Имеется другая конструкция ныряющей «утки». В ней на одном опорном валу также находится несколько «уток», каждая из которых приводит в движение несколько гидравлических насосов, расположенных внутри вала. Насосы в свою очередь подают под давлением воду в гидравлическую турбину, на одном валу с которой находится ротор генератора. Считается, что с одного метра цепи, состоящей из описанных «уток», можно получить в среднем от 30 до 50 кВт мощности, а с цепи длиной 480 км можно удовлетворить все современные потребности в электроэнергии всей Великобритании. Диаметр опорного вала такой цепи достигает 15 м. Размер «утки» близок к размеру небольшого коттеджа. Наиболее трудной проблемой в использовании принципа качающейся «утки» является согласование движения «уток» с постоянно меняющимися параметрами волны (высотой, частотой, направлением).
Третьим типом ВлЭС является пульсирующий водный столб Масуды. Конструктивно это устройство представляет собой плавающий перевернутый бак, нижняя открытая часть которого погружена под низший уровень воды (впадины волны). При подъеме и опускании уровня воды в баке происходит циклическое сжатие и расширение воздуха. Воздушные потоки через систему клапанов приводят во вращение колесо турбины, расположенной в отверстии наверху бака (рис. 32).
Достоинства столба Масуды состоят в отсутствии в его конструкции значительных по размерам подвижных элементов, использование воздушной турбины с высокой частотой вращения, а также незначительную зависимость КПД от направления движения волн. Вместе с тем эффективность столба Масуды сильно зависит от частоты колебания волн, достигая максимума в интервале 1,2–1,3 Гц. Конструкция столба Масуды была усовершенствована в Англии, где ее назвали осциллирующим столбом.
Волновая электростанция, использующая преобразователь Рассела, в отличие от рассмотренных установок, являющихся плавучими, устанавливается на морском дне. Преобразователь состоит из нескольких последовательно расположенных коробкообразных конструкций (рис. 34). Смежные перегородки между ними образуют резервуары с разными уровнями воды (в зависимости от положения и размера приходящих волн). Заполнение и опорожнение резервуаров происходит в соответствии с заданной программой работы клапанов и режимов поднятия и опускания уровня моря в данном месте. Из резервуаров вода попадает в верхний бассейн, поднимая в нем уровень. Единственный выход из этого бассейна ведет через турбину в другой бассейн с более низким уровнем.
Широкое использование энергии ветровых волн пока затруднено. Во-первых, эта энергия имеет случайный характер и непостоянна во времени, во-вторых, мощность волновой установки зависит от размера волн и не может изменяться в соответствии с необходимым режимом потребления, вследствие чего необходимо использовать аккумуляторы. Кроме того, еще не полностью решены такие технические проблемы, как крепление установок в море, противокоррозионная защита и долговечность оборудования, передача энергии (особенно на большие расстояния и при больших глубинах) и др.
Процесс преобразования волновой энергии в электрическую экологически чист. Однако при расположении волновой энергетической установки типа ныряющих «уток» Солтера в открытом океане может произойти неблагоприятные воздействия на морскую фауну и флору, так как волны способствуют обогащению поверхностного слоя воды кислородом и питательными веществами. Волновые установки не требуют изъятия земельных угодий, что свойственно всем существующим электростанциям и другим установкам, использующим возобновляемые энергоресурсы. ВлЭС, располагаемые в береговых зонах морей, в результате отбора ими энергии волн будут снижать их размывающую способность и тем самым заменят дорогостоящие гидротехнические сооружения, предназначенные для берегозащитных целей.
Перечисленные преимущества волновой энергетики стимулируют дальнейшее развитие исследований по совершенствованию технологических схем преобразования волновой энергии и тем самым улучшению технико-экономических показателей ВлЭС.
Океанические тепловые электростанции. Солнце нагревает лишь верхний слой воды морей и океанов, и нагретая вода не опускается вниз, поскольку по плотности она меньше, чем холодная. В тропических морях верхний слой воды, толщина которого не превышает нескольких метров, нагревается до 25…30° С. Температура воды на глубине одного километра составляет около 5 °С. Такой температурный градиент создает огромные запасы тепловой энергии, равные 95×1012 кВт×ч/год.
Принцип действия океанических тепловых электростанций (ОТЭС), опирающийся на основные законы термодинамики, весьма прост. Теплая морская вода из верхних слоев используется для испарения жидкости, точка кипения которой не превышает 25…30 °С (фреон, пропан, аммиак). Пар этой жидкости подается в турбогенератор и приводит его во вращение. Отработавший после выхода из турбины пар охлаждается более холодной водой, поступающей из глубинных слоев, конденсируется и вновь используется в цикле. Таким образом, поддерживается перепад давления пара на входе в турбину и выходе из нее, необходимый для вращения ее вала.
