Использование энергии океанических течений

Основой для таких систем являются SeaGen установки. Предполагается их техническая доработка для использования в глубоководных зонах для реализации масштабных и экономически эффективных проектов.

Такие установки будут полностью погруженными системами, но способными всплывать для технического обслуживания, ремонта и замены.

Соблюдение экологических норм.

Технология приливных станций  является абсолютно безопасной в плане выброса парниковых газов в атмосферу.

Устройство располагается почти целиком в воде, оно практически не имеет визуального воздействия, не создает шума в воздушном пространстве и производит незначительный подводный шум для человека, но достаточный для того, чтобы морские животные издали могли распознать вращающиеся лопасти турбины.

Экологические исследования, проведенные независимыми консультантами, свидетельствуют о том, что технология вряд ли представляет угрозу для рыб, морских млекопитающих или для морской среды, в которой они живут.

Одна из основных программ мониторинга  влияния на окружающую среду ведется на SeaGen станциях, установленных в проливе Strangford.

SeaGen роторы вращаются сравнительно медленно, примерно 10-15 вращений в минуту, что примерно в 10 раз медленнее, чем винты у крупных морских судов.

Зачастую лопасти двигающихся на скорости судов не оставляют морским млекопитающим никаких шансов на спасение, в то время как огромные лопасти ротора приливной станции производят медленные обороты, что безопасно для морской фауны.

Риск причинения ущерба морским  диким животным считается крайне маловероятным с учетом того, что практически все морские существа, которые выбирают для плавания районы с сильными течениями, имеют отличные перцептивные параметры восприятия и маневренность, что дает им возможность успешно избежать столкновения со статическими или медленно движущимися подводными препятствиями.

 

5.2 Электростанция для океана на основе рагиядвижителей

Существуют  две группы преобразователей энергии  течений. К первой относятся те, которые  работают на принципе преобразования скоростного напора во вращательное движение турбин. Ко второй группе относятся  преобразователи, использующие другие физические принципы (объемные, упругие  преобразователи и др.).     

Самым древним  устройством из первой группы, является водяное колесо. До сих пор создаются  различные варианты этого устройства для водной энергетики и водного  транспорта. При этом существуют две  тенденции. Одна - совершенствование  характеристик колеса (конструкций  ферм, концентраторов-лопастей, механизмов передачи энергии, расположения в потоке, применение современных материалов). Другая - принципиальное изменение конструкции. В процессе эволюции водяного колеса появилось водяное колесо-транспортер со складывающими лопастями, показанное на первом рисунке. Подобное устройство можно устанавливать в потоке океанского течения на понтонах.      

Для уменьшения сопротивления концентраторы энергии-лопасти  могут быть снабжены клапанами, открывающимися при встречном движении потока воды и захлопывающимися по ходу движения потока под воздействием самого потока. Концентраторы-лопасти необходимо устанавливать на «ленточном транспортере»  с таким расчетом, чтобы исключалось взаимное влияние в потоке, тогда каждый из них получит максимально возможную энергию. Для увеличения коэффициента преобразования энергии вместо плоских концентраторов для которых   необходимо применять концентраторы с полусферической формой, у которых  .   

Пространственное  расположение рагиядвижителя в течении должно быть таким, чтобы «складыванию и раскрытию» единичного концентратора помогала сила тяжести. Один из вариантов такого рагиядвижителя показан на рисунке 4.

Рисунок 4 – Упрощенная модель рагиядвижителя.      

При выборе оптимальных параметров рагиядвижителей для электростанций необходимо учитывать также зависимость сопротивления движению от длины транспортера и затрат материалов при этом.     

Оригинальная  идея использована в проекте американского изобретателя Стилмэна, создавший «парашютный» рагиядвижитель, представленный на рисунке 5. Здесь используются парашюты, автоматически открывающиеся при попадании на «рабочую» ветвь непрерывно движущегося троса. Однако очевидная простота такого устройства не уменьшает проблем, связанных с запуском и контролем его работы в океане. При определенных изменениях скорости и направления течения могут возникать нежелательные колебания.

Рисунок 5 – «Парашютный» рагиядвижитель.      

Представленный «колесный» вариант рагиядвижителей может быть дополнен и другими известными устройствами этого класса. Например, в одном из устройств плоскости концентраторов в рагиядвижителе установлены под углом к потоку, в результате чего все концентраторы энергии работают одновременно.     

