Сообщение на тему энергия постоянных морских течений

Обновлено: 17.05.2024

Моря и океаны занимают 71% поверхности Земли. Объемы воды в этих акваториях огромны, а имеющаяся в них возобновляемая энергия практически неисчерпаема. Вода здесь пребывает в непрерывном движении, которое проявляется в волнах в открытом море, морском прибое, приливах и отливах, а также в морских течениях. Источником этой энергии является космос, главным образом Солнце: волны вызываются ветром, морские течения обусловлены особенностями климата, а приливы и отливы вызваны силами притяжения Луны и Солнца.

Кроме четырех океанов (Атлантического, Тихого, Индийского и Северного Ледовитого) имеется множество морей, среди которых выделяют окраинные моря - Баренцево, Берингово, Охотское и др., находящиеся по окраинам океанов, и внутриконтинентальные - Черное, Балтийское, Средиземное и др., связанные с океанами проливами. Аральское и Каспийское моря также некогда соединялись с океаном. Выделяют два типа морей: котловинные, глубина которых достигает 5 км, а рельеф дна сходен с рельефом океана (Берингово, Охотское, Японское и др.), и плоские, глубина которых лишь местами превышает 300 м (Баренцево, Белое, Карское, Балтийское и др.). Плоские моря возникли в результате опускания участков суши ниже уровня океана.

Каждому из источников энергии присущи свои особенности, с которыми человеку приходится считаться, когда он пытается поставить его себе на службу.

Волны

Частицы воды в морских волнах движутся по эллиптическим орбитам, приближающимся к круговым. Диаметр этих орбит у морской поверхности соответствует высоте волны, а на глубине, равной половине длины волны, колебания частиц воды практически отсутствуют.

Вдали от берега амплитуды волн открытого моря в штормы достигают 10 м и более, а длина волны может достигать сотен метров. Морская эрозия, действующая на морское дно, формирует горизонтальную поверхность (шельф или материковую отмель), глубина которой составляет 200-250 м, а ширина - до 1000 км. У берегов, образованных горными хребтами, шельф может отсутствовать.

Среднюю для океанических волн энергию оценивают величиной 50 кВт на погонный метр. Подсчитано, что с учетом неизбежных потерь использование энергии волн у побережья Англии дало бы 120 ГВт энергии, что превышает суммарную мощность электростанций страны. Суммарная мощность волн Мирового океана оценивается в 2700 ГВт. В России наиболее перспективными районами для освоения энергии морских волн считают побережье тихоокеанских морей и Баренцева моря.

Первая в мире волновая электростанция была установлена в 2008 году вблизи побережья Португалии (система Pelamis).

В Великобритании был разработан ряд проектов, основанных на использовании заякоренных понтонов, соединенных между собой шарнирами. Проходящая волна вызывает изгибы в шарнирах, которые используют в поршневой гидравлической системе, запасающей энергию в жидкости, сжатой до высокого давления. Эту энергию затем используют в гидродвигателе и электрогенераторе. Недостатки таких систем состоят в невысокой надежности якорных зацеплений и шарнирных соединений при штормах и подвижках льда.

В Японии реализовано устройство с проектной мощностью 2,2 МВт, представляющее собой заякоренный буй с полостью, открытой снизу. Под действием волн уровень воды в полости меняется. В надводной части буя имеется отверстие, через которое воздух выходит из полости при его вытеснении водой на гребне волны. При прохождении впадины волны воздух входит в полость. Течения воздуха через отверстие приводят в движение воздушную турбину, связанную с электрогенератором. В автономных электрических буях полученную при этом электроэнергию используют для зарядки аккумуляторов, питающих мощную электролампу.

Еще одно устройство с высоким КПД (до 90%) мощностью 100 кВт было предложено в электротехнической школе штата Орегон (США). В нем заякоренная цепочка постоянных магнитов заключена в медную катушку, жестко прикрепленную к бую из стеклопластика, который под действием волн колеблется вверх-вниз. В катушке, пересекающей силовые линии магнитного поля, наводится электродвижущая сила (ЭДС). В таком устройстве не требуется ни гидравлических, ни пневматических насосов. Преимущество такого устройства перед источниками, использующими энергию ветра, в том, что поведение волн более предсказуемо, а плотность энергии волн в десятки раз выше, чем ветра.

