В настоящее время находят практическое применение установки по использованию энергии волн в морях и океанах, суммарная мощность которых по различным методикам оценивается в более чем 100 млрд. кВт.
При средней высоте волн в Мировом океане 2,5 м и периоде 8 с удельный поток энергии, приходящийся на 1 м фронта волны, составляет 75 кВт/м. Удельный поток энергии ветровых волн, например, в морях стран СНГ (кВт/м): Азовское – 3, Черное – 6–8, Каспийское – 7–11, Охотское – 12–20, Берингово – 15–44, Баренцово – 22–29, Японское – 21–31, а суммарная мощность волн, набегающих на побережье (в пределах СНГ), составляет (млн.кВт): на Черном море – 14,7; Каспийском 67,5; Баренцевом – 56, Охотском – 129.
К положительным факторам волновой энергии относятся значительный суммарный потенциал, увеличение мощности в осенне-зимний период, когда растет потребление электроэнергии, а к недостаткам – ее прерывистость.
В разных странах эксплуатируется большое количество навигационных буев, использующих энергию волн. В 1985 г. в Норвегии были введены в строй и подключены к энергосистеме две первые в мире опытно-промышленные волновые электростанции.
Волновые гидроэнергетические установки состоят из трех основных частей – рабочего тела (или водоприемника), силового преобразователя с генератором электроэнергии и системы крепления.
Рабочее тело (твердое, жидкое или газообразное), непосредственно контактируя с водой, перемещается под действием волн или изменяет тем или иным образом условия их распространения. В качестве рабочего тела могут использоваться поплавки, волноприемные камеры, эластичные трубы, волноотбойные сооружения и другие.
Силовой преобразователь предназначен для преобразования энергии, запасенной рабочим телом (механической энергии движения твердого тела, перепада уровней воды в бассейнах, давления воздуха или жидкости), в энергию, пригодную для передачи на расстояние или для непосредственного использования. В качестве силовых преобразователей могут применяться гидравлические и воздушные турбины, водяные колеса, зубчатые или цепные передачи и другие устройства.
Система крепления обеспечивает удержание на месте волновой установки.
Различные типы волновых установок отличаются той составляющей энергии ветровых волн (разновидностью кинетической или потенциальной энергии), которую рабочее тело установки преобразует в другой вид энергии.
Одной из наиболее эффективных считается пневматическая волновая электростанция (рис. 2.28). Основной частью такой установки является камера, нижняя открытая часть которой погружена под наинизший уровень воды (ложбину волны). При поднятии и опускании уровня воды в море в камере происходит циклическое сжатие и расширение воздуха, движение которого через систему клапанов приводит во вращение воздушную турбину. Такая система широко применяется в мире для питания электроэнергией навигационных буев.
Одна из первых в мире волновых электростанций мощностью около 500 кВт в Норвегии также представляет собой пневматическую волновую установку, основной частью которой является камера с нижней открытой частью, погруженной под наинизший уровень поверхности воды.
Вторая из двух первых в мире волновых электростанций мощностью 450 кВт в Норвегии, использующая эффект набегания волны на отлогую суживающуюся поверхность (конфузорный откос), включает расположенный в фиорде суживающийся канал длиной 147 м с турбинным водоприемником, расположенным на 3 м выше среднего уровня моря. Установки такого типа, расположенные на берегу, имеют преимущества перед другими типами волновых установок, исключая трудности, связанные с их обслуживанием и ремонтом.
Одна из успешнейших на данный момент попыток эффективно перерабатывать энергию океанских волн – волновая электростанция «Oceanlinx» в акватории города Порт-Кембл (Австралия). Она была введена в эксплуатацию еще в 2005 году, затем была демонтирована для реконструкции и переоборудования и только в начале 2009 г. вновь запущена в действие.
Принцип ее работы заключается в том, что проходящие через нее волны толчками заполняют водой специальную камеру, вытесняя содержащийся в этой камере воздух. Сжатый воздух под давлением проходит через турбину, вращая ее лопасти. Из-за того, что направление движения волн и их сила постоянно меняются, на станции «Oceanlinx» используется турбина Denniss-Auld c регулируемым углом поворота лопастей. Одна силовая установка станции «Oceanlinx» обладает мощностью (в пиковом режиме) от 100 кВт до 1,5 МВт. Установка в Порт-Кембла поставляет в электросеть города 450 кВт электричества.
В сентябре 2008 года в городке Агусадор (Португалия) для обеспечения местных жителей электроэнергией была введена в строй коммерческая волновая электростанция. Проект был создан английской компанией «Pelamis Wave Power», давно экспериментирующей с энергией океанов. Пока на станции работают только три преобразователя волновой энергии – змеевидных устройства, наполовину погруженных в воду. Диаметр каждого преобразователя – 3.5 метра, длина – 140 метров. Именно они конвертируют силу волн в электричество.
Принцип действия преобразователей прост: волны поднимают и опускают их секции, а внутренняя гидравлическая система сопротивляется движению, на основе чего вырабатывается электричество, которое по кабелям передается на берег.
