Гидроэнергетика

Энергия течений и волн

Энергия всех стационарных течений и циркуляций в Мировом океане составляет величину около 1019 Дж/год. Наиболее мощные течения океана — потенциальный источник энергии. Современный уровень техники позволяет извлекать энергию течений при скорости потока более 1 м/с. При этом мощность от 1 м2 поперечного сечения потока составляет около 1 кВт. Перспективным представляется использование таких мощных течений, как Гольфстрим и Куросио, несущих соответственно 83 и 55 млн м3/с воды со скоростью до 2 м/с, и Флоридского течения (30 млн м3/с, скорость до 1,8 м/с).

Мощность W, которая переносится течением, определяется его скоростью u и площадью поперечного сечения S:

W = ρu3χS.

Эта мощность оказывается не очень концентрированной по сравнению с мощностью рассмотренных выше энергетических источников океана. Например, для случая течения Куросио при характерной скорости течения около 1 м/с, вертикальном размере течения около 100 м и горизонтальном размере 10 км мощность не превышает 1,0 ГВт. При этом нужно учесть коэффициент полезного действия технических средств преобразования энергии χ, который всегда меньше единицы.

Для океанской энергетики представляют интерес течения в проливах: Гибралтарском, Ла-Манш, Курильских. Однако создание океанских электростанций на энергии течений связано пока с рядом технических трудностей, прежде всего с созданием энергетических установок больших размеров, представляющих угрозу судоходству. Кроме того, такие установки на современном этапе не смогут конкурировать по эффективности с системами преобразования термальной энергии океана.

Определенный интерес представляет использование энергии поверхностных волн в океане. Общая мощность всех поверхностных волн в Мировом океане составляет около 2,7·1012 Вт, что соответствует суммарной энергии около 1020 Дж/год. Это достаточно большая величина, однако использование этой энергии затруднено ее малой поверхностной плотностью.

В основе работы волновых энергетических станций лежит воздействие волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т.п. Механическая энергия их перемещений с помощью электрогенераторов преобразуется в электрическую.

Ввиду низкой плотности волновой энергии ее используют в основном для питания маломощных потребителей длительного пользования, например надводных автономных буев, маяков, научных приборов и т.п.

Попутно крупные волновые станции могут быть использованы для волнозащиты морских буровых платформ, открытых рейдов, марикультурных хозяйств. Началось промышленное использование волновой энергии. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. В Норвегии с 1985 г. действует первая в мире промышленная волновая станция мощностью 850 кВт.

Исследования и разработки систем преобразования поверхностных волн океана ведутся в настоящее время в Великобритании, Франции, Японии.

В преобразователях волновой энергии обычно выделяют два контура: первый воспринимает воздействие волн и превращает их энергию в потенциальную или кинетическую энергию рабочего тела (чаще всего жидкого или газообразного); во втором контуре происходит преобразование энергии рабочего тела в электроэнергию (обычно посредством турбин).

Волновые энергетические станции (ВлЭС) отличаются от традиционных главным образом конструкцией первого контура. С этой точки зрения можно выделить две группы ВлЭС:

  1. установки, в которых волны воздействуют непосредственно на рабочее тело ВлЭС;
  2. установки, где воздействие волн передается через промежуточное звено, которое, используя свойство рычага, сжимает рабочее тело ВлЭС.

Первый контур перспективных ВлЭС первого типа («осциллирующий водный столб» (ОВС), «Каймей», «выпрямитель» Рассела) прост по конструкции и недорог, однако имеет невысокий КПД. Переменное и низкое давление рабочего тела на выходе (избыточное давление не может быть выше высоты столба воды в гребне) и, как следствие, невозможность объединения нескольких устройств первого контура для перехода на один преобразователь второго контура ведут к большим энергетическим потерям в нем и низкому качеству генерируемой электроэнергии.

ВлЭС второго типа («ныряющая утка» Солтера, «контурный плот» Коккерела и др.) — это громоздкие и сложные сооружения, имеющие высокий КПД преобразования энергии волн и сравнительно высокое давление рабочего тела на выходе, что позволяет объединять несколько устройств первого контура для перехода на один вторичный преобразователь. В результате снижаются энергетические потери во втором контуре и его удельная стоимость.

Станции с конструктивным решением типа ОВС (рис.6.6а) в настоящее время являются единственно применяемыми на практике. Цена вырабатываемой электроэнергии на такой установке остается высокой из-за низкого (0,17–0,23) КПД. Низкий КПД обусловлен тем, что турбина работает на низкопотенциальном и переменном по величине и направлению потоке воздуха.

Схемы ВлЭС
Рис. 6.6. Схемы ВлЭС: а — ОВС;б — «ныряющая утка»; 1 — волноприемная камера; 2 — турбогенератор; 3 — «клюв»; 4 — вал

Конструкция типа «ныряющая утка» (рис.6.6б) соответствует почти всем требованиям к ВлЭС и обладает очень высоким (до 0,9) КПД, но имеет проблемы на пути практического применения. Наличие узлов трения в соединениях «клювов» с валом установки и поршневых системах сжатия жидкого рабочего тела гидрогенератора, а также длинного вала, объединяющего множество «клювов» и работающего на излом, снижает надежность и долговечность установки.

Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии, эффективной конструкцией станции, в которую встроены устройства сглаживания неравномерного режима волнения. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока в 2–3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости.

Практическое использование энергии поверхностных волн возможно во многих районах Мирового океана. Для нашей страны наибольший интерес представляют районы северо-западной части Тихого океана, где значительные погодные возмущения обусловливают систематическое поверхностное волнение.