Прибой

Морской прибой возникает из-за разности скоростей частиц воды на поверхности водоема и у дна, где они тормозятся трением. Форма движения орбит частиц воды деформируется так, что на мелководье резко возрастает горизонтальная составляющая такого движения. Из-за замедления движения воды у дна верхние части волны, отличающиеся более высокой скоростью, поднимаются и обрушиваются на берег. Чем дно круче, тем больше разница в скоростях воды и тем мощнее прибой. Высота волн прибоя нередко превышает 50 м.

Энергия прибоя огромна. В Амстердаме на пирс высотой 4 м прибой смог забросить бетонный блок массой 20 т. Наблюдались случаи, когда прибой перемещал глыбы массой в 50 т и более.

Особенно сильный прибой наблюдается в Северной Атлантике. Эта огромная энергия привлекла внимание норвежских энергетиков. В одном из технических решений они используют устойчивое бетонное сооружение, в котором имеется открытая в сторону моря камера. В нее поступают волны прибоя. Под водой в камере имеется широкое отверстие, выходящее в вертикальную шахту, в верхней части которой установлена воздушная турбина.Накатывающаяся вместе с прибоем вода заполняет камеру, уровень воды при этом в шахте повышается, а когда вода отступает - понижается. Поверхность воды в шахте служит своеобразным поршнем, который прогоняет воздух через турбину. Конструкция турбины такова, что направление ее вращения не зависит от направления потока воздуха. Турбина эта вращает электрогенератор. Мощность экспериментальной установки составила 400 кВт.

В Израиле компания SDE, занимающаяся волновой энергетикой, разработала установку, использующую энергию волн прибоя в области прибрежного подъема дна, где прибой почти никогда не затихает и где высота волн выше, чем в открытом море. Установка представляет собой пластиковые щиты (буи), приводящие в действие гидросистемы, связанные с генератором. В этой установке при сильном ударе штормовой волны пластиковый щит просто отбрасывается в нейтральное верхнее положение. После того как более слабая волна (ниже определенного порога) накатывается на устройство, оно автоматически опускает щит в рабочее положение. Преимущество данной установки состоит в том, что в ней в воду систематически погружается лишь минимум ее компонентов. Это позволяет сделать ее преимущественно надводной и более дешевой, чем ее прототипы, больше подверженные коррозии и загрязнению песком. В 2010 году опытная электростанция в районе Яффы в течение года работала с установленной мощностью до 40 кВт. Дальнейшие перспективы использования такой установки ее разработчики связывают с другими странами, а не с Израилем. Дело в том, что в Средиземном море волна относительно невысока, в отличие, к примеру, от американского побережья Тихого океана, где 3-4-метровый прибой в тихую погоду является обычным делом и где морские волны будут приносить на порядок больше энергии, чем в Израиле. Проблемы, однако, остаются, и они вызваны сильными штормами на Тихом океане.

Течения

Морские течения могут быть постоянными, периодическими и случайными, теплыми и холодными. Среди них выделяют: дрейфовые, вода которых перемещается устойчиво дующим в одну сторону ветром; бароградиентные, у которых движение воды вызывается разницей атмосферного давления в разных частях моря; приливно-отливные; стоковые, вызванные продолжением течения рек под водой; конвекционные, образующиеся в результате изменения плотности воды в разных частях моря; компенсационные, когда течение воды компенсирует ее избыток или недостаток в той или иной части акватории.

Поверхностные течения хорошо исследованы. Пассатные течения протекают с востока на запад по обеим сторонам экватора. У материков они расходятся: на север теплыми течениями Гольфстрим и Куросио, которые затем поворачивают на юг уже холодными Гренландским и Лабрадорским течениями. К югу от экватора на восток протекает Антарктическое течение, а на север - Перуанское.

Современный уровень техники позволяет извлекать энергию течений при скорости потока более 1 м/с. При этом мощность одного квадратного метра поперечного сечения потока составляет около 1 кВт. Такие мощные течения, как Гольфстрим и Куросио, несут соответственно по 83 и 55 млн куб. м воды в секунду со скоростью 2 м/с.

