ГЛАВА 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ОКЕАНОВ И МОРЕЙ
Огромная часть поверхности нашей планеты покрыта водами океанов и морей, которые могут быть использованы для создания экологически идеальных возобновляемых источников энергии, мощность которых намного превосходит потребности человечества. В первую очередь к этим источникам следует отнести энергию приливов, приливных и других течений, волн и тепловую энергию океанов.
Мировой океан представляет собой огромный резервуар возобновляемых энергетических ресурсов. В настоящее время развитие океанской энергетики связано с использованием [2]:
энергии морских волн (приливные, ветровые, зыбь) и течений;
градиентов температур и солености морской воды.
Всоответствии с практическим интересом использование волновой энергии океана связано с созданием волновых электростанций, приливных электростанций и электростанций морских течений (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Электростанция, преобразующая энергию морских течений
Отдельное направление составляют следующие энергоустановки:
океанские тепловые электростанции, использующие температурный градиент;
гидротермальные электростанции, использующие разницу температур между водой океана и воздуха в Северных районах.
120
5.1. Энергия и мощность волны
Огромное количество энергии можно получить от морских волн. Мощ-ность, переносимая волнами на глубокой воде, пропорциональна квадрату их амплитуды и периоду. Поэтому наибольший интерес представляют длиннопериодные (T ≈ 10 с) волны большой амплитуды (a ≈ 2 м), позволяющие снимать с единицы длины гребня от 50 до 70 кВт/м мощности.
Возможность преобразования энергии волн в электроэнергию доказана уже давно. Существует множество технических решений, позволяющих ее реализовать. В последние годы интерес к волновой энергетике резко усилился, особенно в Японии, Великобритании, Скандинавских странах, в результате чего эксперименты переросли в стадию реализации проектов. Современная тенденция разработки таких установок, как и вообще установок на возобновляемых видах энергии, ориентируется на единичные модули умеренной мощности (около 1 МВт) размером порядка 50 м вдоль фронта волны. Однако развитие волновой энергетики сопряжено со значительными трудностями [7]:
1.Волны нерегулярны по амплитуде, фазе и направлению движения.
2.Всегда есть вероятность возникновения экстремальных штормов и ураганов, во время которых образуются волны очень большой интенсивности. Примерно раз в 50 лет возникают волны, амплитуда которых в десять раз превышает среднюю. Следовательно, во время штормов конструкции должны выдерживать нагрузки, примерно в 100 раз большие, чем при нормальной работе.
3.Подобные пиковые величины мощности присущи главным образом волнам на глубокой воде, приходящим со стороны открытого моря. Создание энергетических устройств для таких волновых режимов, их обслуживание, удержание в заданном положении и передачей энергии на берег связано с большими трудностями.
4.Обычно период волн T ≈ 5…10 с (частота порядка 0,1 Гц). Это нерегулярное медленное движение довольно трудно приспособить к генерированию электроэнергии промышленной частоты, которая в 500 раз выше.
5.Выбрать подходящий тип устройства для преобразования энергии из всего их многообразия – это сложная, часто просто непосильная задача.
6.Привычка мыслить категориями крупномасштабной энергетики промышленно развитых районов ведет к искушению создавать лишь крупные волновые электростанции в местах с высокими волновыми потенциалами.
Преимущества волновой энергии состоят в том, что она достаточно сильно сконцентрирована, доступна для преобразования и на любой момент времени может прогнозироваться в зависимости от погодных усло-
121
вий. Создаваясь под действием ветра, волны хорошо сохраняют свой энергетический потенциал, распространяясь на значительные расстояния.
В результате волнового движения жидкости в волне одновременно с изменением положения уровня и наклона поверхности происходит изменение кинетической и потенциальной энергий, а также давления под волной. На основе использования одного характерного признака волнового движения или их комбинаций уже создано большое число различных устройств, поглощающих и преобразующих волновую энергию. К ним относятся и 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 движении в местах размещения преобразователей за счет дифракции и канальных эффектов.
Параметрами волн, которые можно измерить непосредственно, являются ее высота и период. Эти параметры могут быть определены волнографом или в некоторых случаях оценены визуально.
Большая часть собранной в настоящее время информации получена путем визуальных наблюдений. Установлено, что наблюдаемые высоты волн не соответствуют средним их значениям, но близки к высоте волны, определяемой как среднее от 1/3 наибольших значений из общей совокупности высот вол. Такая средняя статистическая волна называется характерной волной.
