10228
.pdf
50
Рис. 48. Чертежи Dragonfly Invisible Wind Turbine
Основное преимущество, которое двигало создателей этого интересного устройства
– летающий ветрогенератор Buoyant Airborne Turbine (BAT), может быть поднят на гораздо большую высоту, чем даже ранее описанный Haliade 150. С другой стороны, летающие ветрогенераторы не предназначены для отдачи вырабатываемой ими энергии в общую энергетическую сеть.
Областью их применения являются небольшие поселки, удаленные места добычи полезных ископаемых и зоны, в которых нарушено обычное энергоснабжение в результате произошедших техногенных катастроф или стихийных бедствий. Например, первый ветрогенератор Altaeros Energies будет использоваться для снабжения электрической энергией поселка на Аляске к югу от города Фэрбенкс.
51
Рис. 49. Сверху: модульный турбинный блок, снизу летающий ветрогенератор (BAT)
По сути, этот проект является первым долгосрочным коммерческим проектом, в ходе реализации которого будет проверена жизнеспособность всех использованных технологий.
Летающий ветрогенератор Buoyant Airborne Turbine (BAT) представляет собой кольцевую оболочку, заполненную гелием, в центре которой установлена турбина и электрический генератор. Летающая конструкция поднимается на высоту в 300 метров
52
(область более сильных и стабильных ветров, чем на поверхности).
Электрический генератор BAT способен выдавать 30 КВт мощности и кроме производства электрической энергии конструкция ветрогенератора может нести на себе метеорологическое и коммуникационное оборудование, такое как оборудование мобильной связи, которое будет питаться вырабатываемой энергией. При этом наличие или отсутствие дополнительного оборудования никак не затрагивает основную функцию ветрогенератора.
Вся система развертывается в среднем за 24 часа, поскольку не требуется возведение специализированных конструкций и участие тяжелой строительной техники. Наземный модуль ветряной электростанции устанавливается на забитых в землю сваях и управляет положением летающей части при помощи троса и лебедки. Опытный образец ветрогенератора BAT испытывался на скоростях ветра до 70 километров в час, однако создатели заверяют, что его конструкция сможет выдержать воздействие порывистых ураганных ветров.
Как и солнечная энергетика, ветряная энергетика постоянно развивается, и новые модификации ветроэлектрических установок появляются с завидной периодичностью. Вместе с тем высокие капитальные издержки на единицу мощности по сравнению с традиционными тепловыми электростанциями, необходимость развитой инфраструктуры и шумовое, визуальное и электромагнитное воздействие на окружающую среду (последний из этих пунктов является предметом многочисленных споров) не позволяют полностью вытеснить традиционные способы получения энергии. Однако занять определенную нишу в данной области ветроэнергетике вполне по силам.
Энергия океана
Океан несет в себе огромный энергетический потенциал, который может быть реализован самыми различными способами.
Этот потенциал раскрывается через следующие составляющие:
1.энергия ветровых волн и зыби;
2.энергия приливов;
3.энергия океанических течений;
4.энергия температурного градиента морской воды;
5.энергия градиента солености.
Это далеко не полный перечень возможных направлений применения океанической энергии, однако, множество установок по её использованию находится либо в виде единичных экспериментальных установок, либо в виде идей.
Волны на океане возникают за счет воздействия ветра (передвижения воздушных масс), поэтому в литературе часто можно встретить словосочетание ветровые волны. После прекращения действия ветра на поверхности океана остаются относительно длинные волны, не связанные или слабосвязанные с ветром, которые называются зыбь.
Приливы и отливы это тоже волны, имеющие в отличие от ветровых волн и зыби другую природу образования. Приливы и отливы создают приливные течения, направление движения которых могут изменять свое направление и скорость несколько раз за сутки.
Под приливными течениями понимают горизонтальные движения частиц воды, вызываемые действием сил притяжения (приливообразующих сил) Луны и Солнца. Вторичными силами, влияющими на эти движения, являются сила, обусловленная возникающим в процессе приливов наклоном уровня вод, силы Кориолиса и трения.
Счет патентам, устройствам и изобретениям в области преобразования энергии ветровых волн в электрическую энергию идет на тысячи. Однако, большинство из них так
ине получило конечную реализацию.
Вкачестве успешного примера хочется привести гибридную установку, которая
53
одновременно использует энергию ветра и энергию ветровых волн для получения электрической энергии (рис. 50). Устройство, разработанное японской компанией Modec
(Mitsui Ocean Development & Engineering Co) состоит из двух частей: надводная часть
(собственно ветровая турбина) – имеет высоту 47 метров, подводной часть диаметром 15 метров. Каждая турбина может генерировать достаточно энергии для 300 домохозяйств в Японии.
