Енергія морів і океанів

Моря і океани займають 71% поверхні Землі. Обсяги води в цих акваторіях величезні, а наявна в них відновлювальна енергія практично невичерпна. Вода тут перебуває в безперервному русі, яке проявляється в хвилях у відкритому морі, морському прибої, приливи і відливи, а також в морських течіях. Джерелом цієї енергії є космос, головним чином Сонце: хвилі викликаються вітром, морські течії зумовлені особливостями клімату, а припливи і відливи викликані силами тяжіння Місяця і Сонця. 

Крім чотирьох океанів (Атлантичного, Тихого, Індійського і Північного Льодовитого) є безліч морів, серед яких виділяють окраїнні моря – Баренцове, Берингове, Охотське та ін., Що знаходяться по околицях океанів, і внутрішньоконтинентальні – Чорне, Балтійське, Середземне і ін., Пов’язані з океанами протоками. Аральське і Каспійське моря також колись з’єднувалися з океаном. Виділяють два типи морів: улоговинні, глибина яких сягає 5 км, а рельєф дна схожий з рельєфом океану (Берингове, Охотське, Японське і ін.), І плоскі, глибина яких лише подекуди перевищує 300 м (Баренцове, Біле, Карське, Балтійське і ін.). Плоскі моря виникли в результаті опускання ділянок суші нижче рівня океану. 

Кожному з джерел енергії притаманні свої особливості, з якими людині доводиться рахуватися, коли він намагається поставити його собі на службу.

Go-IT UA

хХвилі

Частинки води в морських хвилях рухаються по еліптичних орбітах, що наближається до круговим. Діаметр цих орбіт у морській поверхні відповідає висоті хвилі, а на глибині, яка дорівнює половині довжини хвилі, коливання частинок води практично відсутні. 

Далеко від берега амплітуди хвиль відкритого моря в шторми досягають 10 м і більше, а довжина хвилі може досягати сотень метрів. Морська ерозія, яка діє на морське дно, формує горизонтальну поверхню (шельф або материкову мілину), глибина якої становить 200-250 м, а ширина – до 1000 км. Біля берегів, утворених гірськими хребтами, шельф може бути відсутнім. 

Go-IT UA

Середню для океанічних хвиль енергію оцінюють величиною 50 кВт на погонний метр. Підраховано, що з урахуванням неминучих втрат використання енергії хвиль біля узбережжя Англії дало б 120 ГВт енергії, що перевищує сумарну потужність електростанцій країни. Сумарна потужність хвиль Світового океану оцінюється в 2700 ГВт. У Росії найбільш перспективними районами для освоєння енергії морських хвиль вважають узбережжі тихоокеанських морів і Баренцева моря.

Перша в світі хвильова електростанція була встановлена ​​в 2008 році поблизу узбережжя Португалії (система Pelamis).

У Великобританії був розроблений ряд проектів, заснованих на використанні заякоренних понтонів, з’єднаних між собою шарнірами. Що проходить хвиля викликає вигини в шарнірах, які використовують в поршневий гідравлічній системі, запасающей енергію в рідини, стислій до високого тиску. Цю енергію потім використовують в гідродвигуні і електрогенераторі. Недоліки таких систем складаються в невисокій надійності якірних зачеплень і шарнірних з’єднань при штормах і зрушення льоду.

Go-IT UA

В Японії реалізовано пристрій з проектною потужністю 2,2 МВт, що представляє собою заякоренних буй з порожниною, відкритої знизу. Під дією хвиль рівень води в порожнині змінюється. У надводної частини буя є отвір, через який повітря виходить з порожнини при його витіснення водою на гребені хвилі. При проходженні западини хвилі повітря входить в порожнину. Течії повітря через отвір надають руху повітряну турбіну, пов’язану з електрогенератором. В автономних електричних буях отриману при цьому електроенергію використовують для зарядки акумуляторів, що живлять потужну електролампу. 

Ще один пристрій з високим ККД (до 90%) потужністю 100 кВт було запропоновано в електротехнічної школі штату Орегон (США). У ньому заякоренная ланцюжок постійних магнітів укладена в мідну котушку, жорстко прикріплену до буя зі склопластику, який під дією хвиль коливається вгору-вниз. У котушці, що перетинає силові лінії магнітного поля, наводиться електрорушійна сила (ЕРС). У такому пристрої не потрібно ні гідравлічних, ні пневматичних насосів. Перевага такого пристрою перед джерелами, які використовують енергію вітру, в тому, що поведінка хвиль більш передбачувано, а щільність енергії хвиль в десятки разів вище, ніж вітру. 

