Общая Энергетика - Учебное Пособие [2009]. В. П. Казанцев Общая энергетика

• Название: В. П. Казанцев Общая энергетика
• Анкор: Общая Энергетика - Учебное Пособие [2009].doc
• Дата: 22.04.2017
• Размер: 7.69 Mb.
• Имя файла: Общая Энергетика - Учебное Пособие [2009].doc
• Тип: Документы; #5273
• страница: 15 из 17

5.2.2. Основные проблемы и перспективы

ветроэнергетики
Сравнительно медленное внедрение ВЭУ в практическую энер­гетику обусловлено рядом объективных причин.

Перваяпричина – особенности ветра как источника энергии. Ветер обладает крайне непостоянными характеристиками, имеет большие те­кущие (мгновенные) колебания скорости, средние скорости ветра суще­ственно изменяются в суточном и годовом цикле. Мировая практика по­казала, что при среднегодовых скоростях ветра менее 4–5 м/с применение ВЭУ неэффективно. Исходя из этих условий, согласно ветровому кадастру страны, не более 40 % ее территории может использоваться для выработки электроэнергии. Значительным ветроэнергетическим потенциалом обладают зоны побережья и островов Северного Ледовитого и Тихого океа­нов, Азово–Черноморская и Каспийская зоны.

Можно указать следующие достоинства и недостатки энергии ветра. Достоинства: отсутствие влияния на тепловой баланс атмосферы Земли, отсутствие потребления кислорода, выбросов углекислого газа и других загрязнителей, возможность преобразования в различные виды энергии (механическую, тепловую, электрическую). Недостатки: низка плотность энергии, приходящаяся на единицу площади ветрового колеса; непредсказуемые изменения скорости ветра в течение суток и сезона требуют резервирования ветровой станции или аккумулирования произведенной энергии; отрицательное влияние на среду обитания человека и животных, на телевизионную связь и пути сезонной миграции птиц.

Вторая причина– особенности преобразования энергии вет­ра в электрическую. Во всем мире базовой моделью для ВЭУ единичной мощностью до 300 кВт является двух– или трехлопастное ветроколесо горизонтально–пропеллерного типа, поднятое на соответствующую высоту с помощью башни. Для ВЭУ мегаваттного класса разрабатываются конструкции с вертикальной осью вращения. Диаметр ветроколеса для малых мощностей измеряется метрами, средних и больших – десятками метров.

Третьей причиноймедленного внедрения в практику ВЭУ является их высокая стоимость. По данным различных источников стоимость 1 кВт вво­димой в эксплуатацию мощности ВЭУ составляет от 1000 до 1500 долл. США, что в несколько раз превышает капиталовложения в дизельные элек­тростанции небольшой мощности (до 300 кВт), составляющие 200–250 долл./кВт.

Эти общеизвестные причины могут быть дополнены специфическими причинами отсутствия ВЭУ даже на тех объектах, где применение их по метеоусловиям кажется очевидным (объекты гидрометеослужб, объекты связи на Севере и Дальнем Востоке, вахтовые поселки, малые городки в районах нефтедобычи и лесоразработок и т.п.). К ним относятся:

1) специфические резкопеременные графики нагрузок;

2) соизмеримая мощность отдельных потребителей с мощностью источника и, как следствие, динамические нагрузки на источник;

3) наличие особой группы электроприемников I категории, не допускающих перерывов в электроснабжении;

4) высокие требования к надежности оборудования, обусловленные низкой квалификацией обслуживающего персонала и невозможностью проведения ремонтных работ в межнавигационный период.

Недостатком ветроэнергетических станций является также изъятие под их строительство больших площадей земельных ресурсов. Под мощные промышленные ветроэнергетические станции необходима площадь из расчета от 5 до 15 км² на 1 МВт в зависимости от розы ветров и местного рельефа района. Максимальная мощность, которая может быть получена единицы площади, меняется в зависимости от района использования, типа станций и технологических особенностей конструкции. Среднее ее значение – около 10 МВт. Для ВЭС мощностью 1000 МВт потребуется площадь 70–200 км², хотя частично эти земли могут использоваться для сельскохозяйственных нужд, что в большей мере зависит от шумовых эффектов и степени риска при поломках ВЭУ. Например, у больших ВЭУ лопасть при поломках и отрыве может быть отброшена на 400–800 метров.

Наиболее важный фактор влияния ВЭУ на окружающую среду – это акустическое воздействие. Шумовые эффекты от ВЭУ имеют различную природу и подразделяются на механические (шум от редукторов, подшипников и генераторов) и аэродинамические воздействия, которые, в свою очередь, могут быть низкочастотными (менее 16–20 Гц) и высокочастотными (до нескольких килогерц). Эти воздействия вызваны в основном вращением рабочего колеса. Шумовой эффект в непосредственной близости ВЭС достигает 50–80 дБ. Отдельную экологическую проблему составляют шумовые воздействия установок мощностью более 250 кВт, когда на концах лопаток ветроколес большого диаметра скорости сверхзвуковые. При этом возникает инфразвуковой эффект, отрицательно воздействующий на биологические субъекты и человека. Примеры: установка мощностью 2 МВт с лопастью пропеллера 60 м производит такой шум, что ее нужно отключать в ночное время.

