Энергия морских течений

Энергия морских течений

 

Морские течения — постоянные или периодические потоки в толще мирового океана и морей. Различают постоянные, периодические и неправильные течения; поверхностные и подводные, теплые и холодные течения. В зависимости от причины течения, выделяются ветровые и плотностные течения. 

Течения классифицируют по различным признакам: по вызывающим их силам (генетические классификации), по устойчивости, по глубине расположения в толще вод, по характеру движения, по физико-химическим свойствам.

Выделяют три группы течений:

• Градиентные течения, вызванные горизонтальными градиентами гидростатического давления, возникающими при наклоне изобарических поверхностей относительно изопотенциальных (уровневых) поверхностей
• Плотностные, вызванные горизонтальным градиентом плотности
• Компенсационные, вызванные наклоном уровня моря под воздействием ветра
• Бароградиентные, вызванные неравномерным атмосферным давлением над морской поверхностью
• Сейшевые, возникающие в результате сейшевых колебаний уровня моря
• Стоковые или сточные, возникающие в результате возникновения избытка воды в каком-либо районе моря (как результат притока материковых вод, осадков, таяния льдов)
• Течения, вызванные ветром
• Дрейфовые, вызванные только влекущим действием ветра
• Ветровые, вызванные и влекущим действием ветра, и наклоном уровня моря и изменением плотности воды, вызванными ветром
• Приливные течения, вызванные приливами.
• Отбойное течение

Приливные течения наиболее сильные, особенно проявляются у берега, на мелководье, в проливах и устьях рек.

В океанах и морях течения обычно обусловлены совокупным действием нескольких сил. Течения, которые продолжают существовать после окончания действия вызвавших их сил, называют инерционными.

По изменчивости течения разделяют на периодические и непериодические.

Периодические течения меняются с определённым периодом. К таким течениям относят приливные течения.

Непериодические течения связаны с временными причинами (например, возникают под воздействием циклона).

Выделяют течения, скорости и направления которых мало меняются за сезон (муссонные) или за год (пассатные).

Течения, которые не изменяются во времени, называют установившимися течениями, а изменяющиеся во времени — неустановившимися.

Резкое увеличение цен на топливо, трудности с его получением, сообщения об истощении топливных ресурсов — все эти видимые признаки энергетического кризиса вызвали в последние годы во многих странах значительный интерес к новым источникам энергии, в том числе к энергии Мирового океана.

Неисчерпаемые запасы кинетической энергии морских течений, накопленные в океанах и морях, можно превращать в механическую и электрическую энергию с помощью турбин, погруженных в воду (подобно ветряным мельницам, "погруженным" в атмосферу).

Важнейшее и 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. Энергию Р, которую несет такой поток воды со скоростью 0,9 м/с, можно выразить формулой (в ваттах)

где т–масса воды (кг), р–плотность воды (кг/м3), А–сечение (м2), v– скорость (м/с). Подставив цифры, получим

Если бы мы смогли полностью использовать эту энергию, 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.

Перспективным представляется использование таких мощных течений, как Гольфстрим и Куросио, несущих соответственно 83 и 55 млн. м3 воды со скоростью до 2 м/с, и Флоридского течения (30 млн. м3, скорость до 1,8 м/с).

Для океанской  энергетики представляют интерес течения в проливах Гибралтарском, Ла-Манш, Курильских. Однако создание океанских электростанций на  энергии течений связано пока с рядом технических трудностей, прежде всего с созданием энергетических установок больших размеров, представляющих угрозу судоходству.

Программа "Кориолис" предусматривает установку во Флоридском проливе в 30 км восточнее города Майами 242 турбин с двумя рабочими колесами диаметром 168 м,  вращающимися в противоположных направлениях. Пара  рабочих колес размещается внутри полой камеры из алюминия,  обеспечивающей плавучесть турбины. Для повышения эффективности лопасти колес предполагается сделать достаточно гибкими. Вся система "Кориолис" общей длиной 60 км будет  ориентирована по основному потоку; ширина ее  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.

После того как большая часть Южного Пассатного течения проникает в Карибское море и Мексиканский залив, вода возвращается оттуда в Атлантику через Флоридский залив. Ширина течения становится минимальной – 80 км. При этом оно убыстряет свое движение до 2 м/с. Когда же Флоридское течение усиливается Антильским, расход воды достигает максимума. Развивается сила, вполне достаточная, чтобы привести в движение турбину с размашистыми лопастями, вал которой соединен с электрогенератором. Дальше – передача тока по подводному кабелю на берег.

Материал турбины - алюминий. Срок службы – 80 лет. Ее постоянное место – под водой. Подъем на поверхность воды только для профилактического ремонта. Ее работа практически не зависит от глубины погружения и температуры воды. Лопасти вращаются медленно, и небольшие рыбы могут свободно проплывать через турбину. А вот крупным вход закрыт предохранительной сеткой.

Американские инженеры, считают, что строительство такого сооружения даже дешевле, чем возведение тепловых электростанций. Здесь не нужно возводить здание, прокладывать дороги, устраивать склады. Да и эксплуатационные расходы существенно меньше.

Полезная мощность каждой турбины с учетом затрат на эксплуатацию и потерь при передаче на берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флориды (США) на 10%.

Первый опытный образец подобной турбины диаметром 1,5 м был испытан во Флоридском проливе. Разработан также проект турбины с рабочим колесом диаметром 12 м и мощностью 400 кВт.

 

 

Использование энергии морских течений

 

Механическая мощность, которую можно извлечь из океанского тече-ния, 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 сво-

бодно 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 морских течений в качестве источников энергии

по сравнению с ветровыми потоками – отсутствие резких изменений скоро-

сти (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 конст-

рукции в морской воде, подверженность этих конструкций обрастанию и

коррозии, трудности передачи энергии.

 

Общая характеристика технических решений

 

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 на-

пора во вращательное движение турбин. Ко второй, менее многочисленной,

группе относят преобразователи, основанные на других физических принци-

пах (объемные насосы, упругие преобразователи и др.).

Для характеристики схем установки преобразователей можно выделить две основные схемы – сооружений, закрепляемых на морском дне, и соору-

жений, плавающих в толще воды и заякоренных к дну.

Родоначальником устройств первой группы по праву считают водяное колесо (рис. 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 ко-

лесе.

Ленточное колесо (рис. 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 по-

тока. Однако, простое увеличение числа лопастей ленточного колеса не при-

ведет к существенному увеличению момента на валах.

На базе ленточного колеса созданы устройства, полностью погружае-

мые в толщу потоков (рис. в, г). Для таких устройств предлагается не-

сколько способов уменьшения сопротивления движению ленты во время хо-

лостого хода. Это и сооружение воздушной камеры над колесом и примене-

ние 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 мощно-

сти. 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,

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 ра-

бочего колеса с горизонтальной осью в насадке. Это объясняется тем, что та-

кое рабочее колесо меньше возмущает поток, не так сильно, как свободное,

вовлекая жидкость во вращательное движение. Насадок как бы отделяет воз-

мущенную часть потока от невозмущенной и в то же время обеспечивает не-

которую концентрацию энергии. Форму насадка выбирают из такого расчета,

чтобы обеспечить плавное безотрывное течение потока на подходе к турби-

не, сделать всю систему устойчивой на потоке, максимально снизить завих-

ренность потока на выходе из нее.

Увеличения мощности одного такого агрегата можно достигнуть за счет удлинения крыла. По сравнению с ветровыми преобразователями океан-