Новые схемы преобразования энергии

 

Район	Ср.скорость ветра, м/с	Возможные типы ВЭС
Побережье Ледовитого океана, отдельные места у берегов  Каспийского моря	> 6	Крупные ВЭС по 3 - 4 МВт
Европейская часть СНГ, Западная Сибирь, Казахстан, Дальний Восток, Камчатка	3,5 - 6	ВЭС средней мощности
Юг Средней Азии, Восточная  Сибирь	< 3,5	Мелкие ВЭС для решения  локальных задач

 

Таблица 2. Возможности использования энергии ветра

 

Но совершенно ясно, что даже к одному работающему ветряку близко подходить не желательно, и притом с любой стороны, так как при изменениях направления ветра направление оси ротора тоже изменяется. Для размещения же сотен, тысяч и тем более миллионов ветряков потребовались бы обширные площади в сотни тысяч гектаров. Дело в том, что ветроагрегаты близко друг к другу ставить нельзя, так как они могут создавать взаимные помехи в работе, "отнимая ветер" один от другого. Минимальное расстояние между ветряками должно быть не менее их утроенной высоты. Поэтому для размешения ветряной станции высокой мощности требуется большие площади.

При этом необходимо иметь  в виду, что уже ничего другого  на этой площади делать будет нельзя. Работающие ветродвигатели создают  значительный шум, и что особенно плохо — генерируют неслышимые ухом, но вредно действующие на людей инфразвуковые колебания с частотами ниже 16 Гц.

Кроме этого, ветряки  распугивают птиц и зверей, нарушая  их естественный образ жизни, а при  большом их скоплении на одной  площадке — могут существенно исказить естественное движение воздушных потоков с непредсказуемыми последствиями. Неудивительно, что во многих странах, в том числе в Ирландии, Англии и других, жители неоднократно выражали протесты против размещения ВЭС вблизи населенных пунктов и сельскохозяйственных угодий, а в условиях густо населенной Европы это означает — везде.

Поэтому было выдвинуто  предложение о размещении систем ветряков в открытом море. Но в то же время строительство и последующая эксплуатация, обслуживание будут обходиться не дешево. В Швеции было начато строительство одной ВЭС мощностью 200 кВт на расстоянии 250 м от берега, которая будет передавать энергию на землю по подводному кабелю. Аналогичные проекты были и у нас: предлагали устанавливать ветряки и на акватории Финского залива, и на Арабатской стрелке в Крыму. Помимо сложности и дороговизны подобных проектов, их реализация создала бы серьезные помехи судоходству, рыболовству, а также оказало бы все те же вредные экологические воздействия, о которых говорилось ранее. Поэтому и эти планы вызывают движения протеста в частности по поводу пагубного влияния на рыб.

Из всего сказанного следует вывод. Ветрогенераторы  могут быть полезными в районах Крайнего Севера, например — на льдинах у зимовщиков, или в некоторых других районах, куда затруднена подача энергии в других формах, и где потребности в энергии относительно невелики. Ветровые двигатели не загрязняют окружающую среду, но они очень громоздкие и шумные. Чтобы производить с их помощью много электроэнергии, необходимы огромные пространства земли. Лучше всего они работают там, где дуют сильные ветры. И, тем не менее, всего одна электростанция, работающая на ископаемом топливе, может заменить по количеству полученной энергии тысячи ветряных турбин.

 

ЭНЕРГИЯ МИРОВОГО ОКЕАНА

В Мировом Океане скрыты колоссальные запасы энергии. Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 10²⁶ Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 10¹⁸ Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной. Но принимая во внимание тот факт, что в настоящее время происходит весьма быстрое истощение запасов ископаемых топлив (прежде всего нефти и газа), использование которых к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды (включая сюда также и тепловое "загрязнение", выделение СО₂), резкая ограниченность запасов урана (энергетическое использование которых к тому же порождает опасные радиоактивные отходы) и неопределенность как сроков, так и экологических последствий промышленного использования термоядерной энергии заставляет ученых и инженеров уделять все большее внимание поискам альтернативных источников энергии, к которой в полной мере можно приписать и огромные ресурсы Мирового океана. Широкая общественность, да и многие специалисты еще не знают, что поисковые работы по извлечению энергии из морей и океанов приобрели в последние годы в ряде стран уже довольно большие масштабы и что их перспективы становятся все более обещающими. Океан таит в себе несколько различных видов энергии: энергию океанских течений, энергию приливов и отливов, термальную энергию, и др.

Энергия морских течений.

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 между полуостровом Флорида и Багамскими островами. Ширина течения составляет 60 км, глубина до 800 м, а поперечное сечение 28 км². Подсчитанная энергия, которую несет в себе Гольфстрим, составляет приблизительно 50 тыс. МВт. Но эта цифра чисто теоретическая, а практически можно рассчитывать на использование лишь около 10% энергии течения.

Но сможет ли человек  генерировать энергию, извлекая ее из подводных течений. «Сможет» - таково в 1974 году было заключение Комитета Мак-Артура, находящегося под эгидой Национального управления по исследованию океана и атмосферы в Майами (Флорида). Общее мнение заключалось в том, что имеют место определенные проблемы, но все они могут быть решены в случае выделения ассигнований, так как "в этом проекте нет ничего такого, что превышало бы возможности современной инженерной и технологической мысли".

 

Рис. 9 Электростанции, использующие энергию водных течений

 

Станции, генерирующие электроэнергию из подводных течений, по принципу работы схожи с ветровыми электростанциями, с одной лишь разницей, что лопасти  генератора находятся под водой. Такие электростанции также дороги в строительстве и обслуживании. Не обходится без недостатков, таких как, например, негативные последствия для обитателей океана – строительство большого количества таких станций неминуемо повлияет на сами течения, в частности, смешение нижних и верхних слоев вод. В случае с Гольфстримом это недопустимо.

