Физические основы работы ОГЭС
Существуют многочисленные океанические течения, которые не всегда связаны с приливами. Известны океанские течения, скрытые толщей поверхностных вод и часто лишь достаточно тонкими пограничными слоями отделенные от поверхности, а также различные вихри, возникающие в открытом океане под воздействием метеорологических возмущений и крупномасштабной гидродинамической неустойчивости.
В природе известны постоянно действующие вихри. Один из них находится в 400 км от Огасавары (Япония). Он представляет собой водоворот диаметром около 200 км, поднимающийся с глубины 3 км почти до самой поверхности. 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.
И все же наибольший практический интерес вызывают течения, связанные с приливами.
К особенностям приливной волны следует отнести её большую длину по сравнению с глубиной моря и практически мало меняющуюся скорость течения по всей толщине слоя воды. Это дает возможность использовать кинетическую энергию потока аналогично тому, как это делается в ветроэнергетических установках.
Строительство крупных ветроэнергетических установок (ВЭУ) с диаметром колеса до 200 метров затруднительно из-за ограничений, связанных с прочностью материалов и массами элементов установки. Для турбин, работающих в морской среде, массовые ограничения менее существенны из-за действия на элементы конструкции силы Архимеда. Повышенная плотность морской воды (на три порядка) позволяет уменьшить столь существенное для воздушных турбин воздействие вибраций, вызывающих усталостное разрушение материалов.
Важным достоинством океанских течений в качестве источника энергии по сравнению с ветровыми потоками является отсутствие резких изменений скорости. При достаточном заглублении в толщу воды турбины океанских гидроэлектростанций 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 значения скорости потоков, устойчивость её по величине и направлении, удобная для строительства и обслуживания география дна и побережья.
Удаленность ОГЭС от побережья приводит к удорожанию транспортирования энергии и обслуживания этих станций. Большие глубины требуют увеличения затрат на сооружение и обслуживание якорных систем, что препятствует на данный момент строительству ОГЭС в открытом океане, где течения наиболее мощны.
При средних и малых глубинах, особенно в местах образования приливных течений, важную роль играет топография дна.
В качестве недостатков ОГЭС отметим также необходимость создания и обслуживания громадных конструкций в морской воде, подверженность этих конструкций коррозии и обрастанию водорослями, а также трудности при передаче энергии.
Существующие генераторы энергии на базе морских течений условно можно разделить на две группы. К первой относятся те, в основу которых положен принцип преобразования скоростного напора воды во вращательное движение турбин. Ко второй, менее многочисленной, группе можно отнести преобразователи энергии, основанные на других физических принципах (объемные насосы, упругие преобразователи и пр.).
По типу установки преобразователей можно выделить две основные схемы: сооружения, закрепляемые на морском дне, и плавающие в толще воды на якорной цепи.
Родоначальником устройств первой группы является водяное колесо (рис.9.13 а). В его совершенствовании наблюдаются две основные тенденции. Одна направлена на улучшение его характеристик за счет оптимизации конструкции лопастей, ферм, механизмов передачи энергии, расположения по отношению к потоку, применения современных материалов и т. п., другая – на принципиальное изменение представлений о конструкции колеса.
Ленточное колесо более компактно, требует меньше материалов, подвержено воздействию атмосферы. Подобное устройство может быть установлено на понтонах с таким расчетом, чтобы нижние лопасти входили в воду, а верхние оставались «сухими » (рис. 9.13, б).
Эффективность преобразования скоростного напора воды повышается за счет того, что сразу несколько лопастей оказываются под его влиянием. Однако увеличение числа лопастей ленточного колеса не приводит к существенному увеличению вращающего момента.
На базе ленточного колеса созданы устройства, полностью погружаемые в толщу воды. Для них предлагается несколько способов уменьшения сопротивления при встречном движении части ленты. Это и сооружение воздушной камеры над колесом (рис. 9.13, в) и применение различных вариантов механизмов складывания лопастей (рис.9.13, г).
Наибольшие надежды гидроэнергетики, занимающиеся разработкой преобразователей энергии океанских течений, связывают с агрегатами, с помощью которых могут быть получены значительные энергетические мощности. В качестве вариантов таких устройств рассматриваются рабочее колесо в виде свободного пропеллера, пропеллера в насадке, водяной аналог турбины Дарье, системы с управляемым крылом. Во всех этих конструкциях главным преобразующим элементом является крыловой профиль, обтекание которого создает гидродинамическую силу, заставляющую турбины вращаться.
Наилучшими показателями обладает турбина, выполненная в виде рабочего колеса с горизонтальной осью в насадке (рис. 9.14). Это объясняется тем, что такое колесо меньше возмущает поток, не так сильно, как свободное, вовлекая жидкость во вращательное движение. Насадок отделяет возмущенную часть потока от невозмущенного и создает некоторую концентрацию энергии. Форму насадка выбирают так, чтобы обеспечить безотрывное течение потока на подходе к турбине, сделать всю систему устойчивой и максимально снизить завихренность потока на выходе из неё. Турбина жестко соединяется с генератором (рис. 9.15).
