Ортогональные турбины
Конечно, даже для конца 1960-х эта мощность была не слишком впечатляющей. И все же Кислогубская ПЭС принесла миру ничуть не меньше пользы, чем ее «конкурентка» на Рансе, поскольку стала одной из ведущих мировых экспериментальных площадок по отработке новых технологий приливной энергетики. В числе последних связанных с ней ноу-хау — разработка новой ортогональной турбины, работающей при любом направлении потока. Обычно на приливных электростанциях используют осевые турбины, напоминающие ходовой винт корабля. Сложная форма лопаток делает их дорогими. Кроме того, они рассчитаны на постоянное направление течения. Поэтому между приливами и отливами на них приходится поворачивать лопасти. В ортогональных турбинах прямые лопасти с крыловидным профилем устанавливаются параллельно оси вращения, а вода течет перпендикулярно им. При любом направлении потока вся конструкция вращается в одну и ту же сторону, заданную профилем «крыла». Такие турбины уже давно применялись в ветроэнергетике, но для приливной оказались неэффективными. Разработанные в середине 1980-х годов в Канаде и Японии прототипы имели низкий КПД (около 40%), и в итоге идею забросили. Однако в российском НИИ энергетических сооружений в результате десятилетней работы смогли найти оптимальные очертания камеры и лопастей ортогональной турбины и подняли КПД до 60—70%. Это несколько меньше, чем дают осевые агрегаты, но зато новая конструкция почти вдвое легче, а простая конструкция позволяет изготавливать ортогональные турбины на любом механическом заводе — не только на специальном турбиностроительном. В 2004 году первый экспериментальный агрегат нового типа мощностью 200 киловатт установили на Кислогубской ПЭС вместо выработавшей свой ресурс осевой турбины. Но основные надежды разработчики связывают с будущими крупными проектами ПЭС, где применение ортогональных турбин сулит значительный экономический эффект. Запуском французской и советской ПЭС было положено начало приливной энергетике, но ждать продолжения пришлось долго. Следующая промышленная ПЭС открылась только в сентябре 1984 года. На этот раз на приливы польстилась Канада. Свою 20-мегаваттную станцию она построила в устье реки Аннаполис, на острове Хогс, где амплитуда приливов колеблется от 4,4 до 8,7 метра. Но наступивший период дешевой нефти на долгие два десятилетия сделал освоение энергии приливов нерентабельным.
Турбины морского течения
Активное использование сил морских течений началось только в начале нового тысячелетия. В сентябре 2003 года 300-киловаттная ПЭС была запущена в Норвегии . Представители соорудившей ее компании Hammerfest Stroem заявили, что, если установка себя оправдает, они готовы развернуть массовое строительство приливных станций. А чуть раньше, в июне того же года, опытную турбину мощностью 300 киловатт на Девонском побережье Великобритании установила компания Marine Current Turbines (MCT). Впрочем, Девонская ПЭС в корне отличается от своих предшественниц. Прежде всего тем, что у нее отсутствует плотина, а значит, нет и отгораживаемого ею приливного бассейна. В сущности это обычный «ветряк», только опущенный под воду. Этот способ получения приливной энергии еще в 1960-х годах предлагал использовать советский ученый — доктор технических наук Б.С. Блинов. Он называл такие гидроэлектростанции свободнопоточными, в отличие от классических плотинных (гравитационных). По расчетам, в такой электростанции двухлопастный пропеллер метрового диаметра при скорости течения 2 м/с (7 км/ч) может выдавать до 7 киловатт мощности. Агрегат MCT снабжен однонаправленным пропеллером диаметром 11 метров. Приливное течение вращает его со скоростью до 20 оборотов в минуту. Всесторонне протестировав свое детище, компания MCT в августе 2008 года поставила еще одну станцию мощностью 1,2 мегаватта у берегов Северной Ирландии, в зоне действия приливного течения залива Стрегфорд Лоу. Новая ПЭС получила название SeaGen («морской генератор»). Две ее турбины диаметром по 16 метров закреплены на горизонтальной балке, которая перемещается по подводной башне и может для ремонта поднимать турбины над водой. Со временем MCT планирует построить у побережья Великобритании целую батарею таких установок и «выкачивать» не менее 10 гигаватт приливной энергии.
