CC BY
1УДК 621.3 DOI: 10.24412/2658-6703-2024-2-61-78
EDN: NIAVNO
Парусные энергетические установки морского базирования: география использования
1-2 Залиханов Алим Михайлович[0000-0002-2540-6045] 13 Чекарев Константин Владимирович [0000-0002-5i40-5i42],
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия E-mail: 2bulungu@yandex.ru, 3konstantintchekarev@yandex.ru
Аннотация. Установки большой мощности, преобразующие кинетическую энергию ветра в электроэнергию, из-за низкой плотности воздуха имеют большие размеры, что приводит к необходимости сооружать большие конструкции при использовании установок с ветроколесом с горизонтальной осью вращения. Предложены варианты парусных энергетических установок, которые преобразуют энергию ветрового потока в энергию водного потока, который используется для производства электроэнергии, что позволяет уменьшить размеры преобразователя энергии. Установки содержат катамаран, симметричный относительно носа и кормы, к корпусам которого снизу прикреплен гидрогенератор, выполненный в виде крыльчатки и электрогенератора. Предложено несколько вариантов организации движения катамарана, позволяющих автоматизировать перемещения катамарана и повысить эффективность преобразования энергии ветрового потока. Конструктивные особенности парусных энергетических установок морского базирования позволяют расширить спектр решаемых задач и географическую область использования ветроэнергетических установок. В данной статье найдены основы определения областей использования парусных ветроэнергетических установок и с их помощью определены географические области использования парусных установок морского базирования.
Ключевые слова: ветроэнергетика, возобновляемые источники энергии, ветровая энергетическая установка, парусная энергетическая установка, водородная энергетика.
1 Введение
Использование кинетической энергии ветра в хозяйственной деятельности человека насчитывает много веков. Преобразователи энергии ветра в виде ветроко-леса использовались только на суше для совершения работы, а преобразователи ветровой энергии в виде паруса использовались в основном на воде для перемещения транспортных средств. Известны примеры использования парусов для перемещения транспортных средств на суше [1], но это направление развития не получило. С появлением зеленой энергетики установки с преобразователем энергии в виде ветроколеса стали использоваться для производства электроэнергии. В большинстве действующих ветровых установках преобразование энергии ветрового потока в электроэнергию осуществляется с помощью ветроколеса с горизонтальной осью вращения и соединенного с ним электрогенератора, которые устанавливаются на мачте.
Энергетические установки с ветроколесом с горизонтальной осью вращения в настоящий момент являются самыми эффективными преобразователями энергии ветрового потока. Они устанавливаются как на суше, так и вблизи морского берега. Чтобы расширить область использования ветроэнергетических установок были разработаны плавающие ветроэнергетические установки. Для обеспечения остойчивости они устанавливаются на платформе, оборудованной вертикальными колоннами со статическим и динамическим балластом, что приводит к удорожанию конструкции.
2 Особенности парусных энергетических установок
Для расширения области использования морских ветроэнергетических установок необходимо разработать более простые и экономичные установки. Для этого предлагается использовать парусные энергетические установки, в частности, установки, преобразующие энергию ветрового потока в энергию потока воды обтекающего парусное судно. Такие установки имеют меньшую эффективность преобразования ветрового потока, поскольку они должны расходовать часть ветровой энергии на собственное перемещение, но их конструктивные особенности позволяют расширить область использования ветроэнергетических установок. Они могут применяться в тех районах, где ветроэнергетические установки традиционного типа не могут быть установлены, или их строительство экономически не выгодно. Кроме этого парусные энергетические установки позволяют расширить спектр задач, решаемых с помощью энергии ветра.
Предлагаются различные варианты парусных энергетических установок морского базирования. Конструкция предлагаемых вариантов существенным образом зависит от цели производства электроэнергии. Если электроэнергия производится для внутреннего использования, то парусные энергетические установки могут быть созданы на базе существующих конструкций. Например, был предложен способ и конструкция парусной установки для получения водорода [2].
Энергоустановка включает конструкцию в виде парусного катамарана, снабженного гидравлической турбиной, сочлененной с гидрогенератором. На катамаране установлена система получения водорода путем электролиза морской воды.
При движении катамарана установленная на нем турбина начинает вращаться потоком воды, при этом вырабатываемое электрогенератором электроэнергия поступает на электролизер, где происходит разложение морской воды на водород и кислород. Полученный водород по трубопроводу поступает в криогенную установку, где он сжижается и закачивается баллоны, которые передаются потребителю. Подобная конструкция парусной энергетической установки была реализована в проекте Energy Observer [3]. Был построен катамаран с двумя мачтами, на котором были установлены два электрических двигателя. При движении под парусами электродвигатели переходили в режим генерирования. Вырабатываемая ими электроэнергия для короткого хранения направлялась в аккумуляторы, а для длительного хранения использовалась для получения жидкого водорода.
