Энергия морей и океанов

ЭНЕРГИЯ МОРЕЙ И ОКЕАНОВ

Океаны и моря издавна считались потенциальным источником энергии. Приливы, течения и волны обладают  механической энергией. Эту энергию с помощью различных технологий можно преобразовывать в электроэнергию.

ЭНЕРГИЯ ПРИЛИВОВ И ОТЛИВОВ

У берегов морей и океанов дважды в сутки наблюдается поднятие (прилив) морской воды до некоторого максимального уровня, который сменяется её опусканием (отливом) до минимального уровня. Время между приливом и отливом составляет 12 ч. 25 мин. Это точно совпадает с половиной промежутка времени, в течение которого Луна в своем видимом движении совершает полный оборот вокруг Земли.

Приливы и отливы морей и океанов возникают благодаря неоднородности гравитационных воздействий Луны и Солнца на различные участки земной поверхности.

Величина приливообразующих сил Солнца примерно в 2,25 меньше Лунных и меняется в течение года примерно на 10%, ввиду эллиптичности земной орбиты.

Наложение солнечных приливов на лунные делает общую картину приливов на Земле сложной и непостоянной. Лунные и солнечные приливы могут усиливать друг друга, когда Солнце и Луна находятся на одной прямой с Землей (в полнолуние и новолуние).  Это случается дважды за лунный месяц, а приливы, наступающие в это время, называют большими (сизигийными).

Если же Луна находится в первой или последней четверти и направление Солнце-Земля и Луна-Земля перпендикулярны (находятся в квадратуре), солнечные приливы ослабляют лунные. Это малые или квадратурные приливы. Угасание приливов повторяются также дважды за лунный месяц. Разница в высотах подъёма воды при приливах составляет примерно два раза.

Анализом приливов занимались крупнейшие ученые прошлого: Ньютон, Эри, Лаплас, Дж. Дарвин (сын Ч. Дарвина). Современный анализ приливов основан на математических методах гармонического анализа, базирующегося на работах лорда Кельвина.

Рекомендуемые материалы

По классической теории, основанной на механике Ньютона, высота приливов не должна составлять более 0,36 м. Существуют три причины, по которым реальное поведение приливов отличается от этой величины:

1. По классической теории считается, что приливная волна должна распространяться  в океане со скорость равной окружной скорости вращения Земли, которая чуть менее 1700 км/ч. На самом деле приливное движение распространяется со скорость 500 км/ч и запаздывает по отношению к положению Луны. Причем в каждом океане своя картина приливов и фаза запаздывания.
2. Луна обычно находится не в плоскости земного экватора, поэтому возникает суточная компонента прилива с меньшей частотой. Существуют и другие компоненты приливного движения связанные: с колебанием расстояния между Землей и Луной с периодом 27,55 солнечных суток; с тем, что плоскость движения Луны колеблется относительно плоскости, в которой находятся Земля и Солнце примерно на 2º.
3. Влияние особенностей водных бассейнов: ветровой нагон, землетрясения в толще океанского дна, извержение подводных вулканов, возможность образования резонансов, особенно вблизи континентальных шельфов, в результате которых высота приливов существенно увеличивается.

Механизм приливов очень сложный, на его результат оказывают влияние сложный рельеф дна, наличие материков и островов, очертание берегов, трение, морские течения, ветры, приливы в земной коре и множество других трудно учитываемых факторов.

Полной исчерпывающей теории приливов, учитывающей все существующие нюансы, не существует

На открытых островах в океане амплитуда приливов в полнолуние и новолуние обычно порядка 1 м. У берегов океанов амплитуда приливов обычно порядка 2 м. Мест с амплитудой 3 м уже немного, а с амплитудой 6 м очень мало. Все они находятся либо в узких проливах, либо в глубине длинных заливов. 

Наиболее значительные приливы наблюдаются в заливе Фанди, на восточном берегу Канады. Этот залив расположен между материком и полуостровом Новая Шотландия. Амплитуда от 4 м нарастает до 12-16 м в глубине залива (наивысших прилив 17.3 м наблюдается в вершине залива). Во время сизигийных приливов здесь наблюдается амплитуда свыше 20 м.

В Европе высокие приливы наблюдаются в Англии (устье р. Северн. Бристоль), во Франции (устье р. Ране. Сен-Мало). У берегов России высокие приливы наблюдаются в Пенжинском (14,5 м) и Тугурском (10 м) заливах Охотского моря и Мезенском за­ливе (10м) Белого моря. На Мурманском побережье Баренцева моря прилив достигает 7,2 м.

Поскольку уровень воды колеблется дважды в день, она поочередно "заполняет" и "освобождает" часть территории побережья, образуя, таким образом, естественные бассейны. Потоки, вытекающие из этих бассейнов, можно использовать для приведения в движение гидротурбин, соединённых с генераторами, вырабатывающими электроэнергию.

Высота и характер приливов в большинстве прибрежных районов хорошо изучен. Поведение приливов может быть предсказано с точностью менее 4%, хотя при её преобразовании возникают определенные неудобства:

1) несовпадение периодичности наступления приливов (12 ч 25 мин), с привычным для человека периодом солнечных суток (24 ч), максимум приливной генерации не совпадет с пиками потребления энергии;

2) изменение высоты прилива и мощности приливного течения с периодом в две недели, приводящее к колебаниям выработки энергии;

3) необходимость создания потоков воды с большим расходом при сравнительно малом перепаде высот, что требует применение большого количества параллельно работающих турбин;

4) высокие капитальные затраты на сооружение ПЭС;

5) возможные экологические нарушения в местах расположения ПЭС.

Несмотря ни на что, приливная энергия оказывается весьма надежной формой возобновляемой энергии, привлекательность которой особенно высока, если вырабатываемая электроэнергии используется для замещения дорогого дизельного топлива.

Если ПЭС построена для обеспечения местных потребностей в энергии, то необходимы страхующие энергоустановки, на период угасания приливов.

Чем выше приливы, тем большее количество электроэнергии может быть выработано в данном месте. Технология использования приливной энергии, похожа на гидроэнергетическую технологию при малом напоре.