Создание океанских электростанций сталкивается, однако, с рядом технических трудностей при разработке установок больших размеров, обусловленных их потенциальной угрозой судоходству.

В США с 1973 года разрабатывается программа "Кориолис", предусматривающая 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. Постоянное место турбины - под водой, подъем на поверхность воды - только для профилактического ремонта. Лопасти ее вращаются медленно, так что небольшие рыбы могут через нее свободно проплывать, а для крупных рыб вход закрыт предохранительной сеткой. Вся система общей длиной 60 км будет ориентирована вдоль основного потока. Ширина ее при расположении турбин в 22 ряда по 11 турбин в каждом составит 30 км. Предполагается заглубление агрегатов на 30 м, чтобы не препятствовать судоходству. Полезная мощность каждой турбины с учетом потерь при передаче энергии на берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флорида в энергии на 10%. Разработан также проект турбины мощностью 400 кВт с рабочим колесом диаметром 12 м.

Лабораторные испытания реактивной геликоидной (спиралевидной) гидротурбины (турбина Александра Горлова) позволили приступить к сооружению первой в мире океанской электростанции мощностью 136 МВт во Флоридском проливе в 5 км от острова Марафон. Эта турбина имеет три спирально закрученные лопасти и под действием воды способна вращаться в два-три раза быстрее скорости течения. Ее КПД в три раза выше, чем у обычных турбин. Существенно, что она способна вырабатывать энергию при слабых потоках жидкости. Вся станция расположится на значительной глубине и будет прикреплена ко дну якорями.

Компания "Кобольд" (Италия) разработала установку, представляющую собой 10-метровую платформу с вертикальной турбиной диаметром 6 м. Десять таких платформ позволят обеспечивать электричеством в автоматическом режиме остров с населением в тысячу человек.

В Японии для использования энергии течения Куросио сконструировали две трехлопастные гидротурбины с диаметром рабочего колеса 53 м. В другой конструкции электростанции, использующей энергию морского течения, на дно моря устанавливают бетонную колонну. В подводной части этой колонны установлены два рабочих колеса, связанных с двумя электрогенераторами, расположенными в надводной части колонны. Такая схема устраняет недостатки, связанные с необходимостью надежного уплотнения, и облегчает ремонтные и профилактические работы. На берегу острова Кучиносима построена уникальная электростанция, работающая от гребных винтов, расположенных на глубине около 50 м. Она работает в опытном режиме, а к 2020 году будет введена в постоянную эксплуатацию при мощности до 100 кВт.

В инновационном проекте "Морской конек" Окинавского института науки и техники (OIST) используют подводные плавучие турбины, удерживаемые под поверхностью моря специальной швартовкой. Электроэнергия, полученная из энергии течения Куросио, по кабелям передается на берег. В этом проекте есть новинка, нацеленная на преобразование энергии морского прибоя. В OIST планируют использовать глубинные потоки, с большой скоростью набегающие на риф. Для этого на кораллах устанавливают множество мини-турбин, которые помимо выработки электроэнергии будут служить своеобразными волнорезами, разбивающими волны и тем самым предотвращающими эрозию. Используя всего 1% побережья, Япония, по мнению ученых из OIST, может получить около 10 ГВт энергии, что эквивалентно десятку атомных станций. Свою разработку они назвали Wave Energy Converter (WEC). Турбины сконструированы так, чтобы смогли выдерживать не только постоянный прибой, но и резкие нагрузки во время тайфуна.

В Шотландии используют подводную турбину, являющуюся частью достаточно мощной электростанции, производящей энергию путем использования морских течений. Турбина установлена на глубине около 30 м неподалеку от Оркнейских островов.

Приливы и отливы

Морские приливы дважды в сутки накатываются на берег, а затем отступают от него в виде отливов. Приливы обладают большой энергией и разрушают берег, действуя сообща с прибоем.

