Использование потенциала волн Каспийского моря для получения электроэнергии
КГУТИ им. Ш. Есенова, г. Актау
, ,
Для получения тепла и света человек издавна использовал источники энергии, которые позднее стали называться невосполняемыми (дерево, торф, каменный уголь, нефть, газ и другие). Название « невосполняемые » эти источники получили потому, что их запасы в природе с каждым годом становятся все меньше и естественно не восполняются.
В этих непростых условиях, ученые постоянно ищут способы более полного использования гидроресурсов, избегая вредных экологических последствий, таких, как затопление больших территорий плодородных земель, лесных массивов, населенных пунктов и исторических памятников, и все более обращают свое внимание к морской среде и, в частности, к вопросу использования для получения электроэнергии из морских приливов и морских волн. Мы, студенты Каспийского Государственного Университета Технологии и Инжиниринга имени Ш. Есенова, города Актау, в связи с прогнозом дефицита нефти и газа, а также выполняя послание нашего Президента Нурсултана Назарбаева, хотим восполнить энергодефицит нашей области используя энергию волны Каспиийского моря.
И хотя доля энергии, вырабатываемой гидроэлектростанциями сегодня в четыре раза меньше доли электроэнергии, вырабатываемой тепловыми электростанциями, человек все время стремился всеми возможными способами использовать энергию речного потока, морских приливов и морских волн, именно в силу постоянной восполняемости этих источников энергии в природе.
В течение всего года в Каспийском море преобладают высоты волн менее 2 м; повторяемость их колеблется от 65 до 90%. Повторяемость высот волн 2-4 м составляет 10-30%.
В средних частях моря в течение всего года могут отмечаться высоты волн 6 м и более. Особенно неспокойными являются район острова Нефтяные Камни и район, расположенный к северо-западу от него; здесь высота волн может достигать 12 м.
Сильное волнение почти повсеместно наблюдается при ветрах от N и только в северо-западном районе средней части Каспийского моря - при ветрах от SE. В районе острова Нефтяные Камни чаще всего отмечается волнение от N, а в холодное время года - и от S.
В открытом районе средней и южной частей моря нередко наблюдается сильная зыбь от N и NW, а в северной части - от Е и SE. В Каспийском море часто отмечается толчея. Удельная мощность ветрового волнения составляет на Каспийском море - 7…11 кВт/м.
Волновая электростанция (ВЭС) — это установка, расположенная в водной среде, целью которой является получение электричества из кинетической энергии волн.
Первая заявка на патент волновой электростанции была подана во Франции (Париж) в 1799 году, а уже в 1890 году были предприняты первые попытки строительства такой электростанции.
Создание мощных волновых электростанций (ВЭС) встречает определенные трудности, связанные с креплением их на больших расстояниях от берега, защитой от коррозии в агрессивной морской среде, обеспечением надежности работы установок в штормовых условиях.
Все известные волновые установки состоят из четырех основных частей:
• рабочего органа;
• рабочего тела;
• силового преобразователя;
• системы крепления.
Рабочий орган находится в непосредственном контакте с водой. Под действием волн он совершает определенные движения, или изменяет условия движения волн. К рабочим органам относят всевозможные системы поплавков, водяные колеса и другие подобные устройства. Рабочее тело – это среда, воздействующая на силовой преобразователь. Им может быть вода или воздух. Силовой преобразователь предназначен для преобразования энергии, запасенной рабочим органом (механической энергии движения рабочего органа, перепада уровней в бассейнах, давления воздуха или масла), в электрическую энергию. В качестве силовых преобразователей используются многочисленные цепные, зубчатые и другие передачи, гидравлические насосы и турбины, воздушные турбины, генераторы и т. д.
Система крепления удерживает волновую установку на месте. Если установка является плавучей, она гибкими связями соединяется с транспортирующим ее судном. Если же установка располагается на берегу, то системой крепления служит конструкция самой установки.
Наиболее распространенными волновыми установками являются поплавковые установки. Основной рабочий орган таких установок находится на поверхности моря и совершает вертикальные колебания согласно изменяющемуся в фиксированной точке уровню моря под воздействием ветровых волн. Вертикальные перемещения поплавка с помощью различных приспособлений переводятся во вращательное движение вала генератора. С использованием такого принципа действия в Швеции разработан проект ВЭС мощностью 10 МВт. Станция будет иметь 720 подобных поплавковых преобразователей.
Процесс преобразования волновой энергии в электрическую экологически чист. Однако при расположении волновой энергетической установки типа ныряющих «уток» Солтера в открытом океане может произойти неблагоприятные воздействия на морскую фауну и флору, так как волны способствуют обогащению поверхностного слоя воды кислородом и питательными веществами. Волновые установки не требуют изъятия земельных угодий, что свойственно всем существующим электростанциям и другим установкам, использующим возобновляемые энергоресурсы. ВЭС, располагаемые в береговых зонах морей, в результате отбора ими энергии волн будут снижать их размывающую способность и тем самым заменят дорогостоящие гидротехнические сооружения, предназначенные для берегозащитных целей.
Перечисленные преимущества волновой энергетики стимулируют дальнейшее развитие исследований по совершенствованию технологических схем преобразования волновой энергии и тем самым улучшению технико-экономических показателей ВЭС.
