Энергии приливов и морских течений

Приливные колебания уровня в огромных океанах планеты вполне предсказуемы. Основные периоды этих колебаний - суточные, продолжительностью около 24 ч, и полусуточные - около 12 ч 25 мин. Разность уров­ней между последовательными самым высоким и самым низким уровнями воды - высота прилива R. Диапазон изменения этой величины составляет 0,5-10 м. Первая цифра наиболее характерна, вторая достигается и даже превосходится лишь в некоторых особенных местах вблизи побережья континентов. Во время приливов и отливов перемещение водных масс образует приливные течения, скорость которых в прибрежных проливах и между островами может достигать примерно 5 м/с.

Поднятую на максимальную высоту во время прилива воду можно от­делить от моря дамбой или плотиной в бассейне площадью А. Места с большими высотами приливов обладают большими потенциалами приливной энергии. Однако не только этот фактор важен для развития приливной энергетики: надо принимать во внимание и капитальные затраты, и будущую прибыль от создания соответствующих приливных электростанций (ПЭС).

Энергия приливных течений может быть преобразована подобно тому, как это делается с энергией ветра. Преобразование энергии приливов использовалось для приведения в действие сравнительно маломощных устройств еще в средневековой Англии и в Китае. Из современных ПЭС наиболее хо­рошо известны крупномасштабная электростанция Ране мощностью 240 МВт, расположенная в эстуарии реки Ла Ране, впадающей в залив Сен Мало (Бретань, Франция), и небольшая опытная станция мощностью 400 кВт в Ки­слой губе на побережье Баренцева моря (Россия). Из мест, которые давно приковывают внимание гидростроителей, следует назвать эстуарий реки Се­верн в Великобритании и залив Фанди на восточном побережье Северной Америки на границе между США и Канадой. Характеристики мест возмож­ного строительства ПЭС в России приведены в таблице 1.

Таблица 1

Основные места концентрации приливной энергии

Месторасположение	Средняя высота прилива, м	Площадь бассейна, км2	Потенциал
Средняя мощность, ГВт	Годовая выработка, ТВт.ч
Мезенский залив	6,0	2330,0	15,2	50,0
Пенжинская губа	6,2	20530,0	87,4	190,0
Тугурский залив	4,7	1800,0	10,3	27,6

Высота, ход и периодичность приливов в большинстве прибрежных районов хорошо описаны и проанализированы благодаря потребностям навигации и океанографии. Поведение приливов может быть предсказано доста­точно точно, с погрешностью менее 4%. Таким образом, приливная энергия оказывается весьма надежной формой возобновляемой энергии.

При ее преобразовании возникают и определенные неудобства:

- несовпадение основных периодов возникновения приливов (12 ч 25 мин и 24 ч 50 мин), связанных с движением Луны, с привычным для человека периодом солнечных суток (24 ч), в связи с чем оптимум приливной генерации находится не в фазе с потребностями в энергии;

- изменение высоты прилива и мощности приливного течения с периодом в две недели, что приводит к колебаниям выработки энергии;

- необходимость создания потоков воды с большим расходом при сравнительно малом перепаде высот, что заставляет использовать большое число турбин, работающих параллельно;

- очень высокие капитальные затраты на сооружение большинства предполагаемых ПЭС;

- потенциальные экологические нарушения и изменение режимов эстуариев и морских районов.

Вблизи побережья и между островами приливы могут создавать достаточно сильные течения, пригодные для преобразования энергии. Устройства для преобразования энергии приливных течений будут практически сходны с аналогичными устройствами, приводимыми в действие течениями рек.

Соотношения, позволяющие оценить мощность приливных течений, подобны тем, которые используются в ветроэнергетике, при этом следует иметь в виду, что плотность воды во много раз выше плотности воздуха, а скорости течения воды сравнительно низки.

