2850.Возобновляемые источники энергии

Рис. 3.2. Геотермальная станция

3.2. ГеоТЭС с конденсационной турбиной

ГеоТЭС с конденсационной турбиной и прямым использованием природного пара работает по следующей схеме: конденсат отработанного пара направляется для охлаждения в градирню и далее используется для охлаждения нового отработанного пара (рис. 3.3). Например, Лардерелло-3 (Италия): 4 генератора по 26 МВт; 2 – по 9 МВт (покрытие собственных нагрузок). Пар из скважины подается в турбину. Отработанный в турбине, он попадает в смешивающий конденсатор. Смесь охлаждающей воды и конденсатора уже отработанного в турбине пара выпускается из конденсатора в подземный бак, откуда забирается циркуляционными насосами и направляется для охлаждения в градирню. Из градирни охлаждающая вода опять попадает в конденсатор.

Рис. 3.3. ГеоТЭС с конденсационной турбиной

51

3.3. ГеоТЭС с бинарным циклом

Такие станции выгодны там, где природный пар имеет высокую температуру и большое содержание газов. Природный пар в паропреобразователе отдает тепло чистому вторичному теплоносителю, идущему натурбину. Природный пар поступаетв дегазатор (рис. 3.4).

Рис. 3.4. ГеоТЭС с бинарным циклом

Строительство незначительно дороже ГеоТЭС с конденсационной турбиной и прямым использованием пара. Например, Лан- дарелло-2 (Италия): 7 турбин по 11 МВт.

По похожему принципу строятся ГеоТЭС на отсепарированном паре, если в паре большое содержание воды. Примеры: Паужетское месторождение (Россия), Хверагерди (Исландия).

Преимущество схемы в том, что чистый пар облегчает работу турбин.

Новое направление – циркуляционные геотермальные системы с закачкой холодной воды в термоводоносный проницаемый горизонт с дальнейшим извлечением разогретой воды. Может применяться на малой глубине (~100–200 м) (рис. 3.5).

Основное приложение – использование относительно низкотемпературных вод для отопления. Затраты на сооружение в два раза больше, чем на котельную, на эксплуатацию – на 60 % меньше, топливо нетребуется, следовательно, такая системаокупаетсяза4–8 лет.

52

Рис. 3.5. Циркуляционная геотермальная система

США лидируют в использовании низкотемпературных вод для отопления (3,8 ГВт). В России предполагают начать использование в Дагестане и Чечне.

На ближайшую перспективу обсуждаются в основном проекты ГеоТЭС ограниченной мощности. Разработка разведанного источника геотермального тепла в виде сухих скальных пород производится в несколько этапов. Сначала бурят скважины глубиной 5–7 км, через которые вобласть горячих скальных породнагнетают воду (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Схема извлечения тепла из сухих горных пород на начальном этапе

В местах контакта воды с горячими породами образуется пар, который заполняет все трещины в скальном грунте, образуя водо-

53

носные слои, пригодные для использования в ГеоТЭС или котельной. Далее бурятся заборные скважины, через которые пар с глубины в несколько километров (рис. 3.7) поступает в бакаккумулятор ГеоТЭС или бойлер котельной (рис. 3.8).

Рис. 3.7. Схема извлечения тепла из сухих горных пород на заключительном этапе

Рис. 3.8. Схема геотермальной котельной

3.4. Использование геотермальной энергии для теплоснабжения зданий

Для отопления и горячего водоснабжения жилых и производственных зданий необходима температура воды не ниже 50–60 °С.

54

Наиболее рациональное использование термальных вод может быть достигнуто при последовательной их эксплуатации: первоначально в отоплении, а затем в горячем водоснабжении. Но это представляет некоторые трудности, поскольку потребность в горячей воде в течение года относительно постоянна, тогда как отопление является сезонным, оно зависит от климатических условий района, температуры наружного воздуха, времени года и суток.

3.4.1. Теплоснабжение высокотемпературной сильноминерализованной термальной водой

Термальная вода имеет температуру выше 80 °С, но сильно минерализована. В этих условиях возникает необходимость в устройстве промежуточных теплообменников (рис. 3.9).

Недостатком схемы с теплообменником является сокращение срабатываемого потенциала термальной воды.

Рис. 3.9. Схемадлятеплоснабжениязданийвысокотемпературнойсильноминерализованнойтермальнойводой: 1 – скважина; 2 – теплообменниксистемы отопления; 3 – теплообменникгорячеговодоснабжения1-йступени;

4 – то же, 2-й ступени; 5 – система отопления

55

3.4.2. Теплоснабжение низкотемпературной маломинерализованной водой

Термальная вода маломинерализована, но с низким тепловым потенциалом (ниже 80 °С). Здесь требуется повышение потенциала термальной воды (рис. 3.10). Осуществить это можно различными методами:

–подача термальной воды параллельно на отопление и горячее водоснабжение и пиковый догрев воды;

–бессливная система геотермального теплоснабжения;

–применение тепловых насосов;

–совмещенное применение тепловых насосов и пикового догрева.

