Волновые электростанции – примеры трех проектов

Волновые электростанции

Волновая электростанция — это электрическая станция, которая располагается в водной природной среде с целью получения электроэнергии из кинетической энергии водных масс. Океаны обладают колоссальной энергией, но человек пока только начинает ее осваивать. Именно эту задачу и выполняют волновые электростанции.

Принцип работы

Принцип работы волновой электростанции основан на преобразовании кинетической энергии волн в электрическую. Существует несколько способов устройства подобных станций различных по принципу работы и конструкции.

  1. Принцип «осциллирующего водяного столба». В этом конструктивном варианте волны,
    осуществляя толчковые движения, заполняют собой специально изготовленные камеры, в которых содержатся воздушные массы. Воздух сжимается, создается избыточное давление, под действием которого он поступает на турбину, вращая ее лопастные механизмы. Вращательное движение турбины передается на генератор, который вырабатывает электрический ток.
  2. Принцип «колеблющегося тела». На принципе «колеблющегося тела» работают разнообразные буи, «морские змеи» и др. В этом варианте конструкции несколько секций соединяются в конвертер, между которыми на подвижных платформах монтируются гидравлические поршни. К поршню (группе поршней) подсоединён гидравлический двигатель, он приводит во вращательное движение электрический генератор. Под раскачивающимся действием волн конвертер приводит в движение поршни, а они, в свою очередь, приводят в работу гидравлический двигатель и соответственно генератор.
  3. Установка с «искусственным атоллом». Это бетонное сооружение состоит из корпуса, на которомразмещается поверхность для наката волн. В средней части располагается накопительный резервуар (бассейн). Из него через приёмное отверстие вода поступает на гидротурбину. Генератор устанавливается в верхней части сооружения. Для поднятия воды в бассейн, который расположен выше уровня моря, используют эффект «набегания волны» на специальную наклонную поверхность.

Волновые электростанции в России

В России, как и во всех странах, имеющих выход к морскому побережью, после многих лет затишья, возвращается интерес к источникам энергии, способным восстанавливаться, к ним относятся и волновые электростанции.

Первая в нашей стране электростанция, основанная на преобразовании энергии волн, построена в2014 году на Дальнем Востоке в Приморском крае на полуострове Гамова. Это универсальная станция, она способна преобразовывать не только энергию направленных водных масс, но и энергию природных приливов и отливов.

Профильные министерства нашей страны, совместно с руководством государства разработали план развития зеленой энергетики до 2020 года, в соответствии с которым альтернативные энергетические источники будут составлять до 5% от общего количества вырабатываемого электричества в стране. Этим планом предусмотрено и дальнейшее развитие волновых электрических станций.

Волновые электростанции в мире

Первая в мире электростанция на волнах появилась в 1985 году в Норвегии, ее мощность составляла 500 кВт.

Первой в мире промышленной электрической станцией, использующей энергию волн для производстваэлектрической энергии, принято считать Oceanlinx в Австралии.

Она начала своё функционирование в 2005 году, потом была произведена ее реконструкция, и в 2009 году станция заработала вновь. Работа станции основана на принципе «осциллирующего водяного столба».

Мощность установки сейчас составляет 450 кВт.

Первая коммерческая волновая электростанция начала работу в 2008 году в Агусадоре, Португалия. Это установка-пионер, которая использует непосредственно механическую энергию волны.

Работа станции основана на принципе «колеблющегося тела».

Разработала проект английская компания Pelamis Wave Power, мощность станции составила 2,3 МВт, и есть возможность увеличения мощности путем монтирования дополнительных секций.

В Великобритании построили самую большую в мире волновую электростанцию Wave Hub, она расположена у полуострова Корнуэлла. Электростанция оборудована 4-мя генераторами мощностью по 150 кВт каждый. Работа станции основана на принципе «колеблющегося тела».

Почему это выгодно?

В существующем мире человек все чаще задумывается о необходимости применения возобновляемых источников энергии при получении электроэнергии. Одним из таких вариантов является энергия морских волн.

С учетом того, что мировой океан обладает огромным потенциалом, энергией которого можно обеспечить почти 20% от необходимого количества энергопотребления, то и развитие «зеленой»энергетики как нельзя актуально в наше время.

