2891

4.1.5. Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) на энергии морских волн

Схемы подобных устройств используют явление, часто наблюдаемое в природных лагунах. Волна разбивается на откосе дамбы, и вода забрасывается на высоту, превышающую средний уровень моря, заполняя бассейн. Вода может быть возвращена обратно в море через низконапорную турбину (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Схема электростанции на приливном течении

Для преобразования энергии волн в электрическую применяют так называемый ланкастерский «моллюск», использующий тот же геометрический принцип Солтера. В этом преобразователе клювообразный поплавок соединен несколькими гибкими воздушными оболочками, заполненными воздухом, сжимаемым под действием волн. Сжатый воздух перегоняется из одной обложки в другую по мере того, как волна поворачивает «клюв». Колеблющийся воздушный поток приводит в действие турбину, отличающуюся тем, что направление ее вращения не зависит от направления потока воздуха. Эта турбина, в своюочередь, механически связана сэлектрогенератором.

4.1.6. Волновая электростанция

Волновая электростанция – установка, расположенная в водной среде, целью которой является получение электричества из кинетической энергии волн (рис. 4.6).

61

Рис. 4.6. Волновые электростанции

Виды волновых электростанций:

1. Поплавковые – волновые электростанции, электроэнергия в которых вырабатывается за счет движения плавающего поплавка при поднятии его волной (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Поплавковая волновая электростанция

2. Турбинные – волновые электростанции, электроэнергия в которых вырабатывается за счет вращения турбины, которая приводится в действие воздухом, вытесняемым волной из специальной камеры (рис. 4.8).

62

Рис. 4.8. Турбинные волновые электростанции

Волновая электростанция (Dartmouth Wave Energy)

Необычное устройство Searaser и проект под названием Dartmouth Wave Energy напоминает волновую электростанцию, использующую энергию вертикального движения поплавка (рис. 4.9). Однако сам поплавок не имеет электрических систем и представляет из себя механический насос, который закачивает морскую воду на большую высоту в прибрежные скалы. Этот проект – необычная ми- ни-ГАЭС.

Рис. 4.9. Волновая электростанция Dartmouth Wave Energy

В основе установки – два поплавка, способных двигаться друг относительно друга. Верхний раскачивается волнами, нижний соединен с дном при помощи цепи и якоря. Между поплавками нахо-

63

дится «насосная станция» (цилиндр с поршнем двойного действия, который качает воду при движении вниз и вверх) и клапанами с выходными трубами. Автоматическая подстройка высоты положения верхнего поплавка в зависимости от уровня моря, который меняется в прилив и отлив, – телескопическая труба, раздвигающаяся и складывающаяся под действием сил Архимеда и тяжести. К этой «приливной» колонне крепится насос с верхним поплавком. Вода подается на сушу, в горы. В горах устанавливается бассейн, в котором вода накапливается и выпускается обратно в море, по пути вращая турбину электростанции, идентичной традиционной ГЭС, но без дамбы.

Преимущества у подобной установки следующие. В поплавке нет проводов, магнитов, катушек, контактов и герметичных отсеков для оборудования, что делает его гораздо более дешевым, простым и надежным. Турбины и электрогенераторы волновой станции, расположенные на берегу, – давно опробованная и испытанная на ГЭС техника. В отличие от традиционной ГАЭС Searaser не требует нижнего водохранилища, а в отличие от волновых электростанций эта установка решает проблему неравномерности силы волн.

4.1.7. Подводные устройства

Преимущества подводных устройств состоят в том, что эти устройства позволяют избежать штормового воздействия на преобразователи. Однако при их использовании увеличиваются трудности, связанные сизвлечениемэнергии иобслуживанием (рис. 4.10 и4.11).

Для примера можно рассмотреть преобразователь типа «бристольский цилиндр», относящийся к группе устройств, работающих под действием скоростного напора в волне. Наполненный воздухом плавучий корпус, имеющий среднюю плотность 0,6–0,8 т/м3, закреплен под водой на опорах, установленных на грунте. Цилиндр колеблется в волне, совершая движение по эллиптической траектории и приводя в действие гидравлические насосы, вмонтированные в опоры и преобразующие энергию движения цилиндра. Перекачиваемая ими жидкость может подаваться по трубопроводам на генераторную станцию, единую для нескольких цилиндров.

64

Рис. 4.10. Подводные устройства

Одно из преимуществ идеи «бристольского цилиндра» в том, что после настройки на оптимальную частоту он не отражает энергию других частот, а дает ей возможность распространяться далее, где ее могут поглотить другие преобразователи, например цилиндры с другой частотой.

Рис. 4.11. Электростанция, преобразующая энергию подводных течений

65

Недавно эдинбургская компания Aquamarine Power заявила о постройке волновой электростанции нового поколения (“устрицы”), которая будет установлена на морском дне вблизи островов Оркни.