Сейчас мощность станции 2,25 МВт. Спустя какое-то время будет добавлено еще 25 преобразователей и тогда мощность станции возрастет до 21 МВт, что достаточно для снабжения 15 тыс. домов.
Волны мира могут генерировать 2 тераватта энергии, что примерно в 2 раза превосходит объем всей производимой электроэнергии. Естественно, количество вырабатываемой энергии зависит от силы волн, которая, как известно, непостоянна во времени. Но ресурс, используемый волновой электростанцией, абсолютно возобновляемый.
Энергия волн – энергия, которую волны переносят по поверхности воды. Это неисчерпаемый источник, пригодный для получения электричества. Для преобразования энергии волны в электроэнергию сооружают электростанции волновые. Их монтируют непосредственно в воду.
В перспективе волновая генерация может за год выдать 4 ТВт в прибрежных зонах и до нескольких десятков ТВт в открытом море.
Природа явления
Волнообразование – есть результат воздействия солнечных лучей. Солнце нагревает воздушные массы, из-за чего они перемещаются в пространстве. В процессе перетекания воздух соприкасается с поверхностью океана, инициируя возникновение волны.
Энергоемкость конкретного волнового вала определяется:
- силой ветров;
- продолжительностью порывов;
- шириной воздушного фронта.
Максимальное значение энергоемкости одной волны достигает 100 кВт на 1 м. Данный показатель существенно понижается на мелководье, что объясняется трением о дно водоема.
Принцип действия классической волновой электростанции
Осциллирующая водяная колонна с воздушной турбиной Уэллса являет собой классический, наиболее проработанный вид волновой электростанции. Аналогичное оборудование успешно функционирует как в море, так и в прибрежной зоне.
Принцип работы одинаков и для стационарных, и для плавучих моделей. Волной в, наполовину погруженной в воду, камере поднимается уровень воды. Благодаря заполнению внутреннего объема агрегата водой, воздух, находящийся внутри, под давлением выдавливается из сосуда. Образовавшиеся воздушные потоки пропускаются через лопасти реверсивной турбины низкого давления Уэллса. Когда возникает откат воды, воздух возвращается в камеру, минуя все те же турбинные лопатки. Уэллс добился сохранения направления вращения вала турбины вне зависимости от направления движения волны, что обеспечивает непрерывность передачи крутящего момента на вал генератора.
Турбина Алана Артура Уэллса избавлена от сложных механизмов измерения шага, а также систем клапанов. Агрегат имеет симметричное сечение и сравнительно большой угол атаки лопастей. В целом механизм характеризуется:
- малым отношением скорости вращения к скорости потока воздуха;
- высоким коэффициентом лобового сопротивления;
- периодическими провалами мощности;
- КПД на уровне 40-70%;
- шумностью – издаваемые им, звуки сопоставимы со звучанием огромного органа.
Совершенствование классической модели
Принцип действия подобных агрегатов сохраняется неизменным. Конструкторы пытаются изменить архитектуру камеры, чтобы добиться максимального сжатия воздушной массы внутри нее. Усовершенствованная модель камеры позволяет изменять ее объем и геометрию в зависимости от состояния акватории.
Эффективность этой идеи доказали и теоретически, и практически. В итоге удалось избавиться от перепадов мощности станции, обусловленных падением высоты волны, и защитить оборудование от чрезмерных нагрузок и разрушения во время штормов.
Такая станция с «дышащей» камерой функционирует в Атлантике у португальских берегов. Ее мощности в 750 кВт достаточно для обеспечения электричеством около 1000 семей. Там планируется создать огромный прибрежный генерирующий каскад.
В перспективе плавучие волновые станции этого типа будут строить там, где функционируют ветровые фермы, используя единую якорную систему для электростанций обоих видов.
Буй-генератор
Ocean Power Technologies (OPT) – инжиниринговая компания из Шотландии – представила PowerBuoy PB150. Это огромный буй длиной 42 м, удерживаемый одиннадцатиметровым поплавком и якорной системой. Мощность одной станции 150 кВт.
Агрегат способен преобразовывать в электроэнергию вертикальные колебания. Погруженная часть буя-генератора зафиксирована на дне якорной системой. Поплавок перемещается по вертикали в унисон колебанию морских вод — он закреплен на подвижном штоке. Шток – часть линейного генератора, который во время прохождения обмотки статора вырабатывает электричество.
Конструкция оснащена системой датчиков, благодаря которой можно вручную адаптировать ход штока согласно силе, высоте и частоте волн, добиваясь наиболее рационального режима работы оборудования. Во избежание аварий в периоды сильных штормов шток поплавка блокируется автоматически.
К месту дислокации агрегат доставляют буксиры. Несколько подобных буев, установленные рядом, использующие общую якорную систему и единый силовой контур, образуют волновую ферму. Для установки системы мощностью 10МВт необходимо 0,125 квадратных км водной поверхности. Первый такой буй разместили в 33 морских милях от Инвергордона (Шотландия). Анализ среды вблизи функционирующего генератора показал, что он экологически нейтрален.
