Энергия воды

Введение

Не зря говорят: «Энергетика - хлеб промышленности». Чем более развиты промышленность и техника, тем больше энергии нужно для них. Существует даже специальное понятие - «опережающее развитие энергетики». Это значит, что ни одно промышленное предприятие, ни один новый город или просто дом нельзя построить до того, как будет определен или создан заново источник энергии, которую они станут потреблять. Вот почему по количеству добываемой и используемой энергии довольно точно можно судить о технической и экономической мощи, а проще говоря - о богатстве любого государства.

В природе запасы энергии огромны. Ее несут солнечные лучи, ветры и движущиеся массы воды, она хранится в древесине, залежах газа, нефти, каменного угля. Практически безгранична энергия, «запечатанная» в ядрах атомов вещества. Но не все ее формы пригодны для прямого использования.

За долгую историю энергетики накопилось много технических средств и способов добывания энергии и преобразования ее в нужные людям формы. Собственно, и человек-то стал человеком только тогда, когда научился получать и использовать тепловую энергию. Огонь костров зажгли первые люди, еще не понимавшие его природы, однако этот способ преобразования химической энергии в тепловую сохраняется и совершенствуется уже на протяжении тысячелетий.

К энергии собственных мускулов и огня люди добавили мускульную энергию животных. Они изобрели технику для удаления химически связанной воды из глины с помощью тепловой энергии огня - гончарные печи, в которых получали прочные керамические изделия. Конечно, процессы, происходящие при этом, человек познал только тысячелетия спустя.

Потом люди придумали мельницы - технику для преобразования энергии ветряных потоков и ветра в механическую энергии вращающегося вала. Но только с изобретением паровой машины, двигателя внутреннего сгорания, гидравлической, паровой и газовой турбин, электрических генератора и двигателя, человечество получило в свое распоряжение достаточно мощные технические устройства. Они способны преобразовать природную энергию в иные ее виды, удобные для применения и получения больших количеств работы. Поиск новых источников энергии на этом не завершился: были изобретены аккумуляторы, топливные элементы, преобразователи солнечной энергии в электрическую и - уже в середине ХХ столетия - атомные реакторы.

Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей  мирового хозяйства, постоянно растущих потребностей более чем шестимиллиардного населения Земли становится сейчас все более насущной.

Основу современной мировой энергетики составляют тепло- и гидроэлектростанции. Однако их развитие сдерживается рядом факторов. Стоимость угля, нефти и газа, на которых работают тепловые станции, растет, а природные ресурсы этих видов топлива сокращаются. К тому же многие страны не располагают собственными топливными ресурсами или испытывают в них недостаток. В процессе производства электроэнергии на ТЭС происходит выброс вредных веществ в атмосферу. Причем если топливом служит уголь, особенно бурый, малоценный для другого вида использования и с большим содержанием ненужных примесей, выбросы достигают колоссальных размеров. И, наконец, аварии на ТЭС наносят большой ущерб природе, сопоставимый с вредом любого крупного пожара. В худшем случае такой пожар может сопровождаться взрывом с образованием облака угольной пыли или сажи.

 Гидроэнергетические  ресурсы в развитых странах  используются практически полностью: большинство речных участков, пригодных  для гидротехнического строительства, уже освоены. А какой вред причиняют  природе гидроэлектростанции! Выбросов  в воздух от ГЭС нет никаких, но зато вред водной среде  наносит довольно большой. В первую  очередь страдают рыбы, которые  не могут преодолеть плотины  ГЭС. На реках, где построены гидроэлектростанции, особенно если их несколько  – так называемые каскады ГЭС, - резко меняется количество воды  до и после плотин. На равнинных  реках разливаются огромные водохранилища, и затопленные земли безвозвратно  потеряны для сельского хозяйства, лесов, лугов и расселения людей. Что касается аварий на ГЭС, то в случае прорыва любой  гидроэлектростанции образуется  огромная волна, которая сметет  все находящиеся ниже плотины  ГЭС. А ведь большинство таких  плотин расположено вблизи крупных  городов с населением в несколько  сотен тысяч жителей.