Современные относительно мощные ВЭУ производятся сейчас в Дании, Германии, США, Швеции, Японии, Испании, Великобритании. Как правило, они имеют трехлопастные роторы (реже двухлопастные). Установка обычно рассчитывается на скорость ветра, изменяющуюся в диапазоне от 3 до 25 м/c; максимальная скорость ветра, которую должны выдержать лопасти и несущая мачта, – 60 м/c. Энергия вращения ротора передается на асинхронный генератор через редуктор и разъемную муфту, размещаемые в капсуле (гондоле) ВЭУ. Хотя лопасти ВЭУ внешне похожи на вертолетные, условия их работы принципиально отличны. Лопастям придается специальная форма с сужением к концу для уменьшения шума от вращающегося ротора, капсула также имеет специальную звукоизоляцию. В результате уровень шума в непосредственной близости от ВЭУ обычно не превышает 100 дБ.

Весьма перспективную концепцию, названную Windformer, предложила фирма ABB (ныне входящая в концерн ALSTOM). В этой ВЭУ, в отличие от традиционной, вместо обычного асинхронного генератора используется специальный генератор высокого напряжения, отсутствуют редуктор, устройство плавного запуска, разъемная муфта, трансформатор. Все это существенно сокращает размеры капсулы ВЭУ, повышает общую надежность и ремонтопригодность, снижает уровень шума. Генерируемый переменный ток высокого напряжения (свыше 20 кВ) преобразуется в постоянный ток. Несколько ВЭУ объединяются в группу (кластер), и энергия от них поступает по кабелям постоянного тока к общему преобразователю, подключенному к сети. Первая такая ВЭУ расчетной мощностью 3 МВт с трехлопастным ротором диаметром 90 м и высотой мачты 70 м сооружается в настоящее время в Швеции.

Наиболее вероятно, что развитие ветроэнергетики в России в ближайшем будущем будет осуществляться на базе использования ветроэнергетических установок в диапазоне единичных мощностей от 5 до 100 кВт. Такие установки будут применяться для нужд насосного водоснабжения и для сельской электрификации совместно с электрическими аккумулирующими устройствами, рассчитанными на электроснабжения потребителей в течение 2 сут. Разрабатываются также ветроэнергетические установки единичной мощностью в диапазоне от 100 кВт до 5 МВт, предназначенные для выработки электроэнергии в составе существующих энергетических систем.
5.3. Энергия Земли и геотермальные

электростанции
Энергетика земли – геотермальная энергетика – базируется на использова­нии природной теплоты Земли.

Верхняя часть земной ко­ры имеет термический градиент, равный 20–30 °С в рас­чете на 1 км глубины. Ко­личество теплоты, содержащейся в земной коре до глу­бины 10 км (без учета температуры поверхности), равно приблизительно 12,6^.10²⁶ Дж. Эти ресурсы эквивалент­ны теплосодержанию 4,6·10¹⁶ тонн угля (принимая среднюю теплоту сгорания угля равной 27,6^.10⁹ Дж/т), что бо­лее чем в 70 тыс. раз превышает теплосодержание всех технически и экономически извлекаемых мировых ресур­сов угля. Однако геотермальная теплота в верхней части земной коры слишком рассеяна, что­бы на ее базе решать мировые энергетические проблемы. Ресурсы, пригодные для промышленного использования, представляют собой отдельные месторождения геотермальной энергии, сконцентрированной на доступной для разработки глубине, имеющие определенные объемы и температуру, достаточные для использования их в целях производства электрической энергии или теплоты. Эти запасы геотермальной энергии по оценкам ученых составляют около 200 ГВт·ч, причем они распределены неравномерно, и основная их часть сосредоточена в районе Тихого океана.

С геологической точки зрения геотермальные энерго­ресурсы могут быть трех типов:

1) гидротермальные конвективные системы;

2) горячие сухие системы вулканического происхождения;

3) системы с высоким тепловым потоком.

К гидротермальным конвективным системам относят подземные бассейны пара или горячей воды, ко­торые выходят на поверхность земли, образуя гейзеры, сернистые и грязевые озера. Образование та­ких систем связано с наличием источника теплоты – го­рячей или расплавленной скальной породой, располо­женной относительно близко к поверхности земли. Гидротермальные конвективные системы обычно размещаются по границам тектонических плит земной коры, которым свойственна вулканическая активность.