Многочисленные исследования и моделирование волновых процессов показали, что энергетический потенциал волны зависит от ее высоты, ширины и периода волновых процессов. Все эти параметры, в свою очередь, в сильной степени зависят от метеорологических условий и географического положения поверхности волнения.
Расчеты, выполненные для Мирового океана по состоянию на 3 октября 1975 г. в 12.00 ч по Гринвичу, показали, что волновая мощность энергии волны может колебаться от 0,1 млн до 10 млн МВт, а технические ресурсы могут составлять от 50 000 до 2 700 000 МВт.
Средняя удельная мощность ветровых волн для стран Северного полушария составляет около 25 кВт/м. В Атлантическом океане для волны высотой 2,7 м при периоде волны в 7,1 с за 60 ч с 1 погонного метра фронта волны можно получить 30 000 кВт∙ч.
На северо-западном побережье Шотландии в акваториях прибрежных вод с глубиной 42 м во время шторма мощность волны достигает 1000 кВт/м, а среднее значение мощности не превосходит 42 кВт/м. В середине Северного моря у берегов Германии мощность волны не превышает 14 кВт/м.
Для западного побережья Великобритании с 10 км побережья можно получить до 250 МВт от ветровых волн.
122
Суммарная мощность ветровых волн у берегов Великобритании составляет от 7 до 10 ГВт, что равноценно 11–15 % всей суммарной мощности электростанций Великобритании на уровне 1999 г.
Для Норвегии средняя удельная мощность волн составляет в среднем 36 кВт/м с максимумом 6 700 кВт/м. На Азорских островах (Португалия) средняя удельная мощность волны в открытом море равна 26,9 кВт/м.
Суммарная потенциальная мощность ветровых волн у побережья Японии равна 36 000 МВт. Для условий Индии энергопотенциал волн вдоль 6000 км побережья страны составляет 40 000 МВт при средней удельной мощности в 5–10 кВт/м. Располагаемая мощность волн западного побережья острова Тасмания составляет 20 000 МВт.
5.2. Устройства для преобразования энергии волн
Энергия, выделяемая при волновом движении масс воды в океане, очень велика. Среднее количество энергии, которое можно получить от волны высотой 3 м, составляет около 90 кВт на 1 м побережья. Однако практическая реализация этой энергии весьма затруднительна.
Волновые устройства должны обеспечивать извлечение максимальной энергии за достаточно большой период времени и учитывать возможность эпизодических резких увеличений нагрузок. На основе использования характерных признаков волнового движения в настоящее время разработано большое количество таких устройств.
Преобразование энергии морских волн в электрическую энергию производится, как правило, с помощью воздушных или гидравлических турбин. Они работают благодаря воздействию волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т. п. С помощью электрогенераторов механическая энергия их перемещений преобразуется в электрическую.
В качестве источников энергии в волновых установках применяются самые разные устройства. Условно их можно разделить на три группы: использующие колебательные движения элементов конструкции, переменный уровень воды в установке, заброс воды в бассейн, где ее уровень выше уровня воды в океане.
С. Солтер из Эдинбургского университета (Великобритания) разработал устройство, преобразующее волновую энергию океана в электроэнергию, которое он назвал «уткой». Форма устройства в виде поплавка обеспечивала максимальное извлечение мощности [7].
Волны заставляют «утку» колебаться. Мощность может быть снята с оси колебательной системы с таким расчетом, чтобы обеспечить минимум отражения энергии. Отражая и пропуская лишь незначительную часть энергии волн (примерно 5 %), это устройство обладает весьма высокой эффективностью преобразования в широком диапазоне частот возбужда-
123
ющих колебаний, его КПД около 85 %. 12 волновых электростанций с системой поплавков длиной 50 миль каждая, могли бы обеспечить потребности Великобритании в электроэнергии.
Дальнейшие разработки Солтера направлены на то, чтобы обеспечить «утке» способность противостоять ударам максимальных волн и создать заякоренную гирлянду преобразователей в виде достаточно гибкой линии.
Другой характерный тип устройства данного класса – ланкастерский «моллюск», использующий тот же «геометрический» принцип Солтера. Здесь клювообразный поплавок соединен с несколькими податливыми воздушными оболочками, заполненными воздухом, сжимаемым под действием волн. Сжатый воздух перегоняется из одной оболочки в другую по мере того, как волна поворачивает «клюв». Осциллирующий воздушный поток приводит в действие турбину Уэлса, отличающуюся тем, что направление ее вращения не зависит от направления потока воздуха. Турбина связана с электрогенератором.