Преимущества и недостатки
Преимущества волновой энергетики:
- волновая электростанция способна заменить волногасители, защищающие береговую линию и прибрежные сооружения от разрушения;
- волновые электрогенераторы малой мощности можно монтировать непосредственно на мостовых опорах, причалах, принимая мощность волн;
- удельная мощность волнения волн выше удельной мощности ветров на 1-2 порядка, соответственно волновая энергетика может оказаться выгоднее, нежели ветряная.
Недостатки:
- штормовая волна способна смять лопасти водяных турбин. Проблема решается методами искусственного уменьшения мощности, заключенной в волнах;
- некоторые типы генераторов представляют реальную угрозу для безопасности мореплавания;
- в местах установки отдельных видов агрегатов промышленное рыболовство становится невозможным.
Волновая электростанция - энергетическая установка, расположенная в водной среде, целью которой является получение электрической энергии из кинетической энергии морских или океанических волн. Как и приливные, волновые электростанции располагаются на берегу или океане в непосредственной близости ВИЧ берега, с целью экономии средств на прокладку подводных электрокоммуникаций.
Первая волновая электростанция расположена в Португалии на расстоянии 5 километров от берега. Эта волновая станция была открыта 23 сентября 2008 года. Мощность данной электростанции составляет 2,25 МВт, этого достаточно для
Рис. 4.1.
обеспечение электроэнергией примерно 1600 небольших домов.
Принципиальная схема волновой электростанции аналогична принципиальной схеме гидроэлектростанции, однако вместо плотины с падающим потоком воды здесь используется гидрохвильовий преобразователь, преобразующий энергию волн в запасенную в пневмогидроакумулятори энергию рабочей жидкости.
В качестве примера рассмотрим устройство волновой электростанции Pelamis Р 750. Эта волновая электростанция состоит из нескольких устройств, представляют собой плавающие объекты - гидрохвильови поплавковые преобразователи, соединенные в одну цепь. На рис. 4.1. показана схема устройства этой волновой электростанции. Где: 1 - плавающие поплавковые преобразователи; 2-гидравлические поршни; 3 -поверхность волны; 4 - гидромагистралей; 5 - главный корпус; 6 - контрольно-распределительное устройство; 7 аккумулирующий устройство; 8 - отвод к потребителю.
Размер каждого гидрохвильового поплавкового преобразователя: длина 120 метров, диаметр 3,5 метра, вес 7S0 тонн. Между преобразователями каждой секции закреплены гидравлические поршни. Внутри каждой секции также гидравлические двигатели и электрогенераторы. Под воздействием волн конвертеры качаются на поверхности воды, и это заставляет их крутиться. Движение каждой секции приводит в работу гидравлические поршни, которые, в свою очередь, приводят в движение маслу. Масло проходит через гидравлические двигатели. Эти гидравлические двигатели приводят в движение электрические генераторы, которые делают электроэнергию. Мощность одного такого конвертера составляет 750 кВт. В электрическую энергию превращается примерно 1% энергии волн.
Существует много возможностей получения энергии из волн морей и океанов.
Рис. 4.2.
Среди которых наибольшее распространение получили поглотители колебаний - плавающие на поверхности аттенюаторы и установлены на дне приливные турбины. Одним из интересных решений является энергетический буй - полностью автономное устройство. В этом устройстве используется винтовой компрессор, который крепится якорем ко дну и плавает на поверхности. Электроэнергии производится за счет преобразования поршневой системой и электрогенератором вертикальных перемещений буя на волнах. На берег электричество подается по подводному кабелю.
Интересное устройство под названием Searaser разработан в Англии и напоминает волновую электростанцию, использующую энергию вертикального движения поплавка. Однако сам поплавок не имеет электрических систем и представляет обычный механический насос, который закачивает морскую воду на большую высоту в прибрежные скалы. Этот проект получил название - гидроаккумулирующая электростанция, на рис. 4.3. приведено устройство станции: 1- верхний поплавок; 2 - поверхность волны; 3 - нижний поплавок; 4 - клапан; 5 - поршень; 6-шлзнг; 7 - поплавок поддержки шланга; 8, 9 бетонные якоря; 10 - коллектор. Как видно из приведенного рисунка, основой установки есть 2 поплавка, способных двигаться друг относительно друга. Верхний раскачивается волнами, нижний соединен с дном с помощью цепи и якоря. Между поплавками находится "насосная станция" (цилиндр с поршнем двойного действия, КОТОРЫЙ качает воду при движении вниз и вверх) и клапанами с выходными трубами. Автоматическая подстройка высоты положения верхнего поплавка в зависимости от уровня моря, который меняется в прилив и отлив - телескопическая труба, раздвигается и сложная под действием сил Архимеда и тяжести. К этой "приливной" колонне крепится насос с верхним поплавком. Вода, через коллектор подается на сушу, в горы. В горах устраивается бассейн, в котором вода накапливается и выпускается обратно в море, по пути вращая турбину электростанции, идентичной традиционной ГЭС, но без дамбы. Один полноразмерный поплавок Searaser должен развивать мощность до 0,25 МВт. Основная преимущества в подобной установки, по сравнению с другими,
Рис. 4.3. Гидроаккумулирующей электростанции
заключаются в следующем. В поплавки отсутствуют провода, магниты, которые или электрические контакты и герметичные отсеки для оборудования, что делает его гораздо более дешевым, простым и надежным. Турбины и электрогенераторы волновой станции, расположенные на берегу. В отличие от волновых электростанций, других типов, установка Searaser решает проблему неравномерности силы волн.