Плотность мощности потока воды, Вт/м², равна

В случае приливного или речного течения при скорости, например, 3 м/с Вт /м². Только часть полной энергии потока может быть преобразована в полезную. Как и для ветра, это значение ή не может превышать 60 %. На практике оказывается, что ή можно довести максимум до 40 %.

Скорости приливных течений изменяются во времени примерно как

где τ - период естественного прилива, 12 ч 25 мин для полусуточного;

V₀ - максимальная скорость течения, м/с.

Таким образом, электрическая мощность, снимаемая с 1 м² площади поперечного сечения потока (с учетом 40 %-ной эффективности преобразова­ния энергии потока в электрическую), в среднем равняется

При максимальной скорости около 5 м/с, встречающейся в проливах между островами, кВт/м². Перекрыв площадь 1000 м², можно получить полную среднюю мощность электростанции около 14 МВт.

Уже разработан целый ряд современных устройств для преобразования энергии приливных течений, один из которых показан на рисунке 8. Капитальные затраты на создание подобных устройств в расчете на 1 кВт установленной мощности достаточно высоки, поэтому их строительство целесо­образно лишь в отдаленных районах с высокими скоростями приливных те­чений, где любые альтернативные источники энергии еще более дороги.

Рисунок 8. Схема электростанции на приливном течении

Основы теории приливной энергетики достаточно просты. Предполо­жим, что бассейн ПЭС наполняется при высокой воде и опустошается через турбины при малой воде (рисунок 9). Пусть бассейн имеет постоянную пло­щадь А, остающуюся покрытой водой при малой воде. Допустим, что посту­пившая в бассейн вода имеет массу , сосредоточенную в центре тяжести на высоте от уровня малой воды, и что вся вода вытекает из бассейна при малой воде. Потенциально максимальную энергию от прилива можно получить, если вся вода падает с высоты . В этом случае энергия прилива

Рисунок 9. Схема извлечения приливной энергии

Если энергия преобразуется в течение продолжительности периода прилива, то средняя потенциальная мощность за приливный период оказыва­ется равной

На практике в системе, использующей срабатывание запаса воды из заполняемого в прилив бассейна, несмотря на достаточно высокую эффективность преобразования получить максимальную мощность нельзя. Этому пре­пятствуют следующие обстоятельства.

Генерирование электроэнергии не может быть обеспечено вплоть до условий малой воды, таким образом, часть потенциальной энергии прилива не может быть преобразована.

Турбины ПЭС должны работать при низком напоре и при больших скоростях потоков - условия необычные для имеющейся обычной гидроэнергетической практики.

Невозможно равномерно снабжать потребителей электроэнергией из-за изменения уровня воды в бассейне.

На рисунке 8 показано, что ПЭС может работать как при опустошении бассейна, так и при его наполнении. Оптимальная станция, использующая реверсируемые гидроагрегаты, которые, кроме того, можно еще использовать и в насосном режиме для повышения уровня в бассейне, может перерабаты­вать до 90 % потенциальной энергии прилива.

Механическая мощность, которую можно извлечь из океанского тече­ния, определяется тем же соотношением, которое используется для оценки этой величины в ветроэнергетике:

Коэффициент преобразования энергии, зависящий от типа турбины, для выполнения приближенных расчетов можно принять равным 0,6 для сво­бодно вращающегося рабочего колеса и 0,75 для того же колеса в насадке. Строительство крупных ветровых турбин (диаметром до 200 м) практически невозможно из-за ограничений, связанных с прочностью материалов и массовыми характеристиками подобных устройств. Для турбин, работающих в морской среде, массовые ограничения менее существенны из-за действия на элементы конструкций силы Архимеда. Повышенная плотность воды позволяет, кроме того, уменьшить столь существенное для воздушных турбин воз­действие вибраций, вызывающих усталостное разрушение материалов.