Рис. 50. Гибридная установка (энергия ветра и энергия ветровых волн) компании Modec. Схема преобразователей.
Отечественные исследования в области использования энергии океана также добились больших успехов. В первую очередь следует отметить Николая Всеволодовича Вершинского (Институт океанологии имени П.П. Ширшова АН СССР), собравшего в своей фундаментальной монографии «Энергия океана» исчерпывающую информацию о различных способах использования энергии в особенности энергии ветровых волн и зыби.
Все многочисленные устройства для преобразования энергии поверхностных волн в электрическую энергию в его монографии, основанные на использовании самых различных физических свойств поверхностных волн, подразделяются на четыре группы:
I) Прямое преобразование энергии волн в электрическую энергию.
Устройство этой простейшей схемы состоит из одного генератора электрической
54
энергии (1). Волны непосредственно отдают ему свою энергию, и если генератор будет обладать достаточно высоким КПД, то такая схема – идеальный случай преобразования.
II) Двухзвенная схема использования энергии поверхностных волн.
Волны первоначально отдают свою энергию тому или иному механическому приемнику-преобразователю (1), который, подобно антенне, принимает энергию волнового поля. Вдобавок к этому, одновременно происходит преобразование энергии волн в другой вид механической энергии. Преобразованная механическая энергия волн передается генератору электрической энергии (2).
Приемник-преобразователь может иметь различную форму. Простейший случай – плита или пластина, совершающая колебания относительно горизонтальной оси. Поверхностные волны набегают на пластину и, отдавая ей свою энергию, заставляют совершать вынужденные колебания. С энергетической точки зрения самым важным требованием является высокий КПД первичного преобразователя. Сложнее использовать мощность, развиваемою приемником (плитой) для выработки электричества.
III) Трехзвенная схема использования энергии поверхностных волн.
Данная схема обеспечивает съем энергии и необходимую редукцию без непосредственного контакта того или иного механизма с гребнями волн. Это реализовано посредством второго преобразователя (2) – установленного между приемникомпреобразователем (1) и валом электрического генератора (3).
В группу III входят преобразователи, работающие на различных физических принципах. Типичным представителем этой группы можно считать волноэнергетическую установку, предложенную английскими учеными Уиттекером и Уэлсом. Установка состоит из пневматического приемника-преобразователя энергии волн, воздушной турбины и электрического генератора. Применение воздуха в качестве рабочего тела, отбирающего энергию поверхностных волн, исключает необходимость в непосредственном контакте волн с лопатками турбины и придает надежность установке в целом. Воздушная турбина здесь выступает в качестве второго преобразователя. Известны и другие установки этой группы. Не менее важное требование, чем высокое КПД, это то, что вид механической энергии на выходе первичного преобразователя должен быть удобен для преобразования в электрическую энергию.
Однако получить вращательное движение с помощью энергии поверхностных волн достаточно сложно. Наибольших успехов в этой области удалось добиться с помощью пневматических методов преобразования. Здесь следует упомянуть пневматическую установку японского ученого И. Масуды, имеющую относительно сложный первичный приемник-преобразователь, работающий на воздушную турбину, то есть на второй преобразователь, соединенный с валом электрического генератора.
IV. Пятизвенная схема использования энергии поверхностных волн
Состоит из приемника энергии волн (первичный преобразователь) (1), вторичного преобразователя (2), аккумулятора (накопителя) преобразованной энергии (3), двигателя, или третьего преобразователя (4) и генератора электрической энергии (5).
Эта группа представляет наиболее общий случай построения установок для использования энергии поверхностных волн. Разница между ними состоит в использовании различных первичных преобразователей, что иногда приводит к перестановке местами отдельных звеньев или к замене их другими. Но общее число основных звеньев остается неизменным.
Типичный представитель группы – плот Коккереля (английского изобретателя). Первое звено этой системы – приемник энергии волн в виде плота из нескольких звеньев, шарнирно соединенных между собой.
Эта схема сложнее предыдущих и её главный недостаток – высокая стоимость обслуживания волноэнергетических установок, связанная с необходимостью оплаты высококвалифицированного персонала для обслуживания гидравлических систем. Однако этот недостаток относится лишь к устройствам типа плота Коккереля, а не является
55
общим для систем, построенных по схеме IV.