Это можно объяснить следующим причинами:

  1. Природные богатства планеты находятся на грани истощения, запасы традиционных источников энергии: угля, нефти и газа – подходят к концу.
  2. Атомная энергетика из-за своей потенциальной опасности не получила должного распространения.
  3. «Зеленая» энергетика не вредит окружающей среде и является возобновляемой.
  4. Потенциал волновых электростанций оценивается в 2,0 млн. МВт, что сравнимо по мощности с тысячей работающих атомных станций.

Ученые всего мира продолжают работы по совершенствованию способов преобразования энергии волн океана, и перечисленные выше причины являются важным аргументом для продолжения этих изысканий.

Плюсы и минусы использования

У любого агрегата всегда есть положительные и отрицательные аспекты его использования, и именно соотношение этих параметров определяет целесообразность его применения. Волновые электростанции не являются исключением, рассмотрим все за и против использования этого источника энергии.

К плюсам использования можно отнести:

  • Экологическая безопасность установок;
  • Волновые электростанции могут выполнять защитные функции, путем гашения волн вблизи портовых акваторий и прочей береговой линии;
  • Возобновляемый источник энергии;
  • Низкая себестоимость получаемой электроэнергии;
  • Продолжительный срок эксплуатации.

К минусам данного типа электростанций относятся:

  • Малая мощность вырабатываемой энергии;
  • Не стабильный характер работы, вызванный атмосферными явлениями в окружающей среде;
  • Может создавать опасность для хода судов и промышленного лова рыбы.

Приведенные выше «минусы» использования постепенно утрачивают свою актуальность, ученые и конструкторы продолжают свою работу. Разработка новых, более мощных генераторов, позволяет получать большее количество электрической энергии, при тех же исходных параметрах первичной энергии, которой является энергия волн. Решаются задачи по передаче полученной энергии на большие расстояния.

Источник: https://alter220.ru/voda/volnovye-elektrostantsii.html

Волновые электростанции преобразовывают механическую энергию воды в электричество

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 преобразовываетмеханическую 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:

  1. Станции могут выступать в роли волногасителей, защищая тем самым берега гавани, порты, береговые сооружения от разрушений.
  2. Возможна установка волновых электрогенераторов малой мощности на опорах мостов, причалов, уменьшающая воздействие на них.
  3. Удельная мощность ветра на пару порядков ниже мощности волнения, поэтому волновая энергетика более выгодна, нежели ветровая.
  4. Для выработки электрической энергии посредством морских волн не требуется углеводородного сырья, запасы которого стремительно иссякают.

Основной задачей разработчиков волновых электростанций является усовершенствование конструкции станции таким образом, чтобы значительно снизить себестоимость получаемой электроэнергии.

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 португальскогоместечка 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 электростанции 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.

Читайте также:  Программируемые контроллеры siemens серии simatic s7

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.

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:

  1. возможные повреждения генератора от воздействующих на него волн;
  2. 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:

  1. стать волногасителем, обеспечивая защиту береговых сооружений;
  2. 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 солнечными электростанциями для дома 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.

Источник: http://greenologia.ru/eko-zhizn/texnologii/volnovye-elektrostancij.html

2.7. Волновые электростанции – Энергетика: история, настоящее и будущее

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.

Морские волны

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.

Рис. 2.28. Схема пневматической волновой электростанции: а – схема движения воздушного потока; б – схема волновой электростанции; 1 – корпус; 2 – воздушная турбина; 3 – воздушная камера; 4 – стальная башня; 5 – генератор

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.

Волновая электростанция в районе г. Агусадор (Португалия)

Волновая электростанция «Oceanlinx» (Австралия)

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.

Источник: http://energetika.in.ua/ru/books/book-5/part-1/section-2/2-7

Новая волновая электростанция

Развитие мировой энергетики в последнее время все более ориентируется на новые, экологически чистые технологии, основанные на возобновляемых источниках энергии. Одним из таких источников является энергия морских волн.

В природе эта энергия представлена в наиболее сконцентрированном виде (например, среднегодовые показатели энергии на один метр волнового фронта Северного моря – 90 кВт, Черного моря – 40 кВт).

Киевская научно-производственная фирма «Крок-1» (официальный корпоративный поставщик услуг по ремонту технологического оборудования атомных электростанций Украины) разработала, изготовила и испытала конструкцию принципиально новой волновой электростанции.