Производство электроэнергии для внешнего потребителя требует разработки специальных конструкций морских парусных энергетических установок. Был предложен вариант ветроэнергетической морской установки повышенной мощности, где система жестких парусов, выполненная в виде вертикальных лопастей, удерживается на поверхности воды кольцевым понтоном, который вращается вокруг вертикальной оси [4]. Установка может работать только при большом диаметре кольцевого понтона, в противном случае, система наветренных лопастей будет перекрывать систему лопастей, находящихся за ними, однако при большом диаметре кольцевого понтона практически невозможно создать конструкцию, способную выдерживать волновое воздействие.
Предложены варианты парусной энергетической установки, позволяющие снять проблему больших размеров преобразователя энергии ветрового потока и проблему устойчивости волновому воздействию [5, 6]. Вариант энергетической установки [5] содержит парусный катамаран, к корпусам которого снизу прикреплен гидрогенератор, выполненный в виде крыльчатки и электрогенератора. Катамаран движется циклично по дуговой траектории в заданном угловом интервале, что позволяет увеличить эффективность преобразования энергии ветрового потока. Для движения по такой траектории катамаран выполнен в виде конструкции, симметричной относительно носа и кормы, и имеет систему изменения положения парусов и систему управления движением катамарана (Рис. 1).
Движение по дуговой траектории может быть автоматическим [7,8]. Вариант парусной энергетической установки [7] позволяет повысить эффективность использования энергии ветрового потока за счет задания области перемещения катамарана, в которой он все время движется курсом, близким к курсу галфвинд. Предложен вариант парусной установки, в котором повышается эффективность преобразования энергии ветрового потока за счет организации автоматического движения катамарана в заданной области перемещений (Рис. 2) [7].
Рис. 1. Схема катамарана, выполненного в виде конструкции, симметрично относительно носа и кормы. (На схеме: 1- катамаран; 3 - система изменения положения парусов; 4 - крыльчатка электрогенератора; 5 - электрический кабель; 11 - датчик скорости и направления ветра; 12 - автопилот; 13 - система управления автоматическим движением катамарана).
1«
Рис. 2. Схема парусной установки, в которой катамаран движется с курсом с наибольшей эффективностью использования ветровой энергии. (На схеме: 5 -электрический кабель; 6 - система поплавков на электрическом кабеле; 7 - буй в центре круга с диаметром D, ограничивающим область 10 движения катамарана; 8 - кабель к внешнему потребителю электроэнергии; 9 - груз на морском дне; Т1 и Т2 - точки, между которыми движется катамаран по хорде L, перпендикулярной направлению ветра).
Катамаран перемещается в заданной области между точками Т1 и Т2, курсом перпендикулярно ветровому потоку при любом направлении ветра.
Конструктивные особенности этого варианта парусной энергетической установки позволяет расширить область использования ветроэнергетических установок и круг задач, решаемых с помощью энергии ветрового потока.
3 Методика проведения исследования
Строительство ветроэнергетических установок подчинено стандартам, в частности, СТО 70238424.27.100.059-2009 «Ветроэлектростанции (ВЭС). Условия создания. Нормы и требования», в которых учитываются как технические требования к самим установкам, так и к местам их строительства [12]. Окончательные параметры, определяющие возможность использования парусных энергетических установок в конкретном районе можно будет определить после создания и исследования работы опытных образцов парусных энергетических установок.
В процессе экспериментального исследования на макетах морских парусных энергетических установок были определены их основные конструктивные особенности, которые учитывались при оценке областей их возможного использования.
К ним относятся следующие особенности:
1) Модульность конструкции, обеспечивающая возможность изменять технические параметры, например, варьировать мощность в зависимости от предъявляемых требований;
2) Автоматическая работа всех устройств, входящих в состав установки;
3) Удобная логистика, обусловленная простотой и модульностью конструкции;
Конструкции парусных энергетических установок существенным образом зависят от целей производства электроэнергии:
а) при выработке электроэнергии для внутреннего использования, парусные энергетические установки могут быть созданы на базе существующих конструкций;
б) при выработке электроэнергии и передаче её внешнему потребителю необходима разработка специальных энергетических конструкций, вариант которой представлен на рис. 2 [7].
Конструкция парусных энергетических установок зависит, так же, от специфики задач для которых осуществляется выработка электроэнергии:
- для снабжения электроэнергией при проведении сезонных работ;
- установка в местах, в которых традиционно не размещались ветроэнергетические установки, например, на водоемах внутри тропических атоллов, на озерах, водохранилищах, крупных реках и т.д.;
- для разового снабжения электричеством в случае необходимости, например, при стоянке судна на якоре. В этом случае установка легко собирается на судне,
опускается в воду и начинает вырабатывать электроэнергию, которая поступает на судно;
Модульность сборки катамарана позволяет создавать энергетические установки для решения разного типа задач.
При оценке территорий возможного использования морских парусных энергетических установок, необходимо учитывать географические особенности районов, к которым относятся:
1) Наличие достаточного для работы установки ветрового потенциала;
2) Характеристики ветрового и волнового режимов района работы установки обеспечивающей безопасность работы парусной установки;
3) Наличие потенциальных потребителей вырабатываемой электроэнергии.
