2.4 Энергетический потенциал ветровых волн
Энергетический потенциал ветровых волн достаточно велик. Суммарная потенциальная мощность ветрового волнения мирового океана оценивается исследователями в пределах от 30 млн. МВт до 1 млрд. МВт [11]. Волновая энергия обладает более высокой по сравнению с ветром и солнцем плотностью энергии. Морские волны накапливают в себе энергию ветра на значительном пространстве разгона. Они являются, таким образом, природным концентратором энергии. Еще одно достоинство волнения – его повсеместность, благодаря чему оно доступно широкому кругу прибрежных потребителей. Недостаток волновой энергии заключается в ее нестабильности во времени, зависимости от ледовой обстановки, сложности преобразования и передачи потребителю. Работы, направленные на изучение возможностей использования волновой энергии, были начаты более 200 лет назад и заметно интенсифицировались, начиная с 70 – х годов XX века [12]. Проблема практического использования энергии ветровых волн отличается большой сложностью. При ее решении необходима разработка устройств приема и преобразования энергии, мощных систем крепления, способных выдерживать большие нагрузки, особенно в экстремальных условиях. Требуется оценка параметров ветрового волнения и закономерностей их изменения, а также изучение вопросов влияния волновых установок на окружающую среду (эрозия и формирование берегов, взаимодействие с судоходством рыбаками и др.) [13].
Наибольший интерес представляют длиннопериодные (Т~10 с) волны большой амплитуды (2 м и более), позволяющие снимать с единицы длины гребня от 50 до 70 кВт/м и более.
Для проектируемых волновых электростанций длина энергопоглощающего элемента должна примерно соответствовать 1 – 2 длинам предельных волн расчетного диапазона для конкретной акватории, независимо от мощности станции. Так, для экваторий Черного моря длина энергопоглощающего элемента должна составлять 40 – 50 метров.
Значения потока волновой энергии в морях России приведены в таблице 2.4 [14].
Таблица 2.4 – Потоки волновой энергии в морях России
Море
|
Ф
(кВт/м)
|
Море
|
Ф
(кВт/м)
|
Азовское
Чёрное
Балтийское
Каспийское
|
3
6 – 8
7 – 8
7 – 11
|
Охотское
Берингово
Японское
Баренцево
|
12 – 20
15 – 44
21 – 31
20 – 25
|
Потоки волновой энергии Карского моря и моря Лаптевых не приводятся.
Средняя высота волн в Мировом океане равна 2.5 м, а период их существенно различается. Так, в Балтийском море, она равна 7 – 8 кВт/м, а в морях Баренцево и Берингово соответственно 20 – 25 и 15 – 44 кВт/м.
Существенным достоинством волновой энергии является увеличение мощности волн в осенне – зимний период, когда возрастает и потребление электроэнергии. Подавляющее большинство волновых энергетических установок в конструктивном отношении представляют собой сооружение, состоящее из трех основных элементов (систем): рабочего тела (или волноприемника), силового преобразователя с электрогенератором и системы крепления [15] .
Рабочее тело может быть твердым, жидким или газообразным. Оно находится в непосредственном контакте с водой и под действием волн совершает какие – либо движения, например, колебательные. В качестве рабочего тела могут служить поплавки, водяные колеса, волноприемные камеры, эластичные трубы, набережные стенки, волноотбойные устройства и другие.
Силовой преобразователь служит для преобразования энергии, запасенной рабочим телом, в энергию, пригодную для использования или передачи на расстояние. В качестве таких преобразователей могут выступать разнообразные по исполнению гидравлические насосы, зубчатые, цепные, тросовые передачи, гидравлические и воздушные турбины и т.п. Система крепления предназначена для удержания на месте волновой установки.
На рисунке 2.8 приведен пример конструкции простейшей волновой установки поплавкового типа.
Рисунок 2.8 – Пример конструкции волновой установки
Установка состоит из рабочего тела, выполненного в виде поплавка – 1и укрепленного на одном конце штанги – 2, другой конец которой соединен с силовым преобразователем – 3. Последний размещен на свайных опорах – 4. Преобразователь – 3 воспринимает колебания – 5 штанги – 2. Если поплавок – l выполнить плоским и соединить со штангой – 2 шарнирно, то он будет также совершать и колебательные движения – 6 относительно этого шарнира. Тогда целесообразно на поплавке установить дополнительный преобразователь – 7 для преобразования этих движений.
Перемещения поплавка используются для попеременного сжатия газа или жидкости в какой – либо емкости или перемещения сердечника в электромагнитной обмотке. Возможно также использование перемещений поплавка либо для преобразования во вращательное движение вала с помощью реечной или цепной передачи, либо в давление рабочей жидкости с помощью поршневого насоса.
