Ядерная физика
Электротехника
АЭС России
Курсовые по энергетике
Ядерные реакторы
РБМК
ВВЭР
БН
Атомные батареи
Термоядерный реактор
Ядерное оружие
Экология
Ядерные двигатели
Тепловая энергетика
Системы контроля
Карта

Энергия морей и океанов

Энергия океана - огромный источник природных энергетических ресурсов. В числе основных установок, использующих энергию океана, рассматриваются:

Приливные электростанции (ПЭС);

Волновые электростанции (ВолЭС);

Электростанции морских течений (ЭСМТ);

Энергоустановки, использующие наличие температурного градиента между верхними и нижними слоями Мирового океана – так называемые гидротермальные электростанции (ГиТЭС);

В основе работы волновых энергетических станций лежит воздействие волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т.п. Механическая энергия их перемещений с помощью электрогенераторов преобразуется в электрическую энергию.

Виды волновых энергетических установок и принцип работы

Участвуя в глобальных солнечно-земных процессах океаны, по оценкам различных источников, располагают совокупной волновой энергией до 3*1014 кВт час. При этом океанские волны способны развивать наибольшую для возобновляемых источников энергии удельную мощность. Так сравнительно небольшая волна высотой 5 м в расчете на один квадратный метр колеблющейся поверхности развивает мощность более 10 кВт. Специалисты утверждают, что уже сейчас за счет энергии океанских волн возможно получение электроэнергии производительностью до 10 млрд. кВт. Эта величина составляет незначительную долю совокупной мощности волн морей и океанов Земли. Вместе с тем она больше мощности всех электростанций, работавших на земле в 1990 г.

Уже несколько десятилетий в ряде стран проявляется большой интерес к разработке поплавковых волновых электростанций (ПВЭС), использующих морские волны в качестве первичных источников энергии. Однако до настоящего времени устройства, создаваемые на базе известных технических решений не позволяли технически адекватно решить данную задачу.

Установки с пневматическим преобразователем

В волновых установках с пневматическими преобразователями под действием волн воздушный поток периодически изменяет свое направление на обратное. Для этих условий и 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.

Волновая энергетическая установка "Каймей"

Волновая энергетическая установка "Каймей" ("Морской свет") – самая мощная действующая энергетическая установка с пневматическими преобразователями. Построена в Японии в 1976 г. Она использует волнение высотой до 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 были проведены в 1978 – 1979 гг. близ города Цуруока. Энергия передавалась на берег по подводному кабелю длиной около 3 км.

Норвежская промышленная волновая станция

В 1985 г. в Норвегии в 46 км к северо-западу от города Берген построена промышленная волновая станция, состоящая из двух установок. Первая установка на острове Тофтесталлен работала по пневматическому принципу. Она представляла собой железобетонную камеру, заглубленную в скале; над ней была установлена стальная башня высотой 12,3 м и диаметром 3,6 м. Входящие в камеру волны создавали изменение объема воздуха. Возникающий поток через систему клапанов приводил во вращение турбину и связанный с ней генератор мощностью 500 кВт, годовая выработка составляла 1,2 млн. кВт·ч. Зимним штормом в конце 1988 г. башня станции была разрушена. Разрабатывается проект новой башни из железобетона.

Конструкция второй установки состоит из конусовидного канала в ущелье длиной около 170 м с бетонными стенками высотой 15 м и шириной в основании 55 м, входящего в резервуар между островами, отделенный от моря дамбами, и плотины с энергетической установкой.

Волны, проходя по сужающемуся каналу, увеличивают свою высоту с 1,1 до 15 м и вливаются в резервуар площадью 5500 кв. м, уровень которого на 3 м выше уровня моря. Из резервуара вода проходит через низконапорные гидротурбины мощностью 350 кВт. Станция ежегодно производит до 2 млн. кВт·ч электроэнергии.