Энергия приливов и  отливов.

Столетиями люди думали и размышляли над природой морских  приливов и отливов. Сегодня мы точно  знаем, что это грандиозное явление  природы – ритмичное движение морских вод провоцируют силы притяжения Солнца и Луны. Так как наше Солнце расположено от Земли в 400 раз дальше, то гораздо более скромная масса Луны оказывает действие на земные воды вдвое большее, чем масса Солнца. Поэтому определяющую роль играет именно прилив, вызванный Луной (лунный прилив).

По оценкам экспертов  организации «Greenpeace», ресурсы приливной  энергии в мире таковы, что их использование позволит получить количество энергии, превышающее современные  потребности человечества в электричестве  в 5 тыс. раз.

На морских просторах  приливы сменяются отливами теоретически через 6 часов 12 минут 30 секунд. Если Луна, Солнце и Земля находятся на одной  прямой линии (сизигия), Солнце своим  притяжением усиливает воздействие  Луны, и тогда наступает более  сильный прилив (сизигийный прилив, или большая вода). А когда Солнце находится под прямым углом к отрезку прямой Земля-Луна (квадратура), имеет место слабый прилив (квадратурный, или малая вода). Сильный и слабый приливы сменяют друг друга через 7 дней.

Однако истинный ход прилива и отлива весьма сложен. На него влияют особенности движения небесных тел, характер береговой линии, глубина воды, морские течения и ветер. Для использования приливной энергии наиболее подходящими можно считать такие места на морском побережье, где приливы имеют большую амплитуду, а контур и рельеф берега позволяют устроить большие замкнутые «бассейны».

Приливная электростанция (ПЭС) — особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а  фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 13 метров.

 

Рис. 10 Крупнейшая в мире приливная электростанция на реке Ля Ранс, Франция

Для их использования  сооружаются плотины, образуется водоем - бассейн приливной электростанции и при  достаточной высоте прилива  создается напор. Сила падения воды, проходящей через гидротурбины,  вращает их и приводит  в  движение  генераторы электрического тока. На однобассейновой приливной станции двойного действия,  работающей как во время прилива, так и во время отлива, можно вырабатывать электроэнергию четыре раза в сутки в течение 4-5 часов во время наполнения и опорожнения бассейна. Агрегаты такой станции должны быть приспособлены к работе в прямом  и обратном режимах  и  служить как для производства электроэнергии,  так и для перекачки воды.

Крупная приливная электростанция  мощностью 240  МВт работает в устье  реки Ля Ранс (рис.10). Она действует в сочетании с другими электростанциями  в  качестве пиковой (т.е. покрывающей потребность в электроэнергии в часы пик). Система использует двадцать четыре 10-мегаваттных турбины Каплана  и ежегодно производит около 50 ГВт•ч электроэнергии. Амплитуда прилива в устье реки составляет 14 м, бассейн площадью 22 км², который содержит 180 млн м³ полезной воды.

 В России в 1968 г. вступила в строй небольшая  приливная электростанция на  побережье  Баренцева  моря  в губе Кислой.  Разработаны проекты Мезенской приливной электростанции на берегу Белого моря, а также Пенжинской и Тугурской не берегу Охотского моря.

Существуют проекты  строительства подводных электростанций-турбин, которые будут собраны на дне моря и станут работать от быстрых течений, вызванных приливами и отливами (рис. 11).

Рис. 11 Проект подводной станции

 Турбины будут находиться  на глубине, достаточной для  прохождения на ними судов,  любого водоизмещения. Негативное влияние на экологию предполагается даже меньшим, чем у традиционных «барьерных» приливных электростанций, препятствующих миграции рыб, например лососю, сельди и угрю.

Ожидается, что мощности станции хватит на обеспечение потребности  в электроэнергии 200 000 домов. Внешний вид турбин обусловлен существующей технологией, применяющейся при производстве нефтяных платформ. Каркас, весом 2500 тон, служит основой для насоса, генератора, мотора и электроники. Возможными местами размещения таких электростанций может быть залив Пентланд в Шотландии, где станция могла бы дать 10 тыс. МВт, пролив Св.Георгия, акваторий острова Уайт и Нормандских островов, а также Южная Корея.

Преимуществами ПЭС  является сравнительная экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатками — во-первых, высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в составе энергосистемы, располагающей достаточной мощностью электростанций других типов. Во-вторых, недостаток приливных электростанции в том, что они строятся только на берегу морей и океанов, к тому же они развивают не очень большую мощность, да и приливы бывают всего лишь два раза в сутки. И даже они экологически не безопасны. Они нарушают нормальный обмен соленой и пресной воды и тем самым — условия жизни морской флоры и фауны. Влияют они и на климат, поскольку меняют энергетический потенциал морских вод, их скорость и территорию перемещения. Морские теплостанции, построенные на перепаде температур морской воды, способствуют выделению большого количества углекислоты, нагреву и снижению давления глубинных вод и остыванию поверхностных. А процессы эти не могут не сказаться на климате, флоре и фауне региона.

Энергия волн.

 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, 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.

Один из проектов использования  морских волн основан на принципе колеблющегося водяного столба. В гигантских «коробах» без дна и с отверстиями вверху под влиянием волн уровень воды то поднимается, то опускается. Столб воды в коробе действует наподобие поршня: засасывает воздух и нагнетает его в лопатки турбин. Главную трудность здесь составляет согласование инерции рабочих колес турбин с количеством воздуха в коробах, так чтобы за счет инерции сохранялась постоянной скорость вращения турбинных валов в широком диапазоне условий на поверхности моря.

Тепловая энергия  океана.

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, это оказалось возможным.