В нашей стране интерес к волновым преобразователям возник в 20-30гг. XX века. В 1935г. наш великий соотечественник К.Э. Циолковский опубликовал статью «Волнолом и извлечение энергии из морских волн», в которой описал принципиальные схемы трех типов устройств и в настоящее время относящихся к разряду наиболее перспективных. В них без труда узнаем (рис. 2.1) аналоги будущих устройств разработанных Масудой, Кайзером, Коккереллом. Российский ученый К.Э. Циолковский считал, что первые две системы не оригинальны, но относительно новизны последней - контурного плота - не сомневался.
Рис. 2.1.
описанные К.Э. Циолковским: а,б - пневматические; в - контурный плот.
В 70-х годах прошлого века на Черном море испытывалась модель волнового плота. Она имела длину 12 м, ширину поплавков 0,4 м. На волнах высотой 0,5 м и длиной 10 - 15 м установка развивала мощность 150 кВт. (рис.2.2)
Рис. 2.2. Вариант выполнения контурного плота Коккерелла: 1 - колеблющаяся секция; 2 - преобразователь; 3 - тяга; 4 - шарнир.
Детальные лабораторные испытания модели плота в масштабе 1/100 показали, что его эффективность составляет около 45 %. Это ниже, чем у «утки» Солтера, но плот привлекает другим достоинством: близость конструкции к традиционным судостроительным.
В современной России существует множество разработок волновых электростанций, все они реализованы в той или иной степени. Одним из таких проектов является совместная разработка компании ОАО «OceanRusEnergy» и Уральский федеральный университет (УрФУ г. Екатеринбург).
Рис. 2.3.
При создании волнового движения в верхней и нижней точках прохождения волны, маятник совершает возвратно-поступательные движения, аккумулируя потенциальную энергию в пружине. При вращении вала генератора вырабатывается переменный ток. Для создания постоянного тока предусмотрены небольшие выпрямители (например, по схеме Ларионова), что позволяет осуществлять зарядку АКБ (аккумуляторная батарея).
Схема воздействия волны на поплавковый микромодуль волновой микро ЭС (ВГЭС) представлена на рис. 2.4.
волновой электростанция поплавковый микромодуль
Рис. 2.4
При испытаниях модуля ВГЭС имитировалась волновая качка Баренцева моря с периодом колебания волны от 1 до 3,5 секунд, среднегодовой скоростью ветра 7-9 м/с, расчетной гарантированной амплитудой колебаний (высота волны) 20 см и 30 см. Для имитации волн был использован кривошипно-шатунный механизм (КШМ) с продольным движением конечного звена - тяги. КШМ преобразовывал вращение вала двигателя в возвратно-поступательное движение тяги. В качестве привода был выбран асинхронный двигатель мощностью Р=1 кВт и частотой вращения n0 не менее 3000 об/мин. Редуктор был подобран из расчета передаточного отношения Z=25.
Использование в исследовании режимов имитации волн с амплитудой А=20, А=30, и периодом колебаний Т=2, 3, 3.5 с позволило получить необходимые электротехнические значения и характеристики для оценки генерируемой мощности и определить оптимальные и эффективные режимы работы исследуемой поплавковой ВГЭС.
Испытания на стенде проводились в лаборатории волновой энергетики Евроазиатского центра ВИЭ УрФУ. Испытуемый образец ВГЭС представлен на рис. 2.5.
Рис. 2.5.
Пример электротехнических параметров генерирующего модуля при постоянном токе(DC) представлен на графике.
График показателя мощности ВГЭС при амплитуде колебаний 0,2м и периоде 1 с.
Результаты экспериментов с имитацией волн разной амплитуды и периода колебаний волн Т показали, что генерируемая мощность одного модуля ВГЭС составляет 15-60 Вт. Увеличение мощности до уровня, нескольких кВт, решается за счет использования нескольких микромодулей ВГЭС, объединенных в единый кластер (рис.2.6)
Рис. 2.6.
Дальнейшее наращивание мощности ВГЭС до нескольких десятков и сотен кВт может быть реализовано путем сборки большего числа микромодулей в кластеры ВИЭ на базе волновых микромодулей (рис. 2.7).
Рис. 2.7.
Заключение
В случае непосредственного использования электроэнергии, вырабатываемой волновой станцией, для хозяйственных нужд ее нельзя рассматривать как самостоятельный источник. Непостоянство во времени и пространстве, сезонный характер самого ресурса требуют иметь в резерве какой-то дополнительный источник электроэнергии, либо подключать волновую электростанцию к энергосети, позволяющей за счет сторонних источников компенсировать снижение мощности из-за уменьшения волнения, либо, наконец, использовать аккумулирование энергии.