Английский "Моллюск"

В Великобритании разрабатывается оригинальная конструкция волновой энергетической установки типа "моллюск", в которой в качестве рабочих органов используются мягкие оболочки – камеры, в которых находится воздух под давлением, несколько большим атмосферного. Накатом волн камеры сжимаются, образуется замкнутый воздушный поток из камер в каркас установки и обратно. На пути потока установлены воздушные турбины Уэллса с электрогенераторами.

Сейчас создается опытная плавучая установка 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 до 1200 кВт.

Волновой плот Коккерела

Впервые конструкция волнового плота была запатентована в СССР еще в 1926 г. В 1978 г. в Великобритании проводились испытания опытных моделей океанских электростанций, в основе которых лежит аналогичное решение. Волновой плот Коккерела состоит из шарнирно соединенных секций, перемещение которых относительно друг друга передается насосам с электрогенераторами. Вся конструкция удерживается на месте якорями. Трехсекционный волновой плот Коккерела длиной 100 м, шириной 50 м и высотой 10 м может дать мощность до 2 МВт.

В СССР модель волнового плота испытывалась в 70-х гг. на Черном море. Она имела длину 12 м, ширину поплавков 0,4 м. На волнах высотой 0,5 м и длиной 10 – 15 м установка развивала мощность 150 кВт.

"Утка Солтера"

Проект, известный под названием "утка Солтера", представляет собой преобразователь волновой энергии. Рабочей конструкцией является поплавок ("утка"), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики. В проекте предусматривается монтаж большого количества крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение силой собственного веса. При этом приводятся в действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводящая в движение турбины, установленные между поплавками и поднятые над поверхностью моря. Вырабатываемая электроэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20 – 30 поплавков.

В 1978 г. была испытана модель установки длиной 50 м, состоявшая из 20-ти поплавков диаметром 1 м. Выработанная мощность составила 10 кВт.

Разработан проект более мощной установки из 20 – 30 поплавков диаметром 15 м, укрепленных на валу, длиной 1200 м. Предполагаемая мощность установки 45 МВт.

Подобные системы установлены у западных берегов Британских островов Предполагается, что они смогут обеспечить потребности Великобритании в электроэнергии.

Поплавковые волновые электростанции

Одним из перспективных средств преобразования энергии волн является новая поплавковая волновая электростанция (ПВЭС) морского базирования, разработанная и запатентованная компанией "Прикладные технологии".

Основными элементами ПВЭС являются механический преобразователь энергии волн, электрогенератор и накопитель энергии, размещенные внутри герметичной капсулы – поплавка. Капсула – поплавок имеет форму цилиндра. Из конструктивных соображений подводной части корпуса поплавка может придаваться иная форма. Механический преобразователь энергии волн состоит из колебательной системы и механического привода, раскручивающего электрогенератор. Под действием морской волны поплавок – ПВЭС выводится из состояния покоя. Капсула вместе со всем содержимым начинает совершать колебательные движения, находясь под действие силы притяжения Земли и Архимедовой силы. После перехода капсулы в колебательное движение колебательная система преобразователя также приходит в движение. Через некоторое время в такой системе устанавливается режим вынужденных колебаний с частотой, близкой к частоте колебаний поплавка в воде. Механический привод, сцепленный с колебательной системой, передает вращательное усилие на вал электрогенератора, вырабатывающего электроэнергию. Для повышения эффективности действия электростанции в ее состав входит накопитель энергии.

Использование накопителя энергии в качестве энергетического буфера позволяет создавать запас энергии в периоды неполной нагрузки электрогенератора, а в периоды максимальной нагрузки или морского затишья поддерживать его вращение. Исходя из принципа действия ПВЭС данного типа, частота колебаний капсулы в воде не зависит от особенностей процесса волнообразования в море, который, как правило, носит случайный характер. Устройство ПВЭС обеспечивает надежное функционирование системы ПВЭС–волна–Земля при любых длинах, скоростях, интенсивностях и направлениях распространения морских волн. В зависимости от назначения возможно создание модулей ПВЭС, как на малые (менее 1 кВт), так и на большие (более 1 кВт) выходные мощности. ПВЭС большой мощности могут образовываться путем составления многомодульных связок из оптимальных по характеристикам ПВЭС.

Суммарная электрическая выходная мощность таких связок может составлять десятки мегаватт. Многомодульные связки ПВЭС могут располагаться в акваториях мирового океана с высокой волнообразующей активностью, в местах мало или совсем не пригодных для мореплавания. Положение этих связок может фиксироваться как путем заякоривания или прикрепления к объектам на берегу, так и при помощи судов, перемещающих связки ПВЭС в акватории океанов с активностью. Подчеркнем еще раз, что эксплуатацию ПВЭС в больших масштабах возможно осуществить не нанося вреда окружающей среде путем освоения пространств, не пригодных для жизни человека, и использования "бросовых" первичных источников энергии, неприменимых с точки зрения традиционного энергопроизводства. Наряду с такими достоинствами, как использование возобновляемых источников энергии и экологическая чистота, эти электростанции позволили бы свести к нулю не только факторы тепло-газо-пылевого загрязнения, присущие тепловым электростанциям, но даже такие. факторы загрязнения окружающей среды, создаваемые наземными ветроэлектростанциями, как шум и вибрация. Экономические оценки стоимости подобных проектов в зависимости от технического облика показывают, что цена одного киловатт-часа энергии, вырабатываемой ПВЭС значительно ниже других электроустановок соответствующей мощности. Чрезвычайно широк круг возможных применений ПВЭС. Так ПВЭС различной мощности могут быть использованы для энергообеспечения прибрежных и островных поселений. В качестве основных или аварийных энергоблоков ПВЭС могут быть также использованы для электроснабжения морских судов. Одномодульные ПВЭС уже сейчас используются в качестве источников питания для световых и радиомаяков. На базе маломощных ПВЭС возможно создание метеосистем, глобальных и региональных систем связи и навигации, систем телекоммуникации, а также аппаратуры аварийного индивидуального жизнеобеспечения и для других применений. Мощные многомодульные связки ПВЭС могут служить хорошей энергетической базой для создания экологически чистых объектов перерабатывающей промышленности морского и прибрежного базирования. На таких объектах можно было бы осуществлять переработку морепродуктов; опреснять воду; организовать химическое производство на основе электролиза морской воды, а на основе электросинтеза получать мономеры и полимеры. В процессе электролиза морской воды помимо получения водорода и кислорода возможно производство озона, тяжелой воды, хлора, щелочей, различных солей, кислот и окислителей, многих других веществ и соединений для промышленного использования Энергопромышленные комплексы на базе многомодульных ПВЭС явятся хорошей предпосылкой для развития возможностей и других областей экономики. Электроэнергия, вырабатываемая ПВЭС может быть не только использована непосредственно объектами переработки или производства, но и накоплена с помощью различных аккумулирующих устройств для последующего использования.

Особенно перспективно использование мощных многомодульных ПВЭС для масштабного электролизного производства водорода, кислорода и озона. Использование ПВЭС, электролизеров и морской воды для производства водорода намного предпочтительнее основного процесса, используемого в настоящее время и основанного на конверсии углеводородов или нефтепродуктов. Тем более, что запасы этих ископаемых ресурсов сокращаются. Возможно, именно последнее обстоятельство определит нишу ПВЭС как незаменимого звена в проблеме становления экологически безопасной водородной энергетики на Земле.

Классификация использования ПВЭС:

Маломощные ПВЭС. Преобразующие электронные устройства. Энергообеспечение:

1. Прибрежных и островных поселений;

2. Морских судов, в том числе аварийное;

3. Аварийных систем жизнеобеспечения;

4. Меосистем;

5. Стовых и радиомаяков;

6. Гбальных и региональных систем навигации и связи;

7. Систем телекоммуникаций.

Мощные ПЭВС. Плавучие заводы:

Переработка морепродуктов;

Химическое производство;

Электролизное производство;

Переработка флоры и фауны морей в продукты питания и в сырье для технических нужд;

Производство водорода и кислорода на основе электролиза воды; развитие на этой базе водородной энергетики с использованием экологически чистых тепловых машин и электрохимических генераторов.

Вторичные источники ресурсов

Эффективным возобновляемым источником энергии является биомасса. Ресурсы биомассы в различных видах есть почти во всех регионах мира, и почти в каждом из них может быть налажена ее переработка в энергию и топливо. На современном уровне за счет биомассы можно перекрыть 6-10% от общего количества энергетических потребностей промышленно развитых стран.

Биомасса сегодня является четвертым по значению топливом в мире, давая ежегодно 1250 млн. т у. т. энергии и составляя около 15% всех первичных энергоносителей (в развивающихся странах - до 38%).

Россия обладает 20% мировых лесных запасов, но в лесу ежегодно остается до 500 млн. кубометров перезрелой древесины, которая захламляет леса, увеличивает пожарную опасность. На различных стадиях переработки древесины появляются древесные отходы, которые составляют около 40% от исходного сырья. В России имеется достаточная сырьевая база для использования древесины в качестве энергетического топлива.

Растительная биомасса, в том числе древесное сырье, является единственным видом возобновляемого ресурса. При разумном использовании этого сырья оно может обеспечить потребности современной цивилизации как в промышленной продукции (бумага, стройматериалы, мебель), так и в энергетическом топливе. Ежегодная потребность мировой энергетики составляет 10 млрд. тонн условного топлива. Прирост растительной биомассы может полностью удовлетворить потребности человечества, поскольку ежегодно на поверхности Земли выращивается порядка 60 млрд. м3, что эквивалентно 30 млрд. тонн угля.

Использование биомассы может проводиться в следующих направлениях:

Прямое сжигание

Биомасса, главным образом в форме древесного топлива, является основным источником энергии приблизительно для 2 млрд. человек. В целом биомасса дает седьмую часть мирового объема топлива, а по количеству полученной энергии занимает наряду с природным газом третье место. Из биомассы получают в 4 раза больше энергии, чем дает ядерная энергетика.

Древесное топливо относится к экологически чистым видам топлива, минимально загрязняющим окружающую среду. В нем практически отсутствует сера, и содержание азота не превышает 1% от массы, то есть при сжигании древесины образуется очень мало вредных окислов азота и серы.

Существует два способа использования древесины в качестве топлива — прямое одностадийное сжигание в слоевых топках на колосниковой решетке и двухстадийное сжигание, включающее предварительное превращение твердой древесины в газовое топливо с последующим сжиганием газа в различных устройствах (камерных топках, паровых и водогрейных котлах, в химических печах, в двигателях внутреннего сгорания, в бытовых печах и газовых плитах). Область использования газового топлива значительно шире, технологичнее, легче автоматизируется, меньше загрязняет окружающую среду.

В зависимости от способа подвода теплоты различают два метода газификации: автотермический и аллотермический. При осуществлении автотермического процесса газификации теплота, необходимая для осуществления реакций, получается в процессе сжигания части исходного топлива внутри аппарата — газогенератора (газификатора). В настоящее время генераторы автотермического метода газификации наиболее конструктивно разработаны и получили широкое распространение.

Газовое топливо, получаемое в газогенераторах на воздушном дутье, может быть использовано в стационарных топочных устройствах, газовых турбинах и двигателях внутреннего сгорания вместо жидкого топлива и природного газа. В аллотермических газогенераторах необходимая для процесса нагревания исходного топлива и процесса газификации теплота подается внутрь газогенератора или через поверхность стенок, или путем подачи нагретого до 800-1000° С газового теплоносителя.

Аллотермические газогенераторы в настоящее время находятся в стадии экспериментальных исследований и опытной проверки. Газовое топливо, получаемое с их помощью, может быть использовано для бытовых нужд, для заправки газовых баллонов и в качестве топлива для транспортных средств, при баллонной системе хранения.


На главную