 Выход  из создавшегося положения виделся  в развитии атомной энергетики. На конец  1989 года в мире  построено и работало более 400 атомных электростанций (АЭС). Однако  сегодня АЭС уже не считаются  источником дешевой и экологически  чистой энергией. Топливом для  АЭС служит урановая руда –  дорогостоящее и трудно добываемое  сырье, запасы которого ограничены. К тому же строительство и  эксплуатация АЭС сопряжены с  большими трудностями и затратами. Лишь немногие страны сейчас  продолжают строительство новых  АЭС. Серьезным тормозом для дальнейшего  развития атомной энергетики  являются проблемы загрязнения  окружающей среды. Все это дополнительно осложняет отношение к атомной энергетике. Все чаще звучат призывы, требующие отказаться от использования ядерного топлива вообще, закрыть все атомные электростанции и возвратится к производству электроэнергии на ТЭС и ГЭС, а также использовать так называемые возобновимые – малые, или «нетрадиционные», - виды получения энергии. К последним относят прежде всего установки и устройства, использующие энергию ветра, воды, солнца, геотермальную энергию, а также тепло, содержащееся в воде, воздухе и земле.

Энергия воды

С середины нашего века началось изучение энергетических ресурсов, относящихся к  «возобновляемым источникам энергии».

Океан – гигантский аккумулятор и трансформатор солнечной энергии, преобразуемой в энергию течений, тепла и ветров. Энергия приливов – результат действия приливообразующих сил Луны и Солнца.

Энергетические ресурсы океана представляют большую ценность как возобновляемые и практически неисчерпаемые. Опыт эксплуатации уже действующих систем океанской энергетики показывает, что они не приносят какого-либо ощутимого ущерба океанской среде. При проектировании будущих систем океанской энергетики тщательно исследуется их воздействие на экологию.

Приливные электростанции

Уровень воды на морских побережьях в течение суток меняется три раза. Такие колебания особо заметны в заливах и устьях рек, впадающих в море. Древние греки объясняли колебание уровня воды волей повелителя морей Посейдона. В XVIII в. английский физик Исаак Ньютон разгадал тайну морских приливов и отливов: огромные массы воды в мировом океане приводятся в движение силами притяжения Луны и Солнца. Через каждые 6 ч 12 мин прилив сменяется отливом. Максимальная амплитуда приливов в разных местах нашей планеты неодинакова и составляет от 4 до 20 м.

Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит. Считается экономически целесообразным строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность ПЭС зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.

В приливных электростанциях двустороннего действия турбины работают при движении воды из моря в бассейн и обратно. ПЭС двустороннего действия способна вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4-5 ч с перерывами в 1-2 ч четыре раза в сутки. Для увеличения времени работы турбин существуют более сложные схемы – с двумя, тремя и большим количеством бассейнов, однако стоимость таких проектов весьма высока.

Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 г. во Франции в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м. 24 гидроагрегата ПЭС вырабатывают в среднем за год 502 млн. кВт. час электроэнергии. Для этой станции   разработан приливный капсульный агрегат, позволяющий осуществлять три прямых и три обратных режима работы: как генератор, как  насос и как водопропускное отверстие, что обеспечивает эффективную эксплуатацию ПЭС. По оценкам специалистов, ПЭС на реке Ранс экономически оправдана, годовые издержки эксплуатации ниже, чем на гидроэлектростанциях, и составляют 4% капитальных вложений. Электростанция входит в энергосистему Франции и эффективно используется.

В 1968 г. на Баренцевом море, недалеко от Мурманска, вступила в строй опытно-промышленная ПЭС проектной мощностью 800 кВт. Место ее строительства – Кислая Губа представляет собой узкий залив шириной 150 м и длиной 450 м. Хотя мощность Кислогубской ПЭС невелика, ее сооружение имело важное значение для дальнейших исследовательских и проектно-конструкторских работ в области использования энергии приливов.

Существуют проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется использовать также огромный потенциал Охотского моря, где местами, например на Пенжинской губе, высота приливов составляет 12,9 м, а в Гижигинской губе – 12-14 м.

Работы в этой области ведутся и за рубежом. В 1985 г. пущена в эксплуатацию ПЭС в заливе Фанди в Канаде мощностью 20 МВт (амплитуда приливов здесь составляет 19,6 м). В Китае построены три приливные электростанции небольшой мощности. В Великобритании разрабатывается проект ПЭС мощностью 1000 МВт в устье реки Северн, где средняя амплитуда приливов составляет 16,3 м

С точки зрения экологии ПЭС имеет бесспорное преимущество перед тепловыми электростанциями, сжигающими нефть и каменный уголь. Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских приливов связаны с возможностью применения недавно созданной трубы Горлова, которая позволяет сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на их строительство. Первые бесплотинные ПЭС намечено соорудить в ближайшие годы в Южной Корее.

