанного способа утилизации тепловой энергии океана является метод, основанный на использовании разности температур воды и воздуха над ее поверхностью. Он перспективен для арктических районов океана. В России исследуется возможность сооружения таких ОТЭС на побережье Северного Ледовитого океана, где температура воды на 30…40 °С выше температуры атмосферного воздуха. Предполагается, что в этом случае ОТЭС, обеспечивая потребности в электроэнергии районов Крайнего Севера, смогут конкурировать по экономическим показателям с тепловыми электростанциями, работающими в этом регионе на привозном топливе.
Энергетические установки, использующие энергию океанических течений. Всю акваторию Мирового океана в различных направлениях пересекают течения, в которых сосредоточены значительные запасы кинетической энергии (около 7,2×1012 кВт×ч). Эту энергию можно превратить в механическую и далее в электрическую.
Важнейшее морское течение – Гольфстрим. Оно проходит близ полуострова Флорида (США) и несет воды в 50 раз больше, чем все реки мира. Его ширина составляет 60 км, глубина – до 800 м. Мощность, которую развивает такой поток воды со скоростью примерно 2 м/с, более в 2 раза превышает суммарную мощность всех ГЭС стран СНГ. Полностью реализовать энергию Гольфстрима не удастся, но даже некоторое практическое ее использование, даст экологически чистую электроэнергию. В США разрабатывается программа Кориолис. Она предусматривает установку во Флоридском проливе, в 30 км восточнее г. Майами, 242 подводных установок мощностью 83 МВт каждая (суммарно 20086 МВт). В качестве первичного двигателя таких установок предполагается использовать прямоточные турбины диаметром 168 м с частотой вращения 1 об/мин. Расстояние между лопастями турбины будет таково, чтобы обеспечить безопасный проход самых крупных рыб. Установка будет погружена на 30 м под уровень океана, с тем, чтобы не препятствовать судоходству. Стоимость всего сооружения оценивается в 20 млрд. долл., что соизмеримо со стоимостью строительства ТЭС такой же мощности, но позволяет экономить около 130 млн. баррелей нефти в год.
В Японии исследуется возможность использования энергии теплого течения Куросио, расход воды которого 55×106 м3 / с, а скорость у восточного побережья страны – 1,5 м/с. Для выработки ЭЭ предлагается применение двух трехлопастных гидротурбин с диаметром рабочего колеса 53 м.
Разработан проект использования течения в Гибралтарском проливе, расход воды которого 20…40 тыс. м3/с достаточен для получения 150 млрд. кВт×ч электроэнергии в год.