Термальная вода из скважин поступает в систему горячего водоснабжения и параллельно в пиковую котельную. Здесь она догревается до температуры, соответствующей условиям, и подается

всистему отопления. Данная схема целесообразна для районов с дорогим бурением, так как пиковая котельная позволяет сократить число скважин.

Рис. 3.10. Теплоснабжение низкотемпературной маломинерализованной водой: 1 – скважина; 2 – пиковый догреватель; 3 – система отопления; 4 – бак-аккумулятор

56

4. ГИДРОЭНЕРГЕТИКА

Гидроэнергетика – область хозяйственно-экономической деятельности человека, совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования энергии водного потока в электрическую энергию.

4.1.Устройства для преобразования энергии волн

Врезультате волнового движения жидкости в волне одновременно с изменением положения уровня и наклона поверхности происходит изменение кинематической и потенциальной энергий,

атакже давления под волной. На основе использования одного характерного признака волнового движения или их комбинации уже создано большое число различных устройств, поглощающих и преобразующих волновую энергию. К ним относятся устройства, улавливающие воду с гребней волн и возвращающие ее на средний уровень или к подножию волн после преобразования потенциальной энергии. Кроме того, можно использовать самые разнообразные сооружения для увеличения интенсивности волнового движения в местах размещения преобразователей за счет дифракционных и канальных эффектов.

4.1.1. «Утка Солтера»

С. Солтер разработал устройство, преобразующее волновую энергию океана в электроэнергию, которое он назвал «уткой». Форма устройства обеспечивала максимальное извлечение мощно-

сти (рис. 4.1).

Волны, поступающие слева, заставляют «утку» колебаться. Цилиндрическая форма противоположной поверхности обеспечивает отсутствие распространения волны направо при колебаниях «утки» вокруг оси. Мощность может быть снята с оси колебательной системы с таким расчетом, чтобы обеспечить минимум отражения энергии. Отражая и пропуская лишь незначительную часть

57

энергии волн (примерно 5 %), это устройство обладает весьма высокой эффективностью преобразования в широком диапазоне частот возбуждающих колебаний.

Рис. 4.1. «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

Волновой преобразователь волн Солтера имеет серьезные недостатки:

–необходимость передачи медленного колебательного движения на привод генератора;

–необходимость снятия мощности с плавающего на значительной глубине устройства большой протяженности.

4.1.2. Волновой плот Коккерела

Другой вариант волнового преобразователя с качающимся элементом – контурный плот Коккерела (рис. 4.2). Его модель в 1/10 величины испытывалась в том же, что и «утка Солтера», проливе Солент г. Саутгемптон. Контурный плот – многозвенная система из шарнирно соединенных секций. Как и «утка», он 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, но плот обладает другим достоинством – близостью конструкции к традиционным судостроительным.

58

Рис. 4.2. Волновой плот Коккерела: 1 – колеблющаяся секция; 2 – преобразователь; 3 – тяга; 4 – шарнир

4.1.3. Качающиеся «змеи» Португалии

Первая в своем роде, а оттого довольно необычная электростанция с 2006 г. расположилась в 5 км от северного побережья Португалии. Гигантские красные машины, прозванные «морскими змеями» (sea-snake), обеспечат энергией волн дома португальцев. Идея этой волновой электростанции принадлежит шотландским специалистам из основанной в январе 1998 г. в Эдинбурге фирмы «Океанское энергоснабжение» (Ocean Power Delivery).

Это полузатопленная структура, состоящая из четырех цилиндрических секций, связанных шарнирными соединениями (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Качающиеся «змеи» Португалии

Волны заставляют изгибаться эту плавающую «змею», за счет чего внутри, в местах соединения соседних секций, перемещаются гидравлические поршни, прокачивающие масло через гидравлические двигатели, в свою очередь, вращающие электрогенераторы. Произведенное одной «змеей» электричество направляется в кабель, опускающийся с поплавка на дно. Несколько таких «змей»

59

могут быть электрически соединены непосредственно на месте их расположения. И тогда уже по одному кабелю вся суммарная мощность будет подаваться на берег.

4.1.4. Колеблющийся водяной столб

При набегании волны на частично погруженную полость, открытую под водой, столб жидкости в полости колеблется, вызывая изменения давления в газе над жидкостью. Полость может быть связана с атмосферой через турбину (рис. 4.4). Поток может регулироваться так, чтобы проходить через турбину в одном направлении, или может быть использована турбина Уэлса.

Рис. 4.4. Схема установки, в которой используется принцип колеблющегося водяного столба: 1 – волновой подъем уровня; 2 – воздушный поток; 3 – турбина; 4 – выпуск воздуха; 5 – направление волны; 6 – опускание уровня; 7 – впуск воздуха

Главное преимущество устройств, работающих на основе принципа водяного колеблющегося столба, состоит в том, что скорость воздуха перед турбиной может быть значительно увеличена за счет уменьшения проходного сечения канала. Это позволяет сочетать медленное волновое движение с высокочастотным вращением турбины. При этом создается возможность удалить генерирующее устройство из зоны непосредственного воздействия соленой морской воды.

60