Использование энергии океанических течений

Морские течения переносят громадное  количество воды. Например, сток Гольфстрима уже в его начале (при выходе из Мексиканского пролива) составляет 25 млн. м³ /с, что в 20 раз превышает расход всех рек земного шара! При скорости потока 6... 10 км/ч мощность Гольфстрима на этом участке равна 30...100 млн. кВт. В дальнейшем, при выходе в атлантический океан, расход воды в Гольфстриме возрастает в несколько раз и к 33-й параллели северной широты достигает 82 млн. м³/с. Соответственно увеличивается и энергетическая мощность потока. Такие цифры свидетельствуют о колоссальных энергоресурсах морских течений.

И, наконец, третья особенность морских течений - их наличие в большинстве участков акватории Мирового океана и внутренних морей. Морские течения омывают берега всех континентов. Не является исключением и та часть Евразийского материка, на котором расположена Россия. Восточно-Гренландское и Норвежское течения входят с Запада в Северный Ледовитый океан, достигают своими ветвями Баренцева, Белого и Карского морей и заполняют значительную часть объема Северного Ледовитого океана, вплоть до Берингова пролива; берега Чукотки, Камчатки, Курильских островов, Сахалина, Охотского моря омывает Камчатское течение. Во внутренних морях России - Каспийском и Черном - течения носят круговой характер при движении воды вдоль берегов против часовой стрелки (в Черном море избыток воды, вносимой реками, сбрасывается через пролив Босфор в Мраморное море).

Таким образом, морские течения представляют собой  мощные, возобновляемые, постоянные источники  энергии, причём сами течения играют роль линий энергопередач, по которым солнечная энергия, воспринятая водой океанов и морей, подводится к местам ее потребления на берегах материков. Течения охватывают большую часть земного шара, так, что их совокупность можно рассматривать, как созданную самой природой единую систему морских энергопередач. К сожалениию, пока эта энергосистема работает на холостом ходу. Чтобы это изменить, необходимо решить два вопроса.

Во-первых, разработать надежную конструкцию  специальных гидротурбин, предназначенных для работы при малых напорах и больших объемных расходах воды. В США спроектирована гидротурбина диаметром 170м и длиной 80м для установки на якорях на глубине 30м под поверхностью океана. При скорости течения 5...7 м/с такая турбина должна иметь мощность 50 тыс. кВт. Предполагается разместить 200 таких турбин в 30км от побережья Флориды. Общая мощность составит 10 млн. кВт. Но сколь долго смогут надежно работать эти турбины в морской воде? Как их зафиксировать на заданной глубине? Не разрушится ли турбина в штормовую погоду? Как передавать электроэнергию под водой? Для ответа на эти вопросы решено пока построить и испытать турбину диаметром 10 м.

Вторая  группа вопросов касается экологических  сторон проблемы утилизации энергии  морских течений. Да, такие гидростанции не загрязняют выбросами окружающую среду, но при использовании тех громадных мощностей, которые имеют океанские течения, влияние гидротурбин на условия движения воды, климат, на жизнь биологических объектов, населяющих океан, примет глобальный характер, и уверенности, что оно окажется безвредным, нет. Об этом говорит опыт строительства и эксплуатации крупных речных гидростанций.

4. Использование энергии океанических течений для получения электроэнергии.

Из всех океанских источников течения характеризуются  самой низкой плотностью энергии (величина эквивалентного их динамическому давлению столба жидкости равна всего 0,05 м  при скорости 1 м/с и только 5 м  при скорости 10 м/с). Без учета  трудностей создания и обслуживания гигантских сооружений в толще океанских  вод, необходимых для утилизации их кинетической энергии, они эффективнее, пожалуй, только преобразователей солнечной  энергии в умеренных широтах, где с поверхности площадью 1 м2 можно получить не более 100 Вт. С такой же площади в поперечном сечении океанского течения, имеющего скорость 1 м/с, можно получить около 600 Вт электрической мощности.

Только 0,02 % солнечной энергии, поступающей  в Мировой океан, преобразуется  в нем в кинетическую энергию  течений, но и это достаточно внушительная величина: при мощности 5-7 ТВт она  составляет примерно 60 • 1012 кВт-ч/год (современное потребление энергии в мире составляет примерно 80-1012 кВт- ч/год). Приблизительно 20% этой энергии идет на преодоление сил трения, а остальное расходуется на перенос водных масс из одних районов Мирового океана в другие.

