double arrow

Волновые и приливные установки. Энергетические установки, преобразующие энергию океана.– 2 часа

Волновые энергоустановки: схемы, конструкции и основные характеристик

С середины ХХ-го века началось изучение энергетических ресурсов, относящихся к «возобновляемым источникам энергии».

Океан – гигантский аккумулятор и трансформатор солнечной энергии, преобразуемой в энергию течений, тепла и ветров. Энергия приливов – результат действия приливообразующих сил Луны и Солнца.

Энергетические ресурсы океана представляют большую ценность как возобновляемые и практически неисчерпаемые. Опыт эксплуатации уже действующих систем океанской энергетики показывает, что они не приносят какого-либо ощутимого ущерба океанской среде. При проектировании будущих систем океанской энергетики тщательно исследуется их воздействие на экологию.

Идея получения электроэнергии от морских волн была изложена еще в 1935 году советским ученым К.Э. Циолковским.

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. Когда буй качается на волне, уровень воды внутри него меняется. От этого воздух то выходит из него, то входит. Но движение воздуха возможно только лишь через верхнее отверстие(такова конструкция буя). А там установлена турбина, вращающаяся всегда в одном направлении независимо от того, в каком направлении движется воздух.

Даже довольно небольшие волны высотой 35 см заставляют турбину развивать более 2000 оборотов в минуту.

Другой тип установки – это вариант стационарной микроэлектростанции. Внешне она похожа на ящик, установленный на опорах на небольшой глубине. Волны проникают в ящик и приводят в действие турбину. И здесь для работы достаточно совсем небольшого волнения моря. Даже волны высотой в 20 см зажигают лампочки общей мощностью 200 Вт.

В настоящее время волноэнергетические установки используются для энергопитания автономных буев, маяков, научных приборов. Попутно крупные волновые станции могут быть использованы для волнозащиты морских буровых платформ, открытых рейдов, марикультурных хозяйств.

Сегодня, в новом тысячелетии, началось промышленное использование волновой энергии. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. В Норвегии с 1985 г. действует первая в мире промышленная волновая станция мощностью 850 кВт.

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 мощности около 80 кВт/м. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока остается в 2 ÷ 3 раза дороже традиционной, но в ближайшей перспективе ожидается значительное снижение ее стоимости.

В волновых установках с пневматическим 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» (Морской свет) – самая мощная действующая энергетическая установка с пневматическим преобразователями – построена в Японии. В своей работе она использует волны высотой до 6 ÷ 10 м. На барже длиной 80 м, шириной 12 м и водоизмещением 500 т установлены 22 воздушные камеры, открытые снизу. Каждая пара камер работает на одну турбину Уэллса. Общая мощность установки 1000 кВт. Энергия передается на берег по подводному кабелю длиной около 3 км.

В СССР модель волнового плота испытывалась в 70-х годах 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.

Следует отметить, что использование источников альтернативных, возобновляемых видов энергии может достаточно эффективно снизить процент выбросов в атмосферу вредных веществ, то есть в какой-то степени решить одну из важных экологических проблем. Энергия моря может с полным основанием быть причисленной к таким источникам.

Приливные энергоустановки: схемы, конструкции и основные

характеристики

Уровень воды на морских побережьях в течение суток меняется три раза. Такие колебания особо заметны в заливах и устьях рек, впадающих в море. В ХVIII веке английский физик Исаак Ньютон разгадал тайну морских приливов и отливов: огромные массы волы в мировом океане приводятся в движение силами притяжения Луны и Солнца. Через каждые 6 и 12 часов прилив сменяется отливом. Максимальная амплитуда приливов в разных местах нашей планеты неодинакова и составляет от 4 до 20 м.

Приливные электростанции сооружаются на побережье морей и океанов со значительными приливно-отливными колебаниями уровня воды. Для этого естественный залив отделяется от моря плотиной и зданием приливной электростанции (ПЭС). При приливе уровень моря будет выше уровня воды в отделенном от него заливе, а при отливе, наоборот, ниже уровня воды в заливе. Перепады этих уровней создают напор, который используется при работе гидротурбины ПЭС. Принципиальная схема ПЭС показана на рисунке 10.1 – фрагмент IV.

Для устройства простейшей ПЭС нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит.

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 морских заливах приливы достигают 10 ÷ 12 м, а наибольшие приливы наблюдаются в заливе Фанди (Канада) и достигают 19,6 м.

В приливных электростанциях двустороннего действия турбины работают при движении воды из моря в бассейн и обратно. ПЭС двустороннего действия способна вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4 ÷ 5 ч с перерывами в 1 ÷ 2 ч четыре раза в сутки. Для увеличения времени работы турбин существуют более сложные схемы – с двумя, тремя и большим количеством бассейнов, однако стоимость таких проектов весьма высока.

Энергетические установки, преобразующие энергию океана

Электростанции, используемые энергию океанических волн, существуют пока только в стадии научно-исследовательских разработок и научных идей. Рассмотрим принципиальные идеи и перспективы использования некоторых из них.

Наиболее простым и достаточно эффективным является устройство профессора Эдинбургского университета С. Солтера (рис. 8.1.) Это устройство преобразовывает колебательное движение жидкости во вращательно-колебательное движение поплавка, называемого "уткой".

Рисунок 10.1. Поплавок Солтера

Волны слева от поплавка заставляют его колебаться вокруг заякоренной оси, а цилиндрическая противоположная поверхность препятствует перемещению волны вправо, то есть, прерывает движение волны, отбирая ее энергию. Полезная мощность снимается с оси вращательно-колебательной системы.

Данное устройство пропускает не более 5% энергии волны вправо, то есть, является достаточно эффективным. На рисунке 8.2 показана зависимость к.п.д. устройства Солтера от периода колебаний волны при диаметре 15 метров.

Устройство Солтера работает независимо от направления волны, что позволяет использовать его в открытом океане на глубокой воде. Предлагается нить таких поплавков протяженностью несколько километров установить в районе западнее Гебридских островов (Атлантический океан). Предполагаемая мощность такой станции 100 МВт.

Другой тип преобразователя энергии волны в электроэнергию использует колебания давления газа, защемляемого столбом воды (рисунок 10.3).

Рисунок 10.2. Энергетическая эффективность поплавка Солтера

 
 


а б

Рисунок 10.3. Установка для преобразования энергии волны

а – подъем волны, б – спад волны

Установка работает следующим образом.

При подъеме волны нижняя полость заполняется водой, которая вытесняет газ через левый нижний клапан в верхнюю полость и через правый верхний клапан в атмосферу. Газ, проходя через турбину, вращает ее, которая в свою очередь вращает генератор.

При спаде волны уровень в нижней полости падает, создавая разрежение. Воздух из атмосферы засасывается через верхний левый клапан в верхнюю полость, проходит через турбину, вращая ее, и далее поступает через правый нижний клапан в нижнюю полость.

Таким образом турбина вращается в одну сторону и при подъеме и при спаде волны, а не совершаются вращательно-колебательные движения, как в поплавке Солтера.

Уже имеются коммерческие установки такого типа, работающие по принципу изменения давления газа, правда, небольшой мощности. Такие установки используются для электроосвещения аварийных буйков.

Схема действия приливной энергоустановки приведена на рисунке 10.4

Рисунок 10.4. Схема приливной электростанции

Приливные электростанции устанавливаются на входе в бассейн высокого прилива на высоте, несколько меньшей нижнего уровня воды при отливе. Это дает возможность использовать оба направления движения воды (и при приливе, и при отливе). Естественно необходима система реверсирования, подобная представленной на рисунке 10.3, или реверсивная турбина. Принцип действия приливной электростанции /9/ понятен из рисунка 10.4 и не требует дополнительных пояснений.

Рисунок 10.5. Схема электростанции на тепловой энергии океана

1 – подача теплой воды, 2 – испаритель, 3 – насос подачи рабочей жидкости, 4 – турбина, 5 – генератор, 6 – конденсатор, 7 – подача холодной воды, 8 – поверхность океана, 9 – океанические глубины.

Приливные электростанции в отличие от волновых имеют практическое применение. Этому способствовали более низкие затраты на транспортировку электроэнергии, и высокая регулярность и предсказуемость энергии приливов.

Схема электростанции, использующая тепловую энергию океана, показана на рисунке 10.5.

Приведенная на рисунке 10.5. электростанция по сути является тепловой машиной, приводимой в действие разностью температур холодного и горячего тела, и вращающей генератор. Рабочее тело (легко испаряемая жидкость) циркулирует по замкнутой схеме: отбирает тепло горячей воды в теплообменнике испарителя, в паровой фазе приводит в действие турбину, соединенную с генератором, конденсируется в конденсаторе, охлаждаемом холодной водой. Затем цикл повторяется. Электростанции, работающие за счет разности температур слоев океана, находятся в стадии научно-исследовательских разработок, коммерческих проектов пока нет.

Лекция 11


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



Сейчас читают про: