Энергия ветра и воды

Ветряная мельница и водяное колесо [1]-древнейшие двигатели. Водяные колеса использовались в Древнем Риме в 70-е гг. до н. э. для помола зерна, а ветряные мельницы впервые появились в Персии в 644 г. н. э. Современное водяное колесо в виде гидротурбин для привода электрогенераторов сейчас широко используется, а ветряные двигатели только возрождаются.

Ветряные мельницы многие века используют энергию ветра. Первоначально энергия требовалась для помола зерна- отсюда название «мельница». Позднее ветряные мельницы использовались для привода насосов и осушения низин в Голландии, болотистых районов графства Кембридж и Восточной Англии. Крылья первых мельниц, подобно корабельным парусам, изготовлялись из парусины. Затем появились деревянные крылья, как у этой мельницы - голландки. Ее крыша поворачивается так, чтобы крылья располагались против ветра. Козловые мельницы поворачивались на центральном столбе (козле) целиком; крылья всегда располагались против ветра.

От водяного колеса до турбины. Водяное колесо или турбина преобразуют энергию потока воды во вращательное движение [3]. Первые водяные колеса были подливными, т.е. нижняя половина колеса просто погружалась в поток [1]. Кпд таких колес составлял только 30%. Наливные колеса, в которых поток воды натекает на верхнюю часть колеса, имеют кпд 70-90%, что близко к кпд современных турбин.

Водяные колеса бывают наливными [А] и подливными [Б]. В наливных колесах поток воды с большой скоростью направляется на верхнюю часть колеса, которое вращается вперед. Лопасти подливного колеса опускаются в поток, и движущаяся вода вращает колесо в обратном направлении. Энергия движущейся воды преобразуется во вращательное движение, которое можно использовать для привода различных устройств (насосы или водяные мельницы для помола зерна). Энергия воды может также использоваться для вращения генераторов постоянного и переменного тока. Водяные колеса практически бесшумны и не загрязняют среду.

Турбина XVI в., использовавшая энергию движущейся воды, применялась для привода ирригационных насосов. Вращение турбины [1] передавалось колесу [2] с зубьями только на половине длины окружности. Цевочные колеса [3], вращаясь поочередно в противоположных направлениях, приводили в возвратно-поступательное движение колесо насоса [4]. Автоматические клапаны [5] позволяли всасывать воду в один цилиндр и выпускать ее из другого

Во второй половине XIX в. водяные колеса сменились турбинами. Турбины бывают: активные, реактивные и осевые [4]. Для активных турбин требуется высокий напор воды. Падающая вода направляется в сопло и истекает из него в виде высокоскоростной струи, с силой ударяющей в «ковши» на внешней стороне колеса. Реактивная турбина работает по принципу сегнерова колеса, которое вращается за счет реакции вытекающей струи; осевая турбина имеет рабочее колесо с поворотными лопастями, расположенное внутри трубы большого диаметра.

Турбины гидроаккумулирующих электростанций [А] производят электроэнергию только в часы пиковых нагрузок, а в остальное время служат гидроприводами насосов, перекачивающих воду в водохранилище перед плотиной. Реактивная водяная турбина [1] вращает электрогенератор [2]. Когда центробежные насосы [3] отключены, гидроагрегат работает как обычный генератор.

Если ввести в действие соединительную зубчатую муфту [4], водяная турбина выведет насос на рабочие обороты. Генератор подключится к сетевому питанию и начнет работать как электродвигатель. Клапан турбины [5] закроется, а клапан насоса [6] откроется. Вода начнет перекачиваться в водохранилище, увеличивая запас, необходимый для последующей работы гидроагрегата в режиме производства электроэнергии.

Существуют три типа гидротурбин. Неподвижные лопатки реактивной турбины Френсиса [Б] устанавливаются так, чтобы струи воды ударяли лопатки ротора по касательной. Вода из турбины вытекает вниз. В колесе Пел- тона, или активной турбине [В], вода истекает из сопла и ударяет по ковшеобразным лопастям колеса; при этом она отбрасывается назад. Лопасти осевой турбины Каплана [Г] напоминают лопасти судового гребного винта.

Гидроэлектрические схемы и энергия приливов. Большая часть гидротурбин приводится в действие энергией воды перекрытых плотинами рек, протекающих по гористой местности. Турбины вращают генераторы электрического тока. В гористых странах гидроэлектростанции производят дешевую энергию, не загрязняя окружающую среду. В США четвертая часть электрической энергии производится гидроэлектростанциями, тогда как в Великобритании гидроэлектростанции производят существенное количество электроэнергии только на севере Шотландии.

Значительные ресурсы гидроэнергии остаются неиспользованными: например, р. Фрейзер в Канаде может давать 8700 МВт, а р. Брахмапутра в Индии-20 ОСЮ МВт. Система рр. Енисей- Ангара в СССР в настоящее время вырабатывает 11 000 МВт, а неиспользованные ресурсы этой системы составляют 53 000 МВт.

Гидротурбины могут также работать при малом напоре воды, создаваемом приливом [2]. Единственная промышленная приливная станция работает в устье р. Ране на севере Франции. Перепад уровней, создаваемый приливом, колеблется очень широко: от 2 см на Таити до 15 м в заливе Фёнди на востоке Канады. Если перепад уровней приближается к верхнему пределу, то строительство приливной гидроэлектростанции целесообразно.

Волны при продолжительных волнениях в открытом море огромный и еще не используемый источник энергии. При прохождении волны через некоторую точку частицы воды не перемещаются в горизонтальном направлении, огромные же массы воды движутся вверх-вниз. Это можно заметить, наблюдая движение пробки или другого легкого тела на поверхности воды.

Когда волны проходят мимо этих тел, последние не перемещаются ни вперед, ни назад, а только колеблются вверх- вниз. Показанная здесь конструкция качающихся поплавков длиной около 300 м использует энергию волн для выработки электроэнергии. Поплавки приводят в действие насосы, которые подают воду к турбинам, вращающим электрогенераторы

Необходимо как-то увязывать время приливов и пики нагрузки, иначе приливные электростанции будут достигать полной мощности в полночь, когда электрическая нагрузка минимальна. Чтобы избежать этого, можно разделить водохранилище станции на два: верхнее водохранилище, которое наполняется от среднего до высокого уровня прилива, и нижнее водохранилище, которое опорожняется от среднего до нижнего уровня прилива. Такая схема позволяет непрерывно поддерживать разность уровней.

Другой путь состоит в использовании верхнего водохранилища в качестве резервной питающей системы [4]. В этом случае, когда потребление энергии уменьшается, электроэнергия, производимая обычными электростанциями, затрачивается на перекачивание воды из нижнего водохранилища в верхнее. Когда же потребление электроэнергии возрастает, вода перепускается из верхнего водохранилища в нижнее и электроэнергия вырабатывается, как в обычной гидроэлектростанции. В такой схеме помимо генерирования электроэнергии производится ее накопление в больших количествах.

Использование энергии ветра. Использование ветра для производства электроэнергии пока малоэффективно. Несмотря на огромные ресурсы такой энергии (Великобритания смогла бы удовлетворить большую часть потребности в электроэнергии только за счет части своих ветроэнергетических ресурсов), проблема экономичного ее использования еще не решена.

Энергия, поступающая на ветряные мельницы, пропорциональна кубу скорости ветра и площади, ометаемой крыльями мельницы. Предельный кпд составляет 59%, на практике же он достигает лишь 45%. Подсчитано, что производство электроэнергии с использованием энергии ветра может конкурировать с ядерной энергией только в том случае, если средняя скорость ветра будет выше 32 км/ч. Но на Земле немного мест с такими ветрами (на Британских островах их около 30), поэтому, преобразуя энергию ветра, можно удовлетворить не более 1% потребности в электрической энергии.

В этой связи предпочтительнее, как показывает практика, использовать энергию морских волн, образуемых ветром [2]. Ветры, дующие на пространствах океана, вызывают волны, обладающие большим запасом энергии. Волны могут служить источником энергии. Перспективная конструкция с поплавками разработана С. Солтером в Эдинбургском университете. Поплавки, двигаясь вверх-вниз при прохождении волны, приводят в движение насосы, которые нагнетают воду, а та поступает в турбину, вырабатывающую электроэнергию.

Количество энергии волн огромно. В Великобритании мощность, приходящаяся на 1 м побережья, составляет 80 кВт, а в сумме по всему побережью 120 000 МВт-втрое больше максимальной потребности в электроэнергии в этой стране в 1975 г. Ресурс энергии выше зимой, когда потребность в энергии максимальна. Но создание и эксплуатация таких станций чрезвычайно сложны.