Конструктивный синхронизм
Если насчёт глобального потепления, вызванного человеческой деятельностью, у многих имеются сомнения, то факт погодных аномалий уже никто не отрицает. Буквально каждый месяц синоптики за рубежом и в России фиксируют те или иные рекорды – по температуре, количеству осадков или атмосферному давлению. Скачки среднесуточной температуры воздуха на 10–15 градусов в течение дня уже становятся привычным явлением, хотя не понятно, почему они стали столь частыми.
Традиционно перед постройкой солнечных и ветровых электростанций проводят исследование инсоляции местности и ветровой мониторинг. До сих пор считалось, что ветровой мониторинг должен длиться год, но в условиях постоянных перемен погоды может оказаться, что этот срок нужно увеличить.
Объяснить погодные аномалии влиянием на природу человеческой деятельности, которое нарастает очень плавно, невозможно. А может, дело в том, что просто мы проходим пик 11-летнего цикла солнечной активности (цикла Швабе-Вольфа). Если так, то в ближайшие годы аномалии пойдут на спад, жить и работать станет легче.
Дважды в сутки
Учёные три века шли к действенной теории приливов и отливов. Загвоздка в том, что Луна, тяготение которой считается причиной приливов и отливов, поднимается над горизонтом раз в сутки, а приливы и отливы происходят дважды в сутки (причём в разных морях подъём разный), а в некоторых местах – то два, то один раз.
Согласно статической модели приливов Ньютона, приливная волна движется с востока на запад по поверхности океанов с ошеломительной скоростью 1600 км/ч, огибая земной шар за 24 часа. Слишком прямолинейное понимание механизма образования приливных волн, предложенное сэром Ньютоном, приводит нас к тому, что они должны заливать только восточные берега континентов. Опыт, однако, этому противоречит: приливы и отливы наблюдаются на всех побережьях материков, в том числе северных и южных.
Лаплас пытался откорректировать модель Ньютона, предложив учесть трение воды о дно океанов и другие эффекты. Динамическая модель Лапласа допускала замедление скорости движения приливного горба до 800 км/ч и его повороты у берегов континентов. Для расчёта величины отставания горба учёный ввёл прикладные часы (от 0 до 12). Увы, модель Лапласа вызвала больше новых вопросов, чем дала ответов.
Позже в теории приливов были допущены трансформации приливной волны в приливное течение, которое способно разворачиваться на 180 градусов. Один из подобных потоков течёт из Атлантики в Белое море. Однако намётки более стройной теории, лучше объясняющей результаты наблюдений, появляются лишь сегодня. И они связаны с водоворотами.
Поясним, что воды озёр, морей и океанов в северном полушарии вращаются против часовой стрелки, а водоёмов в южном полушарии – по часовой стрелке, образуя гигантские водовороты. Скорости невелики: в Балтийском и Чёрном морях – 0,5 км/ч, Охотском, Баренцевом и Белом – 2 км/ч. Отмечена строгая закономерность: чем быстрее водовороты, тем выше средняя амплитуда приливной волны (для перечисленных морей, соответственно, 5 и 20 см).
Водоворот обладает свойствами гироскопа, то есть стремится сохранять своё положение в пространстве. А поскольку Земля вращается вокруг своей оси, она постоянно «переворачивает» водовороты озёр, морей и океанов. Результат – прецессия водоворотов, которая как раз и создаёт периодические приливы и отливы. И коль скоро потоки соседних водоворотов могут гасить или усиливать друг друга, на Земле встречаются места и с необычайно большими приливными волнами (5 м на западном побережье Гудзонова залива), и с полным отсутствием приливов.
Подобные открытия крайне важны для развития приливной энергетики, которая пока ещё находится в младенческом возрасте.
Суточный ритм
Колебания температуры, несомненно, влияют на работу предприятий электроэнергетической отрасли. Ночью электроэнергия стоит дешевле не только потому, что в сети падает нагрузка, но и благодаря хорошим условиям для работы конденсаторов паровых турбин. Чем ниже температура наружного воздуха, тем эффективнее охлаждение в градирнях всех видов – сухих и «мокрых». Недаром американское агентство ARPA-E недавно заказало нескольким университетам и научно-производственным компаниям НИОКР по созданию накопителя тепла для ТЭС, который будет набирать излишнее тепло днём, чтобы выдавать его ночью, когда тепло можно рассеять в пространство с минимальными затратами электрической энергии и воды.
Годовой ритм
В 1970-е годы в нашей стране в крупных больницах запасали лёд, необходимый для различных медицинских процедур и операций, на весь тёплый сезон. Гора льда благополучно сохранялась под слоем сена или опилок до конца осени. В наше время летом и даже зимой медики берут лёд из холодильников, что удобно, но не слишком рачительно с точки зрения энергозатрат.