Вырабатываемая парусными энергетическими установками электроэнергия
может использоваться, в частности, для производства на катамаране водорода для последующего использования, что определяет организацию работы парусной энергетической установки и её привязку к географической местности. В случае производства водорода область использования парусных энергетических установок определяется только соображениями ветрового потенциала территории и удобства передачи готовой продукции потребителю.
Важными характеристиками районов использования морских парусных ветроэнергетических установок являются такие гидрометеорологические параметры как сила, направление, устойчивость ветра и характеристики волн - высота, период, длина. Из-за особенностей конструкций и размеров установок, ограничивающим факторами являются скорости ветра выше 20 м/с и волны выше 2-3 м. Однако, некоторые технические решения, например, такие как использование систем изменения площади парусов и др., позволяют расширить территории использования данных установок.
Географические параметры, определяющие область использования парусных энергетических установок морского базирования, должны учитываться на основе совокупности найденных параметров.
4 Ветровые и волновые условия некоторых районов Мирового океана
На основе этого подхода были определены географические районы возможного использования парусных энергетических установок морского базирования.
Принимая во внимание обширность водных пространств Земли, на первом этапе необходимо рассмотреть характеристики больших водных территорий. Возможность использования парусных энергетических установок в каком-то конкретном районе должно проводиться в совокупности с вышеуказанными параметрами.
С учетом объективных ограничений, таких как невозможность использования при сильном волнении, сильных порывах ветра или при длительных штилях, рассматриваемые ветроэнергетические установки могут широко использоваться на
морях и океанах в различных географических зонах и в различные сезоны, используя наиболее приемлемые для функционирования парусных энергоустановок параметры, так как гидрометеорологические параметры, которые даже в пределах достаточно небольших морей могут сильно отличаться.
Определение географических областей использования парусных энергетических установок можно рассмотреть на примере Атлантического океана. Для Тихого и Индийского океанов методика изучения будет аналогичной.
Атлантический океан простирается от Северного полярного круга до Антарктиды, пересекая почти все климатические зоны Земли. Режимы ветров и волнения существенно изменяются в различных районах, особенно при движении в широтном направлении [11]. Показательны гидрометеорологические параметры, особенно распределение ветров и волнения в течении года. На Рис. 3 представлена схема зон и районов Атлантического океана.
Рис. 3. Схема зон и районов Атлантического океана. (Зоны северного полушария: I - полярная; II - умеренная; III- субтропическая; IV- тропическая; V - экваториально-тропическая муссонов; VI - экваториальная зона; зоны южного полушария: VII - экваториально-тропическая муссонов; VIII - тропическая; IX -субтропическая; X - умеренная. (арабскими цифрами обозначены районы)) [11].
В полярной зоне Атлантического океана в зимний период из-за большого числа циклонов, ветров северных румбов и, особенно, высоких скоростей ветра
- среднемесячные скорости ветра зимой 12-13 м/с и максимальные до 49 м/с, создаются неблагоприятные условия для мореплавания и другой хозяйственной деятельности. Однако летом ветровой режим сильно отличается от зимнего: среднемесячные скорости ветра составляют 7 м/с, преобладающими становятся ветры средних скоростей - 5-10 м/с, а повторяемость штормов уменьшается до минимума (3 %). Кроме того, в летний период высота волн так же, уменьшается и в 70-80 % случаев составляет меньше 2 м. В таблице 1 приведены повторяемость и обеспеченность скоростей ветра для полярной зоны Атлантического океана. По данным таблицы видно резкое усиление ветра с началом осеннего периода и дальнейшее усиление в зимние месяцы. В этой зоне характерно намерзание льда на морских судах, особенно в зимний период. Это явление сильно затруднят навигацию небольших судов и, часто, может представлять опасность для них.
Таблица 1. Повторяемость Р и обеспеченность Ж скоростей ветра для полярной _зоны ( северного полушария) Атлантического океана, %. [11]_
Скорость ветра, м/с Месяцы (сезон)
XII-II III-V VI-VIII IX-XI
P F P F P F P F
Штиль* 1 100 1 100 1 100 1 100
<2 1 99 3 99 3 99 2 99
2-4 3 98 9 96 13 96 7 97
4-6 6 95 14 87 23 83,5 13 90
6-8 10 89 15 73 21,5 60,5 15 77
8-10 10,5 79 16 58 18 39 16 62
10-12 11,5 68,5 13 42 11 21 14 46,5
12-14 13 57 11 39 7 10 12,5 32,5
14-16 10 44 7 18 2 3 9 20
16-18 9 34 5 11 0,5 1 5,5 11,5
18-20 8 25 3 6 0,3 0,5 3,5 7,5
20-22 6 17 1,3 3 0,12 0,2 1 3
22-24 4 11 1 1,7 0,04 0,08 1,3 2
24-26 3 7 0,3 0,7 0,02 0,04 0,3 0,7
26-28 2 4 0,2 0,4 0,02 0,02 0,2 0,4
28-30 1 2 0,1 0,2 - - 0,08 0,2
30-32 0,4 1 0,045 0,1 - - 0,06 0,12
32-34 0,28 0,6 0,035 0,055 - - 0,06 0,06
34-36 0,2 0,32 0,02 0,02 - - - -
>36 0,12 0,12 - - - - - -
*здесь и далее под штилем понимается скорость ветра 0,5 м/с и менее
Для умеренной зоны Атлантического океана в северном полушарии характерны другие условия ветрового режима - преобладание потоков западных рум-
бов в течении всего года и высокие скорости ветров. Однако, зимой средние скорости ветра равны 10-11 м/с при практическом отсутствии слабых ветров (0-5 м/с) и частых штормах - повторяемость штормов до 35%. Летом большая часть умеренной зоны находится под воздействием периферии Азорского максимума, поэтому преобладающими становятся юго-западные и южные ветра со скоростями 5-6 м/с. Значительно уменьшается количество штормов. В ряде районов этой зоны в летний период наблюдаются штили. Например, в зоне 4 (см. рис. 1) умеренной зоны в летний период наблюдаются штили и периоды со слабыми ветрами повторяемостью до 30 % [11]. Летом в умеренной зоне значительно меньше волнение чем зимой - в основном, слабое и умеренное, однако наряду с ветровым волнением почти всегда присутствуют волны зыби.
