Физические основы работы ОГЭС

Существуют многочисленные океанические течения, которые не всегда связаны с приливами. Известны океанские течения, скрытые толщей поверхностных вод и часто лишь достаточно тонкими пограничными слоями отделенные от поверхности, а также различные вихри, возникающие в открытом океане под воздействием метеорологических возмущений и крупномасштабной гидродинамической неустойчивости.

В природе известны постоянно действующие вихри. Один из них находится в 400 км от Огасавары (Япония). Он представляет собой водоворот диаметром около 200 км, поднимающийся с глубины 3 км почти до самой поверхности. Примерно через каждые 100 дней он изменяет направление вращения на обратное. По оценкам японских ученых, удельные энергетические характеристики этого водоворота значительно выше, чем у ряда океанских течений.

И все же наибольший практический интерес вызывают течения, связанные с приливами.

К особенностям приливной волны следует отнести её большую длину по сравнению с глубиной моря и практически мало меняющуюся скорость течения по всей толщине слоя воды. Это дает возможность использовать кинетическую энергию потока аналогично тому, как это делается в ветроэнергетических установках.

Строительство крупных ветроэнергетических установок (ВЭУ) с диаметром колеса до 200 метров затруднительно из-за ограничений, связанных с прочностью материалов и массами элементов установки. Для турбин, работающих в морской среде, массовые ограничения менее существенны из-за действия на элементы конструкции силы Архимеда. Повышенная плотность морской воды (на три порядка) позволяет уменьшить столь существенное для воздушных турбин воздействие вибраций, вызывающих усталостное разрушение материалов.

Важным достоинством океанских течений в качестве источника энергии по сравнению с ветровыми потоками является отсутствие резких изменений скорости. При достаточном заглублении в толщу воды турбины океанских гидроэлектростанций надежно защищены от волн и штормов на поверхности.

Для эффективного использования течений в энергетике необходимо, чтобы они обладали определенными характеристиками. В частности, требуются достаточно высокие значения скорости потоков, устойчивость её по величине и направлении, удобная для строительства и обслуживания география дна и побережья.

Удаленность ОГЭС от побережья приводит к удорожанию транспортирования энергии и обслуживания этих станций. Большие глубины требуют увеличения затрат на сооружение и обслуживание якорных систем, что препятствует на данный момент строительству ОГЭС в открытом океане, где течения наиболее мощны.

При средних и малых глубинах, особенно в местах образования приливных течений, важную роль играет топография дна.

В качестве недостатков ОГЭС отметим также необходимость создания и обслуживания громадных конструкций в морской воде, подверженность этих конструкций коррозии и обрастанию водорослями, а также трудности при передаче энергии.

Существующие генераторы энергии на базе морских течений условно можно разделить на две группы. К первой относятся те, в основу которых положен принцип преобразования скоростного напора воды во вращательное движение турбин. Ко второй, менее многочисленной, группе можно отнести преобразователи энергии, основанные на других физических принципах (объемные насосы, упругие преобразователи и пр.).

По типу установки преобразователей можно выделить две основные схемы: сооружения, закрепляемые на морском дне, и плавающие в толще воды на якорной цепи.

Родоначальником устройств первой группы является водяное колесо (рис.9.13 а). В его совершенствовании наблюдаются две основные тенденции. Одна направлена на улучшение его характеристик за счет оптимизации конструкции лопастей, ферм, механизмов передачи энергии, расположения по отношению к потоку, применения современных материалов и т. п., другая – на принципиальное изменение представлений о конструкции колеса.

Ленточное колесо более компактно, требует меньше материалов, подвержено воздействию атмосферы. Подобное устройство может быть установлено на понтонах с таким расчетом, чтобы нижние лопасти входили в воду, а верхние оставались «сухими » (рис. 9.13, б).

Эффективность преобразования скоростного напора воды повышается за счет того, что сразу несколько лопастей оказываются под его влиянием. Однако увеличение числа лопастей ленточного колеса не приводит к существенному увеличению вращающего момента.