Притяжение Солнца и Луны создает гигантскую приливную волну, энергия которой колоссальна. Приливная волна Индийского океана катится на 250 км против течения Ганга, а приливная волна Атлантического океана распространяется по Амазонке на 900 км. Попытки использовать энергию приливов известны давно. В древние времена силу приливов Ионического моря использовали греки. В 1100-1200 годах англосаксы и голландцы строили на побережье приливные мельницы. В Соловецком монастыре на Белом море в XVIII веке также была построена приливная мельница.

Специфика приливных электростанций (ПЭС) состоит в том, что через водоагрегаты приходится пропускать огромное количество воды при очень малых ее напорах, и это требует установки большого числа специальных агрегатов с большими размерами рабочих колес.

В 1968 году в Кольском заливе под Мурманском была построена Кислогубская ПЭС мощностью 800 кВт. На 2009 год мощность этой ПЭС составила 1,7 МВт. За многие годы ее эксплуатации был проведен большой объем исследований по выявлению стойкости всей установки и ее отдельных узлов, ее эффективности и защищенности. Полученные при этом конструктивные, инженерные и экологические решения легли в основу разработки более мощных ПЭС. Использование в ней наплавных элементов позволило отказаться от сооружения дорогостоящих стационарных перемычек, дамб и плотин, что значительно удешевило объем строительных работ. Российский опыт широко используют в других странах. ПЭС успешно действуют во Франции, в Канаде, Китае.

В России существует проект строительства ПЭС в Мезенской губе на Белом море мощностью 8 ГВт, он включен в инвестпроект РАО "ЕЭС". Размещение ПЭС в Мезенской губе выбрано в связи с большой высотой приливов, которая здесь достигает 10 м. Годовая выработка электроэнергии составит около 40 млрд кВт-ч. Это столько же, сколько у всего Волжско-Камского каскада ГЭС.

Разность температур слоев воды

Разность температур в воде на поверхности акватории и в ее глубоких слоях также используют для выработки электроэнергии. Для электростанции, построенной по этому принципу, разность температур должна составлять как минимум 20 градусов по Цельсию. Соответствующая технология больше всего подходит для теплых морских районов (в экваториальных широтах), в которых поглощается до 35% солнечной энергии. Состоит она в том, что теплую воду используют для того, чтобы выпарить жидкость, кипящую на низких температурах, производя пар, который приводит в движение турбину. Холодная морская вода затем закачивается с глубины нескольких сотен метров и используется для охлаждения и конденсации пара обратно в жидкое состояние. За рубежом соответствующие технологии называют аббревиатурой OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion).

В начале XX века французский инженер Джордж Клод у берегов Кубы построил опытную электростанцию мощностью 22 кВт, работающую по этому принципу. Позже французские ученые работали над созданием морских парогенераторов у Берега Слоновой Кости. В качестве рабочей жидкости в термоустановках применяли пропан и аммиак, имеющие низкую температуру испарения. Поверхность океана в ОТЕС используется в качестве солнечных батарей. Они проще и дешевле, чем береговые солнечные электростанции.

Интерес к ОТЕС возобновился в сравнительно недавнее время. Американо-тайваньский консорциум запланировал строительство установки мощностью 10 МВт на Гавайях. Этой технологией, как и другими океанскими возобновляемыми источниками энергии, заинтересовались во Франции. По некоторым оценкам она имеет потенциал в несколько тысяч терраватт-часов электроэнергии в год. Такой способ производства электроэнергии, в отличие от энергии ветра и волн, вообще не подвержен колебанию погодных условий.

В районе Нью-Йорка построена электростанция мощностью 7180 кВт, использующая тепло океанской воды. Отработавший пар не сбрасывается в море, а конденсируется и образует пресную дистиллированную воду. В Карибском море создан энергобиологический комплекс. Он производит электрическую энергию в низкотемпературных парогенераторных установках и решает, кроме этого, множество других задач. С открытием гидротермальных источников на дне Тихого океана связывают идею создания подводных тепловых электростанций, работающих на разности температур источников и окружающей среды.

Американская компания Ocean Thermal Energy планирует построить на Багамских островах две водотермальные электростанции мощностью 10 МВт каждая. В 2013 году было подписано соглашение между концерном Lockheed Martin и пекинской компанией Reignwood о создании и размещении на юге Китая к 2017 году первой в мире коммерческой плавучей станции OTEC мощностью 10 МВт.

