ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Турбинные системы на морских течениях

Одна из известных компаний, занимающаяся проблемой энерге-

тического использования океанических течений с помощью подводных гурбин, Marine Current Turbine, Ltd. (МСТ), продемонстрировала прототип энергоуста­новки (названный «Морской поток») мощностью 300 кВт, способной вырабатывать в среднем 100 кВт. Установка имеет ротор диаметром 11м. Проектируется энергоус­тановка мощностью 1 МВт, предназначенная для работы на электрическую сеть.

При всем подобии системы, работающие на энергии течений, существенно отличаются от ветротурбин.

14.4.1.1. Нагрузки в горизонтальной плоскости

Мощность, генерируемая ветровой турбиной,

'• Воды Мирового океана, будучи солеными, имеют большую плотность — 1027 кг/м-3.

Мощность, генерируемая водяной турбиной,

р

Л water

Предположим, что турбины обоих типов имеют одинаковый КПД. Если две турбины имеют одинаковую мощность, то

(П)

(12)

Горизонтальные силы, действующие на турбины, пропорциональны ру2А, поэтому

(13)

Если, например, скорость ветра составляет 15 м/с, а скорость воды 3 м/с, то силы, действующие на водяную турбину, будут в 5 раз больше, чем соответству­ющие силы, действующие на ветровую турбину той же мощности. Плотность вещества не играет роли в вышеприведенной формуле, поскольку для заданной мощности и заданной скорости потока произведение рА должно быть посто­янным. Если плотность увеличивается, то требуемая рабочая площадь в расчете на ту же мощность соответственно уменьшается.

Таким образом, на оборудование, установленное в море, будут действовать значительные силы. Океанические турбины мегаваттного класса могут подвер­гаться действию горизонтальных нагрузок в сотни тонн. В результате требуется создание более прочных, массивных конструкций (масса «Морского потока» составляет 130 т) и надежной якорной системы.

14.4.1.2. Якорные системы

Из предыдущих рассуждений следует, что якорные системы гидротурбин, ус­тановленных в море, должны выдерживать экстремально большие нагрузки. При средних глубинах турбины могут быть притоплены соответствующим балластом, однако технически более эффективным решением оказывается использование свай, вбитых в дно. На больших глубинах, возможно, потребуется создание плавучих платформ, соединенных фалом со сваями. При этом дополнительные сложности возникают в связи с тем, что направление течения может изменяться (что характерно для приливных течений). Поэтому положение плавучей плат­формы будет изменяться, вызывая различные проблемы, особенно с линиями электропередачи.

К счастью, создателями морских буровых установок накоплен колоссальный опыт строительства подводных систем и якорных крепежей для них.

14.4.1.3. Коррозия и обрастание

Океан представляет собой агрессивную среду, требующую чрезвычайно тща­тельного выбора материалов и пассивации подводных частей установки для пре­дотвращения коррозии и обрастания конструкций ракушками и водорослями.

14.4.1.4. Кавитациг

Как отмечалось в гл. 13, турбины подъемного (лифтового) типа работают за счет перепада давления между противоположными сторонами воздушного или подводного крыла. Давление на одной стороне профиля может стать настолько низким, что вода вскипает с образованием пузырьков пара, которые, переме­щаясь, достигают областей высокого давления и схлопываются. Если процесс образования и роста паровых полостей происходит относительно медленно, то схлопывание протекает очень быстро, со сверхзвуковой скоростью, порождая ударную волну. При схлопывании пузырьков давление локально резко возрас­тает, достигая десятков и даже сотен тысяч атмосфер. Такие «микровзрывы» могут вызвать повреждения вращающихся лопастей гидравлических машин. Описанное явление называется кавитацией. Ясно, что увеличение глубины вследствие роста давления будет сдерживать кавитацию. Она преимущественно может проявляться на концах лопастей ротора в зонах, где статическое давление минимально. С учетом возможности возникновения кавитации верхний предел частоты вращения ротора должен быть ограничен. Этот предел зависит помимо прочих факторов от глубины размещения турбины. На мелководье кавитация может развиться уже при линейной скорости элементов турбины более 15 м/с. Приближенная зависимость предельной частоты вращения концов ротора vti при которой происходит образование кавитации в типичных условиях океана, от глубины d имеет вил

i>tip = 7 + 0,3W - 0.0022d2. (14)

По сообщениям фирмы Wavegen, в ее устройствах кавитация не вызывает особых проблем в плане разрушающего воздействия, однако сказывается на по­тере КПД гидротурбины.