Рис. 9.13. Эволюция водяного колеса: а – колесо – прототип; б – ленточное колесо на плавучем основании; в – ленточное колесо в толще потока; г – ленточное колесо со складными лопастями
К преобразователям энергии потоков второго типа можно отнести разные устройства. Одно из них называется объемным насосом, схема которого представлена на рис. 9.16. Основную его часть составляет неподвижно закрепленное в потоке сопло Вентури. В узком сечении сопла из-за увеличении скорости жидкости происходит падение статического давления, используемое для засасывания воздуха с поверхности. В выходном сечении скорость потока уменьшается, давление растет, и сжатый воздух вытесняется из потока в напорную камеру, откуда поступает в воздуховод турбины, соединённой с электрогенератором.
Несмотря на ряд преимуществ ОГЭС, для их широкого применения необходимо преодолеть определенные технические трудности.
в)
Рис. 9.14. Варианты схем перспективных турбин для ОГЭС:
а – свободный ротор: 1 – крыльчатка; 2 – вал ротора;
б – ротор в насадке: 1 – крыльчатка; 2 – вал ротора; 3 – насадка;
в – ротор, устанавливаемый поперек потока: 1 – крыльчатка; 2 – вал ротора; 3 – опора
Рис. 9.15. Схема роторной электростанции на приливном течении
Морская вода является очень коррозионноопасной. Элементы конструкций приходится красить, гальванизировать или использовать материалы, не подвергающиеся коррозии. В настоящее время чаще всего применяют сталь, причем потери материала благодаря коррозии компенсируют увеличением толщины элементов конструкций. Кроме того, коррозия и разные отложения могут отрицательно повлиять на гидродинамические характеристики лопастей. Очевидно, необходимо организовывать контроль состояния наиболее опасных элементов, осуществлять их ремонт и замену.
Рис. 9.16. Схема объемного насоса:
1 – профилированный корпус; 2 – шахта воздухозаборника; 3 – воздухосборник; 4 – выхлопная шахта; 5 – воздушная турбина с электрогенератором
Большая плотность воды по сравнению с воздухом приводит к появлению больших осевых нагрузок.
Так, максимальная осевая нагрузка для турбины с диаметром 60 м составит около 60 т. Её должны выдержать турбина и якорная система. Современный опыт создания морских сооружений в Северном море показывает, что эта задача разрешима, хотя и потребуются дополнительные капитальные вложения.
По мере увеличения размеров турбин появляется опасность кавитации, которая обычно возникает в гребных винтах морских судов и приводит к их разрушению.
Перспективы ОГЭС
Первая промышленная установка пропеллерного типа была создана в Великобритании. Под действием приливного течения одиннадцатиметровые лопасти несущего винта вращаются со скоростью 20 оборотов в минуту и через трансмиссионную систему приводят в движение электрогенератор мощностью 300 кВт. Стоимость такой сравнительно маломощной установки составляет 4,5 млн дол. США, что в 15 раз дороже тепловой электростанции той же мощности.
Впервые удалось достичь практических результатов при использовании морских течений для производства электричества.
Ещё более перспективными считаются электростанции, работающие не на приливных, а постоянных морских течениях.
Самое известное морское течение – Гольфстрим. Его основная часть проходит через Флоридский пролив между полуостровом Флорида и Багамскими островами. Ширина течения составляет 60 км, глубина до 800 м, а поперечное сечение 28 км2. При скорости воды 0,9 м/с можно было бы получить мощность 50 000 МВт. Практически можно использовать лишь 10 % этой мощности.
Согласно программе «Кориолис» (США) предусматривается установка во Флоридском проливе в 30 км восточнее город Майами 242 турбин с двумя рабочими колесами, вращающимися в противоположных направлениях. Пара рабочих колес размещается внутри полой камеры из алюминия, обеспечивающей плавучесть турбины. Для повышения эффективности лопасти колёс предполагается сделать достаточно гибкими.
Вся система «Кориолис» общей длиной 60 км будет ориентирована по основному потоку. Ширина её при расположении турбин в 22 ряда по 11 турбин в каждом составит 30 км. Агрегаты предполагается отбуксировать к месту установки и заглубить на 30 м, чтобы не препятствовать судоходству.
Полезная мощность каждой турбины с учетом затрат на эксплуатацию и передачи на берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности в электроэнергии штата Флориды на 10 %.
Первый опытный образец подобной турбины диаметром 1,5 м был испытан во Флоридском проливе. Разработан проект турбины с рабочим колесом диаметром 12 м и мощностью 400 кВт.
Предполагается, что некоторые из предлагавшихся океанских энергетических установок могут быть созданы и стать рентабельными уже в ближайшее время.
По сравнению с ветровыми преобразователями океанские турбины в этом плане имеют преимущество: критический размер крыла, при котором в нем достигается предел прочности материалов для таких турбин, выше. Но есть ограничения, связанные и с водой: при слишком большой длине крыла на смену изгибающим моментам, возникающим под действием 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 м. Накопленный к настоящему времени опыт строительства эксплуатационных платформ для добычи нефти и газа водоизмещением в сотни тысяч тонн показывает, что такие объекты могут быть созданы.