К преобразователям скоростного напора относятся также  различные устройства с винтовыми  поверхностями, причем существуют варианты с внешним и внутренним обтеканием.

Принцип работы и конструкция выбранного типа рагиядвижителя с неограниченно наращиваемыми концентраторами энергии позволяют строить в океане электростанции практически любой мощности. В связи с тем, что стоимость энергии, добываемой традиционными способами, постоянно повышается, ресурсы топлива истощаться, а мировая потребность в энергии неуклонно растет, исследования и разработки рагиядвижителей для электростанций в океанских течениях  следует признать перспективными. Строительство таких электростанций на океанских течениях следует считать крайне желательным уже  в ближайшее время. Они позволят проверить надежность и эффективность преобразователей, которые в ближайшем будущем могут понадобиться для управления природной средой. Они позволят изучать свойства течений и те последствия, которые возникнут при их установке во многих течениях глобального океанского конвейера. На их  примере можно получить технико-экономические данные, для будущего океанской энергетики и других проектов науки рагиянавтики.   

 

5.3 Океанический генератор тока.

«При скорости течения в пять узлов, генератор сможет вырабатывать один мегаватт энергии в минуту» - с таким заявлением выступили  ученые, занимающиеся разработкой нового устройства для генерации электроэнергии, используя энергию океана (рисунок 6).

 

Рисунок 6 – Океанический генератор тока.

В данный момент, группа американских ученых разрабатывает  особый генератор электрического тока, который будет работать непосредственно  от силы океанских течений. Океанический генератор тока, который они планируют построить, будет плавать на глубине от 30 до 60 метров ниже поверхности воды.

Генератор представляет собой устройство цилиндрической формы диаметром 20 метров с вращающимися лопастями огромного винта, прикрепленного к его раме. Когда вода проходит через генератор, вращая лопасти, приводится в движение специальный ротор, который и генерирует электричество

В самом  центре винта предусмотрено 5-ти метровое отверстие, которое позволит морским обитателям проплывать сквозь генератор невредимыми.

По оценкам  ученых, в Гольфстриме, в нескольких милях от берега Вест-Палм- Бич, Флорида, течение со скоростью в пять морских узлов, сможет прокручивать лопасти винта около восьми раз в минуту, создавая при этом целый мегаватт электрической энергии.

Генерирующее  ток подводное устройство разрабатывается  таким образом, что оно само сможет переместить себя в место с  наибольшей, на тот момент, скоростью  течения. Таким образом, теоретически, оно будет развивать максимальную скорость вращения лопастей, вырабатывая  максимум электрической энергии.

Чтобы турбина  оставалась на заданной глубине, многие ее элементы конструкции созданы  из особой синтаксической пены - плавучий материал, который очень легко  формировать, и который не разрушается  под высоким давлением вод  океана. Устройство будет привязано к морскому дну с помощью кабеля и регулируемых ремней, с помощью которых можно будет регулировать глубину в соответствии с многочисленными датчиками.

Кабель  будет передавать энергию от генератора в устройство, расположенное на дне  океана, которое преобразует ток  из переменного в постоянный и отправит его в распределительный центр на берегу. В будущем планируется соорудить целые массивы от 15 до 50 генераторов, работающих вместе

6. Показатели энергии океанических течений

Запас кинетической энергии этих течений Мирового океана составляет порядка 7,2∙10¹² кВт∙ч/год. Эту энергию с помощью турбин, погруженных в воду, можно превратить в механическую и электрическую.

Механическая  мощность, которую можно получить за счет течения:

Р=кSρV³/2, 

где к – коэффициент преобразование энергии, зависящий от типа турбины (к=0,6…0,75); S – площадь, перекрываемая турбиной; r – плотность воды; V – скорость течения.

При современном  уровне техники можно получить энергию  при скорости потока более 1 м/с. При  этом мощность 1 м² поперечного сечения потока составляет 1 кВт. Перспективным для выработки электроэнергии является использование таких мощных течений как Гольфстрим и Куросио. Гольфстрим несет 83 млн. м³/с со скоростью до 2 м/с, а Куросио – 55 млн. м³/с со скоростью до 1,8 м/с.  Для океанской энергетики также интерес представляет течения: Флоридское, Гибралтарское, Ла-Манш, Курильское.