Технологически схема ОТЭС показана на рис. 35. Насос подает теплую воду, взятую с поверхностного слоя моря, в теплообменник, где рабочая жидкость превращается в пар. Пар под давлением поступает в турбину и приводит в движение ее вал, который соединен с валом генератора. После прохождения через турбину пар поступает в конденсатор, где под воздействием холодной воды, подаваемой насосом, вновь превращается в рабочую жидкость, которая насосом вновь подается в теплообменник, и цикл повторяется.
Разработаны ОТЭС с открытым циклом. В таких установках рабочим телом служит теплая поверхностная вода (25…30 °С), испаряющаяся при пониженном давлении. Получающийся при этом пар приводит во вращение турбогенератор. На выходе из турбины пар конденсируется холодной глубинной водой и превращается в качестве побочной продукции в пресную воду, что дает дополнительный экономический эффект. Однако при использовании открытого цикла имеет место существенный недостаток. При кипении морской воды из нее выделяется растворенный воздух, повышая давление в вакуумной камере и приостанавливая кипение. Поэтому требуется его непрерывная откачка. На это необходимо затрачивать до 10% вырабатываемой электроэнергии, что значительно увеличивает расход на собственные нужды.
Разработки по использованию тепловой энергии океана входят в национальные научно-технические программы таких стран, как США, Япония, Франция, Швеция, Индия. В 1979 г. в США вблизи Гавайских островов была испытана первая в мире океаническая ТЭС (ОТЭС) мощностью 50 кВт, смонтированная на барже. В 1980 г. там же была пущена ОТЭС мощностью 1 МВт, смонтированная на переоборудованном танкере. Обе установки работали по замкнутому циклу и предназначались для исследовательских целей. В октябре 1981 г. на острове Науру в Тихом океане (Япония) была пущена опытная ОТЭС мощностью 100 кВт, использующая замкнутый цикл. Это первая в мире океаническая береговая электростанция. Ее успешная работа показала целесообразность сооружения на японских островах береговых ОТЭС мощностью до 10 МВт. Опыты и расчеты показывают, что себестоимость электроэнергии ОТЭС соответствует себестоимости энергии, вырабатываемой современными ТЭС и АЭС.
Однако широкому строительству ОТЭС в настоящее время препятствуют некоторые технические проблемы. Так, например, еще нет достаточно эффективных и экономически приемлемых средств для борьбы с коррозией и биологическим обрастанием оборудования и трубопроводов.
ОТЭС экологически чисты. Однако, при утечке в контуре, по которому циркулирует рабочая жидкость, возможен существенный ущерб для морской флоры и фауны.
Описанный способ преобразования тепловой энергии океана наиболее эффективен там, где выше перепад температур между верхними и нижними слоями воды. Наиболее перспективны в этом отношении тропические и субтропические районы океана. Разновидностью описанного способа утилизации тепловой энергии океана является метод, основанный на использовании разности температур воды и воздуха над ее поверхностью. Он перспективен для арктических районов океана. В России исследуется возможность сооружения таких ОТЭС на побережье Северного Ледовитого океана, где температура воды на 30…40 °С выше температуры атмосферного воздуха. Предполагается, что в этом случае ОТЭС, обеспечивая потребности в электроэнергии районов Крайнего Севера, смогут конкурировать по экономическим показателям с тепловыми электростанциями, работающими в этом регионе на привозном топливе.
Энергетические установки, использующие энергию океанических течений. Всю акваторию Мирового океана в различных направлениях пересекают течения, в которых сосредоточены значительные запасы кинетической энергии (около 7,2×1012 кВт×ч). Эту энергию можно превратить в механическую и далее в электрическую.
Важнейшее морское течение – Гольфстрим. Оно проходит близ полуострова Флорида (США) и несет воды в 50 раз больше, чем все реки мира. Его ширина составляет 60 км, глубина – до 800 м. Мощность, которую развивает такой поток воды со скоростью примерно 2 м/с, более в 2 раза превышает суммарную мощность всех ГЭС стран СНГ. Полностью реализовать энергию Гольфстрима не удастся, но даже некоторое практическое ее использование, даст экологически чистую электроэнергию. В США разрабатывается программа Кориолис. Она предусматривает установку во Флоридском проливе, в 30 км восточнее г. Майами, 242 подводных установок мощностью 83 МВт каждая (суммарно 20086 МВт). В качестве первичного двигателя таких установок предполагается использовать прямоточные турбины диаметром 168 м с частотой вращения 1 об/мин. Расстояние между лопастями турбины будет таково, чтобы обеспечить безопасный проход самых крупных рыб. Установка будет погружена на 30 м под уровень океана, с тем, чтобы не препятствовать судоходству. Стоимость всего сооружения оценивается в 20 млрд. долл., что соизмеримо со стоимостью строительства ТЭС такой же мощности, но позволяет экономить около 130 млн. баррелей нефти в год.