В процессе этого переноса водные массы перераспределяют по планете избыток тепла, биогенных  элементов, уменьшают концентрацию загрязнений в местах их поступления  в океан, т. е. обеспечивают океану роль природного демпфера опасных отклонений жизненно важных показателей среды. Этот перенос идет с различными скоростями: от нескольких сантиметров до нескольких метров в секунду. Он происходит и  по горизонтали и по вертикали, обеспечивая  полный обмен водными массами  между различными частями Мирового океана примерно один раз в 1000 лет.

Причины, вызывающие движение водных масс в  океанах, различны. Здесь и действие сил, связанных с образованием градиентов давлений, и влияние ветров над  океанской поверхностью, и приливы. В результате сложной связи этих факторов между собой, вращения Земли, взаимодействия образующихся потоков с неровностями дна и берегами в океане возникают совершенно удивительные по своим свойствам течения, в которых энергия концентрируется настолько, что становится оправданной разработка технических решений этого направления энергетики.

Если  взять за эталон течения со средними скоростями порядка 1 м/с, то можно найти  достаточно мест для размещения ОГЭС и в открытом океане, и вблизи берега. Особенно интересен в этом плане Атлантический океан (Гольфстрим, Северное пассатное, Бенгальское, Гвинейское, Бразильское течения). Менее интересен  Индийский океан, хотя и обладающий большой суммарной кинетической энергией (Сомалийское и мыса Игольного течения, отроги течения Западных Ветров). В Тихом океане внимание привлекают Куросио и его ответвления.

Надо  отметить, что здесь перечислены  только некоторые из Великих океанических течений, используя мощь которых  принципиально возможно создать  достаточно крупные региональные энергетические объекты (суммарная мощность Гольфстрима, например, оценивается в 15 ГВт, а  Куросио - в 50 ГВт), но существуют еще  и течения, вполне подходящие для  решения задач местной энергетики. Укажем, например, постоянно действующие  течения в Гибралтарском и  Баб-эль-Мандебском проливах, приливные  течения в Ла-Манше, между рядом  островов Курильской гряды и другие течения, где скорости потоков достигают  величин порядка 5 - 8 м/с, и, соответственно, плотности энергии значительно  возрастают по сравнению со средними для крупных океанских течений. Причем, в проливах можно использовать для нужд энергетики не только поверхностные, но и глубинные потоки, часто имеющие противоположное поверхностным направление и также обладающие подходящими скоростями.

Практически все течения подвержены каким-то изменениям. Сезонно и из года в  год изменяются скорости, направления, физические параметры вод. Устойчивость потоков будет определять стабильность работы будущих ОГЭС, и для энергетики, вероятно,. особенно интересны те течения, устойчивость которых превышает, по крайней мере, 50 %. У всех из перечисленных выше течений этот показатель близок к 75%. Исключение составляет Сомалийское течение, в летние месяцы изменяющее направление движения на противоположное. Средние сезонные колебания расхода воды в Гольфстриме, например, составляют 15 - 20 % от наибольшего значения, правда, иногда отмечаются и большие колебания (величиной до 50%). Более стабильно Куросио (10 - 15% колебаний расхода), но в отдельные годы и в нем наблюдались изменения скорости и расхода воды в 50-60 %.

5. Разработки устройств для получении энергии из океанских течений

5.1 Технология SeaGen

Энергия океанских течений также может  быть применена в генерации электричества, с использованием погружных роторов, которые приводятся в движение течениями.  Оценивается, что электростанции на энергии приливов и морских течений совместно могут поставить до 100 терраватт-часов электричества в год в мировом масштабе.

Уже некоторое  время проводятся тесты на концепциях роторов, таких как система Seaflow, прототип которой начал работу вблизи побережья Англии в 2003 году. Его последователь, SeaGen, сейчас работает в Странгфорд Нерроус вблизи побережья Ирландии (рисунок 3). По этой концепции два ротора устанавливаются на корпусе электростанции. Это увеличивает выработку электричества и снижает высокую стоимость постройки.