Энергия  волн      

Идея получения  электроэнергии от морских волн была  изложена еще в 1935 г. советским ученым К.Э. Циолковским.

        В основе работы волновых энергетических  станций лежит  воздействие  волн  на рабочие органы, выполненные  в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т.п. Механическая энергия  их перемещений  с помощью электрогенераторов  преобразуется в электрическую. Когда буй качается по волне, уровень воды внутри него меняется. От этого воздух то выходит  из него, то входит. Но движение  воздуха возможно только лишь  через верхнее отверстие (такова  конструкция буя). А там установлена  турбина, вращающаяся всегда в  одном направлении независимо  от того в каком направлении  движется воздух. Даже довольно  небольшие волны высотой 35 см  заставляют турбину развивать  более 2000 оборотов в минуту. Другой  тип установки – что-то вроде  стационарной микроэлектростанции. Внешне она похожа на ящик, установленный на опорах на небольшой глубине. Волны проникают в ящик и приводят в действие турбину. И здесь для работы достаточно совсем небольшого волнения моря. Даже волны высотой в 20 см зажигали лампочки общей мощностью 200 Вт.

        В настоящее время волноэнергетические установки используются для  энергопитания автономных буев, маяков, научных приборов. Попутно крупные волновые станции могут быть использованы для волнозащиты морских буровых платформ, открытых рейдов, марикультурных хозяйств. Началось промышленное использование волновой энергии. В мире  уже  около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. В Норвегии с 1985 г. действует первая в мире промышленная волновая станция мощностью 850 кВт.

        Создание волновых электростанций  определяется оптимальным выбором  акватории океана с устойчивым  запасом волновой энергии, эффективной  конструкцией станции, в которую  встроены устройства сглаживания  неравномерного режима волнения. Считается, что эффективно волновые  станции могут  работать при  использовании мощности около 80 кВт/м. Опыт эксплуатации существующих  установок показал, что вырабатываемая  ими электроэнергия пока в 2-3 раза  дороже традиционной, но в будущем  ожидается значительное снижение  ее стоимости.    

        В волновых   установках с  пневматическими  преобразователями  под  действием волн воздушный  поток периодически изменяет  свое направление на обратное. Для этих условий и разработана  турбина Уэллса, ротор которой  обладает выпрямляющим действием, сохраняя неизменным  направление  своего вращения при смене  направления воздушного потока, следовательно, поддерживается неизменным  и направление вращения генератора. Турбина нашла широкое применение  в различных волноэнергетических установках.     

Волновая энергетическая установка "Каймей" ("Морской свет") – самая мощная действующая энергетическая установка  с пневматическими преобразователями – построена в Японии в 1976 г. В своей работе она использует волны высотой до 6 – 10 м. На барже длиной 80 м, шириной 12 м и водоизмещением 500 т  установлены  22  воздушных камеры, открытые снизу. Каждая пара камер работает на одну турбину Уэллса. Общая мощность установки 1000 кВт. Первые испытания были проведены в 1978 – 1979 гг. близ города Цуруока. Энергия передавалась на берег по подводному кабелю длиной около 3 км.

В  1985 г. в Норвегии в 46 км  к северо-западу  от города  Берген построена  промышленная  волновая станция, состоящая из двух установок. Первая установка на острове Тофтесталлен  работала  по пневматическому принципу. Она представляла собой железобетонную камеру, заглубленную в скале; над ней была установлена стальная башня   высотой 12,3 мм  и диаметром 3,6 м.  Входящие в камеру волны создавали  изменение объема воздуха. Возникающий поток    через систему    клапанов приводил  во вращение турбину и связанный с ней генератор мощностью 500 кВт, годовая выработка составляла  1,2 млн. кВт. ч. Зимним штормом  в конце  1988 г. башня  станции была разрушена. Разрабатывается  проект  новой башни из железобетона.

Конструкция второй установки состоит из  конусовидного  канала в ущелье  длиной около 170 м с бетонными стенками высотой 15 м  и шириной в основании 55 м, входящего в резервуар между островами,  отделенный от моря дамбами, и плотины с энергетической  установкой.    Волны, проходя по сужающемуся каналу, увеличивают свою высоту  с 1,1  до 15 м  и вливаются  в резервуар, уровень которого на 3 м выше  уровня моря. Из резервуара вода проходит через   низконапорные  гидротурбины  мощностью 350 кВт. Станция ежегодно производит до 2 млн. кВт.·ч электроэнергии.