В принципе для производства электроэнергии на месторождениях с горячей водой применяется метод, основанный на использовании пара, образовавшегося при испарении горячей жидкости на поверхности. Этот метод использует то явление, что при приближении го­рячей воды (находящейся под высоким давлением) по скважинам из бассейна к поверхности давление падает и около 20 % жидкости вскипает и превращается в пар. Этот пар отделяется с помощью сепаратора от воды и направляется в турбину. Вода, выходящая из сепарато­ра, может быть подвергнута дальнейшей обработке в зависимости от ее минерального состава. Эту воду можно закачивать обратно в скальные породы сразу или, если это экономически оправдано, с предварительным извле­чением из нее минералов.

Другим методом производства электроэнергии на базе высоко– или среднетемпературных геотермальных вод является использование процесса с применением двух­контурного (бинарного) цикла. В этом процессе вода, полученная из бассейна, используется для нагрева теплоносителя второго контура (фреона или изобутана), имеющего низкую температуру кипения. Пар, образовав­шийся в результате кипения этой жидкости, использует­ся для привода турбины. Отработавший пар конденси­руется и вновь пропускается через теплообменник, создавая тем самым замкнутый цикл.

Кгорячим системам вулканического происхождения относятся маг­ма и непроницаемые горячие сухие породы. Использование этих энергетических ресурсов предусматри­вает устройство замкнутого контура с циркулирующей по нему жидкостью, проходящего через горячую породу. Сначала пробуривают скважину, достигающую области залегания горячей породы; затем через нее в породу под большим давлением закачивают холодную воду, что приводит к образованию в ней трещин. После этого через образованную таким образом зону трещино­ватой породы пробуривают вторую скважину. Наконец, холодную воду с поверхности закачивают в первую скважину. Проходя через горячую породу, она нагрева­ется, извлекается через вторую скважину в виде пара или горячей воды, которые затем можно использовать для производства электроэнергии одним из рассмотрен­ных ранее способов. Проще говоря, геотермальные электростанции такого типа работают по следующей схеме: вода закачивается в глубокую скважину, проникает в трещины горячего гранита, нагревается и по другой скважине поднимается на поверхность земли. После этого горячая вода попадает в теплообменник, и полученная от нее энергия расходуется для получения горячей воды или пара для турбин.

Ксистемам с высоким тепловым потоком относят зоны с высокими значениями теплово­го потока, располагаемого в глубокозалегающем осадочном бассейне. В таких районах, как Парижский или Венгерский бассейны, температура воды, поступающая из сква­жин, может достигать 100 °С.

Геотермальная энергия может быть использована главным образом для выработки электроэнергии и для обогрева домов, учреждений и промышленных предприятий. Для какой из этих целей она будет использоваться, зависит от формы, в которой она поступает в наше распоряжение.

Иногда вода вырывается из–под земли в виде чистого «сухого пара», т.е. пара без примеси водяных капелек. Этот сухой пар может быть непосредственно использован для вращения турбины и выработки электроэнергии.

В других местах, где имеется смесь воды с паром (влажный пар), этот пар отделяют от воды и затем используют для вращения турбин.

Наконец, в большинстве месторождений есть только горячая вода, и электрическую энергию здесь можно вырабатывать, пользуясь этой водой для перевода изобутана в парообразное состояние, с тем, чтобы этот изобутановый «пар» вращал турбины. Такой процесс, как уже отмечалось, относят к двух­контурному (бинарному) циклу. Горячей водой, естественно, можно также непосредственно обогревать жилища, общественные здания и предприятия (централизованное теплоснабжение).

Промышленное освоение геотермальных ресурсов началось после создания и пуска в Италии в 1916 году геотермальной электростанции (ГеоЭС) мощностью 7,5 МВт с тремя турбинами фирмы «Франко Този» мощностью по 2,5 МВт каждая. Однако широкое промышленное строительство ГеоЭС было развернуто только в 1960–х годах в США, Новой Зеландии, Японии, Исландии и некоторых других странах. К настоящему времени ГеоЭС используются в 58 странах.

Суммарная установленная мощность действующих на конец 2000 года ГеоЭС всех стран мира оценивается в 7,5 млн. кВт. Наибольший прогресс в этой области достигнут в США, на Филиппинах, в Мексике, Италии, Японии, причем только на создание новых технологий за последние 20 лет затрачено около 2 млрд. долл. США.

Использование низкотемпературной геотермальной энергии в мировой практике показывает, что большая ее часть (73 %) идет на обогрев помещений, купален, рыбоводства и теплиц. Значительно возросла доля геотермального теплообеспечения сельского хозяйства. Мировое энергопроизводство для этой цели составляет 310 тыс. т условного топлива (7 % от мирового энергопользования в этой области).