ПОТЕНЦИАЛ ЭНЕРГИИ ПРИЛИВОВ

Мировой потенциал энергии приливов и отливов по оценкам составляет около 3000 ГВт. Но как считают эксперты, из них только 2 % или 60 ГВт может быть использовано для выработки электроэнергии.

В настоящее время считается экономически целесообразным выработка электроэнергии за счет приливов и отливов только в местах с их амплитудой более 5 м.

В некоторых регионах использование энергии приливов и отливов является достаточно привлекательным, особенно для береговых областей и в дельтах рек, где амплитуда приливов и отливов обычно выше средней. Такие условия обнаружены, например, в Канаде, где средняя амплитуда приливов и отливов равняется 10,8 м, а также в устье р. Северн в Англии, где средний показатель амплитуды достигает 8,8 м. Проекты крупных приливных электростанций (ПЭС) в этих местах экономически выгодны.

ТЕХНОЛОГИИ ПЭС

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ПРИЛИВОВ

В основе традиционной технологии, наиболее распространенной в настоящее время, лежит так называемая «однобассейновая схема» приливной электростанции (ПЭС), принцип работы которой основан на накапливании воды во время приливов и ее сбросе, через гидротурбины, в периоды отливов. Мощность ПЭС вследст­вие изменения напора волн возрастает от нуля до некоторого макси­мального значения и затем вновь снижается до нуля.

 Эта методика предусматривает создание заграждения (невысокой дамбы) для ограждения территории устья реки, попадающей под приливы, позволяя приливному потоку аккумулироваться на океанской стороне дамбы. После того, как уровень воды достигает максимальной отметки, запорные клапаны закрываются. Запруженная вода спускается через турбины во время отлива.

Затворы открываются или закрываются в соответствии с приливами, разрешающими течение воды только при напоре, необходимом для вращения турбин. Генерирование энергии происходит в течение нескольких часов во время высокого уровня воды.

Данная технология выработки электроэнергии на ПЭС подобна речной гидроэнергетической технологии при малом напоре, т.е. вода проходит через турбогенераторы под действием напора.

В отличие от речной ГЭС, турбина ПЭС постоянно находится в соленой воде,  кроме того, турбины электростанции, работающие на приливах и отливах, должны работать при регулярно изменяющемся напоре воды, что влияет на коэффициент использования установленной мощности.

Эти электростанции могут вырабатывать приблизительно одну третью часть электроэнергии, вырабатываемой ГЭС такой же установленной мощности.

Работа ПЭС с технической точки зрения все выглядит безупречно. Минусом данной технологии может быть немалый экологический ущерб от проектов такого типа. Дело в том, что для увеличения выработки электроэнергии необходимо увеличивать размеры заграждений, блокирующих канал устья реки. С увеличением размера водоема возрастает отрицательное влияние на экологию данного региона. В частности, блокируется навигация; возникает препятствие для миграции рыбы; рыба погибает, проходя через турбины; изменяется локализация и природа приливно-отливной зоны; изменяется режим приливов и отливов в нижнем течении реки; уничтожается среда обитания птиц, живущих в мелководье; осадок, скопившийся позади заграждения, может уменьшить объем устья реки.

Сегодня существует несколько промышленных электростанции, работающих за счет энергии приливов и отливов. По такому принципу, например, работает французская про­мышленная ПЭС Ране, которая была построена в устье реки Ла Ранс около Сен-Мало (Бретань, Франция) в 1967 г (240МВт), опытные ПЭС Анна­полис  в Новой Шотландии (Канада) (20 МВт) и у нас в стране экспериментальная ПЭС построенная на побережье Баренцева моря  в северной части Кольского полуострова в заливе Кислая Губа в 1969 г (0,45 МВт).   Длина залива 2,5 км, ширина до 1 км, Построены также три опытных ПЭС в Китае и одна - в Корее. Во многих странах мира ведется проектирование промышленных при­ливных электростанций.

Про­мышленная ПЭС на реке Ла Ранс (Франция)

Проблемы, связанные с окружающей средой, остановили дальнейшее развитие технологии, основанной на заграждении устья реки.

Электростанция на реке Ла Ранс имеет турбины, которые могут также работать в режиме насосов; таким образом, установка может функционировать как насосно-аккумулирующая станция для выравнивания нагрузки в сети. Вода, закачиваемая в резервуар в периоды низкого потребления электроэнергии, увеличивает напор на турбинах в периоды пиковой нагрузки в сети.

Амплитуда приливов и отливов в устье реки Ла Ранс достигает 13,4 м. Ширина дамбы составляет 760 м. По пути вода проходит через 24 турбины, соединённые с генераторами установленной мощностью 240 МВт. Вырабатываемой электроэнергии достаточно для энергообеспечения города с населением в 300 000 человек.

В современных условиях при работе ПЭС в достаточно мощной энергосистеме прерывистый характер выдачи электроэнергии при­ливной электростанцией не имеет принципиального значения. Гораздо важ­нее получить от нее мощность в часы пиковой нагрузки в энер­госистеме, что позволит обеспечить наиболее рациональный режим работы других электростанций.

Ценное качество приливной энергии заключается в неизменно­сти ее среднемесячного значения в любой сезон.

Но при работе ПЭС на изолированного потребителя необходимо ее резервирование другим источником энергии.

Кроме того, учитывая неравномерность работы ПЭС, для эффективного использования целесообразно ее объединять с ГАЭС или ГЭС, име­ющими водохранилища для аккумулирования энергии ПЭС.

В России использование приливной энергии в прибрежных райо­нах морей бассейнов Северного Ледовитого и Тихого океанов воз­можно, но изначально требует больших капиталовложений и пред­полагает высокую себестоимость электроэнергии.

Наплавная российская технология строительства ПЭС, апроби­рованная на Кислогубской ПЭС и на защитной дамбе от наводне­ния Санкт - Петербурга, позволяет на 1/3 снизить капитальные затраты по сравнению с классическим способом строительства гидротехни­ческих сооружений за перемычками.