На базе ленточного колеса созданы устройства, полностью погружаемые в толщу воды. Для них предлагается несколько способов уменьшения сопротивления при встречном движении части ленты. Это и сооружение воздушной камеры над колесом (рис. 9.13, в) и применение различных вариантов механизмов складывания лопастей (рис.9.13, г).

Наибольшие надежды гидроэнергетики, занимающиеся разработкой преобразователей энергии океанских течений, связывают с агрегатами, с помощью которых могут быть получены значительные энергетические мощности. В качестве вариантов таких устройств рассматриваются рабочее колесо в виде свободного пропеллера, пропеллера в насадке, водяной аналог турбины Дарье, системы с управляемым крылом. Во всех этих конструкциях главным преобразующим элементом является крыловой профиль, обтекание которого создает гидродинамическую силу, заставляющую турбины вращаться.

Наилучшими показателями обладает турбина, выполненная в виде рабочего колеса с горизонтальной осью в насадке (рис. 9.14). Это объясняется тем, что такое колесо меньше возмущает поток, не так сильно, как свободное, вовлекая жидкость во вращательное движение. Насадок отделяет возмущенную часть потока от невозмущенного и создает некоторую концентрацию энергии. Форму насадка выбирают так, чтобы обеспечить безотрывное течение потока на подходе к турбине, сделать всю систему устойчивой и максимально снизить завихренность потока на выходе из неё. Турбина жестко соединяется с генератором (рис. 9.15).

Рис. 9.13. Эволюция водяного колеса: а – колесо – прототип; б – ленточное колесо на плавучем основании; в – ленточное колесо в толще потока; г – ленточное колесо со складными лопастями

К преобразователям энергии потоков второго типа можно отнести разные устройства. Одно из них называется объемным насосом, схема которого представлена на рис. 9.16. Основную его часть составляет неподвижно закрепленное в потоке сопло Вентури. В узком сечении сопла из-за увеличении скорости жидкости происходит падение статического давления, используемое для засасывания воздуха с поверхности. В выходном сечении скорость потока уменьшается, давление растет, и сжатый воздух вытесняется из потока в напорную камеру, откуда поступает в воздуховод турбины, соединённой с электрогенератором.

Несмотря на ряд преимуществ ОГЭС, для их широкого применения необходимо преодолеть определенные технические трудности.

в)

Рис. 9.14. Варианты схем перспективных турбин для ОГЭС:

а – свободный ротор: 1 – крыльчатка; 2 – вал ротора;

б – ротор в насадке: 1 – крыльчатка; 2 – вал ротора; 3 – насадка;

в – ротор, устанавливаемый поперек потока: 1 – крыльчатка; 2 – вал ротора; 3 – опора

Рис. 9.15. Схема роторной электростанции на приливном течении

Морская вода является очень коррозионноопасной. Элементы конструкций приходится красить, гальванизировать или использовать материалы, не подвергающиеся коррозии. В настоящее время чаще всего применяют сталь, причем потери материала благодаря коррозии компенсируют увеличением толщины элементов конструкций. Кроме того, коррозия и разные отложения могут отрицательно повлиять на гидродинамические характеристики лопастей. Очевидно, необходимо организовывать контроль состояния наиболее опасных элементов, осуществлять их ремонт и замену.

Рис. 9.16. Схема объемного насоса:

1 – профилированный корпус; 2 – шахта воздухозаборника; 3 – воздухосборник; 4 – выхлопная шахта; 5 – воздушная турбина с электрогенератором

Большая плотность воды по сравнению с воздухом приводит к появлению больших осевых нагрузок.

Так, максимальная осевая нагрузка для турбины с диаметром 60 м составит около 60 т. Её должны выдержать турбина и якорная система. Современный опыт создания морских сооружений в Северном море показывает, что эта задача разрешима, хотя и потребуются дополнительные капитальные вложения.

По мере увеличения размеров турбин появляется опасность кавитации, которая обычно возникает в гребных винтах морских судов и приводит к их разрушению.