А в Великобритании  разрабатывается оригинальная   конструкция волновой энергетической установки типа "моллюск", в которой в качестве рабочих органов используются  мягкие оболочки – камеры. В   них  находится  воздух  под давлением, несколько  большим атмосферного. Накатом волн  камеры сжимаются, образуется замкнутый воздушный поток  из камер в каркас установки и обратно. На пути потока  установлены воздушные турбины Уэллса с электрогенераторами. Сейчас создается  опытная плавучая установка из 6 камер, укрепленных на каркасе длиной 120 м и высотой  8 м. Ожидаемая мощность 500 кВт. Дальнейшие разработки показали, что   наибольший  эффект дает   расположение камер по кругу.  В Шотландии      на озере  Лох-Несс была  испытана установка, состоящая из 12 камер и 8 турбин. Теоретическая мощность такой установки до 1200 кВт.

Впервые  конструкция  волнового плота  была запатентована в СССР   еще в 1926 г. В 1978 г.  в Великобритании проводились испытания опытных моделей океанских электростанций, в основе которых лежит аналогичное решение. Волновой плот  Коккерела состоит из шарнирно соединенных секций,  перемещение которых относительно   друг друга   передается  насосам с электрогенераторами. Вся конструкция  удерживается  на месте якорями. Трехсекционный волновой плот  Коккерела длиной 100 м, шириной 50 м и высотой 10 м может дать мощность до 2 тыс. кВт.

        В СССР модель волнового плота  испытывалась  в 70-х  гг. на Черном  море. Она имела длину 12 м,  ширину  поплавков 0,4 м. На волнах высотой 0,5 м и длиной 10 – 15 м установка  развивала мощность 150 кВт.

        Проект, известный под названием "утка Солтера",  представляет собой преобразователь волновой энергии. Рабочей конструкцией является поплавок ("утка"), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики. В проекте предусматривается монтаж большого количества крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение силой собственного веса. При этом приводятся в действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводящая в движение турбины, установленные между поплавками и поднятые над поверхностью моря. Вырабатываемая электроэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20 – 30 поплавков. В 1978 г. была испытана модель установки, состоявшая из 20-ти поплавков диаметром 1 м. Выработанная мощность составили 10 кВт. Разработан проект более мощной установки из 20 – 30 поплавков диаметром 15 м, укрепленных на валу, длиной 1200 м. Предполагаемая мощность установки 45 тыс. кВт. Подобные системы, установленные у западных берегов Британских островов, могут обеспечить потребности Великобритании в электроэнергии.

Энергия  течений

        Наиболее  мощные течения океана  – потенциальный источник энергии. Современный уровень техники  позволяет извлекать энергию  течений при скорости потока  более 1 м/с. При этом мощность  от 1 м2 поперечного сечения потока составляет около 1 кВт. Перспективным представляется использование таких мощных течений, как Гольфстрим и Куросио, несущих соответственно 83 и 55 млн. куб.м/с воды со скоростью до 2 м/с, и Флоридского течения (30 млн. куб.м/с, скорость до 1,8 м/с).

        Для океанской  энергетики представляют  интерес течения в проливах  Гибралтарском, Ла-Манш, Курильских. Однако  создание океанских электростанций  на  энергии течений связано  пока с рядом технических трудностей, прежде всего с созданием энергетических  установок больших размеров, представляющих  угрозу судоходству.

        Программа "Кориолис" предусматривает 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. Для повышения эффективности лопасти колес предполагается сделать достаточно гибкими. Вся система "Кориолис" общей длиной 60 км будет  ориентирована по основному потоку; ширина ее  при    расположении турбин в 22 ряда по 11 турбин в каждом составит 30 км. Агрегаты предполагается отбуксировать к месту установки и заглубить на 30 м, чтобы не препятствовать судоходству.

После того как большая часть Южного Пассатного течения проникает в Карибское море и Мексиканский залив, вода возвращается оттуда в Атлантику через Флоридский залив. Ширина течения становится минимальной – 80 км. При этом оно убыстряет свое движение до 2 м/с. Когда же Флоридское течение усиливается Антильским, расход воды достигает максимума. Развивается сила, вполне достаточная, чтобы привести в движение турбину с размашистыми лопастями, вал которой соединен с электрогенератором. Дальше – передача тока по подводному кабелю на берег.