У нас в стране, так же разработан новый тип так называемой ортогона­льной гидротурбины, которую предполагается испытать на Кисло­губской ПЭС. Создание этого эффективного и технологически про­стого гидроагрегата позволит значительно снизить стоимость строи­тельства ПЭС.

В России в настоящее время разработано технико-экономиче­ское обоснование Тугурской ПЭС на Охотском море мощностью 8 МВт и Пенжинской ПЭС мощностью 87 МВт на Охотском море и Мезенской ПЭС мощностью 11,4 МВт на Белом море. Начато проектирование Кольской опытно-промышленной ПЭС мощностью 32 МВт.

Обоснования проектов ПЭС в России осуществляются на базе исследований НИИЭС на Кислогубской ПЭС, где испытываются морские материалы, конструкции, оборудование и антикоррозион­ные технологии.

Кислогубская ПЭС

Комплекс проектных и научно - исследовательских работ по со­зданию морских энергетических и гидротехнических сооружений на побережье и на шельфе, проводимых в условиях Крайнего Севера, позволяет в полной мере реализовать все преимущества приливной гидроэнергетики. Однако следует констатировать, что из-за отсутствия финансовых средств, все эти работы, как и работы по другим направлениям малой энергетики, в нашей стране фактически сворачиваются.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПРИЛИВОВНЫХ ТЕЧЕНИЙ

В начале 90-х годов ХХ века интерес к электростанциям, работающим в устьях рек, упал. Ученые и инженеры начали изучать возможность использования береговых течений для производства электроэнергии. Интерес к данной технологии вызван тем, что во время приливов и отливов перемещение водных масс образует приливные течения, скорость которых в прибрежных зонах может составлять порядка 5 м/с.

Вместо использования дорогостоящих заграждений и гидротурбин малого напора, более перспективным выглядит использование кинетической энергии быстрых приливных течений. При этом применяются относительно простые машины: турбины, работающие за счет течений приливов и отливов.

Во многих местах, благодаря рельефу морского дна, вода течет сквозь узкие каналы или вокруг подводных скал, подобно ветру, проносящемуся над равнинами и вокруг холмов. Однако морская вода имеет намного более высокую плотность по сравнению с плотностью воздуха. Поэтому потоки, текущие со скоростью 9,25 - 16,7 км/ч, имеют такой же энергетический потенциал, как ветер при скорости 390 км/ч. Кроме того, в отличие от ветра, прибрежные потоки приливов предсказуемы. Периоды приливов и отливов меняются каждые двенадцать часов, образуя водные потоки, достигающие максимальной скорости четыре раза в день.

Технология с использованием турбин, работающих за счет течений приливов и отливов, является главным "конкурентом" технологии заграждений.

Похожие на подводные ветротурбины, работающие за счет течений приливов и отливов турбины имеют целый ряд преимуществ по сравнению с заграждениями:

1) они менее разрушительны для живой природы;

2) позволяют малым судам плавать беспрепятственно;

3) требуют меньших материальных затрат, чем строительство дамбы.

Работа таких турбин эффективна при наличии береговых потоков, имеющих скорость 2-3 м/с. Использование более слабых потоков экономически нецелесообразно, а более сильные потоки могут повредить оборудование.

При наличии потока скоростью 2-3 м/с, турбина диаметром 20 м произведет такое же количество энергии, как ВЭУ с лопастями диаметром 60 м. Преимущество этой турбины состоит также в том, что её не видно и не слышно, так как весь агрегат (кроме трансформатора) находится ниже поверхности воды.

 Всю акваторию Мирового океана пере­секают течения, имеющие различные направления и скорости. Некоторые из них описывают огромные окружности. Под поверх­ностными течениями есть и другие – глубинные.

В мире существует много регионов, где использование этой технологии было бы экономически выгодным. Самые сильные прибрежные потоки обнаружены на границах мировых океанов. Потенциал этого энергетического ресурса оценивается экспертами в более чем 330 000 MВт.

Юго-Восточная Азия, в частности, побережье Китая и Японии - это те территории, где течения приливов и отливов могли бы эффективно использоваться для выработки электроэнергии. В Японии исследуется возможность использования энергии теплого течения Куросиво, Его скорость у восточного побережья страны 1,5 м/с. Разработан проект использования течения в Гибралтарском проливе, который может обеспечить получение электроэнергии в количестве 150 млрд. кВт·ч/год.

Идеальное месторасположение для такой установки - участок, расположенный недалеко от берега на глубине примерно 30 м, где при оптимальных скоростях подводных течений можно было бы производить более чем 10 МВт·ч/ км² электроэнергии.

Эксперты ЕС уже определили 106 мест, подходящих для установки турбин, работающих за счет течений приливов и отливов; 42 из них - в прибрежной зоне Великобритании.

Ожидается, что цена энергии, выработанной этими турбинами, будет на уровне 0,10 доллара США за 1 кВт·ч. Это дороже, чем электроэнергия, полученная за счет традиционных источников энергии (уголь, газ), но значительно ниже стоимости электроэнергии, которую потребляют жители островов. По мере дальнейшего развития технологии стоимость электроэнергии, вероятно, будет понижаться.

Большую практическую работу созданию ВИЭ использующих энергию течений проводят в Великобритании. Свыше двух третей электроэнергии в Великобритании добывается на газовых и угольных ТЭС, чуть больше пятой части — на АЭС, остальные несколько процентов приходятся на альтернативные источники энергии, из которых один процент - гидроэнергетика.

Что касается атомных станций, то их закрытие планируется  в ближайшие 10-20 лет.  В такой ситуации кардинальное решение проблемы: необходимо возвести некоторое количество морских приливно-отливных гидротурбин. Подходящих для этого мест более чем достаточно вдоль всего побережья, за исключением восточной оконечности острова.

Точками обозначены места предполагаемого скопления приливных турбин (изображение с сайта marineturbines.com).