Прибій

Go-IT UA

Морський прибій виникає через різницю швидкостей частинок води на поверхні водойми і у дна, де вони гальмуються тертям. Форма руху орбіт часток води деформується так, що на мілководді різко зростає горизонтальна складова такого руху. Через уповільнення руху води у дна верхні частини хвилі, що відрізняються більш високою швидкістю, піднімаються і обрушуються на берег. Чим дно крутіше, тим більша різниця в швидкостях води і тим потужніше прибій. Висота хвиль прибою нерідко перевищує 50 м. 

Енергія прибою величезна. В Амстердамі на пірс висотою 4 м прибій зміг закинути бетонний блок масою 20 т. Спостерігалися випадки, коли прибій переміщував брили масою в 50 т і більше.

Особливо сильний прибій спостерігається в Північній Атлантиці. Ця величезна енергія привернула увагу норвезьких енергетиків. В одному з технічних рішень вони використовують стійке бетонну споруду, в якому є відкрита в бік моря камера. У неї надходять хвилі прибою. Під водою в камері є широкий отвір, що виходить в вертикальну шахту, у верхній частині якої встановлена ​​повітряна турбіна.Накативающаяся разом з прибоєм вода заповнює камеру, рівень води при цьому в шахті підвищується, а коли вода відступає – знижується. Поверхня води в шахті служить своєрідним поршнем, який проганяє повітря через турбіну. Конструкція турбіни така, що напрямок її обертання не залежить від напрямку потоку повітря. Турбіна ця обертає електрогенератор. Потужність експериментальної установки склала 400 кВт. 

Go-IT UA

В Ізраїлі компанія SDE, що займається хвильової енергетикою, розробила установку, яка використовує енергію хвиль прибою в області прибережного підйому дна, де прибій майже ніколи не затихає і де висота хвиль вище, ніж у відкритому морі. Установка являє собою пластикові щити (буї), що призводять в дію гідросистеми, пов’язані з генератором. У цій установці при сильному ударі штормовий хвилі пластиковий щит просто відкидається в нейтральне верхнє положення. Після того як більш слабка хвиля (нижче певного порогу) накочується на пристрій, воно автоматично опускає щит в робоче положення. Перевага даної установки полягає в тому, що в ній в воду систематично занурюється лише мінімум її компонентів. Це дозволяє зробити її переважно надводної та дешевшою, ніж її прототипи, більше схильні до корозії і забруднення піском. У 2010 році дослідна електростанція в районі Яффи протягом року працювала з встановленою потужністю до 40 кВт. Подальші перспективи використання такої установки її розробники пов’язують з іншими країнами, а не з Ізраїлем. Справа в тому, що в Середземному морі хвиля відносно невисока, на відміну, наприклад, від американського узбережжя Тихого океану, де 3-4-метровий прибій в тиху погоду є звичайною справою і де морські хвилі будуть приносити на порядок більше енергії, ніж в Ізраїлі. Проблеми, однак, залишаються, і вони викликані сильними штормами на Тихому океані. Справа в тому, що в Середземному морі хвиля відносно невисока, на відміну, наприклад, від американського узбережжя Тихого океану, де 3-4-метровий прибій в тиху погоду є звичайною справою і де морські хвилі будуть приносити на порядок більше енергії, ніж в Ізраїлі. Проблеми, однак, залишаються, і вони викликані сильними штормами на Тихому океані. Справа в тому, що в Середземному морі хвиля відносно невисока, на відміну, наприклад, від американського узбережжя Тихого океану, де 3-4-метровий прибій в тиху погоду є звичайною справою і де морські хвилі будуть приносити на порядок більше енергії, ніж в Ізраїлі. Проблеми, однак, залишаються, і вони викликані сильними штормами на Тихому океані.

Течії

Морські течії, в більшості своїй поверхневі, течуть в різних напрямках. Про їхню силу і поширеності свідчить багато прикладів. Кораблі-привиди, покинуті командою, борознять океани, слідуючи морським течіям. Англійський корабель «Брунсвік» затонув поблизу південного краю Південної Америки, але пляшка з повідомленням про його загибель була знайдена біля берегів Англії.

Go-IT UA

Морські течії можуть бути постійними, періодичними і випадковими, теплими і холодними. Серед них виділяють: дрейфові, вода яких переміщається стійко дме в одну сторону вітром; бароградіентние, у яких рух води викликається різницею атмосферного тиску в різних частинах моря; припливно-відливних; стокові, викликані продовженням течії річок під водою; конвекційні, що утворюються в результаті зміни щільності води в різних частинах моря; компенсаційні, коли протягом води компенсує її надлишок або недолік в тій чи іншій частині акваторії. 

Поверхневі течії добре досліджені. Пасатні течії протікають зі сходу на захід по обидва боки екватора. У материків вони розходяться: на північ теплими течіями Гольфстрім і Куросіо, які потім повертають на південь вже холодними Гренландским і Лабрадорським течіями. На південь від екватора на схід протікає Антарктична течія, а на північ – Перуанський.

Сучасний рівень техніки дозволяє витягувати енергію течій при швидкості потоку більше 1 м / с. При цьому потужність одного квадратного метра поперечного перерізу потоку складає близько 1 кВт. Такі потужні течії, як Гольфстрім і Куросіо, несуть відповідно по 83 і 55 млн куб. м води в секунду зі швидкістю 2 м / с.

Go-IT UA

Створення океанських електростанцій стикається, однак, з низкою технічних труднощів при розробці установок великих розмірів, обумовлених їх потенційною загрозою судноплавству.

У США з 1973 року розробляється програма «Кориолис», що передбачає установку в університеті Флориди протоці, в 30 км на схід від міста Майамі, 242 турбін з двома робочими колесами діаметром 168 м, що обертаються в протилежних напрямках. Пара робочих коліс розміщується всередині порожнистої камери з алюмінію, що забезпечує плавучість турбіни. Постійне місце турбіни – під водою, підйом на поверхню води – тільки для профілактичного ремонту. Лопаті її обертаються повільно, так що невеликі риби можуть через неї вільно пропливати, а для великих риб вхід закритий запобіжної сіткою. Вся система загальною довжиною 60 км буде орієнтована уздовж основного потоку. Ширина її при розташуванні турбін в 22 ряди по 11 турбін в кожному складе 30 км. Передбачається заглиблення агрегатів на 30 м, щоб не перешкоджати судноплавству. Корисна потужність кожної турбіни з урахуванням втрат при передачі енергії на берег складе 43 МВт, що дозволить задовольнити потреби штату Флорида в енергії на 10%. Розроблено також проект турбіни потужністю 400 кВт з робочим колесом діаметром 12 м. 

Лабораторні випробування реактивної гелікоідной (спиралевидной) гідротурбіни (турбіна Олександра Горлова) дозволили приступити до спорудження першої в світі океанської електростанції потужністю 136 МВт в університеті Флориди протоці в 5 км від острова Марафон. Ця турбіна має три спіральні закручені лопаті і під дією води здатна обертатися в два-три рази швидше за швидкість течії. Її ККД в три рази вище, ніж у звичайних турбін. Істотно, що вона здатна виробляти енергію при слабких потоках рідини. Вся станція розташується на значній глибині і буде прикріплена до дна якорями.

Go-IT UA

Компанія «Кобольд» (Італія) розробила установку, яка була 10-метрову платформу з вертикальною турбіною діаметром 6 м. Десять таких платформ дозволять забезпечувати електрикою в автоматичному режимі острів з населенням в тисячу чоловік. 

В Японії для використання енергії течії Куросіо сконструювали дві трилопатеві гідротурбіни з діаметром робочого колеса 53 м. В іншій конструкції електростанції, що використовує енергію морської течії, на дно моря встановлюють бетонну колону. У підводній частині цієї колони встановлені два робочих колеса, пов’язаних з двома електрогенераторами, розташованими в надводної частини колони. Така схема усуває недоліки, пов’язані з необхідністю надійного ущільнення, і полегшує ремонтні та профілактичні роботи. На березі острова Кучіносіма побудована унікальна електростанція, що працює від гребних гвинтів, розташованих на глибині близько 50 м. Вона працює в дослідному режимі, а до 2020 року буде введена в постійну експлуатацію при потужності до 100 кВт. 

В інноваційному проекті «Морський коник» Окінавського інституту науки і техніки (OIST) використовують підводні плавучі турбіни, утримувані під поверхнею моря спеціальної швартуванням. Електроенергія, отримана з енергії течії Куросіо, по кабелях передається на берег. У цьому проекті є новинка, націлена на перетворення енергії морського прибою. У OIST планують використовувати глибинні потоки, з великою швидкістю набігають на риф. Для цього на коралах встановлюють безліч міні-турбін, які крім вироблення електроенергії будуть служити своєрідними хвилерізами, що розбивають хвилі і тим самим запобігають ерозію. Використовуючи всього 1% узбережжя, Японія, на думку вчених з OIST, може отримати близько 10 ГВт енергії, що еквівалентно десятку атомних станцій. Свою розробку вони назвали Wave Energy Converter (WEC).

Go-IT UA

У Шотландії використовують підводну турбіну, яка входить у досить потужною електростанції, що виробляє енергію шляхом використання морських течій. Турбіна встановлена ​​на глибині близько 30 м недалеко від Оркнейських островів. 

Припливи і відливи

Морські припливи двічі на добу накочуються на берег, а потім відступають від нього у вигляді відливів. Припливи мають великий енергією і руйнують берег, діючи спільно з прибоєм. 