Энергию океанических течений можно преобразовывать  в электрическую с помощью больших низкоскоростных турбин. Один из проектов предполагает создание турбин с вертикальной осью, которые могут подстраиваться к интенсивности потока воды и изменениям его направления.

Полезная  мощность каждой турбины с учетом затрат на эксплуатацию и потерь электроэнергии при передаче на берег составит 43 МВт. Первый опытный образец подобной турбины диаметром 1,5 м был испытан во Флоридском проливе. Также разработан проект турбины мощностью 400 кВт с рабочим колесом диаметром 12 м.

В Японии проводят исследования с целью использования  энергии течения Куросио. Предполагается установка трехлопастных гидротурбин  с диаметром рабочего колеса 53 м. Разработан схематический проект использования течения в Гибралтарском проливе, которое может обеспечить получение электроэнергии в количестве 150 млрд. кВт∙ч/год.

7. Экономическая оценка эффективности использования энергии океанических течений.

Магия океанских  течений заключается в том, что  они окружают каждый континент на Земле и они работают весь день, каждый день подряд. Это то, что отличает этот источник энергии от ветра, солнца и приливов волн, каждый из которых являются циклическим природным явлением, а это означает, что в определенные периоды времени они не производят энергию.

Океаническая энергетика является составной частью отрасли, которая исследует и развивает морские возобновляемые источники энергии. В целом, морская энергетика имеет ряд преимуществ перед некоторыми другими возобновляемыми источниками и традиционными технологиями производства энергии. Данный способ получения электроэнергии использует морские течения, вызванные приливами или глобальной океанической циркуляцией вод. Цикл производства и оборудование, созданное для его осуществления, признан эволюционной вершиной семейства технологий в области морской механики и энергетики.  

Однако  в настоящее время стоимость  установок, по использованию энергии  морских течений, очень высока. Но в процессе совершенствования способов преобразования энергии, конструкции  установок и снижения их материалоемкости капитальные затраты на строительство  таких установок будут снижаться.

Стоимость ветровой электроэнергии снизилась  на 75% за последние 25 лет после ввода в эксплуатацию первой ветровой фермы последнего поколения в Калифорнии. Такого же эффекта сейчас добиваются разработчики приливных энергетических установок. Это может быть достигнуто благодаря преимуществам именно этого вида энергоресурсов.

Поскольку вода намного плотнее  воздуха, размер подводной турбины, как правило, гораздо меньше, чем у ветряных турбин.

Еще одним выгодным отличием технологии является то, что установка подводных турбин не требует больших открытых пространств. Океанические установки имеют большие габариты, чтобы захватить как можно больше океанической энергии, преобразовать ее в электричество и выгодно продать его в наземные энергосети. Иногда лопасти турбин охватывают весь канал-протоку в его поперечном сечении.

Подобно генераторам в солнечной  и ветроэнергетике, энергетическая эффективность приливных установок пропорциональна области охвата. Вместе с тем, объемы подводных турбин на фоне турбин ветрогенераторов выглядят значительно скромнее. Для коммерчески успешного производства электроэнергии требуется не более 300 м2 площади прибрежной акватории вне зависимости от вида техники.

Разработки  нового устройства для получения  электроэнергии – океанического  генератора тока предполагает довольно высокую стоимость при относительно быстрой окупаемости. Целью группы ученых является производство устройств, стоимостью $5 миллионов долларов, которые смогут окупить себя всего за 10 лет. В данный момент, они ищут финансирование и обещают, что с получением денег они смогут построить первую рабочую модель в течение года.

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Неисчерпаемые запасы кинетической энергии  морских течений, накопленные в  океанах и морях, можно превращать в механическую и электрическую  энергию с помощью турбин, погруженных  в воду.

Если бы мы смогли полностью использовать энергию океанических течений, она была бы эквивалентна суммарной энергии от 50 крупных электростанций по 1000 МВт, Но эта цифра чисто теоретическая, а практически можно рассчитывать на использование лишь около 10% энергии течения.

В настоящее время в ряде стран, и в первую очередь в Англии, ведутся интенсивные работы по использованию  энергии морских волн. Британские острова имеют очень длинную береговую линию, к во многих местах море остается бурным в течение длительного времени. По оценкам ученых, за счет энергии морских волн в английских территориальных водах можно было бы получить мощность до 120 ГВт, что вдвое превышает мощность всех электростанций, принадлежащих Британскому Центральному электроэнергетическому управлению.