Приповерхностные (малоглубинные) геотермальные системы используются для обогрева и охлаждения различных типов жилых домов (от очень дешевых до роскошных индивидуальных или многоквартирных), бензозаправок, супермаркетов, церквей, образовательных учреждений и т.п. Суть рассматриваемых технологий заключается в создании подземного теплообменника, расположенного на малой глубине с замкнутым или открытым контуром, присоединенного к тепловому насосу, расположенному внутри отапливаемого помещения. При этом температура земных пород должна составлять 5–14 °С.

Эти технологии использования низкотемпературной геотермальной энергии малых глубин можно рассматривать как некоторый технико–экономический феномен или реальную революцию в системе теплообеспечения. Меньше чем за 10 лет в США была разработана многовариантная технология и построены сотни тысяч действующих систем теплоснабжения. Ежегодно вводится в строй не менее 50–80 тысяч новых систем. Успешно внедряется эта технология в Швеции, Швейцарии, Канаде, Австрии, Германии, США. К концу 2000 года в мире действовало около 500 тыс. таких систем со средней мощностью 10 кВт и общей мощностью не менее 2,2 ГВт.

Капитальные затраты на строительство такой установки могут оказаться на 50–100 % выше затрат на создание систем прямого обогрева электроэнергией. Однако эксплуатационные затраты на выработку тепловой энергии на 60 % ниже чем от традиционных источников обогрева на электричестве. Срок окупаемости снижается в условиях резко континентального климата, где системы зимой используются для отопления, а летом – для охлаждения зданий. В США считают приемлемым достижения окупаемости в течение 4–8 лет.

По прогнозам Мировой энергетической комиссии к 2020 году доля геотермальных тепловых насосов (ГТН) в теплоснабжении составит 75 %. ГТН позволяют получить на 1 кВт затраченной мощности 3–7 кВт тепловой мощности или 15–25 кВт мощности по охлаждению на выходе. Система исключительно долговечна и прослужит от 25 до 50 лет без особого внимания к себе. В жилищно–коммунальном секторе с помощью ГТН может осуществляться автономное теплоснабжение коттеджей и отдельных зданий. В качестве источника низкопотенциального тепла для ГТН чаще всего выступают водопроводная вода, грунт, морская и речная вода, канализационные стоки и т.п. На промышленных предприятиях тепловые насосы применяют для утилизации теплоты водооборотных систем, стоков с целью использования такого тепла для теплоснабжения, отопления и горячего водоснабжения.

В формировании энергетики России сектор теплоснабжения занимает важнейшее место, который является самым большим по объему потребляемых энергоресурсов (более 45 % их общего потребления), причем электростанциями отпускаются более 34 % всего тепла, котельными – примерно 50 %. В соответствии с энергетической стратегией России до 2020 года планируется рост теплопотребления в стране не менее чем 1,3 раза. Повышение цен, которое произошло в последние годы, на органическое топливо (газ, мазут, дизельное топливо) и на его транспортировку в отдельные районы России привело к объективному росту отпускных цен на электрическую и тепловую энергию.

Это принципиально изменяют отношения к использованию возобновляемых источников энергии и, в частности, геотермальной. Так, развитие геотермальной энергетики в отдельных регионах страны позволяет уже сегодня решать проблему электро– и теплоснабжения, в частности, на Камчатке, Курильских островах, а также на Северном Кавказе и в отдельных районах Сибири и европейской части России. В числе основных направлений совершенствования и развития систем теплоснабжения должно стать расширение использования местных и нетрадиционных возобновляемых источников энергии и, в первую очередь, геотермального тепла земли.

Уже в ближайшие 7 – 10 лет с помощью современных технологий локального теплоснабжения, включая технологии приповерхностных геотермальных систем, можно сэкономить значительные ресурсы органического топлива. И на это есть все основания.

Россия располагает значительными запасами тепла земли, которые могут быть приумножены за счет геотермальных источников, находящихся на глубине от 300 до 2500 метров в основном в зонах разломов земной коры. Территория России хорошо исследована, и сегодня известны основные ресурсы тепла земли, которые имеют значительный промышленный потенциал, в том числе и энергетический. Более того, практически везде имеются запасы тепла с температурой от 30 до 220 ºС. Однако, необходимо заметить, что применение геотермальной энергии не может однозначно рассматриваться как экологически чистое потому, что, например, пар, выходящий из недр земли, часто сопровождается газообразными выбросами, включающими сероводород и радон, которые считаются опасными.

Рассмотрим конкретные области применения геотермального тепла в России.

В 1965–1967 годах на Камчатке были построены две ГеоЭС: Паужетская, которая до сих пор работает и производит самую дешевую электроэнергию, и Паратунская – первая в мире ГеоЭС с бинарным циклом, являющаяся прототипом около 400 ГеоЭС, построенных в других странах. Однако после этого ГеоЭС не строились, так как цены на органическое топливо и его доставку были низкими, и строительство ГеоЭС считалось нерентабельным, а экологические проблемы в то время не были так актуальны.