Субтропическая зона Атлантического океана в северном полушарии (как и субтропическая зона в южном полушарии) имеет характерную климатическую особенность - зимой преобладают воздушные массы умеренных широт, а летом - тропических. Режим ветра и волнения субтропической зоны определяется циркуляцией атмосферы в системе азорского максимума, а зимой существует значительное влияние исландского минимума. В холодную половину года (октябрь-апрель) циклоны становятся обычным явлением во всей области. С ростом циклонической активности возрастают средние скорости ветра - от 3-6 м/с летом, до 8-10 м/с зимой. Однако, в летний период повторяемость слабых ветров (0-5 м/с) доходит до 40%, но при этом часты быстропроходящие шторма (до 90 % штормов длятся до 12 часов). Наблюдаются ураганы (скорости ветра 30-35 м/с) и смерчи. Наибольшие средние высоты волн наблюдаются в осеннее и зимнее время.
Тропическая зона северного полушария Атлантического океана характеризуется преобладанием пассатной циркуляцией и находится в зоне господства тропического воздуха. Тропическая зона северного полушария, особенно ее западная часть, находится в области наиболее частых циклонов Атлантического океана. Частые и сильные циклоны характерны для всех тропических областей океанов, кроме тропической зоны Атлантического океана в южном полушарии. На Рис. 4 представлены основные пути ураганов.
? r V if С
\ у \G /
У
\ l <4~/ Vi, \S
\ /U i ? ' (
t 6 л
Рис. 4. Основные пути ураганов в Индийском, Тихом и Атлантическом океанах.
[11]
Кроме частоты и длительности (средняя продолжительность 6 дней) тропические циклоны отмечаются экстремальной силой ветра - свыше 70 м/с.
Тропические циклоны в Северной Атлантике образуются в четырех основных районах: а) к востоку от Малых Антильских островов и в Карибском море к востоку от 70о з.д. (июль-начало октября); б) в юго-западной части Карибского моря (июль-октябрь); в)
западной части Карибского моря (июнь, конец сентября - начало ноября); г) в Мексиканском заливе (июль - ноябрь).
Необходимо отметить, что при преобладании слабых и средних ветров в этой зоне (летом 5-6 м/с, зимой 7-9 м/с), могут наблюдаться ураганные скорости ветра (свыше 35 м/с) при прохождении тропических циклонов. В различных районах этой зоны ветровой режим может значительно отличаться. Например, область западнее Африки (район 17 на схеме районов и зон Атлантического океана - см. Рис. 3) характеризуется преобладающими устойчивыми северо-восточными ветрами. Средние скорости 6-7 м/с, а слабые ветры (менее 5 м/с) имеют повторяемость зимой 40-45 % а летом и весной - в 45-55 % всего времени, а штормовые ветры крайне редки [11].
Зона экваториально-тропических муссонов (северного полушария) Атлантического океана характеризуется сезонной сменой преобладающих воздушных потоков - в летние месяцы муссон формируется за счет юго-восточных и юго-западных пассатов, а зимний муссон образуется северо-восточными и северными потоками. В западной части зоны (Зона V, район 18 - см. Рис.3) летний муссон устанавливается в конце июня и существует до ноября. Средняя скорость экваториального муссона около 4 м/с. До 70 % всех ветров приходится на долю ветров со скоростями менее 8-10 м/с. Однако, иногда случаются тропические циклоны, в которых ветер может достигать скорости 30-35 м/с. Зимний муссон дует с декабря по май со средними скоростями 6-8 м/с, с возрастанием скоростей к северу. Устойчивость зимнего муссона достигает 80-85 м/с. Восточнее (район 19 этой зоны), летний муссон существует с июня-июля до октября со средними скоростями ветра около 4 м/с и повторяемостью ветров 50-60 %, а зимний, более устойчивый чем летний, муссон резко сменяет летний в конце октября-ноября с высокой повторяемостью ветров до 90 % и низкой скоростью - 3-6 м/с. Ураганы обычно не чаще одного раза в год. Эта зона характеризуется небольшими средними высотами волн - волнение в 60-80 % случаев не превышает 2 м.