Волновые электростанции (ВЭС) предназначены для преобразования энергии морских волн в условиях открытого моря в электроэнергию, которой обеспечивают автономные и береговые объекты (островные поселения, буровые платформы, плавсредства, гостиничные комплексы, различные производства и т. п.).

ВЭС устанавливаются в определенном порядке вдоль всего побережья и являются при этом волнозащитными сооружениями для береговой линии.  

Перспективы Змеиного островаВозможность реализации проекта авторы показали на примере острова Змеиный, расположенного в юго-западной части Черного моря на расстоянии 20 миль от устья Дуная и 80 миль от Одессы (общая площадь острова – 20,5 гектара).Проект предусматривает в первую очередь строительство в акватории острова пилотного модуля волновой электростанции мощностью 500 кВт с последующим строительством многомодульной ВЭС мощностью в 2‑3 МВт для обеспечения развивающейся инфраструктуры острова и его защиты от разрушения.В дальнейшем предусматривается строительство ВЭС различной мощности для обеспечения работы объектов на континентальном шельфе и в прибрежной полосе.Волновая электростанция устанавливается на расстоянии от берега так, чтобы глубина в месте установки была не менее 25 метров. Станция соединяется с потребителем электроэнергии электрическим кабелем. Управление ВЭС производится с береговой подстанции.При этом для строительства не требуется отвод земельных участков, а береговая подстанция располагается на территории объекта потребления. ВЭС не создают негативного воздействия на окружающую среду и производят дешевую, экологически чистую электроэнергию.

Энергетический потенциал

Малая площадь острова Змеиный позволяет предположить, что при незначительном удалении от берега (200‑300 метров) ВЭС будет работать в условиях открытого моря.

Предварительную оценку энергетического потенциала акватории острова можно сделать на основании данных российской системы ЕСИМО (Единая государственная система информации об обстановке в мировом океане). Здесь в электронном атласе «Климат Черного моря» содержатся сведения о климатических характеристиках морской среды.

Они подготовлены на основе данных гидрометеорологических наблюдений, накопленных за многолетний временной период.

Эти данные были введены, как исходные, в «Программу расчета параметров энергопоглощающего элемента волновой электростанции с учетом энергетических параметров морских волн», разработанную специалистами НПФ «Крок-1» и украинского Национального авиационного университета.

На основании проведенных расчетов авторы выяснили оптимальные, с точки зрения эффективности использования установочной мощности, параметры ВЭС для акватории Черного моря: • длина – 60 метров • ширина – 120 метров • радиус рабочего элемента – 2 метра • количество рабочих элементов – 16 штук • установочная мощность – 2000 кВт.Для такой электростанции среднегодовой коэффициент использования установочной мощности будет составлять около 0,5. Она не только позволит получать дешевую электроэнергию, но и защитит берег от разрушающего воздействия волн.

Утка Солтера

Читайте также:  Оптические бесконтактные выключатели

В настоящее время в волновых электростанциях для преобразования энергии волн применяются преобразователи, отслеживающие профиль волны, использующие колебания водного столба и подводные устройства.

К преобразователям, отслеживающим профиль волны, относится, прежде всего, разработка профессора Эдинбургского университета Стефана Солтера, названная в его честь – «утка Солтера» (техническое название проекта – «Колеблющее крыло»).Рабочей конструкцией здесь является поплавок («утка»), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики.

В проекте шотландца предусматривался монтаж большого количества крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение под силой собственного веса. При этом приводятся в действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой.

Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводящая 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.

Первоначально Солтером был создан макет узкополосного по частоте устройства. В волновом бассейне оно поглощало до 90 процентов падающей энергии. Первые испытания в условиях, близких к морским, были проведены в мае 1977 года на озере Лох-Несс.

Пятидесятиметровая гирлянда из двадцатиметровых «уток» общей массой 16 тонн была спущена на воду и испытывалась в течение четырех месяцев при различных волновых условиях. В декабре того же года эта модель, в 1/10 предполагаемой величины океанского преобразователя, была вновь спущена на воду и дала первый ток.

В течение трех зимних месяцев модель первой английской волновой электростанции работала с КПД около 50 процентов. Дальнейшие разработки Солтера были направлены на то, чтобы обеспечить устройству способность противостоять ударам максимальных волн и создать заякоренную гирлянду преобразователей в виде гибкой линии.