В качестве рабочего тела в установках по схеме IV используются масло или вода. Положительная особенность применения масла состоит в значительном уменьшении влияния коррозии на рабочие механизмы установки. Как известно, морская вода отличается высокой агрессивностью, и поэтому из-за неизбежного случайного проникновения ее в гидравлическую систему через различные не плотности, в том числе сальники, нельзя говорить о полном устранении коррозийных явлений. Но применение масла в качестве рабочей жидкости приводит к значительному усложнению и удорожанию установки в целом. Поэтому представляют большой интерес системы, работающие с водой в качестве рабочей жидкости.
Другим выдающимся деятелем в области энергии океана являтеся Лев Борисович Бернштейн советский инженер-гидротехник, капитан 1-го ранга руководил работами по строительству Кислогубской приливной электростанции (ПЭС).
По сути Кислогубская ПЭС - экспериментальная приливная электростанция, расположенная в губе Кислая Баренцева моря, вблизи поселка Ура-Губа Мурманской области. Как первая и единственная приливная электростанция России состоит на государственном учёте как памятник науки и техники.
Рис. 51. слева: Вершинский Николай Всеволодович, справа: Бернштейн Лев Борисович
56
Рис. 52. Памятная надпись на Кислогубской ПЭС Главной конструктивной особенностью любой ПЭС в отличие от ГЭС является
отсутствие дорогой плотины. Вместо компактных турбин электрогенераторы приводятся в движение крупными лопастями диаметром от 10 до 20 метров. Такие электростанции больше всего напоминают ветряные электростанции, опущенные в воду.
Рис. 53. Общий вид Кислогубской ПЭС К недостаткам традиционных приливных электростанций можно отнести их
высокую стоимость. Она в 2,5 раза превышает стоимость гидроэлектростанций аналогичной мощности. Однако к преимуществам ПЭС можно отнести ее экологичность и низкую себестоимость производства энергии.
57
По разным прогнозам ресурсы приливной энергии в мире таковы, что при их использовании можно получить такое количество энергии, которое превысит современные потребности человечества в электроэнергии в 5 тысяч раз.
Режим работы приливной электростанции обычно состоит из нескольких циклов. Четыре цикла, это простой, по 1-2 часа, периоды начала прилива и его окончания. Затем четыре рабочих цикла продолжительностью по 4-5 часов, периоды прилива или отлива, действующих в полную силу. В ходе прилива водой наполняется бассейн приливной электростанции. Движение воды вращает колеса капсульных агрегатов, и электростанция вырабатывает ток. Во время отлива вода, уходя из бассейна в океан, опять вращает рабочие колеса, теперь в обратную сторону. И вновь электростанция снова производит электрический ток, потому что рабочий агрегат обеспечивает одинаково хорошую работу при вращении колеса в любую из сторон. В промежутках между приливом и отливом движение колес останавливается. Какой же выход из этого положения? Чтобы не было перебоев, энергетики связывают приливную электростанцию с другими станциями. Это могут быть, например, тепловые или атомные электростанции. Получившееся энергетическое кольцо помогает во время пауз переложить нагрузку на соседей по кольцу.
Рис. 54.Пример суточного режима работы приливной электростанции
58
Рис. 55.Схема работы ПЭС В качестве примера установок для преобразования энергии океанических течений
можно привести электрогенераторы Biowave от австралийской компании BioPower Systems (рис. 56).
Рис. 56. Электростанция Biowave австралийская компания
Преобразование энергии температурного градиента морской воды (англ. - OTEC) – это процесс, который использует тёплую морскую воду для обогрева жидкостей с низкой температурой кипения, таких как аммиак. Таким образом, производится пар, вращающий турбину электрогенератора. В то же время из недр океана подаётся на поверхность
59
холодная вода для конденсации пара, и цикл начинается сначала. Поскольку такие системы требуют довольно большой разницы температур (около 35 градусов по Фаренгейту), то они более всего подходят для прибрежных районов в тропиках.
Рис. 57. Установка по преобразованию температурного градиента морской воды Среди методов получения энергии из градиента солености океанической воды,
возникающего в итоге смешивания пресной и соленой воды, рассмотрим осмос и оборотный электродиализ.
Под осмосом понимают процесс проникновения растворителя из менее концентрированного в более концентрированный раствор при помощи диффузии. Для осуществления данного процесса растворы разной концентрации в одном сосуде должны быть разделены «полупроницаемой» мембраной. Эта мембрана свободно пропускает молекулы воды, но препятствует проникновению молекул соли. Поскольку под воздействием осмоса выровнять концентрацию соли в сосуде не позволяет мембрана, происходит лишь плавное перетекание молекул воды из части с пресной водой в соленую под действием осмотического давления, что создает разницу уровней воды в половинах сосуда. Перераспределение будет происходить до того времени, пока гидростатическое давление не уравновесит давление осмотическое.