Экваториальная зона Атлантического океана занимает небольшую территорию (см. Рис. 3) и расположена в основном по экватору, с севера ограничиваясь береговой линией Африки. Погода определяется северной периферией южноатлантического антициклона, который устойчиво держится весь год, достигая максимума в июне-августе. Циклоны редки и неустойчивы. Весь год преобладают юго-западные и южные ветры с повторяемостью до 80 % в июне-августе, и 4050 % в декабре-феврале, когда пассат ослабевает. Соответственно, средние скорости ветра в июне-августе выше - 5-6 м/с, в сентябре-ноябре около 4 м/с, а в декабре-феврале 3-4 м/с. Повторяемость слабых ветров (0-5 м/с) в январе-феврале около 70 % , в июне-июле до 60 %. Характерна низкая повторяемость ветра со скоростью выше 10 м/с - до 5 % в мая по август. Очень редки сильные ветра -повторяемость менее 1 %. Для всей зоны характерна низкое волнение - до 2 м ( годовая повторяемость 70 %).
Тропическая зона (южного полушария) Атлантического океана характеризуется круглогодичным господством пассатных ветров системы южноатлантического антициклона, отличающейся высокой устойчивостью и годовой стабильностью, в отличие от азорского (североатлантического) максимума. Южноатлантические пассаты гораздо устойчивей североатлантических и в этой зоне есть районы, в которых отсутствуют другие ветры, кроме юго-восточных пассатов. Устойчивость пассатов увеличивается с юга на север зоны. Средние скорости ветра около 6-8 м/с. В летний период средние скорости ветра 4-7, в зимний период - 8-9 м/с. Штормы имеют выраженную тенденцию к повторяемостью и усилению с севера на юг от 1-2 % до 12-15 %. Наиболее низкие среднегодовые скорости ветра наблюдаются у африканского побережья - 3-6 м/с, штормы наблюдаются редко. Интенсивность волнения в тропической зоне усиливается к югу от 25° ю.ш., особенно в зимнее время, относительно прилегающих к северу территорий, где годовой ход менее выражен. Наиболее слабое волнение наблюдается в северо-восточной части зоны, где высота волн в 80-90 % случаев меньше 2 м.
Субтропическая зона (южного полушария) Атлантического океана занимает область между 35° ю.ш. и 45° ю.ш. ( на западе, у берегов Ю.Америки) и 41° ю.ш. (на востоке зоны). Зона характеризуется высокой интенсивностью циклонической деятельности. Штормы отличаются большей силой и интенсивностью относительно штормов субтропической зоны северного полушария. В ряде районов зоны штормовые ветры дуют до 13 % всего времени, скорости достигают 30-35 м/с. Средние скорости ветра имеют тенденцию усиления в зимнее время - 9-10 м/с. Летом средняя скорость ветра 6-9 м/с. Волнение, также, имеет тенденцию снижения интенсивности летом - волны выше 5 м наблюдаются только в 3-5 % случаев наблюдения, в зимнее время (с мая по август) до 10 %. Кроме того, зимой в южной части зоны наблюдаются сильные продолжительные штормы, во время которых наблюдаются волны высотой до 15 м.
Умеренная зона (южного полушария) Атлантического океана расположена к югу от субтропической зоны до условно принятых 60° ю.ш. Восточная граница (с Индийским океаном) условно принята по 20° в.д. Умеренная зона условно разделена на 3 обширных района (Рис. 3). Режим ветра и волнения умеренной зоны южного полушария определяется зоной пониженного давления, опоясывающего всю планету между 45° ю.ш. и Антарктидой. Исключительные большие скорости ветра и высокие волны характерны в течении всего года. Меридиональные градиенты давления достигают огромных величин, вызывая ураганные ветры. Известный термин «ревущие сороковые широты» получил широкую известность из-за экстремальных условий умеренной зоны южного полушария. Средние скорости ветра летом 9-10 м/с, зимой 10-12 м/с. Повторяемость штормов составляет до 30 % летом и до 35 % зимой. Скорости ветра достигают 35-40 м/с. Нередко штормовой ветер дует 2-3 суток непрерывно [12]. Сильное волнение характерно для всей умеренной зоны южного полушария в течение всего года. Высоты волн могут превышать 20 м. Отмечается уменьшение средних высот волн в летний период, относительно зимнего.
У Тихого и Индийского океанов климатические закономерности формирования температурных и ветровых режимов осложнены особенностями этих океанов - размерами, расположением относительно экватора, влиянием материков и крупных островных групп и т.д.
Помимо больших океанических водных массивов и окраинных морей, представляют интерес в качестве территорий, где можно размещать парусные водные (морские) энергетические системы, - внутренние моря, крупные озера, водохранилища, крупные реки с невысокими скоростями течения.
Примером больших закрытых водоемов является Каспийское море. Оно имеет большой потенциал для целей использования ветроэнергетических установок.