Нить из «уток» протяженностью несколько километров предполагалось установить в районе с наиболее интенсивным волнением западнее Гебридских островов. Мощность такой станции должна была составить около 100 МВт.

Серьезными недостатками для «уток Солтера» оказались следующие: • необходимость передачи медленного колебательного движения на привод генератора • необходимость снятия мощности с плавающего на значительной глубине устройства большой протяженности • необходимость, вследствие высокой чувствительности системы к направлению волн, отслеживать изменение их направления для получения высокого КПД преобразования • большие ударные нагрузки от воздействия максимальных волн • затруднения при сборке и монтаже из‑за сложности формы «утки».

Плот Коккереля

Другой вариант преобразователей энергии такого типа – контурный плот Коккереля, который был испытан в проливе Солент вблизи города Саутгемптона. Вариант построения ВЭС по принципу плота Коккереля был реализован в проекте «Волновая ферма» компанией Pelamis Wave Power.

Четыре секции устройства, соединенные шарнирно, под воздействием волн изгибаются, что приводит в действие гидроцилиндры, которые перекачивают масло на гидромоторы привода генераторов. Вырабатываемая электроэнергия по кабелю, опущенному на дно, передается на берег.

Лабораторные испытания модели плота в масштабе 1/100 показали, что его эффективность составляет около 45 процентов. Это ниже, чем у «утки» Солтера, но плот привлекает другим достоинством: близость конструкции к традиционным судостроительным.

Преобразователи Pelamis

Необычные волновые электростанции качаются на волнах в пяти километрах от северного побережья Португалии. Гигантские красные конвертеры Pelamis P-750, размером с железнодорожный состав и весом 750 тонн, прозванные «морскими змеями», обеспечивают энергией местных жителей.

Идея этой волновой электростанции принадлежит шотландским специалистам из основанной в Эдинбурге фирмы «Океанское энергоснабжение» (Ocean Power Delivery). Pelamis – полузатопленное сооружение, состоящее из четырех цилиндрических секций, связанных шарнирными соединениями.

Волны заставляют изгибаться плавающую «змею», за счет чего внутри – в местах соединения секций – перемещаются гидравлические поршни, прокачивающие масло через гидравлические двигатели, которые, в свою очередь, вращают электрогенераторы. Полученное электричество направляется в кабель, опускающийся с поплавка на дно.

Несколько таких «змей» могут быть электрически соединены – суммарная мощность подается на берег по одному кабелю. Предполагается, что итоговая мощность португальской волновой станции составит 21 мегаватт. Этого хватит на 15 тысяч домов. Кроме того, компания «Pelamis Wave Power» планировала разместить аналогичные комплексы близ Оркнейских островов и у побережья Корнуолла.

Недостатки таких преобразователей: • высокая материалоемкость • среднегодовой коэффициент использования мощности не более 0,4 • высокий уровень удельных капитальных затрат (около 6000 долларов США за кВт на момент установки первых агрегатов).

Водяной столб

Другой вид волновых установок – с пневматическим преобразователем – использует энергию колеблющегося водяного столба. Принцип действия здесь таков. При набегании волны на частично погруженную полость, открытую под водой, столб жидкости в полости колеблется, вызывая изменения давления в газе над жидкостью. Полость может быть связана с атмосферой через турбину.

Поток регулируется так, чтобы проходить через турбину в одном направлении. Как вариант – используется турбина Уэльса. Это воздушная турбина низкого давления, имеющая симметричную аэродинамическую поверхность лопаток, позволяющую им вращаться всегда в одну сторону, независимо от направления потока воздуха или жидкости.

Достигается это тем, что рабочее тело, попадая на лопатку, разделяется непропорционально – отклонение в одну сторону всегда больше, чем в другую. Принцип работы турбины Уэльса схож с принципом подъема крыла самолета.

Главное преимущество устройств на принципе водяного колеблющегося столба состоит в том, что скорость воздуха перед турбиной может быть значительно увеличена за счет уменьшения проходного сечения канала. Это позволяет сочетать медленное волновое движение с высокочастотным вращением турбины.

Кроме того, здесь создается возможность удалить генерирующее устройство из зоны непосредственного воздействия соленой морской воды. Известны как минимум два примера коммерческого использования устройств на этом принципе –­­ сигнальные буи, внедренные в Японии и в Великобритании. Более крупное и впервые включенное в энергосеть устройство построено в Тофтестоллене (Норвегия).

