Енергія морів та океанів

Світовий океан - величезний природний колектор сонячного випромінювання. Різниця температур між його теплими поверхневими водами, які поглинають сонячне випромінювання, та більш холодними придонними, становить до 20-25 °С. Це забезпечує запас теплової енергії, що безперервно поповнюється і теоретично може бути перетворена в інші види. Термін перетворення теплової енергії океану - ОТЕС (ocean Thermal energy conversion) - означає перетворення деякої частини цієї теплової енергії в роботу і далі - в електричну енергію. На рис. 6.10 зображена схема такого перетворювального пристрою. Це теплова машина, що приводиться в дію різницею температур між холодною водою, піднятою з глибини, і гарячою водою Jf, зібраною з поверхні. Робоча рідина (робоче тіло), циркулюючи замкненою схемою, відбирає тепло від гарячої води в теплообміннику 2, в паровій фазі приводить у дію турбіну З, пов'язану з генератором 4, а потім конденсується в конденсаторі 5, який охолоджується холодною водою 6*. На цьому цикл завершується.

Рис. 6.10. Перетворення теплової енергії океану: 1 - гаряча вода; 2 - теплообмінник; 3 - турбіна; 4 - генератор; 5 - конденсатор; 6 - холодна вода

Найбільш поширеним способом використання енергії морів та океанів є спорудження припливних електростанцій (ПЕС

Припливні електростанції мають великий водозбірний басейн чи резервуар, з'єднаний з морем руслом річки чи спеціальним каналом, в якому встановлюють реверсивні турбіни, що примушують обертатися електрогенератор. Така електростанція перетворює енергію припливів послідовно на механічну, а потім на електричну як під час припливу, так і під час відпливу.

До недоліків ПЕС слід віднести труднощі, пов'язані із захистом дамб та устаткування від ударів льодяних торсів, особливо у північних районах. Поблизу дамб морська флора й фауна дуже потерпає внаслідок, хоча й незначного, підвищення температури та зменшення вмісту кисню у воді. Крім того, дамби перешкоджають міграції риб.

Основною позитивною рисою енергії припливів є те, що вона легко обліковується завдяки постійності її фаз. Однак велика тривалість останніх і малий потенціал енергії припливів зумовлюють необхідність створення ємних акумуляторів цієї енергії. Використання енергії припливів у мало потужних установках взагалі неекономічне.

За оцінками спеціалістів, енергія морських і океанських хвиль становить приблизно 30% всієї використовуваної у світі енергії.

До 1979 р. серед усіх проектів використання енергії хвиль, що розглядалися, було виділено чотири:

"пірнало" Солтера;

пліт Кокерела;

випрямлювач Расела;

коливальна водяна колонка (резервуар).

"Пірнало" Солтера нагадує поплавок, який, піднімаючись і опускаючись одночасно з хвилями, приводить в дію насос, що подає воду під тиском в турбогенератор.

Пліт Кокерела складається з трьох шарнірне з'єднаних понтонів, які перебувають на плаву і відтворюють колихання хвиль, їхнє підняття й опускання приводить в дію гідравлічні тарани, які з'єднують понтони. Стискання і розтягування таранів передається робочій рідині, яка діє на гідравлічний генератор, що виробляє електричний струм.

Випрямлювач Расела регулює рух води таким чином, що вона надходить у турбіну тільки в одному напрямку.

Коливальна водяна колонка (резервуар) відрізняється від попередніх проектів. Вона перетворює енергію хвиль на потенціальну енергію стиснутого повітря, яке потім віддає енергію повітряній турбіні. За цим принципом сьогодні працюють плавучі установки, які використовуються для буїв різного призначення. Схему такої установки показано на рис. 13.

В її камері 1, яка має дискову опору 2, міститься турбіна 3. з'єднана з електрогенератором 4. Коли проходить хвиля камера намагається піднятися разом із нею. Опора перешкоджає цьому й таким чином забезпечує інтенсивне проникнення води всередину камери. Стовп води витісняє повітря із середини камери крізь сопловий апарат на лопаті турбіни. Після проходження хвилі вода виходить з камери, а її місце знову займає повітря. Потім цикл повторюється.

Досить оригінальний і простий пристрій запропоновано в Японії для використання змін гідростатичного тиску в товщі води при її хвилюванні. У морі, де ці зміни найбільш помітні, розміщують установку (рис. 14.), яка складається з трьох камер 1, 3 і 5, з'єднаних між собою через клапани 2, 6 і робочий канал 4. У верхній частині камер 3 і 5 міститься газ, решту простору заповнено струмопровідною рідиною. Якщо канал 4 з'єднати, наприклад, з магнітогідродинамічним генератором, то при змін! тиску навколишнього середовища в каналі почне переміщуватися магнітопровідна рідина, що призведе до появи різниці потенціалів на електродах. Така установка може бути дуже зручною для вимірювання тиску та отримання енергії невеликої потужності.