Интересное решение реализовано в заливе Стрэнджфорд (Strangford), близ городка Стрэнджфорд, Северная Ирландия, где размещена электростанция с двумя турбинами – первое в мире сооружение подобного типа. Расположена приливная электростанция, получившая обозначение SeaGen, на расстоянии 400 метров от побережья, а механизм функционирования станции довольно прост – движение водяных масс во время прилива и отлива приводит во вращение две огромные турбины, которые и работают в качестве генератора электроэнергии. Расположение станции отнюдь не случайно – именно в этом месте наблюдается максимальная скорость движения воды, составляющая иногда до восьми узлов, залив же защищает всю конструкцию от капризов моря. При этом скорость вращения лопастей турбины достигает 10-15 оборотов в минуту, а среднесуточное время работы SeaGen, когда станция вырабатывает энергию, - около 20 часов в сутки, то есть, практически без перерывов (подача энергии прекращается когда скорость потока воды падает ниже отметки в два узла). Полная мощность SeaGen составляет 1,2 МВатт.

Аппарат SeaGen уже включён в национальную сеть, а его мощность эквивалентна среднему расходу примерно тысячи британских домов.

Приливная электростанция SeaGen

Компания Atlantis Resources планирует испытать крупнейшую в мире приливную турбину AK-1000 с диаметром винта 18 м и мощностью 1 МВт. Турбина будет установлена возле Оркнейских островов летом 2010 г. Инвестиции компании в проект уже составляют около 25 млн. долл.

Приливная турбина AK-1000

Австралийская компания BioPower спроектировала оригинальный вариант приливной электростанций, устройство которых выполнено «по мотивам» хвостов рыб. Станция, разработанная BioPower, утилизирует энергию приливных течений. BioSTREAM использует в своих интересах высокоэффективные хвостовые плавники акулы, тунца и макрели. Инженеры создали по образу и подобию этих плавников «лопасть» генератора.

Одно из достоинств BioSTREAM — сравнительно медленные движения «плавника», который не представляет опасности ни для рыб, ни для дайверов (иллюстрация BioPower).

Вертикальный хвост поворачивается то вправо, то влево, увлекая за собой 20-метровый рычаг, сидящий на валу электрогенератора, закреплённого на дне моря.

Аппарат этот безопасен для рыб, а для того чтобы плавник полностью скрылся под водой, BioSTREAM следует ставить на глубине от 15 метров и выше.

Поскольку вал генератора ориентирован вертикально, «акулий хвост» может уловить и превратить в электроток течение любого направления.

«Грядки» с аппаратами BioSTREAM можно устраивать везде, где есть достаточно сильные прибрежные течения (иллюстрация BioPower).

Эта машина может быть выполнена в различных вариациях на 250, 500 и 1000 киловатт выходной мощности. Компания опробовала модель в волновом бассейне. В 2009 году австралийцы ввели в эксплуатацию пилотный вариант аппарата на 250 кВт неподалёку от Тасмании. близ островов Кинг (King) и Флиндерс (Flinders).

Компания Hydro Tasmania, сотрудничающая с BioPower в данном проекте, займётся эксплуатацией установок, причём выработанное ими электричество пойдёт в сеть.

Энергия от станций BioPower позволит запитать сотни домов на каждом из двух островов. До сих пор здания там освещались и обогревались за счёт дизель-электростанций (топливо, понятно, завозное), а также — ветровых турбин. Данный опытный проект наполовину финансирует правительство Австралии, а наполовину — сама BioPower.

После теста у берегов Тасмании компания намерена начать выпуск и продажу коммерческих генераторов BioSTREAM.

ЭНЕРГИЯ ВОЛН

Волны образуются благодаря ветру, который дует вдоль океанской поверхности. Вся энергия концентрируется вблизи поверхности воды в слое не толще 50 метров. Благодаря этому, океанская волна является высоко сконцентрированным источником энергии, менее подверженным изменениям, чем другие возобновляемые источники энергии, например, ветер или солнце.

Мощность ветровых волн Мирово­го океана оценивается примерно в 10 - 90 млрд. кВт, однако мощ­ность, которая может быть реально использована, значительно ниже — всего 2,7 млрд. кВт.

Пока же  достигнутый технический уровень позволяет исполь­зовать энергию волн лишь в прибрежных зонах, где она превыша­ет 80 кВт/м. В омывающих Россию морях мощности еще ниже и составляют для Черного моря 6 - 8 кВт/м, Каспийского ― 7 - 11 кВт/м, Баренцева ― 22 - 29 кВт/м, Охотского ― 12 - 20 кВт/м.

Важной особенностью морского волнения является его неравно­мерность во времени, максимальное значение в 5 - 11 раз выше средних значений. Удельная мощность волн, образующихся на бо­льших глубинах при значительной удаленности от побережья на по­рядок выше, чем в прибрежной зоне.

Волны проходят большие расстояния и действуют как эффективный механизм "транспортировки энергии" на тысячи километров. Волны, возникающие во время шторма в центральной части Атлантического океана, доходят до побережья Европы без значительных энергетических потерь.

Использование энергии волн может внести значительный вклад в мировое производство и обеспечение электроэнергией. Максимальная концентрация энергии волн находится в областях, подверженных самым сильным ветрам, т.е. между широтами 40^о и 60^о на восточных побережьях океанов Северного и Южного полушарий.

ОСНОВЫ АПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВОЛН

      Огромные количества энергии можно получить от морских волн. Мощность, переносимая волнами на глубокой воде, пропорциональна квадрату их амплитуды и периоду. Поэтому наибольший интерес представляют длиннопериодные ( T ≈ 10  с) волны большой амплитуды ( a ≈ 2 м), позволяющие снимать с единицы длины гребня в среднем от 50 до 70 кВт/м.

      Наибольшее число волновых энергетических устройств разрабатывается для извлечения энергии из волн на глубокой воде. Это наиболее общий тип волн, существующий при условии, что средняя глубина моря D превышает величину половины длины волны  λ / 2.

Поверхностные волны на глубокой воде имеют следующие основные характерные особенности:

−  волны являются неразрушающимися синусоидальными с нерегулярной

длиной, фазой и направлением прихода;

−  движение каждой частицы жидкости в волне является круговым(в то

время как изменяющиеся очертания волн свидетельствуют о распространении волнового движения, сами по себе частицы не связаны с этим движением и не перемещаются в его направлении);

−  амплитуда движения частиц жидкости экспоненциально уменьшается с глубиной.