Мы неоднократно публиковали в «Энерговекторе» статьи изобретателя Геннадия Осадчего из Омска, который прорабатывает концепцию применения соляного пруда как приёмника и одновременно накопителя солнечного тепла (см., например, «Энерговектор» № 3/2013 г., с. 8). Пруд располагается с южной стороны здания, а с северной в некоторых проектах Геннадий Борисович предлагает расположить котлован со льдом/талой водой. Имея разность температур в двух бассейнах, можно эффективно применять тепловые машины: зимой – для обогрева помещений, летом – для охлаждения. Один из вариантов таких машин – хладомёт (тепловой двигатель Стирлинга с компрессором). По сути, это тепловой насос, работающий не на электрической, а на тепловой энергии. Хладомёт предоставляет возможность хозяину дома обеспечить себе кондиционирование без затрат электроэнергии. Помимо этого отметим, что солнечный соляной пруд летом даёт достаточно тепла для бани, сушилки или биореактора, вырабатывающего горючий газ из отходов сельхозпроизводства.
Накопители иллюзий
Много надежд возлагают на «прорывные» технологии накопления энергии, которые сегодня нужны всем. Потребители хотели бы с помощью накопителей стать менее зависимыми от производителей и экономить благодаря покупке электроэнергии в часы минимума нагрузок. Сетевые компании не прочь с помощью накопителей оптимизировать сети и повысить надёжность энергоснабжения без строительства дублирующих линий. Производители энергии хотели бы выровнять графики нагрузки на свои энергоблоки, чтобы эксплуатировать генераторы в наиболее эффективных режимах. Энергосбытовые компании, думаю, тоже не откажутся использовать новые технологии для своих целей, если регуляторы позволят.
По нашему мнению, эти надежды обманчивы, причём для всех участников рынка. Дело в том, что в случае широкого внедрения эффективных накопителей электрической энергии суточные пики и спады потребления неизбежно сгладятся, цикличность станет не столь остро выраженной, как раньше. Как следствие – сократится разница между дневными и ночными тарифами, снизится внутрисуточная болтанка цен на РСВ. Ожидания генераторов и потребителей оправдаются только поначалу.
А сетевые компании, возможно, столкнутся с большей избирательностью мелких потребителей, у которых появится возможность «альтернативной» транспортировки электроэнергии – попросту возить или даже носить аккумуляторы с собой.
Плясать от тепла
Надо сказать, что накопитель накопителю рознь. Вместо электрической энергии проще накапливать тепловую, получая совершенно иной эффект. В малой возобновляемой энергетике перспективен именно такой подход, например, с применением джоулевых мешалок. Что это такое? Это эффективный преобразователь механической энергии вращения в тепловую.
Схема установки Джоуля, на которой он исследовал
превращение механической энергии в тепловую
В ветреных местах такой преобразователь в связке с небольшим ветроколесом легко обеспечивает отопление дома. Для этого на крышу выносится ветровая турбина (с вертикальной осью) любого подходящего вида (см. «Энерговектор», № 12/2014, с. 6). Её вал сквозь крышу проходит на чердак. Там устанавливается джоулева мешалка, которая одновременно работает как нагреватель и насос.
Джоулева мешалка – это бак цилиндрической формы с наваренными на его стенках изнутри горизонтальными рёбрами (полосами металла шириной несколько сантиметров). В бак сверху по центру опущен вал с аналогичными рёбрами. Важно, чтобы зазоры между рёбрами на оси и внутренней стенке бака были узкими. В баке предусмотрены отверстия для входного и выходного штуцеров. В районе выходного отверстия полосы должны быть приварены наклонно, чтобы возникал нагнетающий эффект. К штуцерам присоединены отопительные трубы, которые проложены по дому.
Чем сильнее дует ветер, тем сильнее греется масло и тем быстрее оно идёт по отопительным трубам. Конечно же, мешалку и трубы на чердаке необходимо утеплить тем или иным способом. В принципе, в качестве теплоносителя можно использовать воду, но масло удобнее – оно не замерзает, выдерживает температуры свыше 100 градусов Цельсия и не вызывает коррозии металла.
Имея такой источник первичной тепловой энергии, как джоулева мешалка или упомянутый выше солнечный соляной пруд, можно получать от него механическую работу или электрическую энергию с помощью двигателя Стирлинга (цикл Стирлинга, по сути, обратен циклу холодильной машины).
Эта статья изначально была опубликована в газете «Энерговектор» здесь.
