Загальні відомості
Запаси енергії у Світовому океані колосальні, адже дві третини
земної поверхні (361 млн км ) займають моря та океани: акваторія
2 2 Тихого океану становить 180 млнкм , Атлантичного - 93 млн км,
• ^ 2 Індійського -75 млн км.
Енергія Світового океану становить (Дж/рік) [1]:
^ • 20
- теплова енергія (температурний градієнт) - 3,3 *10 ;
- енергія океанських течій - 2,6 • 1019;
- енергія морських вітрових хвиль - 3,1 • 10і 8;
- енергія припливів -6,3*1019;
- енергія прибоїв - 1,2-1018;
18
- енергія градієнтів солоності — 10 .
Потенційні та технічно реалізовні ресурси джерел енергії
Світового океану наведено в таблиці 4.8.1 [1].
|
Таблиця 4.8.1 - Енергетичні ресурси Світового океану
|
Такі величезні запаси енергії та різноманітність її форм - гарантія того, що в майбутньому людство не буде відчувати її браку.
Найбільш поширеним способом використання енергії морів та океанів на сьогодні є спорудження установок, що використовують енергію хвиль, і припливних електростанцій (ПЕС).
4.8.1 Використання енергії хвиль
З точки зору енергетики морські хвилі являють собою концентровану форму вітрової енергії. Механічна енергія хвилі пропорційна довжині і квадрату висоти хвилі. Сумарна хвильова потужність Світового океану оцінюється на 2700 ГВт.
За оцінками спеціалістів, енергія морських та океанських хвиль становить приблизно ЗО % всієї використовуваної у світі енергії.
Питома потужність хвилі висотою 6 м перевищує 100 кВт на 1 погонний метр фронту хвилі. Відомим є випадок, коли хвилі викинули камінь масою 69,5 кг на покрівлю маяка висотою 40 м над рівнем моря (штат Орегон, США). У Франції (м. Шербур) хвилі перекинули валун масою 2700 кг через дамбу висотою 6м. В 1971 р. хвиля висотою 27 м знесла бурову вишку на острові Ванкувер у Тихому океані. Максимальна висота хвиль була зареєстрована в Тихому океані і досягала 35 м.
Значну увагу приділяють застосуванню енергії морських хвиль. Бакени та маяки, які використовують цю енергію, вже покрили прибережні води Японії.
Запропоновано багато різних способів використання електричної або інших видів енергії, що виробляється хвильовими енергоустановками. Серед них - електропостачання віддалених від енергосистеми прибережних, острівних і розташованих у відкритому морі установок, зарядження акумуляторів і газових балонів, отримання кисню й азоту, опріснення морської води шляхом електролізу, використання установок як хвилеломів для захисту берегів від руйнування тощо.
Разом із тим існують обставини, які стримують розвиток хвильових енергоустановок, до них належать: низький ступінь концентрації енергії, розосередження енергії на великій поверхні, непостійне хвилевідтворення в часі, низька швидкість руху хвиль при значних силах їхньої дії. Крім того, потужність хвильової електростанції неможливо регулювати в часі з врахуванням інтересів споживачів.
Таким чином, коли проектуються хвильові енергоустановки, слід насамперед вирішувати питання концентрації та акумулювання енергії, а також ефективного її перетворювання з максимальним використанням наявних технічних рішень.
Основними шляхами розвитку хвильових енергоустановок є підвищення концентрації енергії хвиль й енергоємності акумуляторів, їхньої надійності та ефективності перетворення енергії.
Найбільш розповсюдженими хвильовими установками, що широко досліджуються в різних країнах світу, є поплавкові установки. Робоче тіло таких установок - поплавок, що знаходиться на поверхні моря, - здійснює вертикальні коливання відповідно до змін рівня води при наявності хвиль. Вертикальне переміщення поплавка використовується або для поперемінного стискання газу чи рідини в певній ємності, або для переміщення осердя в електромагнітній обмотці, або для перетворення цих переміщень в обертальний рух вала електричного генератора, або в тиск робочої рідини з використанням поршневого насоса тощо.
Серед усіх проектів використання енергії хвиль, що знайшли практичне втілення, виділено чотири [2]:
- “пірнаюча качка” Солтера;
- пліт Кокерела;
- випрямляч Расела;
- коливальна водяна колонка (резервуар).
Ефективність поплавкових установок зростає, якщо використовувати ексцентричні поплавки, які не тільки розгойдуються на хвилях, а й сприймають тиск набігаючої хвилі. Зміна кутового положення поплавка відносно валу, що проходить через нього, перетворюється з допомогою зубчатої передачі в обертальний рух вала генератора. Схему роботи “пірнаючої качки” Солтера зображено на рисунку 4.8.1.
Пліт Кокерела складається з трьох шарнірно з’єднаних понтонів, які перебувають на плаву і відтворюють коливання хвиль. їхнє підняття й опускання приводить в дію гідравлічні тарани, які з’єднують понтони. Стискання і розтягування таранів передається робочій рідині, яка діє на гідравлічний генератор, що виробляє електричний струм. Трисекційний хвильовий пліт Кокерела має довжину 100 м, ширину 50 м і висоту 10 м, може дати потужність до
2 тис. кВт; вся конструкція утримується на місці якорями. Схему шарнірних з’єднань і розташування плота на хвилях показано на рисунку 4.8.2.
|
Рисунок 4.8.1 - “Пірнаюча качка” Солтера: а) - частина плота на водній поверхні; б) - окремий елемент плота 1 - опорна конструкція; 2 - ексцентричні поплавки; 3 - опорний вал; 4 - силовий перетворювач |
|
Рисунок 4.8.2 - Хвильова енергетична установка - пліт Кокерела |
Випрямляч Расела регулює рух води таким чином, що вона надходить у турбіну тільки в одному напрямку. Схему роботи випрямляча Расела подано на рисунку 4.8.3.
|
Рисунок 4.8.3 - Випрямляч Расела: а) - верхнє положення рівня води; б) - нижнє положення 1 - конструкція установки; 2 - електрогенератор; З - гідравлічна турбіна; 4 - клапани |
Коливальна водяна колонка (резервуар) відрізняється від попередніх проектів. Вона перетворює енергію хвиль на потенціальну енергію стиснутого повітря, яке потім віддає енергію повітряній турбіні.
