Возобновляемые источники энегрии

Солнце вызывает такие  же приливы, но так как расстояние между Землёй и Солнцем огромно, следовательно, приливы слабей.

Согласно документам, люди начали использовать энергию приливов ещё в XI в. для получения энергии  маленькие заливы отгораживались от моря дамбами, в которых были проделаны  шлюзовые ворота. Ворота открывались  приливным потоком, в то время  как прибывающая вода заполняла  бассейн, и закрывались во время  отлива. Вода, оставшаяся в бассейне, использовалась во время отлива для  приведения в движение различных  механизмов. В XIX в. подобные установки  использовались в Гамбурге для перекачки  сточных вод, а в 1824 г. Лондонский Сити снабжался питьевой водой при помощи огромных водяных колес, установленных ещё в 1580 г. Под арками Лондонского моста, где они продолжали работать в течение 250 лет. И в наши дни в штате Новая Англия, США, существуют установки, использующие энергию приливов для приведения в движение лесопильной рамы.

Середина XIX века была отмечена большим количеством предлагаемых проектов и предложений по применению эн7ергии приливов. С развитием  электричества приливная энергия  стала рассматриваться в качестве ресурса для получения электроэнергии. Основные принципы использования энергии  приливов остались прежними, но вырос  масштаб установок, произошло существенное усовершенствование оборудования и  были разработаны новые идеи и  объединения приливных электростанций в единую энергосистему.

Выделяются деньги на постройку  различного рода приливных электростанций на больших заливах или устьях рек, где наблюдаются высокие  приливы. За этим следует постройка  дамбы при входе в залив, для  того чтобы отгородить бассейн от моря. В дамбы, которые в некоторых  проектах достигают несколько километров в длину, вмонтировано большое количество турбин, так что суммарная мощность приливной электростанции может  достигать сотен и даже тысяч  мегаватт.

Что касается извлечения энергии, современные приливные электростанции схожи с гидроэлектростанциями. В некоторых случаях турбины  приливной электростанции – в  отличии от гидроэлектростанции  – работают в в двухстороннем режиме: при потоке воды, направленном в одну сторону, когда прилив заполняет бассейн, и когда вода движется в другую сторону при опустошении бассейна. Такой режим работы называется двойным действием, или двойным эффектом.

Приливные электростанции по сравнению с гидроэлектростанциями  имеют один серьезный недостаток, а именно – пульсирующий характер приливов, известный как непостоянство  приливов. Энергетический потенциал  прилива меняется не только с суточным чередованиями прилива и отлива, но также в связи с изменениями  его высоты в течении лунного месяца, когда Луна переходит из сигизии в квадратуру. Например, в соответствии с проектными расчетами производительная мощность приливной электростанции в Кводди, США, будет возрастать с 30 до 70 МВт, затем снова снижаться до 30 МВт. Ещё более значительные изменения мощности будут происходить в ходе сигизийных приливов. Совершенно ясно, что такое положение вещей не устраивает потребителей электроэнергии, которые нуждаются в постоянном и не перебойном электроснабжении.

Было множество предложений  относительно способов решения этой проблемы. Наиболее простым способом приведения объемов выработки энергии  станцией в соответствие с потреблением является разделение бассейна на две  или более секции (многоотсековая схема бассейна), накапливать некоторый  объем воды, а затем использовать её по мере надобности, таким образом, сглаживая колебания уровня прилива. Это преимущество достигается за счет максимальной мощности станции, которая сокращается прямо пропорционально количеству секций.

Существует ещё один способ рационального использования приливной  электростанции, когда она входит в крупномасштабную энергосистему, объединяющую электростанции различного типа: тепловые, гидроэлектростанции, атомные. В этом случае используется одинарный бассейн, и приливная  электростанция производит максимальное количество энергии в соответствии с циклом прилива. Если в системе  наблюдается избыток мощности, то в этом случае тепловая электростанция может снизить выработку электричества, экономя тем самым запасы ископаемого  топлива; в случае аналогичного снижения объемов выработки энергии гидроэлектростанцией используется специальный верхний  резервуар, в котором хранится воды.

Дальнейшее усовершенствование этой системы может быть достигнуто при использовании приливной  электростанции в качестве запасника  воды в перерыве между приливами. В такой схеме излишек производимой энергии тратится на перекачивание  воды из моря в бассейн станции. В  это время генераторы электростанции используются в качестве электромоторов, а её турбины работают в режиме насосов. Когда системе потребуется  достижение пиковой нагрузки, накопленная  вода будет выпущена через турбины  электростанции, что позволит выработать необходимую дополнительную энергию. Достижение оптимального контроля над  работой такой схемы – достаточно сложная задача, требующая учета  реальных характеристик системы  и особенностей приливной электростанции.

Сегодня по всему миру уже  действует несколько приливных  электростанций. Первой коммерческой проливной электростанцией является 240 МВт в Рансе (Франция), которая была ведена в эксплуатацию в 1967 году и до сих пор функционирует. За ней последовала пробная станция «Кислая Губа» в России, построенная в 1965-1968 гг. приливная электростанция в Анаполисе мощность 20 МВт была сооружена в Канаде в 984 году в качестве пробного проекта для будущей мощной электростанции. В течение 1960-х гг. в Китае был установлен ряд более мощных установок. Сейчас действуют 7 приливных электростанций суммарной мощностью в 10 МВт. Электростанция Цзянся мощность 3,2 МВт была сделана в Китае в 1986 г. Кроме этих действующих электростанций существуют ещё ряд проектов, для которых ведется поиск мест установки с подходящими условиями. Однако их сооружение обычно откладывается, главным образом по причине высоких капитальных расходов, которые делают цены на электричество, производимое приливными электростанциями, не конкурентно способными по сравнению с ценами на энергию, произведенную другими типами станций, особенно если принять во внимание низкие в последнее время цены на нефть.

Тем не менее конструкторские  работы в этом направлении продолжаются, проявляются новые проекты, предлагающие новые более дешевые способы  возведения приливных электростанций, и с развитием оборудования наблюдается  тенденция к снижению затрат на их строительство и эксплуатацию. Они оказываются ещё более привлекательными, если принять во внимание то, что они являются экологически безопасными источниками энергии. Многие исследования также подтверждают, что сооружение приливных электростанций может оказаться выгодно с социальной точки зрения. Всё это говорит о том, что в ближайшем будущем мы станем свидетелями строительства новых мощных приливных электростанций во многих странах мира.

5.3 Тепловая

Температура воды океана в  разных местах  различна.  Между  тропиком Рака и тропиком Козерога поверхность воды нагревается до 82 градусов по Фаренгейту (27 C).  На глубине в 2000 футов (600 метров) температура падает до 35,36,37 или 38 градусов по Фаренгейту (2-3.5 С).  Возникает вопрос:  есть ли  возможность использовать разницу температур для получения энергии?  Могла бы тепловая энергоустановка,  плывущая под водой, производить электричество? Да, и это возможно.

    В далекие 20-е  годы нашего столетия Жорж Клод, одаренный, решительный и весьма настойчивый французский физик, решил исследовать такую возможность. Выбрав участок океана вблизи берегов Кубы, он сумел-таки после серии неудачных попыток получить установку мощностью 22 киловатта.  Это явилось большим научным достижением и приветствовалось многими учеными.

    Используя теплую  воду на поверхности и холодную на глубине и создав соответствующую технологию,  мы  располагаем  всем необходимым для производства электроэнергии, уверяли сторонники использования  тепловой энергии  океана.  "Согласно  нашим оценкам, в  этих  поверхностных  водах имеются запасы энергии, которые в 10 000 раз превышают общемировую потребность в ней".

    "Увы, - возражали  скептики,  - Жорж Клод получил в заливе Матансас всего 22 киловатта электроэнергии.  Дало ли это прибыль?"  Не  дало,  так как,  чтобы получить эти 22 киловатта, Клоду пришлось затратить 80 киловатт на работу своих насосов.

    Сейчас приобрела  большое внимание "океанотермическая энергоконверсия" (ОТЭК), т.е. получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными  и засасываемыми насосом глубинными океанскими водами, например при использовании в замкнутом цикле турбины таких легкоиспаряющихся жидкостей как пропан, фреон или аммоний.

    Последние десятилетия  характеризуется определенными успехами в использовании тепловой энергии океана. Так, созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (ОТЕС – начальные буквы английских слов Осеаn Тhеrmal Energy Conversion, т.e. преобразование тепловой энергии океана). В августе 1979 г. вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установк мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с половиной месяцев показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной работе не было срывов, если но считать мелких технических неполадок, обычно возникающих при испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная –53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точнее – на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабатываемая мощность расходовалась на собственные нужды установки. В их число входят затраты анергии на работу трех насосов, потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии.

    Три насоса  потребовались из следующего расчета: один – для подачи теплой воды из океана, второй – для подкачки холодной воды с глубины около 700 м, третий – для перекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой системы, т.е. из конденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочий жидкости применяется аммиак.

    Установка мини-ОТЕС  смонтирована на барже. Под ее днищем помещен длинный трубопровод для забора холодной воды. Трубопроводом служит полиэтиленовая труба длиной 700 м с внутренним диаметром 50 см. Трубопровод прикреплен к днищу судна с помощью особого затвора, позволяющего в случаи необходимости его быстрое отсоединение. Полиэтиленовая труба одновременно используется и для заякоривания системы труба–судно. Оригинальность подобного решения не вызывает сомнений, поскольку якорные постановки для разрабатываемых ныне более мощных систем ОТЕС являются весьма серьезной проблемой.

    Впервые в истории  техники установка мини-ОТЕС смогла отдать во внешнюю нагрузку полезную мощность, одновременно покрыв и собственные нужды. Опыт, полученный при эксплуатации мини-ОТЕС, позволил быстро построить более мощную теплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к проектированию еще более мощных систем подобного типа.

    Новые станции  ОТЕС на мощность во много десятков и сотен мегаватт проектируются без судна. Это – одна грандиозная труба, в верхней части которой находится круглый машинный зал, где размещены все необходимые устройства для преобразования анергии. Верхний конец трубопровода холодной воды расположится в океане на глубине 25–50 м. Машинный зал проектируется вокруг трубы на глубине около 100 м. Там будут установлены турбоагрегаты, работающие на парах аммиака, а также все остальное оборудование. Масса всего сооружения превышает 300 тыс. т. Труба-монстр, уходящая почти на километр в холодную глубину океана, а в ее верхней части что-то вроде маленького островка. И никакого судна, кроме, конечно, обычных судов, необходимых для обслуживания системы и для связи с берегом.

    Представляется, что некоторые из предлагавшихся океанских энергетических установок могут быть реализованы,  и стать рентабельными уже в настоящее время.

6. Энергия ветра

Так как ветер – это  поток воздуха, распространяющийся с определенной скоростью, его кинетическая энергия может рассматриваться  в качестве источника энергии. Кинетическая энергия единицы воздушной массы  пропорциональная квадрату скорости ветра, а удельная мощность, переносимая  ветром через единицу площади, пропорциональна  кубу скорости ветра. Поэтому главной  характеристикой ветра как источника  энергии является его скорость.

Неравномерность распределения  солнечного излучения по всему земному  шару, различие в течение дня и  ночи и различные физические характеристики морской воды и суши приводят к  неоднородности атмосферной температуры  и давления, что приводит к появлению  ветра. Более или менее широкомасштабная и постоянная циркуляция воздуха, вызываемая разницей в температурах, происходит между экваториальными регионами  и более высокими широтами. Эта  разница вызывает движение воздуха  в верхних слоях атмосферы  от экватора к северу и югу, а в  нижних – в обратном направлении. Действующая на эти потоки сила Кориолиса, отклоняет верхний поток к  востоку, а нижний к западу, вызывая  пассаты. Северо-восточные и юго-восточные  пассаты являются одними из самых  постоянных ветров на Земле со средней  скоростью от 8 до 14 м/с. Скорость ветра имеет тенденцию к росту по мере приближения к южным широтам вплоть до 60-й параллели.

Существует так же более  или менее постоянные ветра местного масштаба. Вблизи морского или океанского побережья можно наблюдать бризы, которые в дневное время дуют с моря на сушу, а ночью наоборот. Муссоны также являются постоянными  ветрами, меняющими свое направление  дважды в год. Они возникают из-за сезонных температурных различий между  сушей и океаном. Более или  менее постоянные ветра с достаточно большими скоростями существуют в горных областях на гребнях, в ущельях и  теснинах. Однако, в общем и целом ветер имеет непостоянную природу, что следует принимать во внимание разрабатывая планы по использованию ветра в качестве энергоисточника.

Существует два типа механизмов, подъемные и тянущие, которые  способны преобразовывать мощность ветра в роторе в полезную энергию. В первом типе механизмов движущей силой является аэродинамическая подъемная  сила, возникающая вследствие взаимодействия потока воздуха с аэродинамической поверхностью лопасти.^*

Этот же принцип действует  и в самолетном крыле. Второй тип  использует тянущую силу.

В настоящее время в  крупномасштабных ветровых двигателях используются высокоскоростные механизмы, использующие подъемную силу и разработанные для работы с сильным ветром.

Механизмы, основанные на силе тяги, чаще всего меньших размеров с многополярными роторами, их применяют  при низкой скорости ветра.

Главная часть ветроэнергетической  установки – ротор. У крупных  машин обычно бывает две или три  лопасти, которые крепятся к втулке. Остальные узлы ветродвигателя размещены  в гондоле, которая расположена  на вершине высокой башни. Высота башни обычно примерно равна диаметру ротора.

Большие установки в пределах сотен киловатт подключаются к общей  энергосистеме. В местах с благоприятными характеристиками ветра целесообразно  устанавливать сразу несколько  ветровых установок, образуя при  этом ветровую электростанцию, что позволяет снизить эксплуатационные расходы. Подобные электростанции обычно высоко автоматизированы и обслуживаются небольшим персоналом. К ветровой турбине могут быть подсоединены два типа электрогенераторов: синхронный и асинхронный. В синхронном генераторе в обмотке ротора возникает магнитное поле, четко сопряженное с вращающимся магнитным полем статора. Поэтому ветровая турбина, соединенная с синхронным генератором, должна вращаться со строго постоянной скоростью, определяемой частотой сети.