Материал турбины- алюминий. Срок службы – 80 лет. Ее постоянное место – под водой. Подъем на поверхность воды только для профилактического ремонта. Ее работа практически не зависит от глубины погружения и температуры воды. Лопасти вращаются медленно, и небольшие рыбы могут свободно проплывать через турбину. А вот крупным вход закрыт предохранительной сеткой.

Американские инженеры, считают, что строительство такого сооружения даже дешевле, чем возведение тепловых электростанций. Здесь не нужно возводить здание, прокладывать дороги, устраивать склады. Да и эксплуатационные расходы существенно меньше.

        Полезная мощность  каждой турбины с учетом затрат  на эксплуатацию и потерь при  передаче на берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить  потребности штата Флориды (США) на 10%.

        Первый опытный  образец подобной турбины диаметром 1,5 м был испытан во Флоридском проливе. Разработан также проект турбины с рабочим колесом диаметром 12 м и мощностью 400 кВт.

Заключение

 Итак, спор о том, что опаснее, а что выгоднее в производстве  электроэнергии пока что не  завершен. Да и вряд ли буде  окончательно завершен в ближайшее  время. Человечество постоянно совершенствует способы получения так необходимой ему энергии, в том числе электрической. Но будет ли у этого и другого нового способа будущее, и насколько они окажутся безопасными для человека и природы? Эти вопросы необходимо решать намного раньше, не дожидаясь аварий и катастроф, которые становятся более опасными по мере проникновения человеческого разума в тайны природы.

Несмотря на внешнюю привлекательность «нетрадиционных» видов получения электроэнергии, иногда называемых «малой энергетикой», у них есть ряд недостатков. Само это второе название говорит, прежде всего, о том, что с их помощью пока, на современном уровне развития техники и экономики, невозможно получить так же много электроэнергии, как с помощью тепловой, гидро- или атомной энергетики. Но, возможно, этот недостаток преодолим в ближайшие десятилетия. А вот какие могут быть вредные последствия от развития такой нетрадиционной энергетики?

Например, существует в мире несколько электростанций, которые используют энергию приливов и отливов в океанах и морях. Казалось бы, что может быть лучше – практически безотходный способ получения энергии, почти вечный двигатель. Но, оказывается, если таких станций построить много, они могут существенно замедлить вращение Земли вокруг своей оси! Вред от такого вмешательства в природу может совершенно непредсказуемым и непоправимым. Солнечные электростанции так же, как и ветряные, и геотермальные пока могут быть построены далеко не везде.

А в Германии чрезмерное использование энергии ветра привело к ослаблению ветров, которые раньше выдували смог и вредные отходы, выделяемые в окружающую среду фабриками и заводами, с территории городов. Теперь экология этих населенных пунктов заметно ухудшилась.

А главный их недостаток на сегодня – это дороговизна, в большой потребности количества материалов и в очень обширной территории, которая тоже не везде может быть найдена. Строят солнечные станции на крышах домов и в космосе, на орбитальных станциях. При этом используют самые современные солнечные батареи. Но, к сожалению, заменить собой традиционные виды получения электроэнергии в нужном количестве они пока не могут.

В наши дни ведущими видами топлива пока остаются нефть и газ. Но за каждым новым кубометром газа или тонны нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю. Не мудрено, что нефть и газ будет стоить все дороже. Замена? Нужен новый лидер энергетики. Им, несомненно, станут ядерные источники. Запасы урана, если сравнить их с запасами угля, вроде бы не столько уж и велики. Но зато на единицу веса он содержит в себе энергию в миллионы раз большую, чем уголь. А итог таков: при получении электроэнергии на АЭС нужно затратить в сто тысяч раз меньше средств и труда, чем при извлечении энергии из угля. И ядерное горючее приходит на смену нефти и углю…

Всегда было так: следующий источник энергии был более мощным. То была «воинствующая» линия энергетики. Часто она шла рука об руку с военными приложениями: атомная бомба, водородная. В погоне за избытком энергии человек все глубже погружался в стихийный мир природных явлений и до какой-то поры не очень задумывался о последствиях своих дел и поступков. Но времена изменились. Сейчас, в конце ХХ века, начинается новый, значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая», построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит, заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы.   

Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя самые новейшие идеи, изобретения, достижения науки. Это и понятно: энергетика связана буквально со всем, и все тянется к энергетике, зависит от нее. Поэтому энергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия, находящаяся в кварках, «черных дырах», вакууме, - это всего лишь наиболее яркие вехи, штрихи того сценария, который пишется на наших глазах и который можно назвать Завтрашним Днем Энергетики.