Ідея колонки належить японському морському офіцеру Масуді, який винайшов плаваючий хвилеріз. Він довів, що коли хвилеріз зробити у вигляді перевернутої камери з отворами у верхній частині, то висота хвиль усередині буде значно меншою, ніж ззовні, оскільки хвиля вирівнюватиметься під дією потоків повітря, що проходять крізь отвори. Інтенсивні повітряні потоки постійно надходять у середину камери і виходять з неї внаслідок піднімання та опускання колони. Пневмобуй Масуди при русі вверх і вниз із вказаними потоками повітря зображено на рисунку 4.8.4.
Становить інтерес багатоступінчастий хвильовий насос, схему якого показано на рисунку 4.8.5. Один його ступінь вміщує гофрований патрубок 1, вихідний клапан 2, демпфуючий резервуар З, вихідний клапан 4 і тонкий гнучкий лист 5, який вертикально входить у воду. За допомогою хвильового насоса здійснюється перетворення кінетичної та потенціальної енергії на направлений рух рідини. Подальше перетворення кінетичної енергії рідини, що рухається, на електроенергію відбувається за допомогою гідравлічних турбін, які обертають електрогенератор.
|
Рисунок 4.8.4 - Пневмобуй Масуди: 1 - корпус; 2 - електрогенератор; 3 - клапани; 4 - повітряна турбіна |
|
Рисунок 4.8.5 - Схема багатоступінчастого хвильового насоса |
У Данії, Норвегії та Швеції хвильові станції розташовані на плотах, з’єднаних із насосом, який починає працювати, коли хвилі діють на пліт. Тут використано великий насос, що міститься на дні моря. Поршень насоса з’єднується з плотом за допомогою еластичного дроту. Коли хвилі підіймають пліт, поршень піднімається, вода проходить крізь заповнений блок генератора турбіни, виробляючи електроенергію. Коли хвиля спадає, поршень опускається, витискаючи своєю вагою воду через клапани (рисунок 4.8.6).
|
Рисунок 4.8.6 - Схема хвильової електростанції |
Цікавою для науковців є також установка, в якій коливання морської води перетворюються в енергію повітряного потоку і яка називається “грейферний ківш”. “Грейферний ківш” (рисунок 4.8.7) — це споруда з шістьома повітряними подушками, що розташовані навколо полого круглого стовпа. При ударі хвиль по конструкції повітря видавлюється між шістьма подушками через полий стовп, який оснащений повітряними турбінами. Підраховано, що “грейферний ківш” може виробляти електроенергію за ціною близько 0,06 дол. США за 1 кВт-год.
У хвильових установках із пневматичними перетворювачами під дією хвиль повітряний потік періодично міняє свій напрям на обернений. Для цих умов і розроблена турбіна Уелса, ротор якої має випрямляючу дію, зберігаючи незмінний напрям свого обертання при зміні напряму повітряного потоку, і, як наслідок, підтримується незмінним напрям обертання генератора.
Приклад використання повітряної турбіни, що працює в одному напрямі обертання, наведено на рисунку 4.8.8.
|
Рисунок 4.8.7 - Конструктивне виконання (а) і принцип роботи (б) “грейферного ковша” |
|
СР |
Г снератор
Турбина
Повітря N
Рух хвплі вгору і вниз
Рисунок 4.8.8 - Схема роботи хвильової повітряної турбіни
Хвильова енергетична установка “Камей” (“Морський світ”) - найбільш потужна діюча енергетична установка з пневматичними перетворювачами - побудована в Японії в 1976 р. Вона використовує
хвилювання висотою до 6-10 м. На баржі довжиною 80 м, шириною 12 м, висотою в носовій частині 7 м, в кормовій - 2,3 м, водотоннажністю 500 т встановлені 22 повітряні камери, відкриті знизу; кожна пара камер працює на одну турбіну Уелса. Загальна потужність установки - 1000 кВт, енергія передається на берег по підводному кабелю довжиною близько 3 км.
У Норвегії конструкція вітрової установки складається з конусовидного каналу в ущелині довжиною близько 170 м з бетонними стінками висотою 15 м і шириною в основі 55 м, що входить у резервуар між островами і відділений від моря дамбами, і греблі з енергетичною установкою. Хвилі, проходячи по звужувальному каналу, збільшують свою висоту з 1,1 до 15 м і вливаються в резервуар площею 5500 м, рівень якого на 3 м вище рівня моря. З резервуара вода проходить через низьконапірні гідротурбіни потужністю 350 кВт. Станція щорічно виробляє до 2 млн кВт-год електроенергії.
Аналогічною хвильовою електростанцією є та, що реалізована на
о. Маврикій в Індійському океані [3], яка подібна до однобасейнової припливної електростанції. Коло берега дамбами відгороджується басейн із пологою греблею-хвилерізом, рівень басейну на 2-3 м вище, ніж океану. Океанські хвилі закидаються через греблю в басейн, а низьконапірні агрегати перетворюють цей напір в електричну енергію.
Майстерня своєї справи