Енергетичні установки по використанню енергії океана

Рисунок 6.4 Припливна електростанція в США

Приливна електростанція (ПЕС) - особливий вид гідроелектростанції, що використовує енергію припливів, а фактично кінетичну енергію обертання Землі. Припливні електростанції будують на берегах морів, де гравітаційні сили Місяця і Сонця двічі на добу змінюють рівень води. Коливання рівня води біля берега можуть досягати 13 метрів.

Для вироблення електроенергії електростанції такого типу використовують енергію припливу. Перша така електростанція (Паужетская) потужністю 5 МВт була побудована на Камчатці. Для пристрою найпростішої приливної електростанції (ВЕЗ) потрібен басейн - перекритий греблею затоку або гирлі річки. У греблі є водопропускні отвори і встановлені гідротурбіни, які обертають генератор. Гідротурбіна це лопаткова машина, що приводиться в обертання потоком рідини, зазвичай річкової води. За принципом дії гідравлічні турбіни підрозділяють на активні (свободоструйние) і реактивні (напороструйние); по конструкції – на вертикальні і горизонтальні.

В залежності від розташування осі обертання розрізняють вертикальні і горизонтальні гідрогенератори; по частоті обертання - тихохідні (до 100 об / хв) і швидкохідні (понад 100 об / хв). Потужність гідрогенераторів від декількох десятків до декількох сотень МВт.

Під час припливу вода надходить у басейн. Коли рівні води в басейні і море зрівняються, затвори водопропускних отворів закриваються. З настанням відливу рівень води в морі знижується, і, коли тиск стає достатнім, турбіни та з'єднані з ним електрогенератори починають працювати, а вода з басейну поступово йде.

Вважається економічно доцільним будівництво приливних електростанцій у районах з приливними коливаннями рівня моря не менше 4 м. Проектна потужність приливної електростанції залежить від характеру припливу в районі будівництва станції, від об'єму і площі приливного басейну, від числа турбін, встановлених в тілі греблі.

Найбільш поширеним способом використання енергії морів та океанів є спорудження припливних електростанцій (ПЕС). З 1967 р. у гирлі річки Ране у Франції працює ПЕС потужністю 240 МВт. На черзі спорудження ПЕС у затоці Фанді в Канаді з рекордним 18-метровим припливом, у гирлі річки Северен в Англії із 14,5-метровим припливом та в інших регіонах із великими припливами води.

Рисунок 6.5 Кислогубская ПЕС на Баренцевом море.

Цікавим напрямком океанської енергетики виявилося вирощування із плотів в океані гігантських водоростей – келпів, які швидко ростуть і легко перероблюються на метан. За зарубіжними оцінками, для повного забезпечення енергією кожної людини-споживача достатньо 1 га плантацій келпів.

На велику увагу заслуговує "океанотермічна енергоконверсія", іншими словами отримання електроенергії за допомогою різниці температур між поверхневими та глибинними океанськими водами, що засмоктуються водним насосом, наприклад, при використанні в замкнутому циклі турбіни таких рідин, які легко випаровуються (пропан, фреон чи амоній).

Перша у світі та найбільша на сьогодні ПЕС міститься у Франції на березі Ла-Маншу в гиолі річки Ране. Приплив у цьому місці переміщує 189 тис. м3 води за секунду. Різниця рівнів становить 13 м, а швидкість течії між містами Брестом і Сен-Мало часто досягає 90 км/год. У середині дамби дуже великого накопичувального резервуара містяться 24 турбо-альтернатори-турбогенератори зі зворотними лопатками ротора турбіни. Кожен з них може функціонувати і як турбіна, і як насос, який працює і в бік моря, і в зворотному напрямку. В дамбу вмонтовані навігаційні замки і спускні шлюзи.

До недоліків ПЕС слід віднести труднощі, пов'язані із захистом дамб та устаткування від ударів льодяних торсів, особливо у північних районах. Поблизу дамб морська флора й фауна дуже потерпає внаслідок, хоча й незначного, підвищення температури та зменшення вмісту кисню у воді. Крім того, дамби перешкоджають міграції риб.

"Пірнало" Солтера нагадує поплавок, який, піднімаючись і опускаючись одночасно з хвилями, приводить в дію насос, що подає воду під тиском в турбогенератор.

Пліт Кокерела складається з трьох шарнірне з'єднаних понтонів, які перебувають на плаву і відтворюють колихання 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.

Випрямлювач Расела регулює рух води таким чином, що вона надходить у турбіну тільки в одному напрямку.

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 зробите 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.

За цим принципом сьогодні працюють плавучі установки, які використовуються для буїв різного призначення. Схему такої установки показано на рис. 6.6.

Рисунок 6.6 Схема плавучої установки

В її камері 1, яка має дискову опору 2, міститься турбіна 3. з'єднана з електрогенератором 4. Коли проходить хвиля камера намагається піднятися разом із нею. Опора перешкоджає цьому й таким чином забезпечує інтенсивне проникнення води всередину камери. Стовп води витісняє повітря із середини камери крізь сопловий апарат на лопаті турбіни. Після проходження хвилі вода виходить з камери, а її місце знову займає повітря. Потім цикл повторюється.

Рисунок 6.7 Схема установки для використання зміни гідростатичного тиску в товщі води при хвилюванні

Досить оригінальний і простий пристрій запропоновано в Японії для використання змін гідростатичного тиску в товщі води при її хвилюванні. У морі, де ці зміни найбільш помітні, розміщують установку (рис. 6.7.), яка складається з трьох камер 1, 3 і 5, з'єднаних між собою через клапани 2, 6 і робочий канал 4. У верхній частині камер 3 і 5 міститься газ, решту простору заповнено струмопровідною рідиною. Якщо канал 4 з'єднати, наприклад, з магнітогідродинамічним генератором, то при зміні тиску навколишнього середовища в каналі почне переміщуватися магнітопровідна рідина, що призведе до появи різниці потенціалів на електродах. Така установка може бути дуже зручною для вимірювання тиску та отримання енергії невеликої потужності.

Рисунок 6.8 Схема прибічної електростанції

На рис. 6.8 показана схема побудованої в Японії прибійної електростанції потужністю 50кВт. Принцип її роботи приваблює своєю простотою і майже повною відсутністю рухомих частин. Хвиля, яка падає під козирок 1, стискає повітря й жене його крізь сопловий канал 2 до турбіни 3. яка приводить в дію електрогенератор 4.

Усім цим умовам відповідає багатоступінчастий хвилевий насос, схему якого наведено на рис. 6.9. Одна його ступінь вміщує гофрований патрубок 1, вихідний клапан 2, демпфугачий резервуар 3, вихідний клапан 4 і тонкий гнучкий лист 5, який вертикально входи у воду. За допомогою хвилевого 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 6.9 Схема багатоступінчатого хвилевого насоса

У Данії, Норвегії та Швеції станції розташовано на плотах, з'єднаних з 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.