В Японии исследуется возможность использования энергии теплого течения Куросио, расход воды которого 55×106 м3/с, а скорость у восточного побережья страны – 1,5 м/с. Для выработки ЭЭ предлагается применение двух трехлопастных гидротурбин с диаметром рабочего колеса 53 м.
Разработан проект использования течения в Гибралтарском проливе, расход воды которого 20…40 тыс. м3/с достаточен для получения 150 млрд. кВт×ч электроэнергии в год.
Работа нетрадиционных источников в энергосистеме
При технико-экономическом обосновании строительства СЭС, ВЭС или других нетрадиционных источников наряду со стоимостью сэкономленного топлива большое значение имеет энергетическая эффективность их использования. Она зависит от соотношения установленных мощностей этих электростанций и общей мощности энергосистемы, в которой они работают. Чем меньше это отношение, тем меньшее значение они будут иметь для нее. На эффективность их использования могут оказывать влияние также режимные ограничения, диктуемые энергосистемой и ее отдельными элементами. Эти ограничения определяются характером энергопотребления и условиями использования отдельных энергоресурсов.
Солнечные и ветровые электростанции действуют только при наличии соответствующих погодных условий и их энергоотдача носит случайный характер. Энергоотдачу СЭС или ВЭУ нельзя считать достаточно надежной во времени. Мощности этих электростанций следует считать дублирующими, т.е. их работа необходима только для экономии других энергоресурсов, в особенности, органического топлива. При этом энергосистема должна располагать достаточными резервами генерирующей мощности в любое время суток и года. Выполнение этого условия усложняется по мере роста доли нетрадиционных источников в энергосистеме. При выводе в ремонт традиционных энергоисточников часть мощности может быть покрыта за счет СЭС и ВЭУ или других альтернативных источников ЭЭ. Если ВЭУ расположены на расстоянии нескольких сотен километров друг от друга, но работают на общую сеть, энергосистема может получить дополнительную резервную мощность.
Большое значение для планирования участия СЭС или ВЭУ в покрытии суточных графиков нагрузки энергосистемы имеет наличие достаточно достоверных и заблаговременных метеорологических прогнозов как на сутки в целом, так и на отдельные их интервалы.
Сооружение СЭС или ВЭУ не позволяет уменьшать строительство других электростанций в энергосистеме без снижения надежности электроснабжения. Выходом из этого положения может служить использование аккумуляторов энергии. При этом возможны два варианта:
аккумуляция вырабатываемой СЭС или ВЭУ электроэнергии;
аккумуляция первичных источников энергии, используемых другими входящими в данную энергосистему электростанциями.
Аккумуляция электроэнергии в больших масштабах пока еще не получила большого развития. Для реализации второго способа наиболее эффективно использовать водохранилища ГЭС. При этом во время работы СЭС и ВЭУ снижается мощность ГЭС и сэкономленная вода расходуется затем по требованию энергосистемы. Возможно также применение обычного принципа гидроаккумуляции, при котором мощность, развиваемая нетрадиционными источниками, используется для перекачки воды из нижнего бьефа ГЭС в водохранилище. Такой режим можно осуществить на основе обратимых агрегатов ГЭС, или с помощью специальных насосов. Однако при этом необходима свободная емкость водохранилища.
Совместная работа СЭС, ВЭУ и ГЭС может привести к ощутимому повышению гарантированной мощности гидроэлектростанций, что в свою очередь повысит эффективность энергосистемы в целом. В этом случае может оказаться целесообразным увеличение мощности ГЭС за счет установки дополнительных агрегатов. Возможна также дополнительная выработка электроэнергии ГЭС за счет работы ее на повышенных напорах. Эти напоры создаются путем увеличения уровня верхнего бьефа ГЭС при аккумуляции гидроэнергии. Ограничением для аккумуляции гидроэнергии служит режим нижнего бьефа ГЭС, диктуемый неэнергетическими потребителями воды. Это особо важно в южных районах страны, где вода из нижнего бьефа забирается для орошения полей.
Аккумуляция солнечной или ветровой энергии в водохранилищах будет эффективной и при работе СЭС и ВЭУ совместно с малыми ГЭС в автономных системах электроснабжения.