Относительно постоянный поток океанских течений переносит большое количество воды и энергии через океаны Земли. Хотя в Соединенных Штатах не было никакого коммерческого развития, технологии разрабатываются таким образом, чтобы океанские течения могли обеспечить источник возобновляемой, чистой энергии, которую можно извлечь из океанских течений и преобразовать в полезную энергию.

Океанические течения протекают по сложным схемам и путям и зависят от нескольких элементов, таких как ветер, температура, рельеф океанского дна, вращение Земли и соленость воды. Большинство океанских течений вызвано ветровым и солнечным нагревом поверхностных вод, в то время как некоторые течения являются результатом изменений плотности и солености водной толщи.

Основные поверхностные токи представлены на рис. 1.

Токи также вызваны термохалинной циркуляцией , как показано на рис. 2.

Термогалинная циркуляция является частью глобальной океанической циркуляции, которая управляется градиентами плотности, создаваемыми поверхностным теплом и потоками пресной воды.

Термин термогалин происходит от термо-имеющий отношение к температуре и-Галину что касается содержания солей, то факторы, которые в совокупности определяют плотность океанской воды, приводимые в движение ветром поверхностные течения, такие как Гольфстрим , движутся к полюсу от экваториального Атлантического океана, охлаждаясь по пути и в конечном итоге тонут в высоких широтах, образуя Северную Атлантику Глубокая Вода. Эта плотная вода затем стекает в океанские бассейны.

В то время как большая часть его впадает в Южный океан, старейшие воды в мире впадают в северную часть Тихого океана. Таким образом , происходит диффузия и смешение воды между океанскими бассейнами, что уменьшает различия между ними и превращение океанов Земли в глобальную систему. На своем пути водные массы переносят энергию в виде тепла.

Океанские течения имеют относительно постоянное и направленное течение, в отличие от приливных течений вдоль берега. В то время как океанские течения могут двигаться медленно относительно скорости ветра, из-за плотности воды они несут большое количество энергии. Вода более чем в 800 раз плотнее воздуха, поэтому при той же площади поверхности вода, движущаяся со скоростью 12 миль в час, оказывает такое же воздействие, как постоянный ветер со скоростью 110 миль в час. Благодаря этому физическому свойству океанские течения содержат огромное количество энергии, которую можно улавливать и преобразовывать в пригодную для использования форму.

Океанские Текущие Энергетические Технологии

Соединенные Штаты и другие страны стремятся использовать энергию океанских течений; однако энергия морских течений находится на ранней стадии развития. По сравнению с ветровыми, волновыми и приливными ресурсами потенциал энергетических ресурсов для энергии океанских течений наименее изучен, а его технология наименее развита. В настоящее время не существует коммерческих турбин, подключенных к сетям, и было испытано лишь небольшое число опытных образцов и демонстрационных установок. Более передовые технологии были разработаны для использования с приливными течениями в прибрежные условия. В настоящее время разрабатывается целый ряд различных технологических концепций. Опытные образцы горизонтальных осевых турбин, аналогичных ветряным турбинам, были построены и испытаны, и в течение следующих 5-7 лет наиболее вероятным сценарием коммерческого развития будет их разработка. Хотя технология океанских течений все еще находится на ранних стадиях своего развития, некоторые приливные и внутрипоточные турбины близки к коммерциализации. Эти устройства используют преимущества ежедневных приливных циклов в прибрежной океанской среде или устойчивого потока воды из пресноводных рек.

Лучшие места для сбора энергии океанских течений находятся между островами, вокруг сильно изрезанных берегов, где есть сильные приливные течения, или где разница температур между теплой поверхностной водой и холодной глубокой водой составляет около 20°C или более.

Морские турбины являются наиболее популярной частью предлагаемой технологии. Лопасти этих турбин должны быть около 20 метров, только одна треть размера ветрогенератора, чтобы производить в три раза больше энергии. Каждая турбина будет установлена на башне, которая соединится с сетка подводная точно такая же, как и с морскими ветряными вышками. Башни пробьют брешь в поверхности воды и будут освещены, чтобы предупредить корабли. Существуют также конструкции, позволяющие поднимать эти башни из воды для очистки лопастей от водорослей или других наростов и для другого технического обслуживания.