В связи с изменением цен на топливо и транспорт, а также переделом форм собственности, в России в 90–е годы было создано несколько акционерных обществ: АО «Энергия», АО «Интергеотерм», АО «Наука» и другие, которые при поддержке Миннауки России, Минэнерго России, РАО «ЕЭС России» и РАН организовали производство отечественного оборудования для ГеоЭС и геотермальных тепловых станций (ГеоТС). Сегодня в России ГеоЭС и ГеоТС работают и строятся на Камчатке и на Курильских островах.

Верхне–Мутновская ГеоЭС (ВМГеоЭС) полностью создана Российскими учеными, специалистами и производителями оборудования (АО «КТЗ», АО «ЗиО» и другие) в короткие сроки, так как при этом был использован богатый опыт отечественного энергомашиностроения, в том числе атомной и оборонной промышленности. Одновременно с созданием ВМГеоЭС ОАО «Камчатскэнерго» построило ВЛ от Мутновского геотермального поля до города Елизово (77 км), которые успешно эксплуатируются уже 3 год, и мощную электроподстанцию в городе Елизово, способную принимать до 200 МВт.

Опыт эксплуатации Верхне–Мутновской ГеоЭС подтвердил правильность принятых научно–технических решений. Зимой 2001 года два энергоблока надежно работали и постоянно выдавали в электросеть мощность более 100% номинальной, а сейчас успешно работают все три энергоблока. Опытно–промышленная Верхне–Мутновская геотермальная электростанция – это самостоятельное ОАО, которое предназначено, прежде всего, для отработки нового оборудования, внедрения технологий в области геотермальной энергетики, исследования геотермального резервуара и производства электроэнергии.

Камчатка и ряд других регионов России располагают значительными запасами геотермальной воды с температурой более 85 ˚С, позволяющей получать электроэнергию на ГеоЭС с бинарным циклом. Использование блочных ГеоЭС с бинарным циклом мощностью от 300 кВт до 10 МВт будет способствовать обеспечению удаленных поселков Камчатки, Чукотки и Сибири электричеством и теплом. Поэтому следующим этапом является создание четвертого энергоблока ВМГеоЭС и исследования комбинированной ГеоЭС с бинарным циклом. Сегодня потенциал Мутновского геотермального поля оценивается в 300 МВт.

Из всего вышесказанного можно сделать следующие выводы:

1. 
   На значительной территории России имеются уникальные запасы геотермального тепла с температурами теплоносителя (вода, двухфазный поток и пар) от 30 до 220 ˚С.
   
2. 
   Геотермальная энергетика может и должна занять важное место в общем балансе использования энергии. В частности, для реструктуризации энергетики Камчатской области, Курильских островов и частично Приморья, Сибири и Северного Кавказа следует использовать собственные геотермальные ресурсы.
   
3. 
   В последние годы в России на основе крупных фундаментальных исследований были созданы геотермальные технологии и геотермальная промышленность, позволяющие в короткие сроки построить серию геотермальных электрических и тепловых станций блочного типа.
   
4. 
   Широкомасштабное внедрение новых схем теплоснабжения с тепловыми насосами с использованием низкопотенциальных источников тепла позволит снизить расход органического топлива на 20…25 %.
   

5.4. Энергия Мирового океана и ее использование
Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн. км²) занимают моря и океаны – акватория Тихого океана составляет 180 млн. км², Атлантического – 93 млн. км², Индийского – 75 млн. км². 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 рассматривалась малоперспективной.

В числе основных установок, использующих энергию океана, рассматриваются:

1. 
   Энергоустановки, использующие наличие температурного градиента между верхними и нижними слоями Мирового океана – так называемые гидротермальные электростанции (ГиТЭС)
   
2. 
   Волновые электростанции (ВолЭС);
   
3. 
   Приливные электростанции (ПЭС);
   
4. 
   Электростанции морских течений (ЭСМТ).
   

5.4.1. Гидротермальные электростанции
Последние десятилетие характеризуется определенными успехами в использовании тепловой энергии океана, т.е. создания гидротермальных электростанций (ГиТЭС).

Как известно, Солнце нагревает лишь верхний слой воды морей и океанов, причем нагретая вода не опускается вниз, поскольку плотность ее меньше холодной. В тропических морях верхний слой воды, толщина которого не превышает нескольких метров, нагревается всего до 25 – 30 °С. В то же время, температура воды на глубине 1 км не превышает 5 "С.

Получающийся тепловой градиент создает запасы тепловой энергии, равные (3,4 – 10)²⁴ Дж/год. Разность температур слоев морской воды в энергетических целях можно использовать в схеме двухконтурной электростанции. Теплая морская (океанская) вода из верхних слоев используется для испарения жидкости, точка кипения которой не превышает 25 — 30 °С (фреона, пропана, аммиака). Пар этой жидкости срабатывается в турбогенераторе. Отработавший пар после выхода из турбины охлаждается более холодной водой, поступающей из глубинных слоев, конденсируется и вновь используется в цикле.