Наиболее многочисленны установки, применяющие в качестве рабочего тела поплавок, использующий разность между уровнями гребня и ложбиной волны. С целью увеличения амплитуды колебаний (появления резонанса) цилиндрические поплавки могут частично заполняться водой. Пример такого устройства приведен на рисунке 2.9.
Рисунок 2.9 – Схема волновой установки поплавкового типа
В нижней части корпуса – 1 этого поплавка предусмотрена мера – 2 для балласта, масса которого регулируется в зависимости от параметров волн насосом – 3. Электрогенератор – 4 приводится в работу от осевой гидротурбины – 5, обеспечивающей одностороннее вращение. При необходимости возможно применение мультипликатора – 6, позволяющего увеличивать частоту вращения ротора генератора. Такие устройства имеют амплитуду вертикальных колебаний, в 10 – 12 раз превышающую высоту волны [15] . На рисунке 2.10 показана действующая электростанция поплавкового типа [16].
Рисунок 2.10 – Электростанция поплавкового типа
Волновые установки, использующие постоянное изменение формы поверхности, получили название «контурного (щарнирного) плота». Эти «Плоты» имеют плоское или коробчатое рабочее тело, состоящее из двух или многих поплавков – (рисунок 2. 11), соединенных между собой шарнирами, и снабженное поршневыми насосами. Установка удерживается с помощью якоря. Изменение формы поверхности моря приводит к изменению углового положения поплавков относительно друг друга, которое и используется для привода в действие насоса.
Рисунок 2.11 – Контурный (шарнирный) плот
Например, на Pelamis P – 750 (рисунок 2.12), состоящей из секций, между секциями закреплены гидравлические поршни. Внутри каждой секции также есть гидравлические двигатели и электрогенераторы. Под воздействием волн конвертеры качаются на поверхности воды, и это заставляет их изгибаться. Движение этих соединений приводит в работу гидравлические поршни, которые, в свою очередь, приводят в движение масло. Масло проходит через гидравлические двигатели. Эти гидравлические двигатели приводят в движение электрические генераторы, которые производят электроэнергию[16].
Рисунок 2.12 – Волновая электростанция типа “шарнирный плот”
Для эффективного использования энергии волны, электростанция должна устанавливаться на глубине не менее 15 – 20 метров. Минимальная высота волны, при которой начинается генерация электрической энергии, составляет один метр.
Волновые электростанции сравнительно недешевы. Это понятно, если представить их жизнедеятельность в условиях, когда эффективность возрастает с ростом агрессивности среды. Удельная стоимость их составляет 4000—5000 фунтов стерлингов на 1 кВт вырабатываемой энергии, в то время как стоимость тепловых и атомных электростанций 500—1000 фунтов стерлингов на 1 кВт [17].
Расположение Красноярского края на территории России показано на рисунке 2.13. Северные территории края омываются Карским морем и морем Лаптевых. Эти моря находятся за Северным полярным кругом.
Рисунок 2.13 – Территория Красноярского края (красный цвет) и прилегающие моря:
1 – Карское море, 2 – море Лаптевых
Карское море. Это море относится к окраинным морям Северного Ледовитого океана и в своей большей части располагается на материковой отмели [18].
Его площадь 885,2 тыс. кв. км, средняя глубина около 130 м, максимальная – 620 метров. На севере Карское море прилегает к Арктическому бассейну, на западе – граничит с Баренцевым морем, на востоке – с морем Лаптевых. На его акватории множество островов различной величины, подавляющая часть из них расположена вдоль континентального побережья.
Береговая линия моря имеет сложные контуры и очертания. Глубоко в сушу вдаются Обская и Байдарацкая губы, между которыми далеко в море выступает полуостров Ямал. Рельеф дна моря неровный, имеются глубоководные желоба и возвышения. Южная и восточная части Карского моря менее глубоководны, чем его западные и северо – западные стороны. Наиболее глубокий район Карского моря расположен южнее Новой Земли, где пролегает Новоземельская впадина с глубинами до 500 метров. Восточнее Новой Земли начинается желоб Св. Анны, уходящий за пределы моря в Арктический бассейн. Центральная часть Карского моря имеет более ровный рельеф. Восточная часть Карского моря, вблизи устьев рек Оби и Енисея, очень мелководна (глубины 20 – 50 м) и отличается сильно опресненной водой.