−  существенно, что амплитуда волны а не зависит от ее длины λ, скорости распространения c, периода T, а зависит лишь от характера предшествовавшего взаимодействия ветра с морской поверхностью.

В волнах на глубокой воде нет поступательного движения жидкости. В подповерхностном слое жидкости ее частицы совершают круговое движение с радиусом орбиты a, равным амплитуде волны (рис.1). Высота волны H от вершины гребня до основания равна ее удвоенной амплитуде ( H  = 2а ).

Угловая скорость движения частиц ω измеряется в радианах в секунду. Изменение  формы  волновой  поверхности  таково,  что  наблюдается  поступательное движение, хотя сама вода не перемещается в направлении распространения волны (слева направо). Это кажущееся перемещение есть результат наблюдения фаз смещения последовательно расположенных частиц жидкости; как только одна частица в гребне опускается, другая занимает ее место,  обеспечивая  сохранение  формы  гребня  и  распространение  волнового движения вперед.

Рис.1.

Соотношение, устанавливающее зависимость между частотой и длиной для поверхностной волны на глубокой воде

   (1)

Период движения волны

     (2)

Скорость частицы жидкости в гребне волны

            (3)

Скорость перемещения поверхности волны в направлении  x определится как

      (4)

Скорость c называют фазовой скоростью распространения волн, создаваемых на поверхности жидкости. Эта величина не зависит от амплитуды волны и неявным образом связана со скоростью движения частиц жидкости в волне.

Полная кинетическая энергия на единицу ширины волнового фронта и единицу длины вдоль направления распространения волны равна

                 (5)

Нормированная потенциальная энергия волны равна в точности такой же величине

         (6)

Полная энергия на единицу площади поверхности волны равна сумме кинетической и потенциальной энергий.

      (7)

Выражение для энергии на единицу ширины волнового фронта и на единицу длины волны вдоль направления его распространения запишется в виде

      (8)

Подставим λ из (1)

   (9)

что с учетом (2)

   (10)

Выражение для мощности, переносимой в направлении распространения волны на единицу ширины волнового фронта, имеет вид

   (11)

С учетом (7) и (11) мощность P равна полной энергии (кинетическая + потенциальная) E в волне на единицу площади поверхности, умноженной на величину

где:

 – групповую скорость волн на глубокой воде, с которой волны переносят энергию. С учетом выражения для групповой скорости

   (12)

Различие между групповой и волновой(фазовой) скоростями является общим для любых волновых процессов, для которых фазовая скорость зависит от длины волны(дисперсия).

Подставляя в (11) фазовую скорость в виде (4), получаем соотношение

    (13)

Следовательно, мощность, переносимая волнами, увеличивается прямо пропорционально квадрату амплитуды и периоду. Именно поэтому для специалистов по океанской энергетике особенно привлекательны длиннопериодные волны, обладающие значительной амплитудой.

На практике волны оказываются совсем не такими идеализированно синусоидальными, как это подразумевалось выше. Обычно в море наблюдаются нерегулярные волны с переменными частотой, направлением и амплитудой. Поскольку результирующее волнение чаще всего нельзя представить суммой волн, действующих в одном направлении, то мощность, извлекаемая преобразователями  направленного  действия,  будет  значительно  ниже  той, которую переносят волны.

 

ВОЛНОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ ВОЛН.

Волновые установки "извлекают" энергию волн и преобразовывают ее в электроэнергию. Эти установки бывают разных типов: пьезокварцевые преобразователи, входные сужающиеся каналы и морские грейферные ковши. В частности, морские грейферные ковши используют движение волны, заставляя воздух проходить между лопастями, расположенными по периметру круглой плавучей установки. Воздух проходит сквозь воздушные турбины, которые вращают вал, соединённый с электрическим генератором.

Европа, в особенности Великобритания, проявляет большой интерес к развитию технологий, основанных на использовании энергии волн. Согласно недавно проведенным исследованиям, сейчас существуют установки, которые могут вырабатывать электроэнергию по цене ниже 0,10 доллара США за 1 кВт·ч, при которой производство электроэнергии становится экономически целесообразным.

Характеристика основных типов волновых энергетических установок

В основе работы различных волновых установок лежит использование или скорости жидкости, или изменений угла наклона волновой поверхности, или изменений гидростатического и полного гидродинамического давления волн.

Независимо от типа все волновые установки состоят из трех основных частей: рабочего тела, силового преобразователя, системы крепления. Функциональное назначение каждой из частей состоит в следующем. Рабочее тело находится в непосредственном контакте с водой, совершает под действием волн те или иные движения или изменяет тем или иным образом условия движения волны. В качестве рабочего тела выступают поплавки, водяные колеса или турбины, волноотбойные устройства, набережные стенки и другие сооружения. Рабочее тело преобразует энергию воды, в какой - либо другой вид энергии, более удобный для дальнейшего преобразования. Силовой преобразователь предназначен для преобразования энергии, запасенной рабочим телом (механической энергии движения рабочего тела, перепада уровней в бассейнах, давления воздуха или масла), в энергию, пригодную для передачи на расстояние или для непосредственного использования. В качестве силовых преобразователей выступают многочисленные гидравлические, как правило, поршневые насосы, зубчатые, цепные, тросовые передачи, гидравлические турбины и водяные колеса, воздушные турбины, другие известные или специально усовершенствованные устройства.

Система крепления удерживает на месте волновую установку. Если установка располагается на берегу, то в качестве системы крепления выступает сама конструкция установки. Волновые установки, размещаемые в акваториях, крепятся с помощью монолитных, столбчатых или рамных опор, цепей или тросов, прикрепляемых ко дну с помощью жестких конструкций или якорей. Гибкими связями установка может быть соединена и с транспортирующим ее судном. Имеются предложения, в соответствии с которыми плавучая волновая установка не имеет креплений и находится в дрейфе, а запасенная аккумулированная энергия снимается с установки через достаточно длительные промежутки времени.