Здесь водяной столб используется в 500‑киловаттной установке, построенной на краю отвесной скалы. Кроме того, национальная электрическая лаборатория Великобритании предлагает конструкцию, устанавливаемую непосредственно на морском дне. Недостатками таких преобразователей являются низкий КПД и большая материалоемкость.

Электростанция Овсянкина

Специалистами фирмы «Крок-1» под руководством В. Овсянкина разработана конструкция волновой электростанции, преобразующей энергию морских волн в условиях открытого моря, которая имеет ряд принципиальных отличий от всех существующих ВЭС.

Прежде всего, ВЭС Овсянкина спроектирована так, что ее рабочие органы (энергопоглощающие элементы) являются частью водной среды, в которой они находятся.

Возникающие при прохождении волн относительные перемещения отдельных объемов воды воспринимаются рабочими органами станции посредством гидродинамического напора, что создает крутящий момент на рабочих валах. Этот момент преобразуется и передается трансмиссией на вал генератора.

Конструкция ВЭС запатентована в Украине (патент № 56481) и имеет хорошие перспективы для патентования различных модернизаций конструкции в других странах. ВЭС имеет модульную конструкцию. На одном километре волнового фронта можно устанавливать до 24 модулей.

Они могут быть объединены как в одну ВЭС, так и, например, в 6 ВЭС, каждая из которых состоит из 4 модулей. Целесообразность того или иного решения определяется при разработке конкретного проекта на строительство и учете всех факторов.

Для открытых морей и океанов модули изготавливаются мощностью 1 и 2 МВт, для закрытых морей – до 0,5 МВт. Рекомендуемая мощность модуля и его размеры для ВЭС рассчитываются по энергетическому потенциалу акватории эксплуатации. ВЭС соединяется с береговой подстанцией электрическим кабелем.

Надежность работы ВЭС в штормующем море определяется особенностями конструкции: проницаемость для волн и способность погружаться на глубину в зону действия волн расчетных параметров. Акватория, где предполагается установка ВЭС, должна быть абсолютно открыта волнам, иметь глубину не менее 25 метров и быть максимально приближена к объекту потребления электроэнергии. При выборе акватории предпочтительны участки моря с большим энергетическим потенциалом и с высокой сезонной продолжительностью среднестатистического волнения.

Преимущества установки

Новая волновая электростанция, как уверяют разработчики, обладает следующими преимуществами: • высокой эффективностью, определяемой тем, что установка представляет собой гибкую энергопоглощающую систему, которая непрерывно изменяет свои параметры под воздействием набегающих морских волн широкого диапазона длин и амплитуд • низким уровнем удельных капитальных затрат (3500‑4000 долларов за кВт) • низкой себестоимостью производимой электроэнергии (0,05‑0,08 доллара за кВт-ч) • низкой материалоемкостью (до 150 кг/кВт) • высокой стойкостью в штормовом море • мобильностью (может быть отбуксирована в любой участок акватории). Работы по созданию волновой станции проводились НПФ «Крок-1» более двадцати лет. За этот период проведено восемь этапов испытаний макетов станции и опытного образца мощностью 10 кВт (ВЭС-10). Испытания макетов проводились в волновом бассейне Института гидромеханики НАН Украины, а также в натурных условиях Киевского моря. Результаты испытаний подтвердили работоспособность макетов и позволили получить исходные данные для проектирования опытного образца станции. На основании результатов испытаний Национальным авиационным университетом (г. Киев) разработана методика расчета параметров энергопоглощающего элемента.

Натурные испытания

Опытный образец ВЭС-10 был изготовлен в 2006 году Киевским судостроительным заводом. Его испытания проводились весной 2007 года на базе Научно-исследовательского центра вооруженных сил Украины «Государственный океанариум» (Севастополь). После спуска на воду ВЭС-10 была отбуксирована на расстояние 60 метров от пирса.

Пункт управления и контроля станции находился на пирсе в автомобиле ГАЗ 66. Он был соединен со станцией силовым кабелем и кабелем управления, которые были проложены по дну акватории. Нагрузка имитировалась реостатами. Станция ВЭС-10 рассчитана на воздействие волн высотой до 1 метра, поэтому местом испытания была выбрана Казачья бухта, защищенная от волн открытого моря.

