Общая энергетика

в 2–3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости.

2. Установки с пневматическим преобразователем. Для этих установок была разработана турбина Уэллса, ротор которой обладает выпрямляющим действием, сохраняя неизменным направление своего вращения при смене направления воздушного потока, следовательно, поддерживается неизменным и направление вращения генератора. Турбина нашла широкое применение в различных волноэнергетических установках, таких как «Каймей» (Япония), «Моллюск» (Великобритания) и др.

5.4.3. Приливные электростанции

Веками люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление – ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Поскольку Солнце находится от Земли в 400 раз дальше, гораздо меньшая масса Луны действует на земные воды вдвое сильнее, чем масса Солнца. Поэтому решающую роль играет прилив, вызванный Луной (лунный прилив). В морских просторах приливы чередуются с отливами теоретически через 6 ч 12 мин 30 с. Если Луна, Солнце и Земля находятся на одной прямой, Солнце своим притяжением усиливает воздействие Луны, и тогда наступает сильный прилив. Когда же Солнце стоит под прямым углом к отрезку Земля–Луна (квадратура), наступает слабый прилив (квадратурный, или малая вода). Сильный и слабый приливы чередуются через семь дней.

Однако истинный ход прилива и отлива весьма сложен. На него влияют особенности движения небесных тел, характер береговой линии, глубина воды, морские течения и ветер.

Самые высокие и сильные приливные волны возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. Приливная волна Индийского океана катится против

241

течения Ганга на расстояние 250 км от его устья. Приливная волна Атлантического океана распространяется на 900 км вверх по Амазонке. В закрытых морях, например Черном или Средиземном, возникают малые приливные волны высотой

50–70 см.

Максимально возможная мощность в одном цикле при- лив–отлив, т.е. от одного прилива до другого, определяется по формуле

W pgSR2,

где р – плотность воды;

g – ускорение силы тяжести;

S – площадь приливного бассейна;

R – разность уровней при приливе.

Как видно из формулы, для использования приливной энергии наиболее подходящими можно считать такие места на морском побережье, где приливы имеют большую амплитуду, а контур и рельеф берега позволяют устроить большие замкнутые «бассейны». Мощность электростанций в некоторых местах могла бы составить 2–20 МВт.

Приливные электростанции (ПЭС) работают по следу-

ющему принципу: в устье реки или заливе строится плотина, в корпусе которой установлены гидроагрегаты. За плотиной создается приливный бассейн, который наполняется приливным течением, проходящим через турбины. При отливе поток воды устремляется из бассейна в море, вращая турбины в обратном направлении. Считается экономически целесообразным строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность ПЭС зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.

В некоторых проектах предусмотрены схемы ПЭС с 2 и более бассейнами с целью выравнивания выработки электроэнергии.

242

Ссозданием особых, капсульных турбин, действующих

вобоих направлениях, открылись новые возможности повы-

шения эффективности ПЭС при условии их включения в единую энергетическую систему региона или страны.

При совпадении времени прилива или отлива с периодом наибольшего потребления энергии ПЭС работает в турбинном режиме, а при совпадении времени прилива или отлива с наименьшим потреблением энергии турбины ПЭС либо отключают, либо они работают в насосном режиме, наполняя бассейн выше уровня прилива или откачивая воду из бассейна.

Первая морская приливная электростанция мощностью 635 кВт была построена в 1913 году в бухте Ди около Ливерпуля. В 1935 году приливную электростанцию начали строить в США. Американцы перегородили часть залива Пассамакводи на восточном побережье, истратили 7 млн долл., но работы пришлось прекратить из-за неудобного для строительства, слишком глубокого и мягкого морского дна, а также из-за того, что построенная неподалеку крупная тепловая электростанция стала давать более дешевую энергию.

Аргентинские специалисты предлагали использовать очень высокую приливную волну в Магеллановом проливе, но правительство не утвердило дорогостоящий проект.

В1966 году во Франции на реке Ране построена первая

вмире ПЭС, 24 гидроагрегата которой вырабатывают в среднем за год 502 млн кВт∙ч электроэнергии. Для этой станции разработан приливный капсульный агрегат, позволяющий осуществлять три прямых и три обратных режима работы: как генератор, как насос и как водопропускное отверстие, что обеспечивает эффективную эксплуатацию ПЭС. По оценкам специалистов, строительство этой ПЭС экономически оправдано. Годовые издержки эксплуатации ниже, чем на гидроэлектростанциях, и составляют 4 % капитальных вложений.

В1968 году на побережье Баренцева моря в Кислой губе сооружена первая в нашей стране опытно-промышленная

243

ПЭС. В здании электростанции размещено 2 гидроагрегата мощностью 400 кВт.