Типы волновых энергетических установок.

Наиболее распространенными волновыми установками являются поплавковые. Рабочее тело таких установок – поплавок – находится на поверхности моря и совершает вертикальные колебания в соответствии с изменениями уровня воды при ветровом волнении. Вертикальные перемещения поплавка используются для попеременного сжатия газа или жидкости в какой-либо емкости, или они преобразуются во вращательное движение электрического генератора и т.п. Например, буй диаметром 16 м, разработанный в Норвегии, при амплитуде вертикальных перемещений 8 м способен при КПД 80% вырабатывать до 4 млн. кВт∙час в год [26]. Амплитуда колебаний поплавка может быть существенно (в 10-12 раз) увеличена за счет усовершенствования его конструкции. Для увеличения амплитуды (резонанса) вертикальный цилиндрический поплавок частично (в зависимости от параметров волны и поплавка) заполняется водой или к поплавку подвешивается груз соответствующей массы. Крупномасштабная модель резонансного поплавка (рис. 2), исследованная в Японии, имела диаметр 2,2 м, высоту 22 м, массу 13,5 т, пропеллерную турбину диаметром 0,8 м. Амплитуда колебаний поплавка достигала 8 м при волнах высотой от 0,5 до 1,5 м.

Рис. 2 Резонансный поплавок

Установка, получившая название “осциллирующий (колеблющийся) водяной столб”, представляет собой камеру, нижняя открытая часть которой погружена под наинизший уровень воды (впадины волны). При поднятии и опускании уровня в камере происходят циклическое сжатие и расширение воздуха, движение которого через систему клапанов приводит во вращение воздушную турбину, расположенную в отверстии на верху камеры. Характеристика эффективности осциллирующего водного столба представлена на рис. 3.

Рис. 3. КПД осциллирующего водного столба
H и λ - соответственно, высота и длина волны.

Наиболее известная установка этого типа, получившая название “буй Масуды” была предложена И. Масудой (Япония в 1961 г. Волновая энергетическая установка, состоящая из нескольких соединенных между собой “осциллирующих водных столбов” была выполнена в виде судна, получившего название “Каймей”, водоизмещением 500 т. Энергетическое оборудование установки составляет 3 воздушные турбины с рабочими колесами диаметром 1,4 м и генераторами переменного тока мощностью по 125 кВт. Во время испытаний максимальная мощность наблюдалась при равенстве длины волны и установки (судна).

Примером практической реализации этой технологии может служить многомиллионный проект Wave Hub финансируется на средства правительства Великобритании, европейских фондов и промышленных компаний. Разместится эта станция в море, у побережья Корнуолла, примерно в 16 километрах от города Хэйли (Hayle). Несмотря на статус «демонстрационной», станция будет поставлять в сеть до 20 мегаватт, что эквивалентно потребности нескольких тысяч домохозяйств, причём в дальнейшем мощность планируют нарастить.

План предусматривает необычную схему развития. Власти Юго-Запада Англии передадут в аренду компаниям «персональные» кусочки моря размером 1 х 2 километра. Там промышленники установят комплексы волновых генераторов различных схем, и все они при помощи кабелей будут соединены с берегом.

Wave Hub опирается на волновые генераторы PowerBuoy от американской компании Ocean Power Technologies (OPT), обладающей отделением в Британии. PowerBuoy работает за счёт вертикального перемещения крупного (в несколько метров) поплавка, скользящего вдоль колонны, заякоренной на дне. В районе расположения Wave Hub глубина моря составляет 50 метров. Близ Хэйли OPT должна развернуть парк таких генераторов мощностью по 150 киловатт каждый.

Wave Hub начало выработку энергии для потребителей в 2011 г. При этом номинально тестовый проект запланирован на пять лет, но предусматривает продление работы и, главное, расширение сети генераторов до общей мощности в 50 мегаватт. Британия намерена стать мировым лидером в использовании энергии моря.

Поплавки, находящиеся на поверхности моря, могут совершать не только вертикальные колебания, но и угловые перемещения в соответствии с профилем волны. Рабочее тело таких установок состоит из двух или многих поплавков, соединенных между собой шарнирами в виде поршневых насосов или гофрированных “мехов”. Установки используют изменение формы поверхности моря при ветровом волнении (путем изменения углового положения между поплавками) для привода в действие насосов или “мехов”. Наиболее известной установкой этого типа является “контурный (шарнирный) плот Кокерелля (рис. 4), предложенный в 1972 г. Характеристика эффективности плота представлена на рис. 5.

Рис. 4. Контурный (шарнирный) плот Кокерелля

Рис. 5. Эффективность двузвенного контура плота
при жесткой стабилизации заднего звена.

Модель также в 1/10 величины испытывалась в проливе Солент вблизи г. Саутгемптона. Контурный плот устанавливается перпендикулярно к фронту волны и отслеживает ее профиль. Детальные лабораторные испытания модели плота в масштабе 1/100 показали, что его эффективность составляет около 45 %. Это ниже, чем у «утки» Солтера ( которая будет рассмотрена ниже), но плот привлекает другим достоинством: близость конструкции к традиционным судостроительным). Изготовление таких плотов не потребует создания новых промышленных предприятий и позволит поднять занятость в судостроительной промышленности. 

Эффективность поплавковых установок возрастает, если применить эксцентрические поплавки, которые не только раскачиваются на волнах, но и воспринимают давление набегающей волны. Широко известной установкой этого типа является “утка” Солтера. Техническое название такого преобразователя – колеблющееся крыло. Форма преобразователя обеспечивает максимальное извлечение мощности (рис. 6.).

Рис. 6. «Утка Солтера»: а – схема преобразования энергии волны; б – вариант конструкции преобразователя; 1 – плавучая платформа; 2 – цилиндрическая опора с размещенными в ней приводами и электрогенераторами; 3 – асимметричный поплавок.