В проекте SeaGen норвежской компании MCT колонны закрепляются на дне, а роторы могут подниматься над водой для обслуживания. Для снижения нагрузок на конструкцию роторы вращаются в противоположные стороны. Фото: AFP/EAST NEWS
Конкуренция нарастает
В 2005 году другая британская компания SMD Hydrovision анонсировала новую технологию сбора энергии приливов TidEl. Она тоже не требует плотин и бассейнов. Конструкция, несущая роторы диаметром 15 метров, легче воды и нежестко крепится ко дну на глубине около 30 метров. Поток воды разворачивает турбину в нужную сторону, и, в отличие от конструкции MCT, она одинаково хорошо работает как во время прилива, так и при отливе. По расчетам конструкторов, батарея из 30—100 таких генераторов способна выдавать мощность до 100 мегаватт. Оригинальность проекта обеспечила TidEl победу в конкурсе экологических технологий на всемирной выставке World Expo — 2005. Однако дальше полутораметрового проектного образца, работающего в экспериментальном бассейне SMD Hydrovision, дело пока не пошло. Не менее интересную идею предложили недавно три оксфордских профессора — Гай Хоулсби, Малколм Маккаллок и Мартин Олдфилд. Свой проект они назвали THAWT — Transverse Horizontal Axis Water Turbine («поперечная водяная турбина с горизонтальной осью»). Он предполагает установку на дно горизонтальной барабанной конструкции с лезвиями-лопастями, которая подобно ортогональной турбине вращается в одну и ту же сторону на обеих фазах приливно-отливного цикла. В промышленном варианте ротор должен иметь 10 метров в диаметре и 60 метров в длину. Связка из двух барабанов и одного генератора между ними сможет выдавать до 12 мегаватт электроэнергии — в 10 раз больше, чем уже действующая установка SeaGen. При этом, по словам авторов проекта, их установка будет на 60% дешевле, а расходы по эксплуатации будут на 40% меньше. В 2009 году англичане обещают построить прототип своего агрегата с диаметром турбины 5 метров, а к 2013 году — запустить первую коммерческую установку. В мае этого года о своем желании оприходовать энергию приливов заявила Южная Корея . Корпорация KOWACO приступила к строительству приливной электростанции Sihva Lake Tidal Power Plant («приливная электростанция на озере Сихва»). Озеро Сихва, на котором ведется строительство, расположено в 40 километрах от Сеула . По сути это даже не озеро, а морской залив, отгороженный от Желтого моря дамбой. Приливы здесь достигают высоты 9 метров. Через 10 турбин станции, открыть которую планируют в конце 2009 года, за год будет проходить около 60 миллиардов тонн воды. Пиковая мощность ПЭС составит 254 мегаватта — чуть больше рекордного на сегодня французского первенца. За год станция будет вырабатывать более 500 миллионов киловатт-часов — достаточно, чтобы обеспечить расположенный рядом полумиллионный город Ансан. По расчетам, это позволит сэкономить около 850 000 баррелей нефти в год.
Элемент поплавковой волновой электростанции с магнитными катушками
Волны гасят ветер
Планетарная гидроэнергетика далеко не исчерпывается энергией рек и океанских приливов. Самую существенную и наименее используемую ее часть составляет энергия морских волн. По оценкам, они могут дать на порядок больше, чем приливы. Конечно, волны — лишь последствие деятельности ветров, но их энергия значительно «плотнее». Даже во время небольшого морского волнения с одного метра побережья можно «снять» около 10 киловатт мощности. А при сильном шторме, когда волны несколько раз в минуту поднимаются на 10—15 метров, мощность возрастает на два порядка. Теоретически до 85% этой энергии можно преобразовать в механическое движение. Основная часть энергии заключена в вертикальных колебаниях водяных масс. Простейшее решение: поплавок с тросом, который наматывается на пружинный барабан, установленный на дне. Поднимаясь на волне, поплавок крутит барабан, а обратно его поворачивает пружина. Остается поместить в барабан электрический генератор. Однако сильное волновое течение может сносить поплавки, пока трос не размотается до предела, из-за чего КПД подобной конструкции редко превышает 20%. Конструкторы из американской компании Pacific Northwest Generating Cooperative предложили другой подход. Внутри поплавка ставят магнитную катушку с магнитным сердечником, прикрепленным к заякоренному тросу. Любые колебания поплавка перемещает сердечник внутри катушки, вырабатывая электричество. Такую «поплавковую» электростанцию планируют построить в 8 километрах от побережья тихоокеанского городка Ридспорт. Каждый поплавок диаметром 4 метра и высотой 16 метров будет выдавать до 40 киловатт. Однако первая промышленная волновая электростанция, запущенная в сентябре 2008 года в Португалии, построена на другом принципе. Несколько горизонтальных поплавков сцеплены в одну длинную «змею». Она постоянно «ломается» на волнах, а генераторы в точках излома вырабатывают электроэнергию. Три таких «змеи», заякоренные шотландской компанией Pelamis Wave Power в 5 километрах от берега, сегодня выдают мощность более двух мегаватт. Этого хватает для того, чтобы обеспечить энергией 1600 домов.