Принцип работы «устрицы» отличается от существующих ныне волновых электростанций. «Устрица» использует гидравлический принцип для перекачки воды по трубе на гидроэлектростанцию. Подводный генератор колебаний, оснащенный поршнем, приводится в работу движением волн и накачивает воду в трубу. Вода под высоким давлением поступает на гидроэлектростанцию, установленную на берегу, где энергия тока воды преобразуется в энергию электричества.

Подобный гидроволновой гибрид имеет серьезные преимущества перед другими системами. Самым существенным преимуществом является легкость эксплуатации. Поскольку самые главные приборы по выработке электричества находятся на берегу, то не надо опасаться, что они могут быть повреждены солеными океаническими водами. Кроме того, поршневые системы располагаются сравнительно близко к берегу на небольшой глубине 12–16 м, что значительно упрощает транспортировку воды. Разработчики уверены, что система причинит минимальный ущерб океанической жизни, так как для ее запуска потребуются только волны.

4.1.8. Приливные электростанции

Гравитационная сила, с которой Луна воздействует на Землю, создает приливные изменения уровня моря (океана), который поднимается и опускается в соответствии с движением Луны вокруг Земли, хотя без Луны диапазон их изменений значительно уменьшился бы, но само явление не исчезло полностью. Луна создает только две трети приливных эффектов на нашей планете. Остальная часть формируется Солнцем и в меньшей части планетами (в особенности Юпитером). Земля вместе с Луной вращаются вокруг общего центра тяжести, что создает центробежную силу. В центре Земли сила притяжения Луны такой же величины, как и центробежная сила; действуя в противоположных направлениях, они взаимно обнуляются. На стороне Земли, обращенной к Луне, сила притяже-

66

ния немного больше, чем центробежная, поэтому там возникает выпуклость – прилив. На стороне Земли, обращенной в противоположную сторону, т.е. от Луны, центробежная сила больше силы притяжения Луны, поэтому и там возникает прилив. Таким образом, существуют две приливных выпуклости на противоположных сторонах Земли, а между ними зоны отлива. Из этого следует, что в каждом порту дважды в день наблюдаются приливы и отливы.

Центр тяжести системы Земля – Луна движется по почти круговой орбите вокруг Солнца. Диапазон приливной волны зависит от положения Луны и Солнца по отношению к Земле (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Диапазон приливной волны в зависимости от положения Луны и Солнца по отношению к Земле: а – прилив скачком; б – глухой прилив

Различают две крайности:

1) прилив скачком (скоковый) – крупнейший приток, происходит, когда Земля, Солнце и Луна (полнолуние и новолуние) находятся на прямой линии;

67

2) глухой прилив – самый низкий прилив, возникает, когда вышеупомянутые элементы расположены под прямым углом (первая и третья четверти Луны).

Приливные деформации сопровождаются потерей энергии системой Земля – Луна из-за внутреннего трения (приливного трения), вследствие чего увеличивается длина дня (около 1,5 мс за 100 лет) и немного увеличивает расстояние Земля – Луна (Луна отдаляется на более высокую орбиту на 3,8 см в год). Значительный эффект оказывают приливные силы на уровень мировых морей и океана (приливы и отливы), а также на атмосферу Земли, где наблюдаются периодические колебания давления воздуха.

Использование приливных электростанций

Использование приливных мельниц восходит к 787 г. Приливные мельницы состояли из перекрытого пруда или малого водохранилища, шлюза и плотины переполнения. Выравнивание уровней воды происходит через водяное колесо. Приток и отток воды приводят в движение водяное колесо, производится механическая энергия, а мельница перемалывает зерна в муку. Примером таких мельниц может служить мельница Бирло в Иль-де-Бреа (XVII в.) (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Мельница Бирло в Иль-де-Бреа

68

Для получения энергии за счет колебаний уровня воды строят плотинные ГЭС (гидроэлектростанции с плотинами). Они работают при высоком приливе – не менее 5 м, поэтому подходящих бухт (природных бассейнов) для такого строительства в мире немного. Сооружается плотина, отделяющая от моря или океана необходимый бассейн. В отверстии плотины устанавливается электрогенератор, который в целях большей эффективности работы электростанции делают «обратимым», т.е. он может вырабатывать электроэнергию при протекании через него воды в обе стороны: как справа налево, так и слева направо (рис. 4.14). На этом рисунке изображена схема работы приливной электростанции, основанной на инженерных решениях, принятых в ветроэнергетике. Примерно в километре от берега на трубчатых стальных опорах под водой должны быть установлены турбины с двухлопастными винтами диаметром 15–20 м. Для осмотра и обслуживания турбину можно время от времени поднимать на поверхность, двигая по опоре. Мощность одной турбины составит от 600 до 1000 кВт, энергия будет передаваться на берег по подводному кабелю. На рис. 4.15–4.17 приведены изображения приливных электростанций, расположенных в разных странах.

Рис. 4.14. Схема работы приливной электростанции

69

Рис. 4.15. Приливная электростанция на реке Ранс (Франция)

Рис. 4.16. Кислогубская приливная электростанция (Россия)

70