Последнее время внимание многих исследователей привлекает устройство под названием «Пеламис» (рис.5.2). Первый опытный образец был построен и прошел испытания в европейском Центре морских исследований на Оркнейских островах (Великобритания).
Рис. 5.2. Волновая электростанция «Пеламис»
«Пеламис» представляет собой «змею», состоящую из цилиндров. Волны заставляют эту змею изгибаться, что приводит в движение поршни, расположенные внутри цилиндров, которые, в свою очередь, заставляют вращаться генераторы электроэнергии. Кабель от каждого поплавка уходит на дно, а затем по дну направляется на берег. Если устройства расположены недалеко друг от друга, можно объединить их кабели в один, что позволит сэкономить несколько километров кабеля.
Новая конфигурация «Пеламис» позволяет устройствам вступать в резонанс, благодаря которому можно значительно увеличить выработку
124
энергии на морях, где нет сильных волн. Отдельная «змея» может достигать мощ-ности до 750 кВт.
В рамках проекта EUREKA – европейской программы поддержки коммерчески перспективных проектов – разработан новый механизм использования морских волн для получения энергии. Легкое и эффективное устройство выдает энергии в три раза больше, чем его предшественники.
Агрегат под названием Wavebob Wave Energy Converter (WWEC) пред-
ставляет собой заякоренный на длинной цепи буй, вырабатывающий энергию вследствие колебаний под действием волн. Существующие поплавковые электрогенераторы закреплены на цепи фиксированной длины, и зачастую это приводит к простоям, когда уровень воды значительно меняется и цепь оказывается либо слишком короткой, либо избыточно длинной.
WWEC, вместо того чтобы покоиться на волнах, когда уровень моря понижается, или погружаться под воду при его повышении, автоматически регулирует длину якорной цепи, оставаясь всегда в оптимальном положении. Делать это приходится потому, что в Северной Атлантике, например, максимальный вековой диапазон изменений уровня моря составляет 35 м.
Еще одно достоинство устройства состоит в универсальности конструкции. WWEC пригоден для морей с любым климатом. Обычно же для штормовых регионов изготавливаются специальные версии с массой в несколько раз больше, чем, например, для Средиземноморья. Снижение массы WWEC привело к уменьшению расходов на доставку и установку генератора.
Установки второй группы используют изменения уровня воды в замкнутом пространстве, что приводит к изменению давления находящегося над ней воздуха, который может быть выпущен в атмосферу через турбину. При этом поток может двигаться в разных направлениях (тогда используется турбина Уэллса) либо в одном, что дает возможность применять более эффективную турбину.
Схема подобной установки с водяным столбом, разработанная в Национальной электрической лаборатории NEL (Великобритания), представлена на рис. 5.3 [7]. Очевидно, что направление потока воздуха через турбину не меняется.
125
Рис. 5.3. Схема установки водяным столбом: 1 – волновой подъем уровня воды в камере; 2 – воздушный поток; 3 – турбина; 4 – клапан для выпуска воздуха; 5 – направ-
ление волны; 6 – снижение уровня воды в камере; 7 – выпускной клапан воздуха
Уже известны по крайней мере два примера коммерческого использования устройства на этом принципе – сигнальные буи, внедренные в Японии, и в Великобритании, разработанные сотрудниками Королевского университета Белфаста. Более крупное и впервые подключенное в энергосеть устройство построено в Тофтестоллене (Норвегия) фирмой Kvaernor Brug A/S (рис. 5.4). Принцип действия колеблющегося водяного столба в Тофтестоллене используется в установке мощностью 500 кВт, построенной на краю отвесной скалы. Кроме того, Национальная электрическая лаборатория Великобритании предлагает конструкцию, устанавливаемую непосредственно на морском дне.
Волновая энергетическая установка «Каймэй» («Морской свет») – это самая мощная действующая энергетическая установка с пневматическими преобразователями, построена в Японии в 1976 г. Она использует волны высотой 6–10 м.
На барже длиной 80 м, шириной 12 м, высотой в носовой части 7 м, в кормовой 2,3 м, водоизмещением 500 т установлены 22 воздушных камеры, открытые снизу; каждая пара камер работает на одну турбину Уэллса. Общая мощность установки 1000 кВт. Первые испытания «Каймэй» были проведены в 1978–1979 гг. близ города Цуруока. Энергия передается на берег по подводному кабелю длиной около 3 км.