Go-IT UA

Тяжіння Сонця і Місяця створює гігантську приливну хвилю, енергія якої колосальна. Приливна хвиля Індійського океану котиться на 250 км проти течії Гангу, а приливна хвиля Атлантичного океану розповсюджується по Амазонці на 900 км. Спроби використовувати енергію припливів відомі давно. У стародавні часи силу припливів Іонічного моря використовували греки. У 1100-1200 роках англосакси і голландці будували на узбережжі приливні млини. У Соловецькому монастирі на Білому морі в XVIII столітті також була побудована приливна млин. 

Специфіка приливних електростанцій (ПЕС) полягає в тому, що через Водоагрегати доводиться пропускати величезну кількість води при дуже малих її напору, і це вимагає установки великого числа спеціальних агрегатів з великими розмірами робочих коліс. 

У 1968 році в Кольському затоці під Мурманськом була побудована Кислогубская ПЕС потужністю 800 кВт. На 2009 рік потужність цієї ПЕС склала 1,7 МВт. За багато років її експлуатації було проведено великий обсяг досліджень з виявлення стійкості всієї установки і її окремих вузлів, її ефективності і захищеності. Отримані при цьому конструктивні, інженерні та екологічні рішення лягли в основу розробки більш потужних ПЕС. Використання в ній наплавних елементів дозволило відмовитися від споруди дорогих стаціонарних перемичок, дамб і гребель, що значно здешевило обсяг будівельних робіт. Російський досвід широко використовують в інших країнах. ПЕС успішно діють у Франції, в Канаді, Китаї. 

Go-IT UA

У Росії існує проект будівництва ПЕС в Мезенской губі на Білому морі потужністю 8 ГВт, він включений в інвестпроект РАО «ЄЕС». Розміщення ПЕС в Мезенской губі вибрано в зв’язку з великою висотою припливів, яка тут досягає 10 м. Річне виробництво електроенергії складе близько 40 млрд кВт-год. Це стільки ж, скільки у всього Волзько-Камського каскаду ГЕС.

Різниця температур шарів води

Різниця температур у воді на поверхні акваторії і в її глибоких шарах також використовують для вироблення електроенергії. Для електростанції, побудованої за цим принципом, різниця температур повинна становити як мінімум 20 градусів за Цельсієм. Відповідна технологія найбільше підходить для теплих морських районів (в екваторіальних широтах), в яких поглинається до 35% сонячної енергії. Полягає вона в тому, що теплу воду використовують для того, щоб випарувати рідину, що кипить на низьких температурах, виробляючи пар, який приводить в рух турбіну. Холодна морська вода потім закачується з глибини кількох сотень метрів і використовується для охолодження і конденсації пари назад в рідкий стан. За кордоном відповідні технології називають абревіатурою OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion).

Go-IT UA

На початку XX століття французький інженер Джордж Клод біля берегів Куби побудував дослідну електростанцію потужністю 22 кВт, що працює за цим принципом. Пізніше французькі вчені працювали над створенням морських парогенераторів у Берега Слонової Кістки. В якості робочої рідини в термоустановках застосовували пропан і аміак, які мають низьку температуру випаровування. Поверхня океану в ОТЕС використовується в якості сонячних батарей. Вони простіше і дешевше, ніж берегові сонячні електростанції. 

Інтерес до ОТЕС відновився в порівняно недавні часи. Американо-тайванський консорціум запланував будівництво установки потужністю 10 МВт на Гаваях. Цією технологією, як і іншими океанськими поновлюваними джерелами енергії, зацікавилися у Франції. За деякими оцінками вона має потенціал в кілька тисяч терраватт-годин електроенергії на рік. Такий спосіб виробництва електроенергії, на відміну від енергії вітру і хвиль, взагалі не схильний до коливання погодних умов.

В районі Нью-Йорка побудована електростанція потужністю 7180 кВт, яка використовує тепло океанської води. Відпрацьована пара не скидається в море, а конденсується і утворює прісну дистильовану воду. У Карибському морі створений енергобіологіческій комплекс. Він виробляє електричну енергію в низькотемпературних парогенераторна установках і вирішує, крім цього, безліч інших завдань. З відкриттям гідротермальних джерел на дні Тихого океану пов’язують ідею створення підводних теплових електростанцій, що працюють на різниці температур джерел і навколишнього середовища.

Go-IT UA

Американська компанія Ocean Thermal Energy планує побудувати на Багамських островах дві водотермальні електростанції потужністю 10 МВт кожна. У 2013 році було підписано угоду між концерном Lockheed Martin і пекінською компанією Reignwood про створення та розміщенні на півдні Китаю до 2017 року першої в світі комерційної плавучої станції OTEC потужністю 10 МВт.