В волновых устройств с пневматическими преобразователями под действием волн воздушный поток периодически изменяет свое направление на обратное. Для этих условий и разработана турбина Уэллса, ротор которого имеет выпрямляя действие сохраняя неизменным направление своего вращения при смене направления воздушного потока, следовательно, поддерживается неизменным и направление вращения генератора.
Турбина нашла широкое применение в различных волно-энергетических устройствах. Волновой энергетический устройство "кайма" - самая мощная действующая энергетическая установка с пневматическими преобразователями - построена в Японии в 1976 г.. В своей работе она использует волны высотой до 6 -10 м. На барже длиной 80 м, шириной 12 м и водоизмещением 500 т установлены 22 воздушных камеры, открытые снизу. Каждая пара камер работает на одну турбину Уэллса. Общая мощность установки 1000 кВт. Первые испытания были проведены в 1978 - 1979 pp. у города Цуруока. Энергия передавалась на берег по подводному кабелю длиной около 3 км.
В 1985 в Норвегии в 46 км к северо-западу от города Берген построена промышленная волновая станция, состоящая из двух установок. Первая установка на острове Тофтесталлен работала по пневматическому принципу. Она представляла собой железобетонную камеру, углубленную в скале; над ней была установлена стальная башня высотой 12,3 мм и диаметром 3,6 м. Входящие в камеру волны создавали изменение объема воздуха. Возникающий поток через систему клапанов приводил во вращение турбину и связанный с ней генератор мощностью 500 кВт, годовая выработка составил 1200000. КВт. ч. Однако сильным штормом в конце 1988 башня станции была разрушена.
Конструкция второй установки состоит из конусообразного канала в ущелье длиной около 170 м с бетонными стенками высотой 15 м и шириной в основании 55 м, что входит в резервуар между островами, отделенный от моря дамбами, и плотины с энергетической установкой. Волны, проходя по каналу, сужается увеличивают свою высоту с 1,1 до 15 м и вливаются в резервуар, уровень которого на 3 м выше уровня моря. Из резервуара вода проходит через низконапорные гидротурбины мощностью 350 кВт. Станция ежегодно производит до 2 млн. КВт * ч. электроэнергии.
В Великобритании разрабатывается оригинальная конструкция волновой энергетической установки типа "моллюск", в которой в качестве рабочих органов используются мягкие оболочки - камеры. В камерах находится воздух под давлением, несколько большим атмосферного давления. Накатом волн камеры сжимаются, образуется замкнутый воздушный поток из камер в каркас установки и обратно. На пути потока установлены воздушные турбины Уэллса с электрогенераторами. Сейчас создается опытная плавучая установка с б камер, укрепленных на каркасе длиной 120 м и высотой 8 м. Ожидаемая мощность 500 кВт. Дальнейшие разработки показали, что наибольший эффект дает расположение камер по кругу. В Шотландии на озере Лох-Несс была испытана установка, состоящая из 12 камер и 8 турбин. Теоретическая мощность такой установки до 1200 кВт.
Проект, известный под названием "утка Солтера", представляет собой преобразователь волновой энергии. Рабочей конструкцией является поплавок - "утка", профиль которого рассчитан по законам гидродинамики.
Конструкция этого волнового преобразователя энергии показано на рис. 3.5. В проекте предусматривается монтаж большого количества крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение силой собственного веса. При этом приводятся в действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводит в движение турбины, установленные между поплавками и поднятые над поверхностью моря. Вырабатываемая электроэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20 - 30 поплавков. В 1978 была испытана модель установки, состоявшая из 20-ти поплавков диаметром 1 м. Выработанная мощность составили 10 кВт. Разработан проект мощной установки из 20 - 30 поплавков диаметром 15 м, укрепленных на валу, длиной 1200 м.
Рис. 4.4. Преобразователь волновой энергии "утка Солтера"
Предполагаемая мощность установки 45 тыс. КВт. Подобные системы, установленные у западных берегов Британских островов, могут обеспечить потребности Великобритании в электроэнергии.
В качестве перспективных энергетических установок можно отметить преобразователь, использующий энергию водяного столба, колеблется. Принцип работы такого преобразователя заключается в следующем. При набегании волны на частично погруженную полость, открытую под водой, столб жидкости в полости колеблется, вызывая изменения давления в газе над жидкостью. Полость связана с атмосферой через турбину. Поток может регулироваться так, чтобы проходить через турбину в одном направлении, или может быть использована турбина Уэллса. Уже известны, по крайней мере, два примера коммерческого использования устройств на этом принципе - сигнальные буи, внедренные в Японии Масудой и в Великобритании сотрудниками Королевского университета Белфаста. Больше и впервые включено в энергосеть устройство построено в Тофтестоллене (Норвегия) фирмой Kvaemor Brug A / S. Основной принцип действия преобразователя, использующего принцип колеблющегося столба показано на рис. 4.4. На этом Рис.: 1 - волновой подъем уровня; 2 - воздушный поток; 3 - турбина; 4 - система впуска и выпуска воздуха; S - направление волны; 6 - опускание волнового уровня; 7 - морское дно.