Современные энергетические технологии, также называемые приливными или гидрокинетическими технологиями, преобразуют кинетическую энергию движущейся воды в электричество.

Современные энергетические технологии используют преимущества горизонтального течения океанских течений для питания генератора, преобразующего механическую энергию в электрическую. Современные энергетические устройства часто представляют собой вращающиеся машины, подобные ветряным турбинам с Ротором, который вращается в ответ на скорость течения воды со скоростью вращения , пропорциональной скорости воды. Ротор может иметь открытый конструкция сравнима с ветряной турбиной или может быть заключена в канал, который направляет ток и поток воды. Преобразователи текущей энергии можно разделить на четыре основных типа:

Турбины С Горизонтальной Осью

Горизонтальные осевые турбины обычно выглядят аналогично ветряным турбинам, как показано на рис.3. они собирают кинетическую энергию из движущейся воды таким же образом, как ветряные турбины извлекают энергию из движущегося воздуха.

Канальные Турбины С Горизонтальной Осью

Горизонтальный Ротор заключен внутри трубопровода. Эти каналы часто имеют воронкообразную форму и работают, концентрируя текущий поток через турбину. Эта технология может позволить для функции над широкием диапазоном настоящих скоростей, таким образом производящ больше электричества в блок площади Ротора.

Турбины С Вертикальной Осью

В турбинах с вертикальной осью ось ротора расположена перпендикулярно потоку тока. Эти турбины могут также быть заключены внутри трубопровод.

Осциллирующие Подводные Крылья

Осциллирующие подводные крылья поворачиваются в ответ на приливные течения, протекающие по крылу или закрылку. Особое положение достигается с помощью этой конструкции приводной жидкости в гидравлической системе для выработки электроэнергии.

Проблемы

Для успешного использования энергии океанских течений в коммерческих масштабах необходимо решить ряд инженерно-технических задач , в том числе:

Предотвращение кавитации ( образования пузырьков)
Предотвращение накопления морского роста
Высокие эксплуатационные расходы
Коррозионная стойкость
Генерация электромагнитных полей (ЭДС)
Токсичность красок, смазочных материалов и противообрастающих покрытий
Помехи движению и миграции животных, включая запутывание и удар лопастями ротора или другими движущимися частями

Чтобы вычислить количество джоулей, доступных для извлечения турбинами во всех океанах всего мира, предположим, что океан повсеместно движется со скоростью, равной скорости Гольфстрима; около 2 метров в секунду. Поэтому каждый кубический метр воды имеет кинетическую энергию 1/2 МВ 2 = 2000 джоулей. Это может быть крайним переоценить, поскольку большая часть океана движется гораздо медленнее, чем Гольфстрим, но если больше, то затем умножить на количество куб. м. Все океаны весь мир: радиус Земли равен R = 6371 км, средняя глубина океана д = 4.27 км, и при условии, что 70% мирового поверхность океана, общий объем воды в Мировом океане составляет.

Таким образом, общее количество энергии, доступной для добычи в Мировом океане, составляет 2000 джоулей/ м3 х 1,52 × 10 18 м 3 = 3,04 × 10 21 джоули. Если вы сравните эту сумму с годовым потреблением энергии в год для всего мира, как показано на Рис. 4, вы увидите, что она составляет всего 6 лет .

Автор: Бобби Зарубин — Стэнфордский Университет

Океанические и морские течения являются примером огромных запасов энергии океана, которые, к сожалению, имеют весьма низкую энергетическую плотность. Как и в случае использования ветра и солнечного излучения, это обстоятельство, а также непостоянство энергопотока ограничивает практическую значимость энергии течений. Но, в отличие от ветра и солнца, доступная энергия которых изменяется случайным образом, океанические течения более предсказуемы, особенно если они вызваны приливами. Воды морей, омывающих европейский континент, характеризуются суммарной мощностью течений на уровне 12 ГВт. При коэффициенте использования установленной мощности равном 45 %, установленные в море гидротурбины в среднем могли бы генерировать около 5,5 ГВт электроэнергии. Некоторые эксперты оценивают КИУМ таких энергоустановок в интервале 35-40 %. В любом случае это выше 20 %, характерных для ветровых установок наземного размещения. Оффшорные ветротурбины могут работать при КИУМ на уровне 30 %. Напомним, что атомные электростанции имеют КИУМ 85-88 %.