Еще одна трудность при создании волновых преобразователей - обеспечение их живучести в случае экстремальных волновых нагрузок, значительно превышающих расчетные режимы эксплуатации. Среднее значение мощности, для Северной Атлантики составляет примерно 50 кВт/м. Во время сильного шторма эта величина может достичь значения 2 МВт/м при высоте волн 15 м. Наблюдавшиеся в этом же районе максимальные волны (так называемые «пятидесятилетние волны») имели высоту до 34 м. Для этого района считается целесообразным разрабатывать устройства, рассчитанные на нормальную работу в диапазоне мощностей 50--150 кВт/м. Таким образом, чтобы противостоять штормам средней силы преобразователи энергии волн должны иметь установленную мощность, значительно превышающую среднюю. Это не спасает их от сильных штормов. Здесь предложено несколько вариантов защиты. Например, в случае такого шторма преобразователь может быть затоплен. Другой вариант -- так рассчитывать преобразователи, чтобы с увеличением волнения выше оптимального их эффективность падала. Однако, в любом случае возникают серьезные трудности при обслуживании, передаче энергии, удержании на якоре. Возникают даже совершенно новые проблемы. Например, срыв с якоря одного из точечных преобразователей может привести к разрушению соседних с ним устройств. Выбрасывание же на берег аварийных устройств может привести к опасности разрушения береговых сооружений.
Трудности создания энергетики на преобразовании энергии волн достаточно велики. Их преодоление потребует еще многих усилий разработчиков и ученых. В настоящее время в мире уже эксплуатируется около 400 автономных навигационных буев, использующих энергию воды. Однако уже в этом столетии прогнозируется возможное получение от океанских волн мощности не менее 10 ГВт (мощность Красноярской ГЭС около 12 ГВт).
Преимущества волновой энергии состоят в том, что она достаточно сильно сконцентрирована, доступна для преобразования и на любой момент времени может прогнозироваться в зависимости от погодных условий. Создаваясь под действием ветра, волны хорошо сохраняют свой энергетический потенциал, распространяясь на значительные расстояния. Например, крупные волны, достигающие побережья Европы, зарождаются во время штормов в центре Атлантики и даже в Карибском море.
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.
Использование: к гидроэнергетике, преобразование энергии волн в электрическую энергию. Сущность изобретения: волновой генератор содержит опору, вертикальный цилиндрический корпус с крышкой и днищем, в котором выполнено волноприемное отверстие, обратный клапан и преобразователь энергии волн в виде вертикального вала, жестко соединенный с крышкой корпуса, в нижней части боковой стенки которого выполнены вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия. Новым является то, что в конструкции имеются второй вертикальный цилиндрический корпус, электрогенератор, волноприемные отверстия, причем второй вертикальный цилиндрический корпус подвижно связан с первым корпусом посредством вертикального вала, жестко соединенного с крышкой второго корпуса, и на валу жестко посажен магнитный кольцевой ротор электрогенератора, а статор жестко соединен с днищем первого корпуса, который связан с опорой, причем вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия второго корпуса направлены в сторону противоположную таким же отверстиям первого корпуса. 3 ил.
Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства для создания дополнительных источников энергии. Известен волновой двигатель, содержащий вертикальный корпус с волноприемным отверстием, клапан и преобразователь энергии волн, где корпус выполнен цилиндрическим с крышкой и днищем, волноприемное отверстие выполнено в днище, клапан выполнен обратным и установлен в отверстии, преобразователь представляет собой вертикальный вал и жестко соединен с крышкой корпуса, при этом в нижней части боковой стенки корпуса выполнены вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия. Недостатком известной конструкции является низкий КПД. Техническим результатом изобретения является повышение КПД. Технический результат достигается тем, что в волновом генераторе, содержащем вертикальный цилиндрический корпус с крышкой и днищем, в котором выполнено волноприемное отверстие, обратный клапан и преобразователь энергии волн в виде вертикального вала, жестко соединенный с крышкой корпуса, в нижней части боковой стенки которого выполнены вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй вертикальный цилиндрический корпус, электрический генератор, опору, волноприемные отверстия, причем второй вертикальный цилиндрический корпус подвижно связан с первым корпусом посредством вертикального вала, жестко соединенного с крышкой второго корпуса, и на валу жестко посажен ротор генератора, а статор жестко соединен с днищем первого корпуса, который связан с опорой, причем вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия второго корпуса направлены в сторону, противоположную таким же отверстиям первого корпуса. На фиг.1 показан волновой генератор; на фиг.2 и 3 первый и второй соответственно цилиндрические корпуса, разрез. Волновой генератор содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с крышкой и днищем, в котором выполнено волноприемное отверстие 2, обратный клапан 3 и преобразователь энергии волн в виде вертикального вала 4, жестко соединенный с крышкой корпуса, в нижней части боковой стенки которого выполнены вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия 5. Основными отличительными признаками являются второй вертикальный цилиндрический корпус 6, электрогенератор 7, опора 8, волноприемные отверстия 9, причем второй вертикальный цилиндрический корпус 6 подвижно связан с первым корпусом 1 посредством вертикального вала 10, жестко соединенного с крышкой второго корпуса, и на валу 10 жестко посажен магнитный кольцевой ротор 11 электрогенератора 7, а статор 12 жестко соединен с днищем первого корпуса 1, который связан с опорой 8, причем вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия 13 второго корпуса 6 направлены в сторону, противоположную таким же отверстиям 5 первого корпуса 1. Волновой генератор устанавливается на некоторую глубину и работает следующим образом. При увеличении гидростатического давления возрастает давление и внутри вертикальных корпусов 1 и 6. Через обратные клапана 3, установленные в волноприемных отверстиях 2 и 9 вода вливается в корпуса 1 и 6 и приводит к уменьшению объема воздушных зазоров, которые образуются при установке генератора на глубину и находятся в верхних частях корпусов 1 и 6. Далее при спаде гидростатического давления под действием упругих сил сжатого воздуха вода с реактивной силой выбрасывается через тангенциально направленные щелевые отверстия 5 и 13, что вызывает вращательное движение корпусов 1 и 6, а следовательно, магнитного кольцевого ротора электрогенератора 11 и статора 12, причем они вращаются в противоположные друг от друга стороны, так как. вертикальные тангенциально направленные щелевые отверстия 5 и 13 корпусов 1 и 6 направлены в противоположные стороны относительно друг друга. При этом магнитные силовые линии ротора 11, пронизывая обмотку статора 12, наводят в них ЭДС. Если обмотку статора замкнуть через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотках статора 12 возникает ток.
Формула изобретения
Волновой генератор, содержащий опору, вертикальный цилиндрический корпус с крышкой и днищем, в котором выполнено волноприемное отверстие, обратный клапан и преобразователь энергии волн, выполненный в виде вертикального вала, жестко соединенного с крышкой корпуса, в нижней части боковой стенки которого выполнены вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия, отличающийся тем, что он снабжен электрическим генератором и вторым вертикальным цилиндрическим корпусом с волноприемными и вертикальными тангенциально расположенными щелевыми отверстиями, причем второй корпус подвижно связан с первым посредством дополнительного вертикального вала, жестко соединенного с крышкой второго корпуса, на дополнительном валу жестко закреплен магнитный кольцевой ротор электрического генератора, статор которого соединен с днищем первого корпуса, связанного с опорой, при этом щелевые отверстия второго корпуса направлены в сторону, противоположную щелевым отверстиям первого корпуса.
Волновая энергетика среди всех альтернативных источников энергии считается наиболее эффективной. Специалисты утверждают, что удельная мощность водных масс мирового океана намного превышает потенциал солнечной и ветровой энергии. Несмотря на этот факт, основа волновой энергетики – волновые электростанции значительно уступают по численности своим «альтернативным» конкурентам - ветровым и солнечным.
- Волновая энергетика: стоимость технологий должна снизиться
Волновая энергетика имеет меньший спрос из-за дороговизны строительства станций на воде, хотя обслуживание волновых электростанций может быть достаточно приемлемым. С этой же проблемой в начале своего пути сталкивалась и , и , и солнечная энергетика. Однако с течением времени эти отрасли претерпели изменения, а появление новых технологий и методов позволило сократить суммы начальных вложений и, как следствие, стоимость единицы энергии. Учитывая тенденции, с которыми происходит развитие альтернативных источников энергии, можно ждать увеличения популяции волновых электростанций. Более того, уже сейчас есть очень интересные примеры таких механизмов.