Рис. 4.5.
В Тофтестоллени он используется в 500-киловаттный установке, построенной на краю отвесной скалы. Кроме того, национальная электрическая лаборатория (NEL) Великобритании предлагает конструкцию, устанавливаемую непосредственно на морском дне. Главное преимущество устройств на принципе водяного колеблющегося столба заключается в том, что скорость воздуха перед турбиной может быть значительно увеличена за счет уменьшения проходного сечения канала. Это позволяет сочетать медленный волновое движение с высокочастотным вращением турбины. Кроме того, здесь создается возможность изъять генерирующий устройство из зоны непосредственного влияния соленой морской воды.
Существуют и другие, менее известные способы преобразования энергии волн в электрическую энергию. Так, волновая электростанция Oceanlinx в акватории города Порт-Кемпбелла (Австралия) использует волны для того, чтобы нагнетать воздух в огромные меха. Сжатый воздух под давлением проходит через турбину, вращая ее лопасти. В результате вырабатывается электроэнергия. Установка Oceanlinx в Порт-Кемпбелла поставляет в электросеть города 450 кВт электроэнергии. У побережья США в Орегоне строится "буйковых" электростанция. Буи под воздействием волн качают магнитный стержень внутри ведущей катушки и генерируют электрический ток.
Електробуйкы, разрабатываемые в Орегонского университете, планируется размещать на расстоянии в два-три километра от побережья. По предварительным расчетам, территория в 25 кв. км сможет поставить электричеством весь штат.
Некоторые типы разработанных и разрабатываемых волновых энергетических установок используют разницу оценок гребня и впадины волны. За счет перелива гребней волны, например, через дамбу, или за счет попеременного открытия клапанов или задвижек происходит заполнение емкостей - бассейнов, перепад, образовавшаяся, уровней в емкости и в море используется водяным колесом или низконапорной гидравлической турбиной для выработки электроэнергии или привода других механизмов. Наиболее известной установкой этого типа является "шлюз Рассела". С целью увеличения действующего перепада уровней (напора) используется эффект набегания волны на пологую поверхность. Для этого рабочая поверхность изготавливается в виде наклонного лотка, сужающийся к верху. Морская волна высотой 1,1 м, собранная по волновому фронту длиной 350 м, при концентрации ее в 12-метровом канале, может привести к возникновению стоячей волны с амплитудой 17 м. Экспериментально установлено, что установка, содержащая наклонную плоскость с углом наклона 30 °, обеспечивает поднятие уровня воды на 2,5 м при средней высоте волны 1,5 м. В США разрабатывается установка этого типа под названием "Дэм Атолл". Основным элементом установки является часть сферы диаметром 100 м и высотой до 30 м, выпуклой частью, выступающей над уровнем моря. На поверхности этого искусственного острова расположены хвиленаправляючи ребра, а в середине - водоприемный отверстие и водовод диаметром до 18 м с гидротурбиной. Горизонтальное давление набегающих волн, может восприниматься и непосредственно различными упругими или подвижными стенками, перемещение которых преобразуется во вращение вала генератора или давление рабочей среды в поршневом насосе. К конструкциям этого типа относится установка "триплейт", предложенная Ф.
Фарлеем. Испытания установки в Великобритании в лабораторных условиях при волнах длиной от 1,5 до 7 м, а также в натурных условиях на крупномасштабной модели при волнах длиной 150 м показали, что расчетный КПД может достигать 80-90% и более.
В настоящее время наиболее распространенными волновыми установками являются поплавковые. Рабочее тело таких установок -поплавець - находится на поверхности моря и совершает вертикальные колебания в соответствии с изменениями уровня воды при ветровом волнении. Вертикальные перемещения поплавка используются для попеременного сжатия газа или жидкости в какой-либо емкости, либо они превратятся во вращательное движение электрического генератора и т.п. Например, буй диаметром 16 м, разработанный в Норвегии, при амплитуде вертикальных перемещений 8 м способен при КПД 80% производить до 4 млн. КВт ч. в год. Амплитуда колебаний поплавка может быть существенно (в 10-12 раз) увеличена за счет совершенствования его конструкции. Для увеличения амплитуды (резонанса) вертикальный цилиндрический поплавок частично (в зависимости от параметров волны и поплавка) заполняется водой или к поплавки подвешивается груз соответствующей массы. Крупномасштабная модель резонансного поплавка, исследована в Японии, имела диаметр 2,2 м, высоту 22 м, массу 13,5 т, пропеллерную турбину диаметром 0,8 м. Амплитуда колебаний поплавка достигала 8 м при волнах высотой от 0,5 до 1, 5 м. На рис. 4.6. показано устройство такой поплавковой станции.
Рис. 4.6.