Рисунок 3 – установка технологии SeaGen

 
Такие установки в океанах должны выдерживать очень суровые условия  с подводными течениями и волнами, намного сильнее, чем, например, ветряные турбины, и по этой причине требуется  их длительное тестирование на прочность. Тем не менее, технология SeaGen очень близка с моделью ветряной турбины. Угол лопасти и скорость вращения могут настраиваться, чтобы подстроиться с превалирующим течением. Другие концепции основываются на фиксированных, ненастраиваемых системах.

Генератор SeaGen весит 300 тонн. Система приведения в действие генератора работает через коробку передач, как на гидроэлектростанции или ветровой турбины. Эти турбины имеют запатентованную функцию, лопасти которой развернуты на 180 градусов, это позволяет им работать в обоих направлениях - на приливы и приливные волны. 

Энергоблоки каждой системы установлены размером около 3 метров (9,8 футов) в диаметре и система энергоблоков может быть поднята над поверхностью для безопасного и легкого доступа при обслуживании. ^[SeaGen был построен в Белфаст Харланд энд Вольф.

Система приливных станций устроена так, что турбины работают подобно подводным ветряным мельницам. Турбины устанавливаются в море в местах с высокими параметрами текущей скорости приливов, или в местах быстрых и непрерывных океанических течений.

Технология "SeaGen" позволяет вырабатывать большое количество энергии за счет двойной осевой системы роторов от 15 м до 20 м в диаметре (размер зависит от местных условий). Каждая турбина вращается в толще воды и  генерирует энергию через редуктор, подобно гидроэлектрическим или ветровым турбинам.

Лопасти турбины, как правило, развернуты на 180 градусов по отношению друг к другу. Это позволяет механизму действовать в двух направлениях потоков. Двойная система энергоблоков монтируются на каждое крыло.

Силовые агрегаты могут быть подняты выше уровня моря: эта уникальная техническая разработка обеспечивает безопасное и надежное обслуживание. Именно это техническое новшество позволило SeaGen стать наиболее эффективной системой в морской энергетике.

Система, основанная на SeaGen, использует контролируемый аксиальный поток ротора. То есть ротор работает в ориентированном векторном пространстве, которое может меняться на противоположное. Практически все коммерческие ветровые и гидротурбины используют шаг контролируемого открытого аксиального потока ротора.

Инженерный дизайн ротора дает возможности  для гибкого управления, именно он позволяет в случае необходимости мягко остановить турбину даже при сильном морском потоке.

Турбины SeaGen имеет колоссальное преимущество перед турбинами с фиксированным шагом, поскольку не нуждаются в мощной тормозной системе (отказ тормозов нередко влечет за собой поломку всего агрегата).   

Кроме того, автоматика SeaGen способна управлять мощностями. Контролируемая нагрузка служит сокращению затрат и более безопасному и надежному функционированию подводных приливных станций. 

Монтаж станции. 

Система SeaGen вместе с закрепленным ротором монтируется в морское дно.

Особенность установочных работ заключается  в том, что конструкция турбины монтируется и поддерживается без использования дорогостоящих подводных работ, потому что силовые агрегаты с помощью автоматики могут подниматься выше уровня моря. Обслуживать огромную конструкцию можно с малых сервисных судов.

Эта технологическая разработка позволяет экономить в случае поломок системы значительные средства на подводные вмешательства специально обученных водолазов или дистанционно управляемых транспортных средств (ROVs). Причем эти подводные вмешательства практически невозможны в местах сильных течений.

Самой сложной частью монтажа станции  является укрепление вбитой в морское дно сваи. Турбины для производства электроэнергии должны выдерживать огромное давление водного потока, поэтому ошибки при монтаже могут привести к краху всего проекта: установку просто вырвет мощным течением. 

Глубоководное бурение морского дна  является единственно надежным способом и самым дорогостоящим моментом в установке системы.

Направления развития технологии.

Сегодня станции, производящие электричество из энергии морских течений и приливов, устанавливаются в районах относительно малых глубин - около 30 м. Причин этому две: водные потоки сильнее на мелководье, к тому же обустройство станции обходится легче и дешевле.

Разработчики энергосистем на основе SeaGen пытаются разработать технологию для получения электроэнергии глубинных течений, потому что они представляют собой большие запасы энергии.