Глубина в месте установки составляла восемь метров. За время испытаний в акватории наблюдались волны высотой до 2 метров и периоды полного штиля. При воздействии волн высотой 0,3‑0,4 метра наблюдалось вращение рабочего вала 4‑5 об/мин, что соответствовало показаниям тахометра на валу генератора 400‑500 оборотов в минуту.

Наиболее эффективной работа ВЭС-10 была при воздействии коротких волн высотой 0,6‑0,7 метра и длиной 2,0‑2,2 метра. при этом обороты рабочего вала находились в пределах 12‑15 оборотов в минуту, а вырабатываемая генератором мощность составила 2‑3 кВт. По результатам испытаний сделаны следующие выводы.

Опытный образец ВЭС-10 показал свою работоспособность в диапазоне расчетных высот волн и выдержал испытания. Для проектируемых волновых электростанций длина энергопоглощающего элемента должна примерно соответствовать 1‑2 длинам предельных волн расчетного диапазона для конкретной акватории, независимо от мощности станции.

Так, для акваторий Черного моря длина энергопоглощающего элемента должна составлять 40‑50 метров. Также по результатам испытаний были отработаны технические требования на разработку типового проекта модуля волновой станции мощностью 200 кВт для акватории Черного моря. Такой проект был разработан украинским Национальным кораблестроительным университетом (Николаев).

Использование энергии морских волн обеспечит необходимые условия для интенсивного развития разносторонней инфраструктуры о. Змеиный, объектов континентального шельфа и расположенных в прибрежной зоне, при этом позволит сохранить уникальную природную среду Черного моря.

В декабре 2008 года проект по строительству ВЭС был рассмотрен и одобрен ученым советом украинского Государственного научно-исследовательского и проектно-конструкторского института инновационных технологий в энергетике и энерго­сбережении.

Объем электроэнергии, вырабатываемой ВЭС мощностью 2 МВт за один год, составит более 15000 МВт-ч, что по среднемировым ценам стоит 1,5‑2,0 миллиона долларов.

Евгений ХРУСТАЛЕВ

eprussia.ru

Источник: https://ecoteco.ru/library/magazine/3/technologies/novaya-volnovaya-elektrostanciya

Новая волновая электростанция. Часть 3

Специалисты компании «Крок-1» под руководством В. Овсянкина создали конструкцию волновой электростанции, которая преобразует энергию морских волн в открытом море, имеющую ряд кардинальных отличий от существующих ВЭС.

Волновая электростанция Овсянкина, прежде всего, спроектирована так, что ее функционирующие части (элементы, поглощающие энергию) являются частью водной среды, где они находятся.

Относительные перемещения определенных объемов воды, возникающие при прохождении волн, воспринимаются рабочими элементами станции с помощью гидродинамического напора, что создает на рабочих валах крутящий момент. Этот момент преобразуется и передается на вал генератора трансмиссией.

Конструкция ВЭС в Украине запатентована и обладает хорошими перспективами для патентования разных модернизаций конструкции в остальных странах.

У волновой электростанции модульная конструкция. На одном километре волновой области устанавливается до 24 модулей. Их можно объединить в одну ВЭС или в 6 ВЭС, каждая из которых включает 4 модуля. Целесообразность каждого решения определяется при разработке определенного проекта на возведение и учете всех факторов.

Читайте также:  Организация эксплуатации электрических распределительных сетей

Для океанов и открытых морей производятся модули мощностью 1 и 2 МВт, для закрытых морей – модули до 0,5 МВт.

Мощность и размеры модуля, являющиеся рекомендованными, рассчитываются по энергетическому потенциалу эксплуатации акватории. С береговой подстанцией ВЭС соединяется электрическим кабелем.

Надежность функционирования ВЭС в штормующем море зависит от особенностей конструкции: проницаемость для волн и способность опускаться на глубину в область действия волн определенных параметров.

Акватория, где будет установлена ВЭС, должна быть полностью открыта волнам, ее глубина должна быть от 25 метров и приближаться к объекту потребления электроэнергии максимально.

При выборе акватории более выгодны участки моря, характеризующиеся более высоким энергетическим потенциалом и с большой сезонной продолжительностью среднестатистического уровня волнения.