Где: 1 - поплавок 2 - сжимаемая жидкость 3 - электротурбина с генератором.
Перечисленные выше типы волновых энергетических установок включают элементы, находящиеся на поверхности моря и поэтому подвержены влиянию не только расчетных, но и экстремальных штормовых волн. Для предотвращения такого воздействия можно располагать рабочее тело полностью под уровнем моря. В таких установках "набегающая волна" давления, обусловленная разницей давлений под гребнем и впадиной волны, используется для сжатия эластичных оболочек, уложенных на дно моря в направлении движения волны, или влияния на горизонтальную площадку, укрепленную на опорах на дне моря. Толчки давления в оболочках или над горизонтальной площадкой используются для повышения давления и перемещения рабочей жидкости или газа.
В Великобритании предложена установка "упругая труба", способная воспринимать не только вертикальную, но и горизонтальную составляющую гидростатического давления. Исследования на модели показали высокую скорость реакции "трубы" на изменение волнового давления. В Бристольского университете Великобритании еще в 1976 г.. Была предложена установка под названием "Бристольский цилиндр". Установка представляет собой круговой цилиндр, полностью погружен в поверхностный слой воды параллельно фронту волны. Цилиндр имеет положительную плавучесть и содержится в затопленном состоянии якорной системой, в связях которой устанавливаются погрузочные устройства, например, гидроцилиндры.
В Японии в эти годы сделали и испытали первую в мире крупномасштабную оффшорную плавающую установку "Каишеи" в Японском море. Установка включала 9 генераторов на борту, которые были установлены выше волно-приемных камер, открытые ниже уровня воды. Волнение вызвало периодический сжатие и разрежение воздуха, прогоняли через воздушные турбины с приводом на генераторы. Кроме того, в Японии были сделаны другие по типу большие волновые установки, включая Caisson-type Oscillating Water Column prototype. Эта установка имеет 4 кессона с габаритными размерами каждого кессона 20,9 х2 4,3 х 27,0 метра. Рабочая глубина воды составляла 18 м. Каждый кессон имел 4 открытых с фронтальной части отверстия, обращенных к набегающих волн. Каждое отверстие отвечал отдельном отсеке камеры, которые разделены стинками- перегородками. Поршневая действие осцилуючих водяных колонн вызвал движение воздуха через турбины Уэльса (1,34 м в диаметре, 16 лопастей). Использовали генераторы на 60 кВт каждый. Данный прототип испытывали в Японском море в порту Саката в префектуре Ямагата. Португалия реализует проект 0,5 мегаваттной береговой волновой энергетической установки на острове Рисо (Азорские острова). Размеры бетонной компрессионной камеры составляют 12 × 12 м, а воздуховод для воздушной турбины Уэльса имеет диаметр 2,3 м. В Индии построена опытная установка на 150 кВт также с турбиной Уэльса около острова Тривандрум.
Эдинбургский фирма Aquamarine Power сдала в эксплуатацию Европейском исследовательском центре морской энергии (European Marine Energy Centre), крупнейшая в мире волновую электростанцию "Устрица" (Oyster), созданную при содействии ученых из Королевского университета в Белфасте (Queen"s University Belfast).
Элементы "Устрицы", установленные на дне вряд, похожие на растянутые автонасосы. их вертикальные стенки собраны из пяти больших параллельных труб- поплавков. Волна, идущая к берегу наклоняет эту стенку (вроде бы слегка качает насос ногой) и и, возвращаясь на петлях вокруг горизонтальной оси, приводит в действие поршень, нагнетает воду в трубопровод высокого давления. Поступающая под давлением на берег вода крутит ротор электрогенератора. Расположение между морем и сушей устройства для сбора волновой энергии и електропреобразователи реализован впервые. Выгоды такого варианта размещения действительно очевидны: материалы на суше проработает дольше, и ее обслуживать проще. Oyster уже включен в потребительскую электросеть и начал исправно питать энергией несколько сотен домов на шотландском побережье. На сегодня в морях работают уже десятки сравнительно небольших волновых электростанций. Первая в мире большая коммерческая ВЭС начала генерировать ток в прошлом году в Португалии под городком Агусадора.
В целом создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии, эффективной конструкцией станции, в которую встроены устройства сглаживания неравномерного режима волнения. Считается, что эффективно волновые станции могут работать при использовании мощности около 80 кВт / м. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока в 2-3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости. Мощные многомодульные волновые установки могут служить хорошей энергетической базой для создания экологически чистых объектов перерабатывающей промышленности морского и прибрежного базирования.
Волновая электростанция – это один из подвидов электростанций, использующих для выработки электроэнергии кинетическую энергию воды. В данном случае используется энергия волн морей и океанов.
Это относительно новый вид энергетики, хотя ее история насчитывает уже более 200 лет. Чаще всего волновые электростанции устанавливаются недалеко от прибрежных зон там, где потенциальная волновая активность выше всего. К таким местам относятся: западно-европейское побережье, северное побережье Англии, Тихоокеанское побережье Америки (обоих континентов), прибрежная зона Южной Африки, Австралии и Новой Зеландии.
