Морская энергетика

Технология гидроэлектростанций, основанных на приливах и отливах, досконально проработаны в инженерном плане, многие варианты уже опробованы в некоторых странах, даже в Кольском полуострове. Выдвинута даже оптимальная стратегия использования такой энергии: во время приливов накапливать воду в водохранилищах, а во время максимальной нагрузки на энергодобывающую сеть, разгружать ее, используя энергию, накопленную при приливе.

В наше время приливные электростанции, конечно же, значительно уступают тепловой энергетике, ведь легче получить коротко-срочную прибыль, закупив дешевую нефть в странах третьего мира. Однако приливная энергия обладает всеми качествами, которые помогут ей в будущем стать одной из самых важных составляющих мировой энергетики.

Чтобы построить ПЭС даже в самых приспособленных для этого местах, где уровень воды колеблется от 1 до 16 метров, нужны десятилетия. Но все-таки ПЭС должны потихоньку отвоевывать долю мировой добычи энергии.

Самая первая ПЭС, имеющая мощность 240 МВт, была построена в 1966 г. в устье реки Ранс во Франции, эта река впадает в пролив Ла-Манш, средний показатель перепадов уровня воды там составляет 8.4 м. Хоть она и обошлась стране в 2.5 раза дороже, чем строительство гидроэлетространции такой же мощности, сразу после начала ее эксплуатации стала очевидна ее экономическая выгодность. В настоящее время Французская ПЭС используется и приносит энергию в энергосистему страны.

Созданы проекты крупнейших ПЭС: мощностью 4000 МВт - Мезенская на Белом море, и Кольская - мощностью 330 МВт. В будущем планируется использовать большой энергетический потенциал Охотского моря, там приливы достигаю почти 13 м.

Очень хорошие предпосылки для распространения и развития добычи энергии из приливов дает геликоидная турбина Горлова (см. Прил. 1). С ее помощью можно строить приливные электростанции и добывать энергию не сооружая плотины - это в разы уменьшает издержки на строительство [3].

Часть 2. DEEP GREEN

Кинетической энергии в квадратном метре потока воды, идущем со скоростью 2,5 м/с, столько же, сколько в ветре, «делающем» 260 км/ч. Ветер непостоянен, а приливы регулярны. Но приливные электростанции всё равно остаются экзотикой, а ветровые фермы завоёвывают планету. Не придумано ещё оптимальной конструкции? В очередь на признание встал ещё один вариант.

Шведско-британская компания Minesto, выделившаяся три года назад из промышленного гиганта Saab Group, разработала весьма оригинальный проект электростанции Deep Green. В основе системы — крыло размахом 12 метров, которое плавает под водой, будучи прикреплённым ко дну длинным тросом.

Вдохновлённые пируэтами, которые способны проделывать в небе кайты воздушные, инженеры Minesto придумали подводный кайт. Это удивительный принцип работы станции за счёт гидродинамической силы: кайт начинает выписывать в толще моря гигантские восьмёрки, в чём устройству помогает автоматически-управляемый руль.

Самое интересное, что скорость движения «змея» по его замкнутой траектории оказывается в 10 раз выше, чем скорость приливного течения, в которое он погружён, — 16 метров в секунду против 1,6 м/с.

Это «умножение скорости» означает, что водяная турбина, установленная под крылом, может быть намного меньше в диаметре (а именно — всего 1 метр), чем стационарная при той же генерируемой мощности. А она равна 500 киловаттам. Турбина без всяких промежуточных передач вращает вал электрогенератора, а ток поступает по кабелю на берег.

Авторы Deep Green указывают сразу на несколько преимуществ своей версии приливной станции. Большинство генераторов, преобразовывающих энергию приливных течений, строятся или задумываются по схеме, сходной со строением классических ветряков: в виде большого «пропеллера» на стационарной башне, только расположенного под водой.

Другим установкам для нормальной работы нужен приличный поток, что ограничивает возможные места для монтажа – годятся только удачные участки в узких проливах и заливах.