Океанические течения возникают и определяются действием ряда факторов (сил): ветром, градиентами солености и температуры, вращением Земли вокруг оси и приливами. Период приливов, как известно, согласуется с фазами Луны. Происходит два прилива в сутки; один — подлунный, когда Луна проходит

11 Прим. ред. Суммарный мировой энергетический потенциал приливов оценивается в 3 ТВт. Однако мест на земной поверхности с высокими приливами немного. Наибольшие приливы (более 10 м) наблюдаются лишь на побережье Великобритании, Канады и Франции. Весьма благоприятные места для использования энергии приливов имеют место на побережье Аргентины, Западной Австралии и Кореи. На территории России наиболее подходящими местами для создания приливных электростанций являются некоторые участки побережий Белого, Баренцева и Охотского морей, где приливы превышают 5 м. Россия находится в числе стран-лидеров по разработке приливных энергоустановок. В 1968 г. в СССР введена в строй экспериментальная Кислогубская ПЭС с двумя агрегатами общей мощностью 400 кВт на Кольском полуострове (годовая выработка около 1,2 млн кВт-ч электроэнергии). Впервые в мировой практике гидротехнического строительства станция была возведена наплавным способом, позволяющим примерно на треть снизить капитальные затраты. В 2005 г. осуществлена реконструкция этой станции. В последние годы разработаны проектные предложения по строительству шести приливных электростанций, среди которых Тугурская ПЭС на Охотском море предполагаемой мощностью 8 ГВт и производительностью до 19,5 млрд кВт-ч электроэнергии в год. Эта станция могла бы стать одним из важнейших источников относительно дешевой и экологически чистой энергии на Дальнем Востоке с возможностью экспорта части вырабатываемой электроэнергии в Японию, Китай и Южную Корею, что существенно улучшает ее инвестиционную привлекательность точно над данным пунктом, и второй — когда она находится над противоположной стороной Земли. Луна обращается вокруг Земли за 27,32 сут, при этом происходит изменение фаз: от полной Луны до новой и обратно до полной. В среднем две полные Луны наблюдаются с интервалом 29,53 сут. Этот период называется лунным месяцем.

Рис. 14.7. Прототип приливной турбины, установленный вблизи побережья Англии (Девон). Турбина показана в процессе установки. Источник: Marine Current Turbine, Ltd

Метеорологические и топографические факторы делают невозможным создание точной теории предсказания амплитуды и частоты приливов. Кроме того, приливное течение часто является турбулентным, что делает затруднительным пересчет значений скоростей в значения извлекаемой мощности.

Тем не менее, используя соотношения главы L3, можно оценить доступную плотность энергетического потока, связанного с течением воды, следующим образом:

Наиболее мощные морские течения характеризуются скоростью около 3 м/с. Первые в мире подводные стационарные турбины, установленные в Северной Норвегии за Полярным кругом и принадлежащие фирме Hammerfest Stroem, работают на морском потоке со скоростью 2 м/с. В некоторых точках океана скорости водных потоков достигают 5 м/с. По сравнению с ветром это достаточно скромные скорости, однако высокая плотность воды1) (1000 кг/м3, почти в 800 раз больше плотности воздуха) приводит к тому, что даже такие малые скорости обеспечивают достаточно высокую плотность энергетических потоков. В наиболее подходящих местах (там, где вследствие местных топографических условий водный поток ускоряется) плотность энергетического потока может достигать 10 кВт/м2, что на порядок больше, чем для наиболее интенсивных ветровых потоков.

Из всех океанских источников течения характеризуются самой низкой плотностью энергии (величина эквивалентного их динамическому давлению столба жидкости равна всего 0,05 м при скорости 1 м/с и только 5 м при скорости 10 м/с).