История
Первая так называемая «волновая мельница» была запатентована Парижским патентным бюро аж в 1799 году. С этого момента инженерами и учеными производились многочисленные попытки использования кинетической энергии волн для выработки электричества . Вплоть до начала 20-го века было множество подобных изобретений, правда не одно из них так и не использовалось в промышленных масштабах.
Лишь в 1973 году после катастрофической нехватки нефтяных запасов (нефтяной кризис) интерес исследователей и ученых к альтернативной энергетике заметно возрос. Начались активно разрабатываться и создаваться, в том числе и волновые электростанции.
Первая промышленная волновая электростанция, разработка которой началась в 2005 году, была введена в эксплуатацию 23 сентября 2008 года в 5-ти километровой прибрежной зоне Португалии (район Агусадора). Ее эксплуатационная электрическая мощность составила 2,25 МВт. Сейчас она обеспечивает светом более 1,5 тыс. частных домов.
Принцип работы
Современная волновая электростанция состоит из нескольких специальных конвертеров, мощность каждого из которых может достигать 1 МВт. Каждый конвертер состоит из нескольких секций, между которыми закреплены на движимых конструкциях гидравлические поршни. К каждому поршню или системе поршней привязан гидравлический двигатель, который приводит во вращение электрический генератор .
Под действием волн конвертер начинает качаться, что приводит в движение гидравлические поршни. Последние создают в гидравлической системе, в которой находится масло, давление, а оно в свою очередь движет гидравлическими двигателями.
Один конвертер может достигать в длину до 150 метров и иметь диаметр около 3 метров. Вес одной такой установки не редко достигает 700 – 800 тонн.
Есть и другие конструкции конвертеров, которые представляют собой отдельные буи, расположенные не горизонтально, а вертикально. Принцип их работы аналогичен предыдущему с той лишь разницей, что гидравлические поршни имеют несколько иную форму.
Сложность конструкций всех существующих конвертеров заключается лишь в эксплуатационных особенностях механических их частей. Ведь волновые электростанции, как правило, находятся в соленой воде, поэтому очень важно не допустить ее контакта с металлическими элементами конвертера.
Также очень часто приходится использовать специальные приспособления (волнорезы и тормозные щиты), чтобы снизить чрезмерную энергию волны, которая с легкостью может разрушить всю конструкцию.
Удельная мощность всех волн морей и океанов намного превосходит как ветровую, так и солнечную суммарную энергию. Ученые подсчитали, что средняя эквивалентная мощность волны на нашей планете равняется примерно 15 кВт на погонный метр. И это при средней высоте волн до 1 метра. Если же волны, а это бывает не так уж и редко, достигают высоты 2 и более метров, их эквивалентная мощность может доходить до 80 кВт/м пог.
Воды Мирового океана скрывают в себе несметные богатства, главными из которых, пожалуй, являются безграничные источники энергии в виде морских волн. Впервые об использовании кинетической энергии накатывающихся на берег валов задумались в 18 веке в Париже, где был представлен первый патент на волновую мельницу. Сейчас технологии шагнули далеко вперед, и совместными усилиями ученых была создана первая коммерческая волновая электростанция, которая начала эксплуатироваться в 2008 году.
Почему это выгодно?
Ни для кого не секрет, что природные богатства находятся на грани истощения. Запасы угля, нефти и газа - основных энергетических источников - подходят к концу. По самым оптимистичным прогнозам ученых, запасов хватит для 150-300 лет жизни. Атомная энергетика тоже не оправдала ожиданий. Большая мощность и производительность окупают затраты на строительство, эксплуатацию, но проблемы захоронения отходов и нанесения ущерба окружающей среде скоро заставят отказаться и от них. По этим причинам ученые ищут новые Сейчас уже действуют ветровые и солнечные электростанции. Но при всех своих достоинствах они имеют существенный недостаток - низкий КПД. Удовлетворить потребности всего населения не удастся. Поэтому необходимы новые решения.
Для выработки электричества волновая электростанция использует кинетическую энергию волн. По самым скромным подсчетам, этот потенциал оценивается в 2 млн МВт, что сравнимо с 1000 работающих на полную мощность атомных электростанций, а на один метр фронта волны приходится около 75 кВт/м. При этом не наблюдается абсолютно никакого вредного воздействия на окружающую среду.
Общая схема работы
Волновыми электростанциями называют плавучие сооружения, которые способны преобразовывать движения волн в электрическую и передавать ее потребителю. При этом стараются использовать два источника:
- Кинетические запасы. Морские валы проходят через трубу большого диаметра и вращают лопасти, которые передают усилие на электрогенератор. Применяется и пневматический принцип - вода, проникая в специальную камеру, вытесняет оттуда кислород, который перенаправляется по системе каналов и вращает лопасти турбины.
- Энергия качения. В этом случае волновая электростанция выступает в роли поплавка. Перемещаясь в пространстве вместе с профилем волны, она посредством сложной системы рычагов заставляет вращаться турбину.
Разными странами используются свои собственные технологии преобразования механического движения волн в электричество, но общая схема действия у них одинаковая.