Преимущества установки

Волновая электростанция, как объясняют разработчики, обладает следующими преимуществами:

– Повышенной эффективностью, которая определяется тем, что установка является гибкой системой, поглощающей энергию. Данная система непрерывно меняет свои параметры под действием накатывающихся морских волн широкого диапазона амплитуд и длин;

– Невысоким уровнем капитальных удельных затрат (3500-4000 долларов за кВт);

– Небольшой себестоимостью вырабатываемой электроэнергии (0,05-0,08 доллара за один кВт-ч);

– Пониженной материалоемкостью (до 150 кг/кВт);

– Высокой устойчивостью в море во время шторма;

– Мобильностью (можно отбуксировать на другой участок акватории).

Работы над созданием волновой электростанции осуществлялись НПФ «Крок-1» больше 20 лет. За данное время было восемь этапов испытаний макетов станций, а также опытного образца, мощность которого 10 кВт (ВЭС-10).

Макеты испытывали в волновом бассейне, принадлежащем Институту гидромеханики НАН Украины, а также в естественных условиях Киевского моря. Результаты проведенных испытаний подтвердили, что макеты работоспособны и позволили получить исходные информационные данные для проектирования опытного образца электростанции.

На базе результатов, полученных в ходе испытаний Национальным авиационным университетом города Киева, сформирована методика расчетов параметров элемента, поглощающего энергию.

Естественные испытания

Опытный образец ВЭС-10 выполнен Киевским судостроительным заводом в 2006 году. Его испытания осуществлялись весной 2007 года в городе Севастополь на базе украинского “Государственного океанариума”, являющегося научно-исследовательским центром вооруженных сил.

ВЭС-10 после спуска на воду была отбуксирована на 60 метров от пирса. Пункт контроля и управления станции размещался на пирсе в автомобиле ГАЗ 66. Со станцией он был соединен кабелем управления и силовым кабелем, проведенными по дну акватории. Нагрузка создавалась реостатами.

Электростанция ВЭС-10 предназначена для воздействия волн высотой до одного метра, поэтому местом испытания выбрали Казачью бухту, которая защищена от волн открытого моря. Глубина в точке установки равнялась восьми метрам. За период испытаний в акватории фиксировались волны высотой до 2 метров и времена штиля.

При действии волн высотой 0,3-0,4 метра вращение рабочего вала составляло 4-5 оборотов/мин, что равносильно данным тахометра, зафиксированным на валу генератора 400-500 об/мин.

Самой эффективной была работа ВЭС-10 при действии коротких волн высотой 0,6-0,7 метра, длиной 2,0-2,2 метра. Обороты рабочего вала при этом оказывались в пределах 12-15 об/мин, а мощность, вырабатываемая генератором, составила 2-3 кВт.

Результаты испытаний дали следующие выводы. Образец для опытов ВЭС-10 показал работоспособность в пределах расчетных высот волн и испытания выдержал.

Для волновых проектируемых электростанций длина элемента, поглощающего энергию, должна соответствовать примерно 1-2 длинам предельных волн необходимого диапазона для определенной акватории, независимо от того, какова мощность станции. Так, для акватории Черного моря длина поглощающего энергию элемента должна равняться 40-50 метрам.

По результатам испытаний также были сформированы технические требования на создание типового проекта модуля волновой электростанции мощностью 200 кВт, подходящей для акватории Черного моря. Аналогичный проект был подготовлен украинским Национальным университетом кораблестроения (Николаев).

Применение энергии волн морей обеспечит условия, необходимые для стремительного развития разноплановой инфраструктуры о. Змеиный, объектов, расположенных в прибрежной зоне и на континентальном шельфе, при этом даст возможность сохранить уникальную экологическую среду Черного моря.

В конце 2008 года проект по сооружению ВЭС был рассмотрен и одобрен советом ученых украинского Государственного проектно-конструкторского и научно-исследовательского института инновационных технологий в сфере энергосбережения и энергетики.

Объем электрической энергии, получаемой с ВЭС мощностью 2 МВт в год, превысит 15000 Мвт-ч, что по средним ценам в мире стоит 1,5-2,0 млн. долларов.

Источник: http://zeleneet.com/novaya-volnovaya-elektrostanciya-chast-3/7499/

Прилив сил волновой энергетики

Kuttelvaserova Stuchelova / shutterstock.com 

 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 ветряная, и геотермальная, 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)

  • 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.

Источник: https://sciencepop.ru/priliv-sil-volnovoj-energetiki/

Ссылка на основную публикацию