На рис. 15 показана схема побудованої в Японії прибійної електростанції потужністю 50кВт. Принцип її роботи приваблює своєю простотою і майже повною відсутністю рухомих частин. Хвиля, яка падає під козирок 1, стискає повітря й жене його крізь сопловий канал 2 до турбіни 3. яка приводить в дію електрогенератор 4.

В Японії створено подібну прибійну електростанцію потужністю 50 кВт. Собівартість виробленої нею електроенергії становить 20-30 ен/кВт·год, що відповідає собівартості електроенергії, яка виробляється дизель-електричними станціями.

Основними причинами, які стримують розвиток хвилевих енергоустановок, є розосередження енергії на великій поверхні, непостійне хвилевідтворення, низька швидкість руху хвиль при значних силах їхньої дії.

Основними шляхами розвитку хвилевих енергоустановок є підвищення концентрації енергії хвиль і енергоємності акумуляторів, їхньої надійності та ефективності перетворювання енергії.

Усім цим умовам відповідає багатоступінчастий хвилевий насос, схему якого наведено на рис. 16. Одна його ступінь вміщує гофрований патрубок 1, вихідний клапан 2, демпфугачий резервуар 3, вихідний клапан 4 і тонкий гнучкий лист 5, який вертикально входи у воду. За допомогою хвилевого насоса здійснюється перетворення кінетичної та потенціальної енергії на направлений рух рідини. Подальше перетворення кінетичної енергії рідини, що рухається, на електроенергію відбувається за допомогою гідравлічних турбін, які обертають електрогенератор.

Воднева енергетика - розвиваючись галузь енергетики, напрямок вироблення і споживання енергії людством, засноване на використанні водню в якості засобу для акумулювання, транспортування та споживання енергії людьми, транспортною інфраструктурою і різними виробничими напрямками. Водень обраний як найбільш поширений елемент на поверхні землі і в космосі, теплота згоряння водню найбільш висока, а продуктом згорання в кисні є вода (яка знову вводиться в оборот водневої енергетики).

Водень, найпростіший і легший зі всіх хімічних елементів, можна вважати ідеальним паливом. Він є усюди, де є вода. При спалюванні водню утворюється вода, яку можна знову розкласти на водень і кисень, причому цей процес не викликає ніякого забруднення навколишнього середовища. Водневе полум'я не виділяє в атмосферу продуктів, якими неминуче супроводжується горіння будь-яких інших видів палива: вуглекислого газу, окислу вуглецю, сірчистого газу, вуглеводнів, золи, органічних перекисів н т.п. Водень володіє дуже високою теплотворною здатністю: при спалюванні 1 г водню виходить 120 Дж тепловій енергії, а при спалюванні 1 г бензину - тільки 47 Дж.

Водень можна транспортувати і розподіляти по трубопроводах, як природний газ. Трубопровідний транспорт палива - найдешевший спосіб дальньої передачі енергії. До того ж трубопроводи прокладаються під землею, що не порушує ландшафту. Газопроводи займають менше земельної площі, ніж повітряні електричні лінії.

Однак, воднева енергетика поки не одержала широкого застосування. Методи отримання водню, способи його зберігання та транспортування, які розглядаються як перспективні для водневої енергетики, перебувають на стадії дослідних розробок і лабораторних досліджень.

Сьогодні дослідники інтенсивно працюють над здешевленням технологічних процесів великотоннажного виробництва водню за рахунок ефективнішого розкладання води, використовуючи високотемпературний електроліз водяної пари, застосовуючи каталізатори, напівпроникні мембрани і т.п.

Велику увагу надають термолітичному методу, який (у перспективі) полягає в розкладанні води на водень і кисень при температурі 2500 °С. Але таку температурну межу інженери ще не освоїли у великих технологічних агрегатах, у тому числі і працюючих на атомній енергії (у високотемпературних реакторах поки розраховують лише на температуру біля 1000°С). Тому дослідники прагнуть розробити процеси, що протікають в декілька стадій, що дозволило б виробляти водень в температурних інтервалах нижче 1000°С.

Сьогодні ми не в змозі точно передбачити, скільки коштуватиме водню. Але якщо врахувати, що ціни всіх сучасних видів енергії проявляють тенденцію до зростання, можна припустити, що в довгостроковій перспективі енергія у формі водню обходитиметься дешевше, ніж у формі природного газу, а можливо, і у формі електричного струму.

Водневі автомобілі Паливом для двигуна є суміш водню і кисню, які подаються в електрохімічний генератор з різних балонів. Відбувається реакція, в результаті якої утворюється електрику. Побічними продуктами реакції, як вже було сказано вище, є тепло і вода. На одній «заправці» автомобіль може пройти близько 250 кілометрів.

Дана технологія ще знаходиться в стадії розробки. Перспективна вона, чи ні, поки ще рано вирішувати. Багато що залежить від технічного виконання, але вже сьогодні ясно, що ККД такого двигуна в кілька разів більше, ніж двигуна внутрішнього згоряння, при зменшеному споживанні палива. Вже сьогодні випускаються автомобілі, що можуть працювати і на бензині, і на водні, але це поки поодинокі моделі, так як потокове виробництво таких машин ще нерентабельно.