Недостатки волновых электростанций
Главным препятствием на пути к обширному внедрению волновых электростанций является их стоимость. Из-за сложной конструкции и сложной установки на поверхность морских вод затраты на внедрение подобных установок в эксплуатацию выше, чем на строительство АЭС или ТЭС.
Кроме того, наблюдается и ряд других недостатков, которые в основном связаны с появлением социально-экономических проблем. Дело все в том, что крупные поплавковые станции создают опасность и мешают мореходству и рыболовству - поплавковая волновая электростанция может просто вытеснить человека из промысловых зон. Возможны и экологические последствия. Использование установок значительно гасит морские валы, делает их меньше и не дает пробиться на берег. Между тем волны играют важную роль в процессе газообмена океана, очищения его поверхности. Все это может привести к смещению экологического равновесия.
Положительные стороны волновых электростанций
Вместе с недостатками волновая электростанция имеет и ряд преимуществ, которые оказывают положительное воздействие и на деятельность человека:
- установки, благодаря тому что гасят энергию волны, могут защищать прибрежные сооружения (причалы, порты) от разрушения силой океана;
- выработка электричества происходит с минимальными затратами;
- высокая мощность волнения делает ВЭС экономически более выгодными, нежели ветровые или солнечные электростанции.
Запасами энергии обладают и воды суши, главным образом реки. Сооружение станций на мостах, переправах, причалах является перспективой развития этой области выработки электроэнергии.
Проблемы, которые надо решить
Основная задача, которая стоит перед научным сообществом сейчас, - это совершенствование конструкции, что позволит снизить себестоимость электричества, которое вырабатывают волновые электростанции. Принцип работы должен остаться тем же, но применяться для создания установок будут уже новые технологии и материалы.
Средняя мощность волны составляет 75-85 кВт/м - именно на такой диапазон настраиваются большинство станций. Однако во время шторма сила морских валов увеличивается в несколько раз и создается опасность разрушения установок. Уже не одна лопасть была смята или погнута после шторма. Для решения этой проблемы ученые искусственными методами снижают удельную мощность волн. Одна из проблем состоит в том, что массовое использование волновых станций приведет к изменению климата. Генерация электрической энергии осуществляется за счет вращения Земли (именно так образуются волны). Повсеместное использование станций заставит планету вращаться медленнее. Человек разницу не почувствует, но это уничтожит ряд течений, которые играют важную роль в теплообмене Земли.
Первая в мире опытная ВЭС
Первая волновая электростанция появилась в 1985 году в Норвегии. Ее мощность составила 500 кВт, а сама она представляла собой опытный образец. Ее принцип действия основан на циклическом сжатии и расширении среды:
- цилиндр с открытым дном погружен в воду так, чтобы его край был ниже ложбины волны - самой нижней ее точки;
- периодически набегающая вода сжимает воздух во внутренней полости;
- по достижении определенного давления открывается клапан, который дает проход сжатому кислороду к турбине.
Такая электростанция вырабатывала 500 кВт энергии, чтобы было достаточно для подтверждения действенности установок, что способствовало их развитию.
Первая в мире промышленная электростанция
Первой в мире установкой промышленного масштаба считается Oceanlinx в акватории Порт-Кембл, в Австралии. Она введена в эксплуатацию в 2005 году, но затем была отправлена на реконструкцию и в 2009 году вновь заработала, из-за чего в регионе теперь используются и приливные, и волновые электростанции. Ее принцип действия состоит в следующем:
- Волны периодически забегают в специальные камеры, заставляя сжиматься воздух.
- По достижении критического давления через сеть каналов вращает электрогенератор.
- Для улавливания движения и силы волн лопасти турбины меняют свой угол наклона.
Мощность установки составила порядка 450 кВт, хотя каждая секция станции способна выдавать от 100 кВт*ч до 1,5 МВт*ч электрической энергии.
Первая в мире коммерческая ВЭС
Первая волновая электростанция коммерческого назначения заработала в 2008 году в Агусадоре, Португалия. Более того, она первая в мире установка, которая использует непосредственно механическую энергию волны. Проект подготовила английская компания Pelamis Wave Power.
В состав конструкции входит несколько секций, которые отпускаются и поднимаются вместе с профилем волны. Секции шарнирно скреплены с гидравлической системой и во время движения приводят ее в действие. Гидравлический механизм заставляет вращаться ротор генератора, благодаря чему и вырабатывается электроэнергия. Используемые в Португалии волновые электростанции плюсы и минусы имеют. Преимущество установки заключается в большой мощности - около 2,25 МВт, а также в возможности установки дополнительных секций. Недостаток установки системы один - возникает сложности с по проводам к потребителю.
Первая в России волновая электростанция
В России первая ВЭС появилась в 2014 году в Приморском крае. Разработкой занимался коллектив ученых из и Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН. Установка имеет экспериментальный характер. Ее особенность в том, что она использует энергию не только волн, но и приливов/отливов.
В Москве предполагается строительство научно-исследовательской лаборатории, которая займется разработкой и созданием первой отечественной поплавковой станции. Возможно, после этого волновые электростанции в России тоже будут иметь промышленное или коммерческое назначение.