126
Рис.5.4. Широкополосная волновая энергетическая установка на принципе колеблющегося водного столба (построена вблизи Тофтестоллена, Норвегия)
Для избежания опасности разрушения установок при штормовой погоде в некоторых случаях их погружают под воду. Примером такой установки может служить «бристольский цилиндр», представляющий собой наполненный воздухом плавучий корпус, закрепленный под водой на опорах, установленных на грунте. Цилиндр находится под действием подповерхностного движения вод и изменения гидростатического давления. Вмонтированные в опоры гидравлические насосы преобразуют энергию движения цилиндра. Перекачиваемая ими жидкость по трубопроводам может подаваться на генераторную станцию, присоединенную к нескольким цилиндрам.
В установках третьей группы используются явления, часто наблюдаемые в прибрежных лагунах, когда волна разбивается на откосе дамбы и вода забрасывается на высоту, превышающий средний уровень моря. Она может быть возвращена обратно в море через низконапорную турбину
(рис.5.5).
127
Рис. 5.5. Волновая установка с забросом воды выше уровня моря
Первая в мире коммерческая станция на этом принципе была построена в Норвегии в районе с естественной фокусировкой волн.
Однако установки третьей группы могут работать не только в прибрежных районах, но и вдали от берега.
Примером такого устройства может служить установка, получившая название «Волновой Дракон» [19]. Она состоит из трех основных элементов:
1.Два волновых рефлектора, фокусирующих волны по направлению к рампе и прикрепленные к основной конструкции, играют важную роль в повышении высоты волны, что приводит к увеличению ее энергии на 70 %.
2.Основная конструкция, состоит из выпуклой рампы и резервуара, в котором скапливается вода.
3.Ряд низконапорных турбин, преобразующих потенциальную энергию столба в электричество.
Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии, эффективной конструкцией станции, в которую встроены устройства сглаживания неравномерного режима волнения. Считается, что эффективно волновые станции могут работать при использовании удельной мощности около
80 кВт/м.
Накопленный мировой опыт показывает, что удельные капиталовложения в строительство волновой электростанции достигают 5000 долл. США/кВт, и вырабатываемая ими электроэнергия в 2–3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости.
Внастоящее время волновые энергетические установки используются для энергопитания автономных буев, маяков, научных приборов. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас.
128
На базе устройств типа «уток Солтера» в настоящее время разработан проект мощной установки (45 МВт), состоящей из 20–30 поплавков размером 15 м, укрепленных на валу длиной 1200 м. Подобные системы предполагается установить у западных берегов Британских островов.
Опытная плавучая установка типа ланкастерского «моллюска» состоит из 6 камер, укрепленных на каркасе длиной 120 м и высотой 8 м. Ожидаемая мощность 500 кВт. Дальнейшие разработки показали, что наибольший эффект дает расположение камер по кругу. В Шотландии на озере Лох-Несс была испытана установка, состоящая из 12 камер и 8 турбин, укрепленных на каркасе диаметром 60 м и высотой 7 м. Теоретическая мощность такой установки около 1200 кВт.
Электростанции на базе «Пеламис» будут представлять собой целые плантации своеобразных поплавков, покачивающихся на волнах и вырабатывающих электрическую энергию.
Поплавки соединены с берегом с помощью кабеля, по которому передается вырабатываемая энергия. Планируется, что установка мощностью 30 МВт будет занимать площадь около 1 км² и обеспечивать электричеством 20 тыс жилых домов. 20 таких установок могут обеспечить электричеством город, сравнимый по размерам с г. Эдинбургом.
Три установки «Пеламис», расположенные на расстоянии 5 км от берегов Португалии, мощностью 2,25 МВт, обеспечат электричеством 1500 домов и предотвратят выброс в атмосферу 600 т углекислого газа в год.
К концу 2006 г. количество таких установок увеличено до 30 с общей мощностью 20 МВт.
При использовании волновой энергетической установки, в зависимости от ее назначения, возможно создание как одномодульных, рассчитанных на мощность от единиц Вт до 50 кВт, так и многомодульных установок в виде сети, которые могут быть собраны из большого количества (10– 50) киловаттных модулей с суммарной электрической мощностью до десятков мегаватт.
Одномодульные устройства могут быть использованы в качестве источников электроэнергии для морских судов, световых и радиомаяков, в средствах мониторинга окружающей среды, метеозондирования, навигации, связи, телекоммуникации, в средствах индивидуального жизнеобеспечения и др.
Многомодульные устройства могут использоваться для энергообеспечения прибрежных и островных поселений, создания экологически чистых объектов перерабатывающей промышленности морского и прибрежного базировании, в том числе с использованием морских платформ с выработанными нефтяными скважинами для масштабного электролизного производства водорода и кислорода, что будет стимулировать становление экологически безопасной водородной энергетики.
129