Проведенные расчеты и опытные работы показывают, что себестоимость электроэнергии на океанических ГиТЭС примерно соответствует этому показателю на современных ТЭС и АЭС, однако широкому внедрению таких электростанций препятствует нерешенность некоторых технических проблем, среди которых — отсутствие достаточно эффективных и экономически приемлемых средств борьбы с интенсивной коррозией оборудования и трубопроводов. В экологическом отношении ГиТЭС безвредны, но если в контуре, по которому циркулирует рабочая жидкость, возникнет утечка, то это нанесет вред морской флоре и фауне.

В августе 1979 г. вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини–ОТЕС (ОТЕС – начальные буквы английских слов Осеаn ТhеrmalEnergyConversion, т.e. преобразование тепловой энергии океана в электрическую энергию). Пробная эксплуатация установки в течение трех с поло­виной месяцев показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной работе не было срывов, если не 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 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 энергии 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 рабочей 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 случае 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 станции, позволил быстро построить более мощную теплоэнергетическую установку ОТЕС–1 и приступить к проектированию еще более мощных систем подобного типа. Новые станции этой серии мощностью в десятки и сотни мегаватт проектируются без судна. Это – одна грандиозная труба, в верхней части которой находится круглый машинный зал, где размещены все необходимые устройства для преобразования энергии.

По сравнению с традиционными тепловыми и атомными электростанциями ГиТЭС оцениваются специалистами как экономически более эффективные и практически не загрязняющие океанскую среду. Недавнее открытие гидротермальных источников на дне Тихого океана рождают привлекательную идею создания подводных ГиТЭС, работающих на разности температур источников и окружающих вод. Наиболее привлекательными для размещения ГиТЭС являются тропические и арктические широты.
5.4.2. Волновые электростанции
В основе работы волновых энергетических станций лежит воздействие волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т.п. Механическая энергия их перемещений с помощью электрогенераторов преобразуется в электрическую энергию.

Участвуя в глобальных солнечно–земных процессах океаны, по оценкам различных источников, располагают громадной совокупной волновой энергией до 3*10¹⁴ кВт∙час. При этом океанские волны способны развивать наибольшую для возобновляемых источников энергии удельную мощность. Так сравнительно небольшая волна высотой 5 м в расчете на один квадратный метр колеблющейся поверхности развивает мощность более 10 кВт.

Различают следующие основные типы волновых энергетических установок:

1. 
   Поплавковые волновые электростанции.
   

В основе работы такой электростанции различные механические преобразователи, электрогенератор и накопитель энергии, размещенные внутри герметичной капсулы – поплавка. Капсула – поплавок имеет форму цилиндра. Механический преобразователь энергии волн состоит из колебательной системы и механического привода, раскручивающего электрогенератор.

Маломощные поплавковые волновые электростанции служат для энергообеспечения прибрежных и островных поселений, аварийных систем жизнеобеспечения, метеосистемрадиомаяков, глобальных и региональных систем навигации и связи и др.

Мощные поплавковые волновые электростанции, представляющие собой плавучие заводы, обеспечивают переработку морепродуктов, химическое производство, электролизное производство, переработку флоры и фауны морей в продукты питания и в сырье для технических нужд и т.п.

Мощности маломощных поплавковых волновых электростанций достигают десятка кВт, мощных модульных (проекты) – до десятков МВт.

В настоящее время волноэнергетические установки такого типа используются преимущественно для энергопитания автономных буев, маяков, научных приборов. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. Известен также проект под названием «Утка Солтера» (Великобритания). Он представляет собой поплавковый преобразователь волновой энергии, рабочей конструкцией которого является поплавок («утка»), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики. Мощность электростанций с таким преобразователем достигает 1 МВт. Разработан проект более мощной установки типа «Утка Солтера» из 20–30 поплавков диаметром 15 м, укрепленных на валу, длиной 1200 м. Предполагаемая мощность установки 45 МВт.

Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии. Считается, что эффективно волновые станции могут работать при использовании мощности около 80 кВт/м. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока в 2–3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости.

2. 
   Установки с пневматическим преобразователем.
   

Для этих установок была разработана турбина Уэллса, ротор которой обладает выпрямляющим действием, сохраняя неизменным направление своего вращения при смене направления воздушного потока, следовательно, поддерживается неизменным и направление вращения генератора. Турбина нашла широкое применение в различных волноэнергетических установках, таких как «Каймей» (Япония), «Моллюск» (Великобритания) и др.