Десятилетний опыт эксплуатации первой ПЭС позволил приступить к составлению проектов Мезенской ПЭС на Белом море, Пенжинской и Тугурской на Охотском море.

5.4.4. Электростанции 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 (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 W, которую несет такой поток воды со скоростью 0,9 м/с, можно выразить формулой

W 12 mv2 12 pAv3t,

где т – масса воды, кг; р – плотность воды, кг/м3; А – сечение, м2;

V – скорость, м/с; t – время работы.

Подставив цифры и разделив энергию на время, получим мощность

P 12 103кг/м3 28 106 м2 1,53м/с 3 50 000 МВт.

Если бы мы смогли полностью использовать эту энергию, она была бы эквивалентна суммарной энергии более 50 крупных электростанций мощностью по 1000 МВт, но эта

244

цифра чисто теоретическая, а практически можно рассчитывать на использование лишь около 10 % энергии течения.

Внастоящее время в ряде стран, и в первую очередь

вАнглии, ведутся интенсивные работы по использованию энергии морских волн. Британские острова имеют очень длинную береговую линию, и во многих местах море остается бурным в течение длительного времени. По оценкам ученых, за счет энергии морских волн в английских территори-

альных 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

вкоробе 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, т.е. так, чтобы за счет инерции сохранялась постоянной скорость вращения турбинных валов

вшироком диапазоне условий на поверхности моря.

ВСША с 1973 года разрабатывается другой проект – программа «Кориолис», которая предусматривает установку во Флоридском проливе в 30 км восточнее города Майами 242 турбин с двумя рабочими колесами диаметром 168 м, вращающимися в противоположных направлениях. Пара рабочих колес размещается внутри полой камеры из алюминия, обеспечивающей плавучесть турбины. Для повышения эффективности лопасти колес предполагается сделать достаточно гибкими. Вся система «Кориолис» общей длиной 60 км будет ориентирована по основному потоку; ширина ее при расположении турбин в 22 ряда по 11 турбин в каждом составит 30 км, а общая мощность 20 000 МВт. Агрегаты пред-

245

полагается отбуксировать к месту установки и заглубить на 30 м, чтобы не препятствовать судоходству.

Полезная мощность каждой турбины с учетом затрат на эксплуатацию и потерь при передаче на берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флориды (США) на 10 %.

Первый опытный образец подобной турбины диаметром 1,5 м был испытан во Флоридском проливе. Разработан также проект турбины с рабочим колесом диаметром 12 м и мощностью 400 кВт.

Для океанской энергетики представляют интерес течения в таких проливах, как Гибралтарский, Ла-Манш, Курильские. Однако создание океанских электростанций на энергии течений связано пока с рядом технических трудностей и, прежде всего, с созданием энергетических установок больших размеров, представляющих угрозу судоходству.

5.5. Энергия Солнца и солнечные электростанции

Почти все источники энергии, о которых мы до сих пор говорили, так или иначе используют энергию Солнца: уголь, нефть, природный газ суть не что иное, как «законсервированная» солнечная энергия. Она заключена в этом топливе с незапамятных времен; под действием солнечного тепла и света на Земле росли растения, накапливали в себе энергию, а потом в результате длительных процессов превратились в употребляемое сегодня топливо. Солнце каждый год дает человечеству миллиарды тонн зерна и древесины. Энергия рек и горных водопадов также происходит от Солнца, которое поддерживает кругооборот воды на Земле.

Во всех приведенных примерах солнечная энергия используется косвенно, через многие промежуточные превращения. Заманчиво было бы исключить эти превращения

инайти способ непосредственно преобразовывать тепловое

исветовое излучение Солнца, падающее на Землю, в механи-

246

ческую или электрическую энергию. Заметим, что солнечное излучение – экологически чистый и возобновляемый источник энергии. Всего за три дня Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько ее содержится во всех разведанных запасах ископаемых топлив. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть ее достигает земной поверхности. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции. Запасы солнечной энергии огромны, годовое количество поступающей на Землю энергии эквивалентно сжиганию 2∙1012 т условного топлива в год. Последняя цифра в 60 раз превышает прогнозируемое на 2020 год производство всех видов энергоресурсов на земном шаре.

Чтобы в полной мере использовать лучистую энергию Солнца, ее нужно превратить в какой-либо иной вид.