Режим генерации энергии ВЭУ соответствует интенсивности энергии ветра. Использовать такую электроэнергию могут потребители, не предъявляющие высоких требований к бесперебойности электроснабжения. Ими, в частности, могут быть электролизеры для производства водорода как весьма ценного энергетического ресурса, насосные установки для подъема подземных вод и др. Число таких потребителей весьма ограничено, а для всех других электроприемников генерирующую мощность ВЭУ необходимо дублировать каким-либо гарантированным источником энергии. Им может быть любая энергетическая установка, способная работать в переменном режиме.
Более эффективные перспективы использования энергии ветра появляются при создании энергокомплекса, состоящего из ВЭУ и подземной ГАЭС. Использование в этом случае двух подземных бассейнов воды практически полностью исключает всякие ограничения, свойственные функционированию водохранилищ ГЭС, при сохранении в то же время достоинств энергокомплекса ГЭС – ВЭУ.
Используемая литература
1. Астахов Ю.Н., Веников В.А., Тер-Газарян А.Г. Накопители энергии в электрических системах. М.: Высшая школа, 1989. – 159 с.
2. Батенин В.М., Баранов Н.Н. Создание новых видов автономных энергоустановок на основе методов прямого преобразования энергии // Изв. РАН. Энергетика. 1997. №2.С. 3–28.
3. Батищев В.Е., Мартыненко Б.Г., Сысков С.Л. и др. Энергосбережение: справочное пособие. Екатеринбург: ЭнергоПресс, 1999. – 304 с.
4. Веников В.А., Путятин Е.В. Введение в специальность. М.: Высшая школа, 1988. – 239 с.
5. Веников В.А., Журавлев В.Г., Филиппова Т.А. Энергетика в современном мире. М.: Знание, 1986. – 192 с.
6. Волков Э.П., Поливода А.И., Поливода Ф.А. Перспективы применения солнечных фотоэлектрических станций с теплоутилизирующим паросиловым циклом // Изв. РАН. Энергетика. 1997. №3. С. 61–91.
7. Гаврилов Е.И., Васильев В.А., Саломзода Ф.Г. и др. Развитие геотермальной энергетики в России // Изв. РАН. Энергетика. 1997. №4. С. 18–26.
8. Дэвис Д. Энергия. /Под ред. Д.Б. Вольфберга. М.: Энергоатомиздат, 1985. – 360 с.
9. Жимерин Д.Г. Энергетика: настоящее и будущее. М.: Знание, 1978. – 192 с.
10. Злобин А.А. Производство электроэнергии. М.: Изд. МЭИ, 1984. – 56 с.
11. Кокорев Л.С., Харитонов В.В. Прямое преобразование энергии и термоядерные энергетические установки. М.: Атомиздат, 1980. – 216 с.
12. Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика. Состояние, проблемы и перспектив // Изв. РАН. Энергетика. 1997. №4. С. 48–65.
13. Кошелев А.А., Шведов А.П. Потенциальные возможности вовлечения возобновляемых природных ресурсов в топливно-энергетический баланс Иркутской области. Иркутск: Изд. ИСЭМ, 1998. –64 с.
14. Лукутин Б.В. Проблемы малой ветро- и гидроэнергетики // Энергетика: экология, надежность, безопасность. Томск: Изд. ТПУ, 1997. С. 87–93.
15. Непорожний П.С., Обрезков В.И. Введение в специальность: гидроэнергетика. М.: Энергоатомиздат, 1990. – 352 с.
16. Поваров О.А., Томаров Г.В. Физико-технические проблемы геотермальной энергетики // Изв. РАН. Энергетика. 1997. №4. С. 3–18.
17. Пронтарский А.Ф. Системы и устройства электроснабжения. М.: Транспорт, 1983. – 264 с.
18. Сиуда И.П. Введение в специальность «Электрические системы». Новочеркасск,:1984.-88 с.
19. Стырикович М.А., Шпильрайн Э.Э. Энергетика: проблемы и перспективы. М.: Энергоиздат, 1981. – 192 с.
20. Тарнижевский Б.В., Резниковский А.Ш. Оценка масштабов использования возобновляемых источников в электроэнергетике России на период до 2015 года // Изв. РАН. Энергетика. 1997. №4. С. 65–72.
21. Твайделл Д., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. М.: Энергоатомиздат, 1990. – 392 с.
22. Телдеши Ю, Лесны Ю. Мир ищет энергию. М.: Мир, 1984. –439 с.
23. Технический прогресс энергетики СССР / Под ред. П.С. Непорожнего. М.: Энергоатомиздат, 1986. – 224 с.
24. Швец И.Т., Толубинский В.И., Букшпун И.Д. и др. Энергетика. Киев: Вища школа, 1974,-616 с.
25. Ядерная и термоядерная энергетика будущего /Под. Ред. В.А. Чуянова. М.: Энергоатомиздат, 192 с.