5.4.3. Приливные электростанции
Веками люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление – ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Поскольку Солнце находится от Земли в 400 раз дальше, гораздо меньшая масса Луны действует на земные воды вдвое сильнее, чем масса Солнца. Поэтому решающую роль играет прилив, вызванный Луной (лунный прилив). В морских просторах приливы чередуются с отливами теоретически через 6 ч 12 мин 30 с. Если Луна, Солнце и Земля находятся на одной прямой, Солнце своим притяжением усиливает воздействие Луны, и тогда наступает сильный прилив. Когда же Солнце стоит под прямым углом к отрезку Земля–Луна (квадратура), наступает слабый прилив (квадратурный, или малая вода). Сильный и слабый приливы чередуются через семь 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.

Самые высокие и сильные приливные волны возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. Приливная волна Индийского океана катится против течения Ганга на расстояние 250 км от его устья. Приливная волна Атлантического океана распространяется на 900 км вверх по Амазонке. В закрытых морях, например Черном или Средиземном, возникают малые приливные волны высотой 50–70 см.

Максимально возможная мощность в одном цикле прилив – отлив, т. е. от одного прилива до другого, выражается уравнением



где р – плотность воды, g – ускорение силы тяжести, S – площадь приливного бассейна, R – разность уровней при приливе.

Как видно из формулы, 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». Мощность электростанций в некоторых местах могла бы составить 2–20 МВт.

Приливные электростанции (ПЭС) работают по следующему принципу: в устье реки или заливе строится плотина, в корпусе которой установлены гидроагрегаты. За плотиной создается приливный бассейн, который наполняется приливным течением, проходящим через турбины. При отливе поток воды устремляется из бассейна в море, вращая турбины в обратном направлении. Считается экономически целесообразным строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность ПЭС зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.

В некоторых проектах предусмотрены двух– и более бассейновые схемы ПЭС с целью выравнивания выработки электроэнергии.

С созданием особых, капсульных турбин, действующих в обоих направлениях, открылись новые возможности повышения эффективности ПЭС при условии их включения в единую энергетическую систему региона или страны.

При совпадении времени прилива или отлива с периодом наибольшего потребления энергии ПЭС работает в турбинном режиме, а при совпадении времени прилива или отлива с наименьшим потреблением энергии турбины

ПЭС либо отключают, либо они работают в насосном режиме, наполняя бассейн выше уровня прилива или откачивая воду из бассейна.

Первая морская приливная электростанция мощностью 635 кВт была построена в 1913 г. в бухте Ди около Ливерпуля. В 1935 г. приливную электростанцию начали строить в США. Американцы перегородили часть залива Пассамакводи на восточном побережье, истратили 7 млн. долл., но работы пришлось прекратить из–за неудобного для строительства, слишком глубокого и мягкого морского дна, а также из–за того, что построенная неподалеку крупная тепловая электростанция дала более дешевую энергию.

Аргентинские специалисты предлагали использовать очень высокую приливную волну в Магеллановом проливе, но правительство не утвердило дорогостоящий проект.

В 1966 году во Франции на реке Ране построена первая в мире ПЭС, 24 гидроагрегата которой вырабатывают в среднем за год 502 млн. кВт∙час электроэнергии. Для этой станции разработан приливный капсульный агрегат, позволяющий осуществлять три прямых и три обратных режима работы: как генератор, как насос и как водопропускное отверстие, что обеспечивает эффективную эксплуатацию ПЭС. По оценкам специалистов, строительство этой ПЭС экономически оправдано. Годовые издержки эксплуатации ниже, чем на гидроэлектростанциях, и составляют 4 % капитальных вложений.

В 1968 г. на побережье Баренцева моря в Кислой губе сооружена первая в нашей стране опытно–промышленная ПЭС. В здании электростанции размещено 2 гидроагрегата мощностью 400 кВт.

Десятилетний опыт эксплуатации первой ПЭС позволил приступить к составлению проектов Мезенской ПЭС на Белом море, Пенжинской и Тугурской на Охотском море.
5.4.4. Электростанции 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 через Флоридский пролив между полуостровом Флорида и Багамскими островами. Ширина течения составляет 60 км, глубина до 800 м, а поперечное сечение 28 км². Энергию W, которую несет такой поток воды со скоростью 0,9 м/с, можно выразить формулой



где т – масса воды (кг), р – плотность воды (кг/м³), А – сечение (м²), v – скорость (м/с), t – время работы. Подставив цифры, и разделив энергию на время, получим мощность



Если бы мы смогли полностью использовать эту энергию, она была бы эквивалентна суммарной энергии более 50 крупных электростанций мощностью по 1000 МВт, но эта цифра чисто теоретическая, а практически можно рассчитывать на использование лишь около 10% энергии течения.

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, и 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.