 Поплавок имеет форму цилиндрического асимметричного поплавка, сидящего на горизонтальной оси, с тыловой частью в форме кругового цилиндра. Ось располагается вдоль фронта волны. Под воздействием волн на выступ эксцентрика он совершает угловые колебания вокруг оси. Горизонтальная ось должна быть стабилизирована от линейных и вращательных перемещений. С этой целью Солтер предложил использовать фронтальную фазовую стабилизацию – делать ось достаточно длинной и размещать на ней несколько кулачков, с тем, чтобы гребни волн, подходящие в разных фазах, взаимно компенсировали усилия на ось. Эффективность данного устройства исследовалась многими авторами, которые подтвердили результаты, полученные С. Солтером (рис. 7). Было показано также, что система, состоящая из трех-четырех тел, способна поглотить почти всю энергию случайной волны в широком диапазоне частот. Даже ограничение системы двумя телами сохраняет способность отбора более 95% энергии случайной волны в широком спектре частот. При этом эффективность каждого из тел максимальна в своем диапазоне частот (рис.8.).

Рис. 7. КПД “утки” Солтера с одной степенью свободы

Рис. 8. Эффективность системы из двух “уток” Солтера.

Первоначально Солтером был создан макет достаточно узкополосного по частоте устройства. В волновом бассейне оно поглощало до 90 % падающей энергии. Первые испытания в условиях, близких к морским, были проведены в мае 1977 г. на оз. Лох-Несс. 50-метровая гирлянда из 20-метровых «уток» общей массой 16 т была спущена на воду и испытывалась в течение 4 месяцев при различных волновых условиях. В декабре того же года эта модель в 1/10 будущей величины океанского преобразователя была вновь спущена на воду и дала первый ток. В течение 3 мес. одного из самых суровых зимних периодов модель первой английской волновой электростанции работала с КПД около 50 %. Дальнейшие разработки Солтера направлены на то, чтобы обеспечить утке способность противостоять ударам максимальных волн и создать заякоренную гирлянду преобразователей в виде достаточно гибкой линии. Предполагается, что характерный размер реальной утки будет равен примерно 0,1? , что для 100-метровых атлантических волн соответствует 10 м. Нить из уток протяженностью несколько километров предполагается установить в районе с наиболее интенсивным волнением западнее Гебридских островов. Мощность всей станции будет примерно 100 МВт. Наиболее серьезными недостатками для «уток Солтера» оказались следующие:

- необходимость передачи медленного колебательного движения на привод генератора;

- необходимость снятия мощности с плавающего на значительной глубине устройства большой протяженности;

- вследствие высокой чувствительности системы к направлению волн необходимость отслеживать изменение их направления для получения высокого КПД преобразования;

- затруднения при сборке и монтаже из-за сложность формы поверхности «утки».

Хотя устройство работает достаточно эффективно, проект был практически закрыт в середине 80-х из-за того, что в отчете ЕС цена выработанной электроэнергии с помощью такой технологии была ошибочно оценена в 10 раз выше реальной. Сейчас допущенная ошибка обнаружена, и интерес к устройству Салтера снова возрастает.

Грейферный ковш (рис.9.) - другое устройство, которое, подобно "Утке", может генерировать энергию, "используя" колебания морской воды. Грейферный ковш - устройство с шестью воздушными подушками, установленными вокруг полого круглого столба. При ударе волн о конструкцию, воздух "выдавливается" между шестью подушками через полый столб, который оборудован самонастраивающимися турбинами. Даже при учете затрат на кабель, соединяющий устройство с берегом, подсчитано, что грейферный ковш может вырабатывать электроэнергию по цене около 0,06 доллара США за 1 кВт·ч.

Рис.9.

В июле 1998 года Центр морской науки и технологии Японии начал работу по проекту самой большой в мире морской силовой установки, полноразмерный прототип которой был протестирован в 2000 году. Это плавучее устройство получило название "Могучий Кит" (рис.10.). Установка длиной 50 м и шириной 30 м использует волны Тихого океана для привода трёх воздушных турбин (одна номинальной мощностью 50 кВт + 10 кВт и две по 30 кВт), установленных на бортовой платформе.

Рис.10.

После того, как прототип установки был отбуксирован к месту швартовки приблизительно в 1,5 км от выхода из залива Гокашо, он был поставлен на якорь (приблизительно на 40-метровой глубине) шестью тросами; четыре троса по направлению к морю и два - на подветренной стороне. По своей прочности тросы рассчитаны на тайфун, а сама установка может выдерживать 8-метровые волны. "Могучий Кит" преобразует энергию волны в электроэнергию, используя колеблющиеся водяные столбы для привода воздушных турбин. Волны, попадающие внутрь и вытекающие из воздушных камер, расположенных у входного отверстия, заставляют уровень воды в камерах повышаться и понижаться. Под воздействием воды воздух входит или выходит из камер сквозь сопла в верхней части. В результате высокоскоростные потоки воздуха вращают воздушные турбины, которые приводят в действие генераторы. "Могучим Китом" можно управлять дистанционно с берега. В демонстрационном проекте выработанная электроэнергия

главным образом используется для питания бортовых приборов; любой ее избыток аккумулируется на батареях. Предохранительный клапан защищает воздушные турбины от разрушения при штормовой погоде, перекрывая поток воздуха, если скорость вращения турбин превышает определённый уровень. "Могучий Кит" непосредственно может быть использован как метеостанция, как временное место швартовки для малых судов или как платформа для ловли рыбы.

Оригинальным проектом, использующим энергию глубинных волн, является проект  Европейского исследовательского центра морской энергии (European Marine Energy Centre). Автор — эдинбургская компания Aquamarine Power.

Волновой электрогенератор под названием «Устрица» (Oyster) — самый крупный агрегат такого рода в мире, он сравним в высоту с многоэтажным домом. В 2009 г. аппарат был водружён на морское дно и включён в потребительскую электросеть — он питает энергией несколько сот домов.

Oyster (рис.11 – 13), представляет собой оригинальную волновую электростанцию. Её размещают у береговой линии, в пределах сотни метров от кромки пляжа и на умеренных глубинах в считанные метры, или десятки метров. Огромные поплавки, закреплённые на дне на мощных рычагах, должны раскачиваться под действие пробегающих над ними волн.