Каспийское море является крупнейшим в мире замкнутым водоемом с площадью поверхности около 370 тыс. км2, имеет сложный рельеф дна, расположено в нескольких климатических зонах. На Рис. 5 представлена карта Каспийского моря с глубинами воды [10]. Видно, что глубина воды в северной части моря значительно меньше чем в очень глубоких центральной и южной частях, что отражает тектоническую структуру этой области континента в месте контакта южного края Восточно-Европейской платформы и геосинклинальной области (граница Северного и Среднего Каспия).
Каспийское море делится на три области, значительно отличающихся по большинству параметров - как морфометрических, гидрохимических, так и гидрометеорологических (Рис.6) [14]. По широтному расположению эти области подразделяются на Северный, Средний и Южный Каспий.
Для этих областей Каспийского моря характерны резкие различия в глубинах. Северная часть Каспия мелководная и имеет средние глубины 4,4 м. Многие прибрежные районы с глубинами до 3 м простираются участками шириной до 70 км вдоль берегов. В случае отливов и ветровых сгонно-нагонных явлений, достигающих 2,5 - 3 м, прибрежные отмели на многие километры осушаются. В северной части Северного Каспия, в районе дельты Волги, рельеф и береговая линия постоянно меняются, перемещаясь на десятки километров. Средний Каспий имеет максимальную глубину 790 м в центральной части, уменьшаясь к берегам до 20 м и образуя узкую шельфовую зону. Южный Каспий имеет максимальную глубину 1025 м, при этом наиболее глубоководная область расположена западнее центра (см. Рис.6), а глубины восточной части до 20 м, с ровным дном с илом и ракушечником. Береговая линия Каспийского моря сильно различается как в выделенных областях, так и на разных участках. В целом, северо-западные, северные и восточные берега имеют покатый, низменный характер, сложены современными осадочными отложениями. Юго-западный и южный берега имеют более разнообразный характер - многие участки крутые и обрывистые, сложены древними осадочными и магматическими породами. Вдоль большинства берегов и на островах, как и в самом море, наблюдаются грязевые вулканы. Часто, грязевой вулканизм является причиной изменения рельефа дна, возникновения и размывания небольших островов в Каспийском море.
Ветровой режим Каспийского моря определяется как циркуляционными особенностями атмосферы этой части континента, так и спецификой орографии западного берега. Так, наибольшие ветры зафиксированы в Апшеронском участке моря в районе Нефтяных Камней - более 40 м/с, что является влиянием Кавказского хребта. Подобный эффект наблюдается у туркменского побережья в районе Красноводска - зафиксированы скорости ветра более 30 м/с и штормы длительностью более суток. Наибольшая повторяемость штормов на Каспии в зимнее время. Средний годовой период со штормами до 50 суток. В северной части Каспия преобладают восточные ветры, в средней и южной - юго-восточные и северозападные.
На Среднем Каспии господствует циклональная циркуляция воды, обусловленная речным стоком и господствующими ветрами. В южном Каспии также наблюдается циклональная циркуляция, в западной части (район Баку и устья Куры) осложненная антициклональной циркуляцией. В Северном Каспии преобладают неустойчивые ветровые течения различных направлений. Из-за мелко-водности моря при сильных ветрах ярко выражены явления сгона и нагона воды. Частая повторяемость умеренных и сильных ветров обуславливает большое количество дней со значительным волнением (максимальные наблюдаемые высоты волн до 11 м), а с ноября по март волнение по всей акватории достигает 6 баллов. Наиболее спокойным периодом является конец весны и первая половина лета [14].
Интенсивность волнения моря и характеристики волн в различных частях Каспия зависят как от погодных условий, в основном, это сила и направление ветра, так и от особенностей участков моря - глубины и рельефы дна. Крупные волны встречаются в средней и южной частях моря, в северной части Каспия из-за мелководья и наличия льдов (в зимнее время) ограничена и не бывает выше 4 м. В Таблице 2 приведены данные повторяемости скоростей ветра и высот волн Северного Кастия. На Среднем и Южном Каспии (см. Рис. 6) высота волн может превышать 10 м при северных ветрах, а наибольшие волны зафиксированы в районе Апшеронского полуострова (акватория от Нефтяных Камней к северо-западу) при южных и юго-западных ветрах. В открытых районах Среднего и Южного Каспия часто наблюдается крупная зыбь с севера и северо-запада. В северных частях Каспия зыбь обычно с востока.
Особенности волнового и ветрового режимов Каспия позволяют говорить о сложной картине волнового поля во всех областях моря. Однако, наиболее благоприятными для использования предлагаемых парусных ветровых установок являются практически все районы Северного Каспия, широкие области вдоль восточного и западного побережья Среднего Каспия (севернее устья р.Сулак) и ряд областей Южного Каспия, такие как акватория восточнее Ленкоранской низменности.