В США с 1973 году разрабатывается другой проект – программа «Кориолис», которая предусматривает установку во Флоридском проливе в 30 км восточнее города Майами 242 турбин с двумя рабочими колесами диаметром 168 м, вращающимися в противоположных направлениях. Пара рабочих колес размещается внутри полой камеры из алюминия, обеспечивающей плавучесть турбины. Для повышения эффективности лопасти колес предполагается сделать достаточно гибкими. Вся система «Кориолис» общей длиной 60 км будет ориентирована по основному потоку; ширина ее при расположении турбин в 22 ряда по 11 турбин в каждом составит 30 км, а общая мощность 20000 МВт. Агрегаты предполагается отбуксировать к месту установки и заглубить на 30 м, чтобы не препятствовать судоходству.

Полезная мощность каждой турбины с учетом затрат на эксплуатацию и потерь при передаче на берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флориды (США) на 10 %.

Первый опытный образец подобной турбины диаметром 1,5 м был испытан во Флоридском проливе.

Разработан также проект турбины с рабочим колесом диаметром 12 м и мощностью 400 кВт.

Для океанской энергетики представляют интерес течения в проливах Гибралтарском, Ла–Манш, Курильских. Однако создание океанских электростанций на энергии течений связано пока с рядом технических трудностей, и, прежде всего, с созданием энергетических установок больших размеров, представляющих угрозу судоходству.
5.5. Энергия Солнца и солнечные электростанции
Почти все источники энергии, о которых мы до сих пор говорили, так или иначе, используют энергию Солнца: уголь, нефть, природный газ суть не что иное, как «законсервированная» солнечная энергия. Она заключена в этом топливе с незапамятных времен; под действием солнечного тепла и света на Земле росли растения, накапливали в себе энергию, а потом в результате длительных процессов превратились в употребляемое сегодня топливо. Солнце каждый год даст человечеству миллиарды тонн зерна и древесины. Энергия рек и горных водопадов также происходит от Солнца, которое поддерживает кругооборот воды на Земле.

Во всех приведенных примерах солнечная энергия используется косвенно, через многие промежуточные превращения. Заманчиво было бы исключить эти превращения и найти способ непосредственно преобразовывать тепловое и световое излучение Солнца, падающее на Землю, в механическую или электрическую энергию. Заметим, что солнечное излучение — экологически чистый и возобновляемый источник энергии. Всего за три дня Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько ее содержится во всех разведанных запасах ископаемых топлив. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть ее достигает земной поверхности. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции. Запасы солнечной энергии огромны, годовое количество поступающей на Землю энергии эквивалентно сжиганию 2∙10¹² тонн условного топлива в год. Последняя цифра в 60 раз превышает прогнозируемое на 2020 год производство всех видов энергоресурсов на земном шаре.

Чтобы в полной мере использовать лучистую энергию Солнца, ее нужно превратить в какой–либо иной вид.

В конце XIX века на Всемирной выставке в Париже изобретатель О. Мушо демонстрировал инсолятор – в сущности, первое устройство, превращавшее солнечную энергию в механическую. Большое вогнутое зеркало фокусировало солнечные лучи на паровом котле, который приводил в движение печатную машину, делавшую по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет в Калифорнии построили действующий по такому же принципу конический рефлектор в паре с паровой машиной мощностью 15 л. с.

В значительно более широких масштабах солнечную энергию позднее стали использовать после ее концентрации при помощи зеркал для плавления веществ, дистилляции воды, нагрева, отопления и т.д.

Поскольку энергия солнечного излучения распределена по большой площади (иными словами, имеет низкую плотность), любая установка для прямого использования солнечной энергии для получения теплоты должна иметь собирающее устройство (коллектор) с достаточной поверхностью.

Простейшее устройство такого рода – плоский коллектор; в принципе это черная плита, хорошо изолированная снизу. Она прикрыта стеклом или пластмассой, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. В пространстве между плитой и стеклом чаще всего размещают черные трубки, через которые текут вода, масло, ртуть, воздух, сернистый ангидрид и т.п. Солнечное излучение, проникая через стекло или пластмассу в коллектор, поглощается черными трубками и плитой и нагревает рабочее вещество в трубках. Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем на 200–500 °С выше, чем температура окружающего воздуха. В этом проявляется так называемый парниковый эффект. Обычные садовые парники, по сути дела, представляют собой простые коллекторы солнечного излучения. Но чем дальше от тропиков, тем менее эффективен горизонтальный коллектор, а поворачивать его вслед за Солнцем слишком трудно и дорого. Поэтому такие коллекторы, как правило, устанавливают под определенным оптимальным углом к югу.

Вместе с тем, Солнце может служить источником получения не только тепловой, но и электрической энергии. Различают ряд принципов преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, т.е. создания солнечной электростанция (СЭС), а в условиях космоса – космических солнечных электростанций (СКЭС). Их можно условно разделить на машинные и безмашинные методы. Последние часто называют методами прямого преобразования энергии, поскольку в них отсутствует стадия преобразования тепловой энергии в механическую работу.