Islay LIMPET является первой в мире промышленной энергетической волновой установкой. Может поставлять до 500 кВт и подключена к национальной энергосистеме. Claire Pegrum / wikimedia.org (CC BY-SA 2.0)
- Волновая энергетика: принцип осцилляции
Сначала была придумана волновая электростанция, работающая по принципу осциллирующего столба . Осциллировать - значит колебаться, а в данном случае колебанию подвержен уровень воды в столбе. На берегу устанавливается специальная бетонная камера, расположенная под углом к морской глади так, чтобы в нее затекала вода. Прибывающие волны заполняют полость камеры, тем самым направляя воздух в турбину, генерирующую электроэнергию. Важным преимуществом волновой энергетики на базе принципа осцилляции является их меньшая стоимость по сравнению с офшорными, которые мы рассмотрим ниже.
- Первая береговая волновая электростанция
Первая береговая волновая электростанция, названная Isley Limpet, была запущена в Шотландии и подключена к общей энергетической сети страны. Несмотря на то что станция проработала 13 лет, в 2013 г. она была выведена из эксплуатации по неизвестным причинам. Воспользовавшись опытом британских коллег, в 2011 г. испанцы соорудили на побережье Бискайского залива такую же станцию, но уже с 16 турбинами. В отличие от своего северного собрата, она действует по сей день. Технология осциллирующего столба также применяется в Португалии и Японии и довольно перспективна, правда, пока что такие генераторы выдают до 500 кВт электричества.
Islay LIMPET размещена на Claddach Farm, Rhinns of Islay, шотландский остров Islay. Peter Church / wikimedia.org (CC BY-SA 2.0)
На данный момент в мире существует всего пара-тройка знаменитых волновых электростанций.
- Волновая энергетика : принцип колебаний
Также волновые электростанции могут работать за счет колеблющегося тела, находящегося на поверхности воды и двигающегося на волнах. Роль тела могут исполнять буи, соединенные с гидравлическими механизмами, которые приводят в движение генераторы электричества. По данной схеме была сооружена электростанция Pelamis, запущенная в 2008 г. у берегов Португалии, но на данный момент не функционирующая. Она представляла собой «змею», состоящую из нескольких секций, которые двигались на волнах относительно друг друга. Внутри секций, выполненных в виде труб диаметром 3,5 м, находились гидравлические двигатели и генераторы, откуда по кабелю, проложенному по дну океана, на берег поступало электричество. Эта станция была самой мощной из всех водных, существовавших по сей день, но, к сожалению, отсутствие финансирования не позволило ей развиваться дальше.
Электростанция Pelamis, была установлена в Agucadoura Wave Park, Portugal. S.Portland / wikimedia.org (CC-PD-Mark)
- Волновая энергетика : принцип конвертера
Схожую по мощности установку обещала запустить шотландская компания Aquamarine Power. Она разработала конвертер, названный Oyster, представляющий собой буй в виде створки, закрепленный на дне океана недалеко от берега. Раскачиваясь на волнах, этот механизм по трубам направляет воду на сушу, где она, в свою очередь, раскручивает электрогенератор. Затем вода перегоняется обратно в океан. Многие нашли этот проект перспективным, и компания получила инвестиции в размере 11 млн фунтов. Планировалось создание комплекса таких установок в размере 50 шт., но покупателя на данный проект не нашлось. Пока что в прибрежных водах Шотландии действуют лишь несколько экспериментальных экземпляров.
- Рентабельны волновые энергоустановки для небольших объектов
Вышеназванные примеры показывают, что ученые упорно ищут способы эффективно и, главное, рентабельно использовать силу морских волн для создания мощной глобальной отрасли волновой энергетики. Однако, как это бывает в начале любых свершений, они сталкиваются с неудачами. Так что на данный момент в мире существует всего пара-тройка знаменитых волновых электростанций. С другой стороны, если не говорить об относительно мощных станциях, то по миру уже функционирует множество установок, питающих электричеством совсем небольшие объекты. Зачастую ими пользуются маяки и прочие береговые сооружения.
OPT’s PB150 PowerBuoy успешно развернута на море в апреле 2011 командой, включающей в себя Global Maritime Scotland Ltd, Port Services (Invergordon) Ltd и OPT, с поддержкой Cromarty Firth Port Authority. Генерирует возобновляемую энергию через волны. Максимальная выходная мощность 150 квт. Ocean Power Technologies / wikimedia.org Free Art License 1.3
- Проблема дороговизны волновых электростанций пока не решена
Для создания отрасли волновой энергетики практически с нуля ученым придется совладать с серьезными трудностями. Как уже упоминалось, главная проблема - это дороговизна. Помимо того что конструкция станций зачастую слишком затратная, требуются особые материальные усилия для ее установки на воде или на дне моря. Кроме этого, ученым необходимо больше опыта для лучшего выбора места новой станции, в котором течения будут наиболее эффективными. Не обойдется без негативного воздействия на социальные и экологические аспекты проблемы - большое количество механизмов вблизи берега будет мешать рыболовству, а также газообмену вод.
Словом, с будущим волновой энергетики пока не все ясно. Воды морей и океанов - это очень мощный, возобновляемый и экологический чистый источник энергии, но человек пока что недостаточно ловок, чтобы укротить его с малыми потерями.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
В наши дни основными источниками энергии являются углеводороды – нефть, уголь, газ. Согласно прогнозам аналитиков запасов угля при современных уровнях добычи хватит на 400 лет, а запасы нефти и газа закончатся через 40 и 60 лет соответственно. Такое стремительное уменьшение объема природных богатств ставит задачу поиска альтернативных способов получения энергии.
Одним из перспективных направлений является волновая энергетика.Общее устройство волновых станций
Волновой электростанцией (ВЭС) называют сооружение, расположенное на воде, которое преобразовывает механическую энергию волн в электрическую.
При строительстве ВЭС учитывают два фактора.
- Кинетическая энергия волн. Волны, поступающие в трубу огромного диаметра, вращают турбинные лопасти, которые приводят в движение генератор. Иногда действует иной принцип: волна, проходя через полую камеру, выталкивает сжатый воздух, заставляя турбину вращаться.
- Энергия поверхностного качения. В этом случае выработка электроэнергии происходит посредством преобразователей, отслеживающих профиль волны, – так называемых, поплавков, расположенных на поверхности воды.
Здесь используют определенные виды поплавков-преобразователей.
- «Утка Солтера» – большое количество поплавков, смонтированных на общем валу. Для эффективной работы такого поплавка необходимо установить на валу 20–30 поплавков.
- Плот Коккереля – сооружение из четырех секций, соединенных шарнирно, которые изгибаются под влиянием волн и приводят в действие гидроцилиндрические установки, способствующие работе генераторов.
- Преобразователи Pelamis – так называемые морские змеи – соединенные шарнирами цилиндрические секции. Под воздействием волн импровизированная змея изгибается, приводя в движение гидравлические поршни.
Достоинства и недостатки волновой энергетики
На сегодня всего 1 % получаемой электроэнергии приходится на волновые электростанции, хотя потенциал их огромен. Ограниченное использование волновых электростанций связано прежде всего с дороговизной получаемой энергии. Один киловатт электричества, полученный на ВЭС, дороже, чем сгенерированный на ТЭС или АЭС, в несколько раз.
К другим недостаткам использования волновых электростанций можно отнести следующие факторы:
- Экологические. Покрытие значительной части акватории преобразователями волн может навредить экологии, поскольку волны играют большую роль в газообмене океана и атмосферы, в очищении водной поверхности от загрязнений.
- Социально-экономические. Некоторые типы генераторов, применяемые в ВЭС, представляют опасность для судоходства. Это может вытеснить рыбаков из крупных рыбопромышленных зон.
Несмотря на вышеперечисленные минусы, в определенных районах земного шара за волновыми электростанциями будущее, и вот почему:
- Станции могут выступать в роли волногасителей, защищая тем самым берега гавани, порты, береговые сооружения от разрушений.
- Возможна установка волновых электрогенераторов малой мощности на опорах мостов, причалов, уменьшающая воздействие на них.
- Удельная мощность ветра на пару порядков ниже мощности волнения, поэтому волновая энергетика более выгодна, нежели ветровая.
- Для выработки электрической энергии посредством морских волн не требуется углеводородного сырья, запасы которого стремительно иссякают.
География применения волновых электроэнергетических установок
Использование волновых электростанций незначительных мощностей находит применение в получении электропитания для небольших объектов:
- береговых сооружений;
- небольших поселений;
- автономных маяков, буев;
- научно-исследовательских приборов;
- буровых платформ.
Уже около 400 навигационных буев и маяков получают питание от волновых энергоустановок – как, например, плавучий маяк индийского порта Мадрас.
Португалия
Первая в мире крупная волновая электростанция с мощностью 2,25 МВт начала эксплуатироваться в 2008 году в районе португальского
местечка Агусадора. Проект установки разработала шотландская компания Pelamis Wave Power, заключившая контракт с португальцами на 8 миллионов евро.