Без учета трудностей создания и обслуживания гигантских сооружений в толще океанских вод, необходимых для утилизации их кинетической энергии, они эффективнее, пожалуй, только преобразователей солнечной энергии в умеренных широтах, где с поверхности площадью 1 м2 можно получить не более 100 Вт. С такой же площади в поперечном сечении океанского течения, имеющего скорость 1 м/с, можно получить около 600 Вт электрической мощности.

Только 0,02 % солнечной энергии, поступающей в Мировой океан, преобразуется в нем в кинетическую энергию течений, но и это достаточно внушительная величина: при мощности 5—7 ТВт она составляет примерно 60 • 1012 кВт-ч/год (современное потребление энергии в мире составляет примерно 80-1012 кВт- ч/год). Приблизительно 20% этой энергии идет на преодоление сил трения, а остальное расходуется на перенос водных масс из одних районов Мирового океана в другие.

В процессе этого переноса водные массы перераспределяют по планете избыток тепла, биогенных элементов, уменьшают концентрацию загрязнений в местах их поступления в океан, т. е. обеспечивают океану роль природного демпфера опасных отклонений жизненно важных показателей среды. Этот перенос идет с различными скоростями: от нескольких сантиметров до нескольких метров в секунду. Он происходит и по горизонтали и по вертикали, обеспечивая полный обмен водными массами между различными частями Мирового океана примерно один раз в 1000 лет.

Причины, вызывающие движение водных масс в океанах, различны. Здесь и действие сил, связанных с образованием градиентов давлений, и влияние ветров над океанской поверхностью, и приливы. В результате сложной связи этих факторов между собой, вращения Земли, взаимодействия образующихся потоков с неровностями дна и берегами в океане возникают совершенно удивительные по своим свойствам течения, в которых энергия концентрируется настолько, что становится оправданной разработка технических решений этого направления энергетики.

Если взять за эталон течения со средними скоростями порядка 1 м/с, то можно найти достаточно мест для размещения ОГЭС и в открытом океане, и вблизи берега. Особенно интересен в этом плане Атлантический океан (Гольфстрим, Северное пассатное, Бенгальское, Гвинейское, Бразильское течения). Менее интересен Индийский океан, хотя и обладающий большой суммарной кинетической энергией (Сомалийское и мыса Игольного течения, отроги течения Западных Ветров). В Тихом океане внимание привлекают Куросио и его ответвления.

Надо отметить, что здесь перечислены только некоторые из Великих океанических течений, используя мощь которых принципиально возможно создать достаточно крупные региональные энергетические объекты (суммарная мощность Гольфстрима, например, оценивается в 15 ГВт, а Куросио — в 50 ГВт), но существуют еще и течения, вполне подходящие для решения задач местной энергетики. Укажем, например, постоянно действующие течения в Гибралтарском и Баб-эль-Мандебском проливах, приливные течения в Ла-Манше, между рядом островов Курильской гряды и другие течения, где скорости потоков достигают величин порядка 5 — 8 м/с, и, соответственно, плотности энергии значительно возрастают по сравнению со средними для крупных океанских течений. Причем, в проливах можно использовать для нужд энергетики не только поверхностные, но и глубинные потоки, часто имеющие противоположное поверхностным направление и также обладающие подходящими скоростями.

Практически все течения подвержены каким-то изменениям. Сезонно и из года в год изменяются скорости, направления, физические параметры вод. Устойчивость потоков будет определять стабильность работы будущих ОГЭС, и для энергетики, вероятно,. особенно интересны те течения, устойчивость которых превышает, по крайней мере, 50 %. У всех из перечисленных выше течений этот показатель близок к 75%. Исключение составляет Сомалийское течение, в летние месяцы изменяющее направление движения на противоположное. Средние сезонные колебания расхода воды в Гольфстриме, например, составляют 15 — 20 % от наибольшего значения, правда, иногда отмечаются и большие колебания (величиной до 50%). Более стабильно Куросио (10 — 15% колебаний расхода), но в отдельные годы и в нем наблюдались изменения скорости и расхода воды в 50—60 %.

Читайте также: