10.5. Энергия морских течений

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

Важнейшее и самое известное морское течение – Гольфстрим. Его основная часть проходит через Флоридский пролив между полуостро-вом 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 Вт)

где m – масса воды, кг, – плотность воды, кг/м³, А – сечение, м², v – скорость, м/с.

Подставив цифры, получим ^{P 50000 МВт.} Если бы мы смогли полностью использовать эту энергию, она была бы эквивалентна суммарной энергии от 50 крупных электростанций по 1000 МВт.

В настоящее время в ряде стран, в первую очередь в Англии, ведутся интенсивные работы по использованию энергии морских волн. Британские острова имеют очень длинную береговую линию, во многих местах море остается бурным в течение длительного времени.

По аналогии с ВЭУ существующие преобразователи энергии течений можно условно разделить на две группы. К первой целесообразно отнести те из них, в основу которых положен принцип преобразования скоростного напора во вращательное движение турбин. Ко второй, менее многочисленной, группе относят преобразователи, основанные на других физических принципах (объемные насосы, упругие преобразователи и др.).

Родоначальником устройств первой группы по праву считают водяное колесо (рисунок 10.5, а). Ленточное колесо (рисунок 10.5, б) оказывается более компактным, требует меньше материалов, менее подвержено воздействию атмосферы. Подобное устройство может быть установлено в потоке на понтонах с таким расчетом, чтобы нижние лопасти входили в воду, а верхние оставались «сухими». Эффективность преобразования скоростного напора повышается за счет того, что сразу несколько лопастей оказываются под воздействием потока. Однако, простое увеличение числа лопастей лен-точного колеса не приведет к существенному увеличению момента на валах.

Рисунок 10.5 -. Эволюция водяного колеса:

а – колесо-прототип; б – ленточное колесо на плавучем основании; в – ленточное колесо в толще потока;г – ленточное колесо со складными лопастями

На базе ленточного колеса созданы устройства, полностью по-гружаемые в толщу потоков (рисунок 10.5, в, г). Для таких устройств пред-лагается несколько способов уменьшения сопротивления движению ленты во время холостого хода. Это и сооружение воздушной камеры над колесом и применение различных вариантов механизмов складывания лопастей.

10.6 Преобразователи энергии волн

10.6.1 Преобразователи, отслеживающие профиль волны

Разрмотрим преобразователя типа «колеблющееся крыло», предложенного профессором Эдинбургского университета Стефана Солтера и названного в честь создателя «утка Солтера». Форма преобразователя обеспечивает максимальное извлечение мощности (рисунок 10.6).

Рисунок 10.6 -. «Утка Солтера»: схема преобразования энергии волны

Волны, поступающие слева, заставляют утку колебаться. Цилинд-рическая форма противоположной поверхности обеспечивает отсутст-вие распространения волны направо при колебаниях утки вокруг оси. Мощность может быть снята с оси колебательной системы с таким рас-четом, чтобы обеспечить минимум отражения энергии. Отражая и про-пуская лишь незначительную часть энергии волн (примерно 5 ), это устройство обладает весьма высокой эффективностью преобразования в широком диапазоне частот возбуждающих колебаний (рисунок.10.7).

Рисунок 10.7 - Эффективность «утки Солтера» (диаметр 15 м, ось зафиксирована)

Испытания, проведенные в 1977 году, показали, что рабочая модель океанского преобразователя (50-метровая гирлянда из 20-метровых «уток» общей массой 16 т) для первой английской волновой электростанции работала с КПД около 50 .

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 сложности формы по-верхности «утки».

Другой вариант волнового преобразователя с качающимся эле-ментом – контурный плот Коккерелла. Его модель также в 1/10 величи-ны испытывалась в том же году, что и «утка Солтера», в проливе Со-лент, вблизи г. Саутгемптона. Контурный плот – многозвенная система из шарнирно-соединенных секций (рисунок 10.8). Как и «утка», он устанавливается перпендикулярно к фронту волны и отслеживает ее профиль.

Рисунок 10.8 - Вариант выполнения контурного плота Коккерелла: 1 – колеблющаяся секция; 2 – преобразователь; 3 – тяга; 4 – шарнир

Детальные лабораторные испытания модели плота в масштабе 1/100 показали, что его эффективность составляет около 45 . Это ниже, чем у «утки» Солтера. Но плот привлекает другим достоинством: близость конструкции к традиционным судостроительным).