Энергия атмосферных источников

 

Ветроэнергетика

Одним из первых источников немускульной энергии, которую применил человек, был ветер. Так, только в России в начале XX века суммарная мощность всех ветряных мельниц равнялась 1 млн. кВт.

Сегодня во многих странах вновь стали обращать серьезное внимание на ветровую энергию. В США к 2000 году планируется покрывать 20% потребности в электрической энергии за счет ветра, в Швеции – 40%. Средняя же мощность всех ветров на Земле около 4400 млрд. кВт, что в 900 раз больше установленной мощности всех существующих электростанций.

В России средняя мощность ветров около 100 млн. кВт.

Широкомасштабному практическому использованию ветра для выработки электроэнергии на современном этапе развития технологий пока еще мешает ряд факторов. К ним относятся:

§ рассеянность ветровой энергии по всему атмосферному пространству;

§ малая плотность энергии ветрового потока;

§ большие размеры современных ветроустановок;

§ непостоянство скорости и направления ветра;

§ несовпадение по времени выработки электроэнергии и потребности в ней.

Конструкция классического современного ветроагрегата упрощенно может быть представлена следующим образом: на горизонтальной оси вращается с частотой 60…150 об/мин ротор ветродвигателя, имеющий 2 или 3 лопасти с диаметром вращения от 6 до 50 м; на этой же оси установлен редуктор, повышающий частоту вращения до 750…1500 об/мин и передающий это вращение электрогенератору. Весь ветроагрегат помещается на башню высотой до 100 м (рис. 60).

В действительности ветроэнергетическое устройство представляет собой более сложный комплекс, в который входят ветроагрегат с ветродвигателем и одной или несколькими рабочими машинами (генератором, компрессором, насосом и т.д.), аккумулирующее устройство, дублирующий двигатель, система автоматического управления и регулирования.

Максимально достижимая мощность ветроустановки с горизонтальным валом в настоящее время оценивается в 5 тыс. кВт при диаметре вращения лопастей до 120 м. Экспериментальная установка таких габаритов была построена в Германии, проработала неделю и вышла из строя ввиду разрушения конструкций.

 

 

 

 

Рис. 60. Ветроагрегат

 

Более перспективным считается создание башенных ветроагрегатов (рис. 61). На металлической или бетонной башне высотой 170…300 м размещаются в 10 – 12 ярусов блоки из двух ветрогенераторов относительно небольшой (100 – 200 кВт) мощности.

Автоматически управляемые платформы принимают оптимальное направление относительно потока воздуха на данной высоте. Для уменьшения вибрации башни роторы каждой пары агрегатов вращаются в противоположные стороны.

 

 

Растяжка

 

 

 

Рис. 61. Башенный ветроагрегат

 

 

Энергия атмосферного электричества

 

В атмосфере существует и другой вид энергии, который пока никак не используется – атмосферное электричество. Электрические явления наблюдаются не только при грозе, но возможны и в ясную погоду, т.е. электрическое поле в атмосфере – явление повседневное.

Кроме молний в атмосфере нередко наблюдается истечение электричества с остроконечных предметов, которое сопровождается свечением («огни Эльма»). Сильные электрические поля могут формироваться во время пыльных бурь и снежных метелей.

Изыскание способов преобразования электрических разрядов в электрический ток, аккумулирования огромной энергии атмосферного электричества если и не актуально сейчас, то в будущем может стать важной задачей ученых, конструкторов, технологов-энергетиков.

 

Энергия океана

 

В Мировом океане, занимающем 71% поверхности планеты, имеются различные виды энергии, которые при достаточном уровне развития технологий могут использоваться человеком:

v энергия волн и приливов;

v энергия химических связей газов, питательных веществ, солей;

v энергия водорода, входящего в молекулы воды;

v энергия океанских течений;

v тепловая энергия океана.

 

Энергия волн

 

Обрушивающиеся на морское побережье волны уже в давние времена заставляли людей задумываться об использовании их энергии. Мощность морской волны высотой 30 м оценивается в 70 тыс. кВт на каждый метр береговой линии, 6-метровой волны – около 2000 кВт и метровой волны – 54 кВт.