Таблица 2. Повторяемость скоростей ветра и высот волн Северного Каспия по сезонам (данные по зимнему периоду не приводятся из-за частого ледового по__крова), %. (по [11], с изм.)._
Сезон Скорость Высота волн, м
ветра, м/с <2 2-4 >4
Весна <6 32 7 1
6-12 37 10 1
12-16 5 3 2
>16 1 1 -
Лето <6 51 11 1
6-12 27 6 2
12-16 1 1 -
>16 - - -
Осень <6 30 12 1
6-12 32 14 1
12-16 4 3 1
>16 - - 1
Каспийское море, его рыбные ресурсы, газовые и нефтяные месторождения в шельфовой зоне, активные морские перевозки, развитие экономических связей стран каспийского региона и быстроразвивающиеся прибрежные территории становятся в настоящее время объектом усиливающегося многоуровневого экономического освоения. В российской части Каспия в настоящее время принимаются программы активного рекреационного освоения побережий в средней и северной частях моря. Все эти процессы создают возможность широкого использования парусных ветроэнергетических установок на Каспийском море как вдоль побережий, так и в других частях акватории.
В целом, активная хозяйственная деятельность по берегам морей, океанов, озер и водохранилищ, на морских островах, в прибрежных областях, особенно в шельфовой зоне, а так же по всему Мировому океану, позволяет говорить о наличии большого числа возможных потребителей получаемых морскими парусными ветроэнергетическими установками электроэнергии. Такими потребителями могут быть отдельные небольшие поселения на островах, особенно атоллах, в разных частях мирового океана, населенные пункты в прибрежных районах морей, рек, у озер и водохранилищ или отдельные организации осуществляющих геологоразведку, океанографические работы, добычу природных ресурсов и т.д. Большой потенциал размещения парусных морских ветроустановок имеется в тропических, субтропических и экваториальных зонах океанов, особенно у многочисленных морских архипелагов, атоллов и отдельных островов Тихого и Индийского океанов. Особенности парусных ветроэнергетических установок, таких как невысокая стоимость, простота в установке, обслуживании и ремонте, высокая мобильность, модульность конструкции и др., позволяют делать вывод о потенциальной востребованности данного типа ветроустановок.
5 Выводы
На основе экспериментальных исследований на макетах морских энергетических установок были определены их конструктивные особенности, которые следует учитывать при определении географических районов их использования. К ним относятся: модульность и универсальность конструкций, высокая мобильность при транспортировке и других логистических операциях, быстрая установка и начало работы парусных установок, низкие себестоимость и стоимость эксплуатации и другие особенности. Рассмотрены географические параметры водных пространств, которые необходимо учитывать при определении возможности использования парусных морских ветроэнергетических установок, в частности, ветровые и волновые параметры водных акваторий и рассмотрен ряд климатических особенностей водных территорий, таких как муссоны, ураганы и ряд других.
Дана общая характеристика районов возможного использования парусных морских ветроэнергетических установок на примере больших водных пространств, таких как Атлантический океан и Каспийское море.
Изучение особенностей гидрометеорологических параметров Атлантического океана и Каспийского моря показывает их многокомпонентность и большое разнообразие характеристик ветрового и волнового режимов. Ряд акваторий, особенно некоторые тропические области за счет значительного развития цикло-нальной деятельности, например, бассейн Карибского моря, не очень благоприятен для ветроэнергетики. Вместе с тем, некоторые области, как большая область к западу от Африки по 20 параллели, экваториальная зона Атлантического океана и др. весьма подходят для размещения морских энергоустановок и круглогодичного их использования. Большинство территорий океанов и моря умеренного и полярного поясов из-за сильного различия летнего и зимнего режимов ветров и особенностей волнового режима, требуют, как правило, использования установок только в летний период.
Размещение ветроустановок на внутренних морях, больших озерах и водохранилищах требует учитывать гидрометеорологические особенности конкретных водоемов. Так, например, размещение на Каспийском море (в северной части), при всей благоприятности геологических, геоморфологических и др. условий, сильно осложняется характерной для этого водоема волновым и ветровым режимом, а также частым образованием ледового покрова.
Литература
1. https: //www.yachtrussia.com/articles/2016/10/21/articles_3 91.html
2. Патент № 2567484 РФ, МПК В63Н 9/04 (2006.01) / Способ получения вторичного энергоносителя-водорода посредством преобразования энергии ветра/ № 2014124108/06, заявл.11.06.2014 / Седых Н.А.- автор; «Военная Академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В.Хрулева» // «Изобретения. Полезные модели». 2015. № 31.
3. Проект Energy Observer // energy-observer.org
4. Чебоксаров В.В., Кузнецов Н.Н. Гибридные ветро-солнечные морские энергетические установки//Строигельство и технологическая безопасность. №18 (70), 2020. С.67-81
5. Патент № 2722760 РФ, МПК В63В 35/44 (2006.1) / Парусная энергетическая установка, преобразующая энергию потоков двух сред; № 2019136097, Заяв. 2019.11.11 / Соловьев А.А., Чекарев К.В., Соловьев Д.А. - заявители и правообладатели // «Изобретения. Полезные модели». 2020. № 16.
6. Патент № 2745173 РФ, МПК B63B 35/44 (2006.01) / Парусная энергетическая установка; № 2020128596, заявл. 2020.08.28 / Чекарев К.В., Дегтярев К.С., Залиханов А.М.