Климат арктический, суровый [19]: 3-4 мес. в году длится полярная ночь, 2—3 мес. — полярный день. температура воздуха ниже 0°С держится на севере моря 9—10 мес., на юге — 7-8 мес. Средняя температура января от -20 до -28 °С (минимальная достигает -46 °С), июля от + 6 до -1 °С (максимальная до +16 °С). Число дней с морозом в июле от 6 на юге до 20 на севере. Зимой часты штормовые ветры, вьюги и метели, летом — снежные заряды и туманы. Большую часть года море покрыто льдом. Ледообразование начинается в сентябре на севере и в октябре на юге. Зимой вблизи берегов и между островами образуется припай, за которым располагаются дрейфующие льды. К лету припай разрушается, а льды на юге и севере моря образуют устойчивые ледяные массивы. В неблагоприятные для судоходства годы льды занимают летом почти всё море, в другие — от льда очищаются значительные пространства. Имеется два стабильных морских течения – на северо – востоке и юго – западе, которые медленно перемещают водные массы против часовой стрелки.
Видовой состав животного мира здесь в два раза беднее, чем в соседнем Баренцевом. Тем не менее, жизнь здесь, все – таки есть. Приливы не большие, от полуметра до 80 см. Суровый климат, холодная вода и мощный ледяной панцирь делает проблематичным использование энергии морских волн.
Море Лаптевых. По географическому положению и гидрологическим условиям, отличным от океана, с которым море свободно сообщается, оно относится к типу материковых окраинных морей [20]. В принятых границах море Лаптевых имеет следующие размеры: площадь — 662 тыс. км2, объем 353 тыс. км3, средняя глубина 533 м, наибольшая глубина 3385 м. В море Лаптевых насчитывается несколько десятков островов. Большинство из них находится в западной части моря, причем местами они располагаются группами, местами в одиночку. Наиболее значительные группы островов: Комсомольской Правды, Вилькицкого и Фаддея. Среди одиночных островов своими размерами выделяются острова Старокадомского, Малый Таймыр, Большой Бегичев, Песчаный, Столбовой и Бельковский. Множество мелких островов расположено в дельтах рек. Подавляющая часть моря очень мелководна. Половину всей его площади занимают глубины до 50 м, а южнее 76° с. ш. они не превышают 25 м. Северная часть моря значительно глубже. В этом районе глубины постепенно увеличиваются от 50 до 100 м, а затем резко возрастают до 2000 м и более. При столь большом контрасте глубин, природные условия моря в, основном, характеризуют глубины, порядка 50—100 м. Высокоширотное положение, большая удаленность от Атлантического и Тихого океанов, близость азиатского материка и полярных льдов делают море Лаптевых одним из самых суровых среди наших арктических морей. Значительная протяженность моря с юго – запада на северо – восток создает климатические различия от места к месту, заметно выраженные по сезонам. Большую часть года (с октября по май) все море Лаптевых покрыто льдами различной толщины и возраста. Льдообразование начинается в конце сентября и проходит одновременно на всем пространстве моря. Зимой в его мелководной восточной части развит чрезвычайно обширный припай толщиной до 2 м. Границей распространения припая служит глубина 20—25 м, которая в этом районе моря проходит на удалении нескольких сотен километров. Таяние льда начинается в июне – июле и к августу значительные пространства моря освобождаются ото льдов.
Зимой температура воздуха над морем понижается до – 26 – 29 градусов. Летом температура воздуха повышается и достигает (в августе) +1 – 5 градусов.
Преобладание слабых ветров, мелководность и постоянные льды обусловливают довольно спокойное состояние моря. В среднем здесь превалирует волнение 2—4 балла с высотами волн около 1 м. Летом (июль — август) в западной и центральной частях моря изредка развиваются штормы 5—7 баллов, во время которых высота волн достигает 4—5 м. Осень — наиболее штормовое время года, когда море бывает наиболее бурным и наблюдаются максимально высокие (до 6 м) волны. Однако и в этот сезон преобладают волны высотой порядка 4 м, что определяется длиной разгона и глубинами.
В море Лаптевых прилив выражен хорошо, имеет характер неправильной полусуточной волны. Приливная волна входит, с севера и распространяется к берегам, затухая и деформируясь по мере продвижения к ним. Величина прилива обычно невелика, преимущественно около 0,5 м.
Выводы. Море Лаптевых и Карское море большую часть года покрыты льдами, а существующие проекты волновых электростанций требуют открытой воды. Даже в летний период, когда на поверхности океана курсируют айсберги, представляющие потенциальную угрозу волновым станциям. Использование волновой энергии этих морей является малоперспективным.
|