Первый патент на использование энергии морских волн был выдан в 1799 г. во Франции. Первая волновая установка для накачки воды в водонапорную башню начала работать в 1899 г. в США. В качестве приемников волновой энергии в ней использовались вертикально подвешенные плоские пластины, которые раскачивались волнами. Оси качающихся пластин соединялись посредством шатунов с поршнем насоса, нагнетавшего воду.

Теоретический к.п.д. такого устройства составляет 40…50%, действительный – 25…30%.

В 1941 г. в СССР была построена волновая электроустановка, принцип работы которой поясняет рисунок 62.

 

Турбина

Волновой напор

Рабочий

напор

 

 

Средний

уровень

моря

 

Рис. 62. Стационарная волновая электростанция

 

Набегающая волна поднимается вверх по наклонному лотку и стекает в воронку, откуда постоянным потоком течет через низконапорную гидротурбину, соединенную с электрогенератором. Мощность установки зависит от средней амплитуды волны.

Береговые волновые электростанции имеют хорошие перспективы. Они экологически чисты, не потребляют топлива, поддаются автоматизации и не требуют сложной системы обслуживания. Кроме того, лотки для набегающей волны защищают берега от разрушения.

В США и Японии опробована конструкция пневматического типа (рис. 63):

 

 

Воздушная Турбо- Поток

турбина генератор воздуха

Воздуш-

~ ~ ный

клапан

 

 

Рис. 63. Двухкамерная пневматическая волновая электростанция

 

Вся система неподвижно закреплена с помощью якорей. При подъеме воды во время прохождения гребня волны воздух во внутренней полости сжимается и заставляет вращаться лопасти воздушной турбины с генератором. Благодаря системе клапанов характер воздушного потока, проходящего через турбину, не меняется при движении волны как вверх, так и вниз.

Существуют предложения сооружать особого рода плавающие конструкции, которые при прохождении волн должны либо качаться друг относительно друга, либо иметь шарнирную конструкцию, позволяющую одной части подниматься и опускаться вслед за волной, а другой – оставаться неподвижной. Относительные смещения элементов конструкций можно использовать для прокачки воды или воздуха через турбины, соединенные с электрогенераторами. Пример конструкции типа «нырок» показан на рис. 64.

 

Поплавок Генератор Неподвижный элемент

 

 

Рис. 64. Плавающая шарнирная конструкция типа «нырок»

 

 

Энергия приливов

 

Приливы – это периодические колебания уровня океана, вызванные притяжением Луны и Солнца, а также центробежными силами, возникающими при вращении Земли. Вследствие текучести океанская вода перемещается и заметно поднимается с той стороны Земли, которая обращена к Луне. При этом подъем воды в открытом океане достигает 60 см.

По мере вращения Земли эта область перемещается. Достигая побережья, приливная волна имеет высоту до 18 м.

Энергетический потенциал морских приливов очень велик: от приливных электростанций можно получать до 2000 млрд. кВт·час электроэнергии в год.

Приливная энергия – возобновляемая, дешевая и экологически чистая. Конструкция приливной электростанции (ПЭС) мало отличается от конструкции гидроэлектростанции (ГЭС). Основное различие в том, что на обычной ГЭС предусмотрен поток воды только в одну сторону, тогда как на ПЭС направление потока воды дважды в сутки меняется на противоположное. Во время прилива в качестве верхнего бьефа оказывается море, во время отлива – вода, накопившаяся во время прилива в бассейне ПЭС.

Во Франции с 1960 г. работает ПЭС мощностью 240 тыс. кВт, дающая самую дешевую электроэнергию в этой стране.

 

Энергия океанских течений

 

Океанские течения возникают по двум основным причинам:

§ неравномерный нагрев водной массы солнечными лучами;

§ воздействие силы Кориолиса вследствие вращения Земли.