Важное достоинство океанских течений в качестве источников энергии по сравнению с ветровыми потоками - отсутствие резких изменений скоро­сти (сравните с изменениями скорости при порывах ветра, при ураганах и т.п.). При достаточном заглублении в толщу воды турбины ОГЭС надежно защищены от волн и штормов на поверхности. Для эффективного использо­вания течений в энергетике необходимо, чтобы они обладали определенными характеристиками. В частности, требуются достаточно высокие скорости потоков, устойчивость по скорости и направлению, удобная для строительства и обслуживания география дна и побережья. Удаленность от побережья вле­чет удорожание транспортировки энергии и обслуживания этих станций, как, впрочем, и любых других. Большие глубины требуют увеличения затрат на сооружение и обслуживание якорных систем, малые -создают помехи судоходству. Именно географические факторы не позволяют сейчас говорить о строительстве ОГЭС в открытом океане, где несут свои воды наиболее мощ­ные течения. При средних и малых глубинах, особенно в местах образования приливных течений, важную роль играет топография дна.

В качестве недостатков преобразователей энергии океанских течений следует отметить необходимость создавать и обслуживать гигантские конст­рукции в морской воде, подверженность этих конструкций обрастанию и коррозии, трудности передачи энергии.

По аналогии с ВЭУ существующие преобразователи энергии течений можно условно разделить на две группы. К первой целесообразно отнести те из них, в основу которых положен принцип преобразования скоростного на­пора во вращательное движение турбин. Ко второй, менее многочисленной, группе относят преобразователи, основанные на других физических принци­пах (объемные насосы, упругие преобразователи и др.).

Для характеристики схем установки преобразователей можно выделить две основные схемы - сооружений, закрепляемых на морском дне, и соору­жений, плавающих в толще воды и заякоренных к дну.

Родоначальником устройств первой группы по праву считают водяное колесо (рисунок 10, а). В совершенствовании водяного колеса наблюдаются две основные тенденции. Одна - собственно улучшение показателей колеса (за счет оптимизации конструкции ферм, лопастей, механизмов передачи энергии, расположения по отношению к потоку, применения современных материалов и т.п.), другая - принципиальное изменение представлений о ко­лесе.

а - колесо-прототип; б - ленточное колесо на плавучем основании; в - ленточное колесо в толще потока; г - лен­точное колесо со складными лопастями.

Рисунок 10. Эволюция водяного колеса

Ленточное колесо (рисунок 10, б) оказывается более компактным, тре­бует меньше материалов, менее подвержено воздействию атмосферы. По­добное устройство может быть установлено в потоке на понтонах с таким расчетом, чтобы нижние лопасти входили в воду, а верхние оставались «су­хими». Эффективность преобразования скоростного напора повышается за счет того, что сразу несколько лопастей оказываются под воздействием по­тока. Однако, простое увеличение числа лопастей ленточного колеса не при­ведет к существенному увеличению момента на валах.

На базе ленточного колеса созданы устройства, полностью погружае­мые в толщу потоков (рисунок 10, в, г). Для таких устройств предлагается не­сколько способов уменьшения сопротивления движению ленты во время хо­лостого хода. Это и сооружение воздушной камеры над колесом и примене­ние различных вариантов механизмов складывания лопастей.

Наибольшие надежды гидроэнергетики, занимающиеся разработкой преобразователей энергетики океанских течений, связывают с агрегатами, с помощью которых могут быть получены значительные единичные мощно­сти. В качестве вариантов таких устройств рассматриваются рабочее колесо в виде свободного пропеллера, пропеллера в насадке, водяной аналог турбины Дарье, системы с управляем крылом (рисунок 11, а-в). Во всех этих конструкциях, так же как и у перспективных ветровых турбин, главный преобразующий элемент – Крыловой профиль, обтекание которого потоком создает гидродинамическую силу, заставляющую турбины вращаться.

Наилучшими показателями обладает турбина, выполненная в виде рабочего колеса с горизонтальной осью в насадке. Это объясняется тем, что такое рабочее колесо меньше возмущает поток, не так сильно, как свободное, вовлекая жидкость во вращательное движение.

Насадок как бы отделяет возмущенную часть потока от невозмущенной и в то же время обеспечивает некоторую концентрацию энергии. Форму насадка выбирают из такого расчета, чтобы обеспечить плавное безотрывное течение потока на подходе к турби­не, сделать всю систему устойчивой на потоке, максимально снизить завихренность потока на выходе из нее.

а - свободный ро­тор; б — ротор в насадке; в — ротор, устанавливаемый поперек потока.

Рисунок 11. Варианты схем перспективных турбин для ОГЭС

Увеличения мощности одного такого агрегата можно достигнуть за счет удлинения крыла. По сравнению с ветровыми преобразователями океан­ские турбины в этом плане имеют преимущество: критический размер крыла, при котором в нем достигается предел прочности материалов для такой тур­бины выше. Но есть ограничения и в воде: при слишком большой длине кры­ла на смену изгибающим моментам, создаваемым под воздействием силы тяжести, приходят моменты, создаваемые силой давления потока.

Другое ограничение диаметра рабочего колеса связано с технологиче­скими трудностями при постройке и установке столь громоздких сооружений в океане. Специалисты сходятся во мнении, что диаметр турбин в насадках вряд ли превысит 200. Накопленный к настоящему времени опыт строительства эксплуатационных платформ для добычи нефти и таза водоизмещением в сотни тысяч тонн показывает, что такие объекты могут быть созданы.

Рассмотрим преобразователи энергии потоков, относящиеся по нашей классификации ко второй группе, и, прежде всего, устройства типа объемно­го насоса. На рисунке 12 изображена одна из схем такого устройства, в осно­ве которого - неподвижно закрепленное в потоке сопло Вентури.

1 - профилированный корпус; 2 - шах­та воздухозаборника; 3 - воздухосборник; 4 - вых-лопная шахта; 5 - воздуш­ная турбина с электрогенератором.

Рисунок 12. Схема объемного насоса

В пережа­том сечении сопла из-за увеличения скорости жидкости происходит падение статического давления, которое может быть использовано, например, для засасывания воздуха с поверхности. В выходном сечении уже сжатый воздух вытесняется из потока в напорную камеру, откуда поступает в воздуховод турбины, соединенной с электрогенератором. При умеренных степенях пережатия потока работа такого устройства может быть описана с помощью уравнения Бернулли. В этом случае перепад давлений, который создается насосом,

где - отношение площадей входного и минимального сечении конфузора.

Производительность такого насоса зависит от расхода жидкости через сечение насоса и может быть доведена примерно до 20 % объемного расхода. Эжекционные свойства сильно зависят от способа ввода в поток подсасываемого газа.

Перечень различных вариантов преобразователей можно продолжить, но важно отметить, что со временем могут быть открыты как более эффек­тивные способы преобразования энергии потоков в океане, так и новые гидродинамические явления, которые потребуют принципиально новых разработок. Уже сейчас можно обратить внимание на энергию океанских проти­вотечений, скрытых толщей поверхностных вод и часто лишь достаточно тонкими пограничными слоями отделенных от поверхностных; энергию различных вихрей, возникающих в открытом океане под воздействием метеорологических возмущений и крупномасштабной гидродинамической неустой­чивости в океанах. Известны даже постоянно действующие вихри. Один из них находится в 400 км от Огасавары (Япония) в Тихом океане. Он представ­ляет собой водоворот диаметром около 200 км, поднимающийся с глубины 3 км почти до самой поверхности. Примечательна одна из особенностей водо­ворота - примерно через каждые 100 дней он изменяет направление враще­ния на обратное. По оценкам японских ученых удельные энергетические ха­рактеристики этого водоворота значительно выше, чем у ряда океанских те­чений.

Расчет волнового течения

Соотношение, устанавливающее зависимость между частотой и длиной для поверхностной волны на глубокой воде

Период движения волны

ч

Скорость частицы жидкости в гребне волны

м/с

Скорость перемещения поверхности волны

м/с

Полная кинетическая энергия на единицу ширины волнового фронта и единицу длины вдоль направления распространения волны равна

Вт

Нормированная потенциальная энергия волны

Вт

Полная энергия на единицу площади поверхности

Вт

Экология энергии океана

При преобразовании любых видов океанической энергии неминуемы определенные изменения естественного состояния затрагиваемых экосистем.

К отрицательным последствиям работы установок, использующих термальную энергию океана, можно отнести возможные утечки в океан аммиака, пропана или фреона, а также веществ, применяемых для промывки теплообменников (хлор и др.). Возможно значительное выделение углекислого газа из поднимаемых на поверхность холодных глубинных вод из-за снижения в них парциального давления СО₂ и повышения температуры, Выделение СО₂ из воды при работе океанических ТЭС предположительно на 30% больше, чем при работе обычных ТЭС той же мощности, использующих органическое топливо. Охлаждение вод океана вызывает увеличение содержания питательных веществ в поверхностном слое и значительный рост фитопланктона. При подъеме к поверхности глубинные микроорганизмы будут загрязнять океан и придется применять специальные меры для его очистки.

Строительство ПЭС сказывается неблагоприятно на состоянии прибрежных земель, самого побережья и аквальной вдольбереговой полосы: изменяются условия подтопления, засоления, размыва берегов, формирование пляжей и т. д. Изменение движения грунтовых вод влияет на динамику засоления прибрежных земель.

На ПЭС в КНР изучены закономерности отложения наносов в водохранилище ПЭС и за плотиной, а также мероприятия по борьбе с ними. Эксплуатация ПЭС «Ране» во Франции показала, что принятая в ее проекте однобассейновая схема двухстороннего действия максимально сохраняет природный цикл колебаний бассейна и гарантирует тем самым экологическую безопасность приливной энергии.

Использование энергии волн на глубоководных местах в открытом океане сказывается на процессах в акватории океана. Преобразователи размещаются далеко от берега и не оказывают отрицательного действия на устойчивость побережья.

При установке преобразователей вблизи побережья возникают проблемы эстетического характера, так как они видны с берега. Цепочка устройств типа ныряющих уток Солтера длиной в несколько километров выглядит эстетически менее привлекательно, чем группа продуманно размещенных отдельно стоящих преобразователей энергии. Кроме того, непрерывная линия преобразователей в отличие от отдельно расположенных установок может стать препятствием для навигации и оказаться опасной для судов во время сильных штормов.

Один из важных вопросов влияния на окружающую среду преобразования энергии волн в прибрежной зоне – это воздействие на процессы в ее пределах. Вещества, перемещаемые волнами, называются прибрежными наносами. Движение их необходимо для стабилизации береговой полосы, т. е. баланса между эрозией и отложениями. В связи с этим цепь из преобразователей энергии волн целесообразно устанавливать в местах намечаемых волноломов, чтобы они выполняли двойную функцию: использование энергии волн и защиту побережья.

Неблагоприятные экологические последствия в гидротермальной энергетике:

- утечки в океан аммиака, фреона, хлора и др.;

- выделение СО₂ из воды;

- изменение циркуляции вод, появление региональных и биологических аномалий под воздействием гидродинамических и тепловых возмущений;

- изменение климата.

Неблагоприятные экологические последствия в приливной энергетике:

- периодическое затопление прибрежных территорий, изменение землепользования в районе ПЭС, флоры и фауны акватории;

- строительное замутнение воды, поверхностные сбросы загрязненных вод.

Неблагоприятные экологические последствия в волновой энергетике:

- эрозия побережья, смена движения прибрежных песков;

- значительная материалоемкость;

- изменение сложившихся судоходных путей вдоль берегов;

- загрязнение воды в процессе строительства, поверхностные сбросы.