Аппарат Deep Green же начинает давать электричество при куда меньшем темпе приливного течения, а потому может быть установлен на значительно больших глубинах и на большем удалении от берегов, что многократно расширяет спектр возможных районов монтажа и рынок для таких установок.

Сравнение с Deep Green не выдерживает и другой тип приливной станции — на основе плотины, подобной возведённым на речных ГЭС. Такие системы, в которых прилив загоняет воду в закрытый резервуар (отгороженный морской залив), а затем эта вода крутит турбины, могут быть очень крупными и мощными, но капитальное строительство тут просто огромное.

Deep Green же даже проще в этом отношении, чем набор «подводная башня – винт», поскольку требует лишь сравнительно небольшого якоря на дне, да и сложность этой системы не зависит от глубины моря в точке установки. Последняя может составлять от 20 до более 100 метров при высоте «полёта» кайта над дном в десятки метров. Над водой ничего заметить не удастся[5].

Часть 3.  Эксперимент по тестированию преобразователя энергии океанских волн в электричество

Недавно закончился крупный эксперимент по тестированию преобразователя энергии океанских волн в электричество, организованный учеными из Академии ВВС США. Согласно предварительным результатам, новая установка будет иметь невиданный до этого КПД – 99%.

Испытания длились на протяжении двух дней. Они подтвердили правильность выбранной конструкции устройства, а также возможность достижения 99% эффективности, предварительно рассчитанной в ходе компьютерного моделирования. Установка «ловит» волну и полностью гасит ее, преобразовывая в электричество.

Проект был запущен в 2008 году. Первый в мире преобразователь, полностью находящийся в воде, сначала прошел тестирование на прототипе в масштабах 1:300. Сегодня размеры прототипа лишь в 10 раз меньше тех, что будет иметь установка в конечном варианте. Это последний шаг к созданию промышленной установки полноразмерного преобразователя энергии, она будет испытываться уже в открытом море.

Для обслуживания прототипа требуется 10 человек персонала и пятитонный кран. Меньшими размерами обойтись нельзя, так как необходимо как можно точнее проверить дизайн, материал лопастей и опор, потому что на дне океана очень тяжелые условия для работы подобных установок: сегодня ни одна из них не может работать в открытом море свыше 6 месяцев (или до первого сильного шторма). Американские ученые намерены создать полностью автономное устройство, способное годами обходиться без обслуживания.

Это позволит сделать уникальная конструкция с двумя поворотными лопастями, постоянно меняющими угол работы для обеспечения максимально возможной эффективности, а также для защиты всей установки от слишком сильных волн. Кроме того, преобразователь будет иметь свободно плавающую погруженную платформу – это защитит его от сильного волнения, губительного для существующих устройств подобного типа.

Из проблем, возникших в процессе этого тестирования, можно назвать недостаточно надежную систему гидроизоляции электроники и редуктора. В ближайших планах разработчиков – устранение всех выявленных недостатков, а также строительство еще нескольких устройств. Это позволит испытать режимы совместной работы волновых генераторов уже в 2012 году [6].

Глава 3. Энергия морских течений

Часть 1. Общие сведения

Неисчерпаемые запасы кинетической энергии морских течений, накопленные в океанах и морях, можно превращать в механическую и электрическую энергию с помощью турбин, погруженных в воду (подобно ветряным мельницам, «погруженным» в атмосферу).

Важнейшее и самое известное морское течение – Гольфстрим. Его основная часть проходит через Флоридский пролив между полуостровом Флорида и Багамскими островами. Ширина течения составляет 60 км, глубина до 800 м, а поперечное сечение 28 км2. Энергию Р, которую несет такой поток воды со скоростью 0,9 м/с, можно выразить формулой (в ваттах)

где m–масса воды (кг), р–плотность воды (кг/м3), А–сечение (м2), v– скорость (м/с). Подставив цифры, получим

Если бы мы смогли полностью использовать эту энергию, она была бы эквивалентна суммарной энергии от 50 крупных электростанций по 1000 МВт, Но эта цифра чисто теоретическая, а практически можно рассчитывать на использование лишь около 10% энергии течения.

В настоящее время в ряде стран, и в первую очередь в Англии, ведутся интенсивные работы по использованию энергии морских волн. Британские острова имеют очень длинную береговую линию, к во многих местах море остается бурным в течение длительного времени. По оценкам ученых, за счет энергии морских волн в английских территориальных водах можно было бы получить мощность до 120 ГВт, что вдвое превышает мощность всех электростанций, принадлежащих Британскому Центральному электроэнергетическому управлению.

Один из проектов использования морских волн основан на принципе колеблющегося водяного столба. В гигантских «коробах» без дна и с отверстиями вверху под влиянием волн уровень воды то поднимается, то опускается. Столб воды в коробе действует наподобие поршня: засасывает воздух и нагнетает его в лопатки турбин. Главную трудность здесь составляет согласование инерции рабочих колес турбин с количеством воздуха в коробах, так чтобы за счет инерции сохранялась постоянной скорость вращения турбинных валов в широком диапазоне условий на поверхности моря [1].

По такому принципу работают  преобразователи  «столб Масуды» (Япония) и «турбина Уэльса» (Англия).

Недостатками  таких преобразователей являются низкий к.п.д. и большая материалоемкость [7].

Часть 2. Турбина «Кобольд»

Турбина «Кобольд» способна вырабатывать электричество под воздействием морского течения.

Производительность электростанции в зависимости от скорости приливного течения составляет от 15 до 70 кВт. Этого вполне достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией целый кондоминиум. Основными потребителями энергии будут морские архипелаги, составленные из маленьких островков: тянуть на них ЛЭП с материка трудоемко и невыгодно.

Сейчас компания, создавшая «Кобольд», разрабатывает следующее поколение турбин, пригодных к установке в различных морях с учетом приливных течений. Они будут особенно эффективны в узких проливах поблизости от прибрежных городов, как в случае с городком Мессина на берегу Сицилии. В проливе Мессина встречаются Тирренское и Ионическое моря, и разница в плотности и температуре воды этих двух морей является причиной сильных течений и водоворотов.

Проект «Кобольд» далеко не первый в ряду подобных – основанных на использовании энергии волн, морских течений, приливов и отливов. Технология использования приливной энергии более 30 лет была апробирована на российской Кислогубской ПЭС и с тех пор завоевала умы энергетиков. Американская компания Golf Stream Energy уже несколько лет разрабатывает самый масштабный проект во Флоридском проливе, намереваясь соорудить в районе, где берет начало Гольфстрим, электростанцию мощностью около 140 тысяч кВт. В гигантский комплекс должны войти 4 тысячи электрогенераторов и почти 50 тысяч так называемых геликоидных турбин – за счет трех спиралевидных лопастей такая турбина вращается со скоростью втрое большей, чем скорость проходящего через нее потока воды.

А британская Marine Current Turbines Ltd. в 2003 году построила у побережья графства Девон первую в мире приливную электростанцию. Внешне она напоминает обычную ветряную мельницу, только перевернутую «крыльями» к морскому дну. Под действием приливного течения одиннадцатиметровые лопасти винта вращаются со скоростью 20 оборотов в минуту и приводят в движение электрогенератор мощностью 300 кВт. После цикла технологических испытаний станция дала ток в британскую объединенную энергетическую систему. Стоимость ее составила 4,5 миллиона долларов США, что в пятнадцать раз дороже обычной тепловой электростанции той же мощности.

Но высокая цена электростанций, работающих на возобновляемых источниках энергии, не мешает считать их одним из самых перспективных направлений в электроэнергетике [8].

Заключение

Представленные материалы убеждают, что нетрадиционные и возобновляемые источники энергии обладают огромным потенциалом, достаточным для того, чтобы навсегда закрыть вопрос о недостатке энергии. Так почему же мы видим сегодня, что этот потенциал используется очень и очень слабо? Основная причина – экономическая. Ведь и сегодня стоимость углеводородных топлив еще настолько невелика, что вкладывать значительные средства в освоение нетрадиционных источников просто невыгодно, учитывая и ту особенность многих из них, которая связана с неравномерностью и непредсказуемостью поступления энергии от таких источников.