Сейчас на станции функционируют три преобразователя энергии волн – змеевидные устройства, погруженные на одну половину в воду. Длина каждого преобразователя равна 120 метрам, а диаметр – 3,5. Вес так называемой морской змеи составляет 750 тонн. Волны приводят в движение секции преобразователей, а сопротивление гидравлической системы способствует выработке электричества, которое по кабелям передается на сушу (станция базируется в 5 км от берега). В настоящее время ведутся работы по увеличению мощности этой волной станции с 2,25 МВт до 21 МВт: планируется добавить еще 25 преобразователей. В этом случае установка обеспечит электроснабжением 15 тысяч домов.
Норвегия
Опытно-промышленные волновые были впервые введены в строй в 1985 году в Норвегии.
Одна из них, мощностью до 500 кВт, является пневматической волновой установкой, в которой нижняя открытая часть камеры погружена под самый низкий поверхностный слой воды.
Мощность второй составляет 450 кВт. Здесь применяется эффект набегания волны на 147-метровый конфузорный откос (отлогую конусообразную поверхность). Суживающийся канал расположен в фьорде, а турбинный водоприемник возвышается на 3 м над средним уровнем моря. Установка, размещенная на берегу, исключает трудности с ее ремонтом и обслуживанием.
Австралия
Одним из самых успешных проектов в части переработки энергии океанских волн является электростанция турбинного типа Oceanlinx, работающая в акватории австралийского города Порт-Кембл. После реконструкции и переоборудования, начатых в 2005 году, станцию вновь запустили в 2009 году.
Принцип работы Oceanlinx заключается во вращении турбин сжатым воздухом, поступающим из специальной камеры. Конструкция станции громоздка, и благодаря тяжести своего веса она стоит на дне, не нарушая его структуры. Около 1/3 всей конструкции, а это составляет почти 15 метров, выступает над поверхностью воды.
Важным достоинством волновой станции такого типа является производство прогнозируемого количества энергии. Платформы работают вследствие возмущения океанической поверхности, а не самих волн. Это позволяет определить погодные условия, влияющие на количество вырабатываемой энергии, на 5–7 дней вперед. Мощность Oceanlinx составляет 1 МВт, а потребители получают около 450 кВт электричества.
Корректная и эффективная работа города, и особенно коммунального хозяйства зависит от надежной техники. тому пример.
Поломался холодильник и вы его тащите на свалку? Не спешите – прочтите !
У вас много рисовой шелухи, и уже некуда от нее спасаться? Нужный материал по ссылке.
Россия
Применение волновой энергетики в России делает только первые шаги. Совсем недавно волновая электростанция, аналогичная португальской, была в экспериментальном порядке запущена на полуострове Гамова в Приморском крае. Испытания проходили в бухте Витязь на морской экспериментальной станции «Мыс Шульца». Инициаторами этой идеи стали ученые Уральского федерального университета и исследователи Тихоокеанского океанологического института при Дальневосточном отделении Российской Академии Наук.
Испытания показали, что волновая энергетика обладает большими перспективами.
Опасения при запуске этой станции вызвали:
- возможные повреждения генератора от воздействующих на него волн;
- безопасность движения рыболовецких траулеров в непосредственной близости от станции.
Вместе с тем волновая установка, разработанная российскими специалистами, помимо основной задачи – выработки электрической энергии, может осуществлять ряд дополнительных функций:
- стать волногасителем, обеспечивая защиту береговых сооружений;
- производить автоматическую охрану морских границ.
Развивать волновую энергетику в России необходимо. Однако существующие запасы углеводородов, отработанные, проверенные временем, освоенные до мелочей технологии традиционной выработки электроэнергии ставят под сомнение рентабельность использования волновых электростанций больших мощностей. Волновые электростанции наравне с вероятно станут тем необходимым шагом вперед в энергетике которого все мы, так долго ждем.
Есть смысл применять альтернативную энергетику в малозаселенных районах побережья Северного Ледовитого океана, Приморья, Дальнего Востока.
Имеющий все права на жизнь способ получения энергии. Но у меня сложилось впечатление, что приведенные в статье недостатки существенно перешивают достоинства.
С другой стороны, я вполне допускаю, что со временем специалисты найдут способ усовершенствовать волновые электростанции, и пока еще рано категорично говорить о плюсах и минусах данных преобразователей энергии. Слишком уж короток и мал опыт применения их на практике.