Установка для отбора энергии океанских течений включает морское судно, неподвижно заякоренное в открытом море (рис. 65). На корме судна установлен шкив большого диаметра, соединенный через редуктор с электрогенератором. На шкив надевается петля троса, имеющего длину несколько сот метров. На тросе через равные промежутки закреплены парашюты большого диаметра. Опущенные в морское течение, они наполняются текущей водой и создают большую тягу на тросе, который вращает шкив и приводит в действие электрогенератор. Электроэнергия подается на берег по подводному кабелю.

 

Шкив

 

 

Направление течения

 

Рис. 65. Электростанция в морском течении

 

 

Другой вариант использования энергии морского течения предполагает погружение в океан турбины большого диаметра, которая будет вращать ротор подводного электрогенератора. Ось вращения турбины располагается по направлению течения.

 

Тепловая энергия океана

 

Океан является гигантским аккумулятором тепловой энергии. По подсчетам специалистов, отбором тепла от поверхности океана допустимо понизить ее температуру не более чем на 0,5 ⁰К. Однако даже это позволило бы получать непрерывно мощность около 11 млрд. кВт. При существующих технологиях преобразования океанского тепла в энергию можно рассчитывать на получение 700 трлн. кВт·час электроэнергии в год.

Схема океанской тепловой электростанции (ОТЭС), работающей на аммиаке как промежуточном теплоносителе, показана на рис. 66.

В замкнутом вторичном контуре циркулирует аммиак. В испарителе он нагревается и испаряется. Пары поступают в сепаратор пара и далее в паровую турбину. После паровой турбины пары аммиака поступают в конденсатор, где трансформируются в жидкость, которая перекачивается обратно в испаритель. Самой сложной деталью ОТЭС является длинный трубопровод для подъема с глубины холодной воды.

В 1979 г. вблизи Гавайских островов успешно работала ОТЭС мощностью 50 кВт.

В 1985 г. создана ОТЭС мощностью 1000 кВт.

 

Энергия литосферы

 

Энергия литосферы или геотермальная энергия представляет собой естественное тепло нашей планеты. Она находит широкое применение для обогрева жилых помещений и теплиц, в лечебных целях. В промышленных масштабах геотермальная энергия впервые была использована в XVIII веке в Италии.

 

Насос Сепаратор пара Паровая турбина Турбогенератор

Вода 25⁰С

~

Вода 7⁰С

Нагреватель-

-испаритель

аммиака Конденсатор

аммиака

Вода 23⁰С

Вода 5 ⁰С с глубины

700…900 м

 

Рис. 66. Схема ОТЭС

 

Все источники геотермальной энергии подразделяются на гидротермальные и петротермальные. Гидротермальные источники в свою очередь делятся на водяные, паровые и пароводяные.

Водяные источники залегают на различной глубине, Одно из основных условий их существования – наличие водонепроницаемого слоя горных пород, который передает тепло от мантии к формациям, содержащим в большом количестве воду. Как правило, вода из таких источников выходит на поверхность в виде пароводяной смеси с температурой выше 100 ⁰С.

В пароводяных и паровых месторождениях водоносные слои располагаются между двумя водонепроницаемыми прослойками. Извлечение пара на поверхность земли возможно при помощи бурения.

В отличие от гидротермальной энергетики, связанной с получением из глубин Земли естественной горячей воды или пара, петротермальная энергетика использует тепло сухих нагретых горных пород. В этом случае процесс начинается с того, что бурят две скважины: первую - для нагнетания под землю холодной воды, а вторую – для получения из-под земли нагретой подземным теплом воды или пара.

Поскольку подземная вода сильно минерализована и содержит абразивные частицы горных пород, ГеоТЭС зачастую проектируются двухконтурными (рис. 67).

 

Контур 2 Паровая турбина

Парогенератор

~

Конден- Градир-

Контур 1 сатор ня

 

Напорная скважина Возвратная скважина

150…200 ⁰С 50…100 ⁰С

 

Рис. 67. Схема ГеоТЭС

 

Первый контур питается непосредственно из напорной скважины. Пароводяная смесь из нее поступает в теплообменник – генератор пара для второго контура. В качестве теплоносителя второго контура используется вода или другие жидкости, например, аммиак.

Горячий пар второго контура поступает в паровую турбину и далее в конденсатор, где окончательно охлаждается и конденсируется.