- заявители и правообладатели // «Изобретения. Полезные модели». 2021. № 9.
7. Патент № 2779605 РФ, МПК B63B 35/44 (200.01) / Парусная энергетическая установка с автоматической системой управления её движением / № 2022107300, Заявл. 21.03.2022 / Чекарев К.В., Березкин М.Ю., Залиханов А.М. - заявители и правообладатели // «Изобретения. Полезные модели». 2022. № 26.
8. Чекарев К.В., Залиханов А.М., Дегтярев К.С. Парусная энергетическая установка/география возобновляемых источников энергии. ИД «Энергия», Москва, 2021, СС. 180-197.
9. Мировой океан. Дополнения. Понятия. Термины. (Серия: География мирового океана). Л., «Наука», 1987.
10. Реки и озера мира. М. «Издательство Энциклопедия». 2012.
11. Регистр СССР. Ветер и волны в океанах и морях. Л., Изд. «Транспорт», 1974.
12. Ветроэлектростанции (ВЭС). Условия создания. Нормы и требования. СТО 70238424.27.100.059-2009.
13. Экологический энциклопедический словарь. М. ИД «Ноосфера», 1999. Сс. 181.
14. Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР. Том 2. Каспийской море. Л., Гидрометеоиздат, 1986, СС. 267.
References
1. https://www.yachtrussia.com/articles/2016/10/21/artides_391.html
2. Patent RU 2567484 C1, B63H 9/04 (2006.01) / Method of making of secondary energy carrier - hydrogen by wind energy conversion / # 2014124108/06, 11.06.2014 / Sedych N.A.
- inventor, "Voennaija Akademija materialno-tekhnicheskogo obespechenija imeni generala armii A.V.Khruleva" - proprietor / Izobretenija, Poleznyja modeli / 2015, # 31.
3. Energy Observer Project // energy-observer.org
4. Cheboksarov V.V., Kuznecov N.N. Gibridnye vetro-solnechnye morskie energeticheskie ustanovki // Stroitel'stvo I tekhnologicheskaya bezopasnost'. №18 (70), 2020. S.67-81.
5. Patent RU 2722760 C1, B63B 35/44 (2006.1) / Sailing Power Plant Converting Flow Energy of Two Media / Application # 2019136097, 2019.11.11 / Solovev A.A., Chekarev K.V., Solovev D.A. - inventors and // Izobretenija, Poleznyja modeli / 2020 / # 16.
6. Patent RU 2745173 C1 / B63B 35/44 (2006.01) / Sailing power plant / Application: # 2020128596, 2020.08.28 / Chekarev K.V., Degtyarev K.S., Zalikhanov A.M. - inventors and proprietors // Izobretenija, Poleznyja modeli / 2021, # 9.
7. Patent RU 2779605 C1/ B63B 35/44 (200.01) / Sailing Power Plant With Automatic Control System of its Movement / Application: # 2022107300, 21.03.2022 / Chekarev K.V., Be-rezkin M.Y., Zalikhanov A.M. - inventors and proprietors // Izobretenija, Poleznyja modeli / 2022, # 26.
8. Chekarev K.V., Zalikhanov A.M., Degtyarev K.S. Parasnye energeticheskie ustanovki. // Geografiya vozobnovlyaemyh istochnikov energii. ID «Energiya», M., 2021. S.180-197.
9. Mirovoi okean. // (Seria: geografía mirovogo okeana). // Leningrad, "Nauka", 1987.
10. Reki I ozera mira// Moscow, "Izdatelstvo Entsiclopedia", 2012.
11. Registr SSSR. Veter I volny v moriah I okeanah. (The winds and waves at oceans and seas) // Leningrad, "Transport", 1974.
12. Vetroelektrostantsii. // STO 70238424.27.100.059-2009.
13. Ekologicheskii entsiklopedicheskii slovar. // Moscow, "Noosfera", 1999/ pp. 181.
14. Gidrometeorologicheskie uslovia shelfovoi zony morei SSSR// # 2. Kaspiiskoe more. // Leningrad, "Gidrometeoizdat", 1986, pp. 267.
Land-Based Sailing Power Plant: Geography of Use
1,2 Alim Zalikhanov,1'3 Konstantin Chekarev
'Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia E-mail: 2bulungu@yandex.ru, 3konstantintchekarev@yandex.ru
Abstract. Installations that convert kinetic wind energy into electricity have large dimensions due to the low air density. A variant of a sailing power plant is known that converts the energy of a wind stream into the energy of a water stream, which allows reducing the size of the energy converter, however, difficulties arise when transferring the generated electricity to an external consumer. A variant of a land-based sailing power plant is proposed, in which this problem is removed. In the course of laboratory research, structural elements were found that can be used in the implementation of a land-based sailing installation, a system for transmitting generated electricity along a contact rail was developed.eThe design features of land-based sailing power plants make it possible to expand the geographical area of use of wind power plants and to construct them in places where traditional-type installations cannot be used. The results of the study of the features of geographical areas where land-based sailing power plants can be used are presented in this article.
Keywords: wind power, renewable energy sources, wind plant, sailing power plant, hydrogen energy