При технико-экономическом обосновании строительства СЭС, ВЭС или других нетрадиционных источников наряду со стоимостью сэкономленного топлива большое значение имеет энергетическая эффективность их использования. Она зависит от соотношения установленных мощностей этих электростанций и общей мощности энергосистемы, в которой они работают. Чем меньше это отношение, тем меньшее значение они будут иметь для нее. На эффективность их использования могут оказывать влияние также режимные ограничения, диктуемые энергосистемой и ее отдельными элементами. Эти ограничения определяются характером энергопотребления и условиями использования отдельных энергоресурсов.
Имеется большое число различных схем использования волновой энергии, воплощенных в проекты, модели и действующие электростанции разных масштабов и типов. И среди них оптимальным вариантом является система «Oyster», разработанная британской компанией Aquamarine Power Ltd.
Установка Oyster располагается неподалеку от берега, на глубине 10-12 метров, где они не будут мешать судам, и представляет собой набор из пяти больших труб, расположенных друг над другом горизонтально таким образом, что они образуют своего рода стенку. Когда к берегу движется волна, она наклоняет эту стенку (у ее основания установлены петли наподобие дверных, поэтому установка не деформируется, а просто поворачивается вокруг горизонтальной оси). Срабатывает специальный поршень, и вода подается в трубопровод высокого давления, ведущий на береговую гидроэлектростанцию. Этот эффект напоминает работу ножного автомобильного насоса, когда вы давите ногой на педаль, а воздух закачивается в шину. Только здесь роль ноги играет волна, а роль педали – пятитрубная стенка установки Oyster. 
Набор энергетических волновых установок Oyster.
Максимальная мощность одной установки – от 300 до 600 кВт. Однако можно объединять несколько установок, подключив их к одной общей линии, и использовать при этом одну общую береговую гидроэлектростанцию совокупной мощностью до 21 МВт – эффект экономии от масштаба налицо.
Проект представляет собой большой поплавок-насос, который раскачивается волнами вперед и назад, и приводит, таким образом, в движение двухсторонний насос, расположенный на дне, на глубине около 16 метров. Для материала поплавка можно использовать саму морскую пену. Дело в том, что когда волна достигает берега, за собой оставляет пену. И со временем эта пена отвердевает. Состав затвердевшей пены уникален. Содержит и минералы, и соли, которые сопутствуют ее твердости. Эта пена находясь в своей морской среде не деформируется, и является долговечным материалом.
Особенность конструкции в том, что вся электрическая часть устройства вынесена на берег - так она дольше проработает, да и обслуживать и ремонтировать её будет несравненно проще. А связь между этими двумя частями – поплавком-насосом и береговой электростанцией - осуществляется через трубу, по которой морская вода под давлением устремляется к гидроэлектрогенератору.
Каспийское море относится к морям с бурным волнением. Развитию волн большой высоты способствуют сильные штормовые ветры северных и южных направлений и большая меридиональная протяженность водоема. По имеющимся данным максимальные высоты волн в открытом море при сильных штормах в 1954 г. достигали 14 м.
На Каспийском море штормовые ветры северных, средних направлений, обладают большим разгоном и генерируют в глубоководных частях моря волны больших размеров. Особенно интенсивны штормовые процессы осенью и зимой в Северном Каспии, на котором в связи с мелководностью, волнение полностью развивается уже при ветрах 15-20 м/с. Дальнейшее усиление ветра не приводит к увеличению высот и других элементов волн.
Причиной большей части поверхностных и глубинных течений является ветер (Штокман, 1938). На глубоководных участках у берегов направление течений обычно совпадает с направлением ветра, но вблизи берегов оно зависит от конфигурации линий береговых изобат и глубины места. Глубина проникновения ветровых течений зависит от скорости и продолжительности ветра и обычно не превышает 50 м. Скорость ветровых течений на поверхности может достигать 2-4% скорости ветра (Gross, 1986) для его скоростей более 5 м/сек.
Из наблюдений за уровнями воды известно, что на Каспии постоянно существуют перекосы поверхности моря. В этом случае неизбежно за счет наклона поверхности воды возникают градиентные течения. В реальных условиях ветровое дрейфовое течение всегда накладывается на существующие градиентные течения. Вблизи берега любые течения, параллельные берегу, либо направленные к нему, вызывают повышение уровня и появление береговых течений со скоростями V, которые могут в 2 - 3 раза превышать значения чисто дрейфовые скорости. В случае сгонных ветров и наличия приглубых берегов наблюдается развитие апвеллинга (восточное побережье Каспия).
Основными факторами, влияющими на режим течений Каспийского моря, являются атмосферная циркуляция, не равномерное распределение плотности воды в отдельных районах моря, сток рек, конфигурация берегов, рельеф дна и другое.
При длительных и сильных северо-западных ветрах в южной части моря образуется нагон воды. В результате, ещё до прекращения ветра возникает компенсационное течение на север. Сильные южные ветры способствуют повышению уровня воды в северной части моря, откуда вода ещё до смены ветра устремляется на юг, усиливая течения вдоль берега средней части Каспия.
Каспий и вся береговая зона моря почти не имеют чисто ветровых течений. Все береговые течения можно считать ветроволновыми. Ветровые течения, характерные для глубоководной части моря, можно наблюдать только в Среднем и Cеверном Каспии, что является наиболее выгодным для выработки волновой электроэнергии.
Список литературы
Путешествия Григория Силыча Карелина по Каспийскому морю. — Зап. Русского географического общества. — 1883. — Т. 10. — 497 с. Об изменении уровня Каспийского моря. — Зап. Русского географического общества. — 1890. — 112 с. Каспийское море. — М.: Географгиз, 1954. — 128 с.: ил. Каспийское море // Большая советская энциклопедия. — М, 1969—1978.