В конце XIX века на Всемирной выставке в Париже изобретатель О. Мушо демонстрировал инсолятор – в сущности, первое устройство, превращавшее солнечную энергию в механическую. Большое вогнутое зеркало фокусировало солнечные лучи на паровом котле, который приводил в движение печатную машину, делавшую по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет в Калифорнии построили действующий по такому же принципу конический рефлектор в паре с паровой машиной мощностью 15 л. с. В значительно более широких масштабах солнечную энергию позднее стали использовать после ее концентрации при помощи зеркал для плавления веществ, дистилляции воды, нагрева, отопления и т.д.

Поскольку энергия солнечного излучения распределена по большой площади (иными словами, имеет низкую плотность), любая установка для прямого использования солнечной энергии для получения теплоты должна иметь собирающее устройство (коллектор) с достаточной поверхностью.

247

Простейшее устройство такого рода – плоский коллектор; в принципе это черная плита, хорошо изолированная снизу. Она прикрыта стеклом или пластмассой, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. В пространстве между плитой и стеклом чаще всего размещают черные трубки, через которые текут вода, масло, ртуть, воздух, сернистый ангидрид и т.п. Солнечное излучение, проникая через стекло или пластмассу в коллектор, поглощается черными трубками и плитой и нагревает рабочее вещество в трубках. Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем на 200–500 °С выше, чем температура окружающего воздуха. В этом проявляется так называемый парниковый эффект. Обычные садовые парники, по сути дела, представляют собой простые коллекторы солнечного излучения. Но чем дальше от тропиков, тем менее эффективен горизонтальный коллектор, а поворачивать его вслед за Солнцем слишком трудно и дорого. Поэтому такие коллекторы, как правило, устанавливают под определенным оптимальным углом к югу.

Солнце может также служить источником получения не только тепловой, но и электрической энергии. Различают ряд принципов преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, т.е. создания солнечной электростанции (СЭС), а в условиях космоса – солнечных космических электростанций (СКЭС). Их можно условно разделить на машинные и безмашинные. Последние часто называют методами прямого преобразования энергии, поскольку в них отсутствует стадия преобразования тепловой энергии в механическую работу.

Среди машинных преобразователей наиболее известны паро- и газотурбинные установки, работающие на всех наземных тепловых и атомных электростанциях. Пригодны они и для работы в космосе, но в этом случае необходим специ-

248

альный теплообменник-излучатель, выполняющий роль конденсатора пара. При этом если в наземной паротурбинной установке теплота конденсации отводится циркулирующей водой, то в условиях космоса отвод тепла отработавшего

втурбине пара или газа (если это газовая турбина) возможен только излучением. Поэтому энергоустановка должна быть замкнутой. Принципиальная схема замкнутой газотурбинной установки СКЭС показана на рис. 5.3, а. Здесь солнечная радиация, собранная концентратором 1 на поверхности солнечного котла 2, нагревает рабочее тело – инертный газ – и под давлением, создаваемым компрессором 3, подает горячий газ на лопатки газовой турбины 4, приводящей в действие электрогенератор переменного тока 5. Отработавший в турбине газ поступает сначала в регенератор 6, где подогревает рабочий газ после компрессора, облегчая тем самым работу основного нагревателя – солнечного котла, а затем охлаждается

вхолодильнике-излучателе 7. Наземные испытания трех-

киловаттной газотурбинной установки были проведены в 1977 году в Физико-техническом институте АН Узбекистана. КПД этой установки составил 11 %.

а

249

б

Рис. 5.3. Принципиальные схемы газотурбинной (а) и паротурбинной (б) солнечных электростанций

Возможно создание энергоустановки с паротурбинным преобразователем (рис. 5.3, б). Здесь собранная концентратором 1 солнечная энергия нагревает в солнечном котле 2 рабочую жидкость, переходящую в насыщенный, а затем и в перегретый пар, который расширяется в турбине 4, соединяющей с электрогенератором 5. После конденсации в холодильнике-излучателе 7 отработавшего в турбине пара его конденсат, сжимаемый насосом 8, вновь поступает в котел. Поскольку подвод и отвод тепла в этой установке осуществляются изотермически, средние температуры подвода и отвода оказываются выше, чем в газотурбинной установке (при одинаковых температурах подвода тепла), а удельные площади излучателя и концентратора могут оказаться меньше, чем в газотурбинной установке.

На острове Сицилия еще в начале 1980-х годов дала ток СЭС мощностью 1 МВт. Принцип ее работы башенный: зеркала фокусируют солнечные лучи на приемнике-теплогенера- торе, расположенном на 50-метровой высоте. Там вырабатывается пар с температурой более 600 °С, который приводит в действие традиционную паровую турбину с подключенным к ней генератором тока. Неоспоримо доказано, что на таком принципе могут работать электростанции мощностью до

250