Рис.11.

Рис.12.

Вся электрическая часть остаётся на берегу – так она дольше проработает, да и обслуживать и ремонтировать её будет несравненно проще. На дне останется только суперпоплавок и приводимый им в движение двухсторонний поршневой насос. Последний гонит морскую воду на берег, где она  крутит ротор гидроэлектрогенератора. Один экземпляр такой машины вырабатывает от 300 до 600 киловатт в зависимости от места установки и ряда других деталей. Несколько поплавков с насосами могут сообща работать на одну большую береговую гидротурбину, что сократит стоимость комплекса.

Рис.13. Схема «устричной» станции.

БЕСПЛОТИННЫЕ ГЭС НА ЭФФЕКТЕ ОСМОСА

Примером технологий, использующих иные, не традиционные для гидроэнергетики, приннципы работы, может служить технология бесплотнной ГЭС действующей на эффекте осмоса. Данная технология испольует энергию градиента солености, которая выделяется при смешении солёных морских вод с пресными речными или дождевыми водами. Энергия градиента солености может быть отнесена к физико-химическим запасам энергии морей и океанов и имеет высокую концентрацию, а по запасам сравнима с тепловой энергией морей и океанов.

Если пресную воду отделить от соленой полупроницаемой мембраной, то благодаря осмосу пресная вода будет проникать через мембрану, разбавляя раствор соленой воды и повышая её уровень. Диффузия пресной воды может быть прекращена дополнительным гидростатическим давлением, прекладываемым со стороны соленой воды. Это давление называется осмотическим. Разность осматического давления между пресной и соленой океанской водой составляет порядка p_ОСМ = 2,4 Мпа, что эквивалентно давлению столба воды высотой 240 м. Таким образом градиент солености движет поток воды через полупроницаемую мембрану, разделяющую растворы разной концентрации.

Известно, что средняя скорость испарения воды с поверхности всех морей и океанов планеты составляет G_О = 1,2 ∙ 10⁷ м³/с (с поверхности морей и океанов за год испаряется слой воды в среднем высотой 1,3 м), с поверхностей всех рек ещё  G_Р = 1,1 ∙ 10⁶ м³/с. С учётом последующего выпадения этой воды обратно в океан, мощность этого источника энергии составляет P = Gp_ОСМ = 30 ТВт. При смешении 1 м³ речной воды с морской, имеющей солёность 35%, может быть получена мощность 2 МВт, которая в естесственных условиях рассеивается.

Одна из возможных схем бесплотинной осмотической ГЭС представлена на рис.14.

Рис.14.

В турбину 1 подаётся морская вода по трубе 6.Турбина 1 создаёт давление меньше половины осмотического давления, создаваемого растворёнными в морской воде солями. Под этим давлением морская вода по трубе 7 подаётся во внутреннюю полость  полупроницаемых мембран 5, расположенных в реакторе 4. Также в реактор по трубе 8 подаётся речная вода, которая омывает мембраны снаружи. В речной воде растворённых солей содержится в десятки раз меньше чем в морской. Расход морской воды через мембраны можно подобрать, так, что бы её объём увеличится в два раза за счёт всасывания речной воды. Разбавленная морская вода под давлением создаваемым турбиной 1 по трубе 9 подаётся на турбину 2. Так как количество подаваемой на неё воды в два раза больше, чем перекачивает турбина 1,то мощность турбины 2 будет приблизительно в два раза больше, чем турбины 1. На работу турбины 1 затрачивается энергия, а турбина 2, являющаяся приводом генератора 3, энергию вырабатывает. Все три агрегата соединены между собой и генератор вырабатывает электроэнергию, за счет разности этих энергий. Отработанная морская вода после турбины 2 сбрасывается в море по трубе 10, а из реактора 4 по трубе 11 в море  сбрасывается часть речной воды не прошедшая через мембраны, (только в этом случае осмотическое давление растворённых в речной воде солей будет оставаться достаточно низким).

Осмотические ГЭС можно устанавливать на реках в местах их впадения в море. При использовании этих установок для выработки электроэнергии не нужно строить огромных и высоких плотин, а также затапливать большие площади земли. Выработка электроэнергии на этих установках может составить до 10 трлн. КВт ∙ час в год.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 28 Какие различия между физическими явлениями, лежащими в основе диализа и ультрафильтрации.

Первая опытная осмотическая электростанция заработала в Норвегии 24 ноября 2009 г. Она используется для тестирования и улучшения технологии. Коммерческая версия осмотической ГЭС будет построена через несколько лет. Установка создана норвежской государственной компанией Statkraft в городке Тофте (Tofte) близ Осло.

Нынешняя опытная электростанция расположена у устья реки, впадающей в Северное море. Морскую и речную воду направляют в камеру, разделённую мембраной. В отсеке с солёной водой осмос создаёт давление, эквивалентное воздействию водяного столба высотой 120 метров. Поток идёт на турбину, вращающую генератор. Если вычесть ту энергию, которая идёт на подпитывающие насосы, то на момент пуск норвежская осмотическая ГЭС вырабатывала всего от 2 до 4 кВт энергии. Планируется повысить выход до 10 кВт, а через несколько лет создать ещё одну тестовую версию, вырабатывающую до 1 МВт энергии. По ходу эксплуатации установки предстоит решить ряд проблем. Например, нужно будет найти способ борьбы с загрязняющими фильтры бактериями. Несмотря на предварительную очистку воды, вредоносные микроорганизмы могут заселить все участки системы.

По оценкам Statkraft, общемировой годовой потенциал осмотической энергии составляет 1600-1700 ТВт∙час. Это – 10% всего мирового потребления энергии (и 50% энергопотребления Европы). Многие крупные города стоят близ устья рек, а встроить такую машину можно даже в подвал офисного здания. Несмотря на то, что в течение года уровень воды в потоке обычно меняется, осмотическая установка может стать достойной альтернативой куда более переменчивым ветровой и солнечной энергиям.

 

Кронпринцесса Метте-Марит на пресс-конференции, посвящённой открытию электростанции.