Волновые электростанции — примеры трех проектов. волновой генератор

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.

Принцип качения в работе ВЭС

Принцип качения, используемый в работе волновых электростанций, следует рассмотреть более подробно. Большинство подобных сооружений работают на основе энергии, возникающей при поверхностном качении волн. Именно они осуществляют раскачивание специальных преобразователей, изготовленных в виде поплавков и способных отслеживать профиль волны. Подобные конструкции выпускаются в нескольких вариантах:

Первый вариант представляет собой цепочку с большим количеством поплавков, установленных на общий вал. Из-за своей конфигурации конструкция получила название «Утка» Солтера. Для эффективной работы станции их требуется от 20 до 30 единиц. Каждый из поплавков и является так называемой «уткой», разработанной инженером Солтером.

Действие такой электростанции осуществляется в следующем порядке:

  • Под влиянием волн поплавки двигаются, но под собственным весом они приходят в первоначальное состояние.
  • Подобные колебания вызывают движение насосов, установленных внутри вала. Внутри них находится предварительно залитая вода.
  • Турбины, расположенные между поплавками, приходят в действие, после чего начинается выработка электроэнергии, передаваемой на берег по проложенному кабелю.

Подобные системы уже используются на практике. Их средняя мощность находится в пределах 45 тысяч кВт. Общая длина вала составляет 1,2 км, количество поплавков разное – от 20 до 30 шт. Диаметр каждого – 15 м.

Другой вариант получил название «морских змеев», изготовленных в виде секций цилиндрической формы и соединенных друг с другом шарнирами. Сооружение погружено в воду и находится в полузатопленном положении.

Выработка электроэнергии происходит следующим образом:

  • Колебания волн приводят к изгибу конструкции.
  • В местах соединений располагаются гидравлические поршни. Изгиб цилиндра приводит их в движение, после чего начинается перекачивание масла через движители, соединенные с генераторами.
  • Начинается выработка электрического тока, передаваемого на берег по кабелю, проложенному на дне.

Одна система объединяет сразу несколько конструкций, поэтому их общая мощность может достигать показателя более 21 МВт.

Еще одна волновая электростанция представлена так называемым контурным плотом Коккереля. В данной конструкции секции также перемещаются относительно друг друга, а соединение осуществляется с помощью шарниров. Возникающие колебания передаются насосам, соединенным с генераторами. Длина сооружения составляет 100 м, ширина – 50 м и высота – 10 м. Всего в конструкцию входит три секции, производящие мощность 2 тысячи кВт.

Как работают волновые электростанции

Вся работа волновых электростанций основывается на кинетической энергии движущихся масс морской и океанской воды.

  • Волна проходит сквозь пустую камеру, выталкивает из нее воздух, под действием которого начинается вращение турбины. Далее вращательное движение передается генератору.
  • Волна пропускается через большую трубу с установленными в ней лопастями. Они начинают вращаться и приводят в действие генератор.
  • «Колеблющееся тело». Данный вариант предусматривает соединение нескольких плавающих секций в общий конвертер. Между ними устанавливаются подвижные платформы с гидравлическими поршнями. Затем один или несколько поршней соединяются с гидравлическим двигателем, обеспечивающим движение электрического генератора. Волны раскачивают и последовательно приводят в движение всю систему.
  • «Искусственный атолл». Представляет собой сооружение из бетона с поверхностью, на которую накатываются волны. Его средняя часть отведена для накопительного резервуара, расположенного выше уровня моря. Вода поднимается в бассейн по специальной наклонной поверхности за счет эффекта набегающей волны. Далее, через отверстие водяной поток попадает на турбину и вращает лопасти.

Во всех случаях используется энергия движущейся водяной массы. Поток регулируется таким образом, чтобы его движение через турбину происходило в одном направлении. В случае необходимости скорость воздушного потока можно увеличить путем снижения диаметра проходной трубы. Частота вращения турбины возрастет даже при незначительной скорости движения волн.

Принцип действия классической волновой электростанции

Осциллирующая водяная колонна с воздушной турбиной Уэллса являет собой классический, наиболее проработанный вид волновой электростанции. Аналогичное оборудование успешно функционирует как в море, так и в прибрежной зоне.

Принцип работы одинаков и для стационарных, и для плавучих моделей. Волной в, наполовину погруженной в воду, камере поднимается уровень воды. Благодаря заполнению внутреннего объема агрегата водой, воздух, находящийся внутри, под давлением выдавливается из сосуда. Образовавшиеся воздушные потоки пропускаются через лопасти реверсивной турбины низкого давления Уэллса. Когда возникает откат воды, воздух возвращается в камеру, минуя все те же турбинные лопатки. Уэллс добился сохранения направления вращения вала турбины вне зависимости от направления движения волны, что обеспечивает непрерывность передачи крутящего момента на вал генератора.

Турбина Алана Артура Уэллса избавлена от сложных механизмов измерения шага, а также систем клапанов. Агрегат имеет симметричное сечение и сравнительно большой угол атаки лопастей. В целом механизм характеризуется:

  • малым отношением скорости вращения к скорости потока воздуха;
  • высоким коэффициентом лобового сопротивления;
  • периодическими провалами мощности;
  • КПД на уровне 40-70%;
  • шумностью – издаваемые им, звуки сопоставимы со звучанием огромного органа.

Совершенствование классической модели

Принцип действия подобных агрегатов сохраняется неизменным. Конструкторы пытаются изменить архитектуру камеры, чтобы добиться максимального сжатия воздушной массы внутри нее. Усовершенствованная модель камеры позволяет изменять ее объем и геометрию в зависимости от состояния акватории.

Эффективность этой идеи доказали и теоретически, и практически. В итоге удалось избавиться от перепадов мощности станции, обусловленных падением высоты волны, и защитить оборудование от чрезмерных нагрузок и разрушения во время штормов.

Такая станция с «дышащей» камерой функционирует в Атлантике у португальских берегов. Ее мощности в 750 кВт достаточно для обеспечения электричеством около 1000 семей. Там планируется создать огромный прибрежный генерирующий каскад.

В перспективе плавучие волновые станции этого типа будут строить там, где функционируют ветровые фермы, используя единую якорную систему для электростанций обоих видов.

Преимущества использования ВЭС

В отличии от углеводородных источников энергии, волновые электростанции в России смогут работать до тех пор пока не пересохнут все водоемы. Даже в случае полного отсутствия настоящих волн можно создать искусственные. Таким образом человек может не переживать о том, что он и его потомки могут столкнуться с проблемой нехватки электрической энергии.

Конечно волновые электростанции КПД которых имеет приличное значение имеют целый ряд преимуществ делающих их более перспективными перед углеводородами. Главным считается именно коэффициент полезного действия, который имеет высокие показатели. Также стоит отметить, что поплавковая волновая электростанция может также выполнять функцию волногасителя. Благодаря подобному использованию можно обезопасить берега водоемов, у которых бывают сильные приливы. Также волновые приливные электростанции могут выполнять охрану морских границ государства, но для этого потребуется небольшое усовершенствование.

История

Первая так называемая «волновая мельница» была запатентована Парижским патентным бюро аж в 1799 году. С этого момента инженерами и учеными производились многочисленные попытки использования кинетической энергии волн для выработки электричества. Вплоть до начала 20-го века было множество подобных изобретений, правда не одно из них так и не использовалось в промышленных масштабах.

Лишь в 1973 году после катастрофической нехватки нефтяных запасов (нефтяной кризис) интерес исследователей и ученых к альтернативной энергетике заметно возрос. Начались активно разрабатываться и создаваться, в том числе и волновые электростанции.

Первая промышленная волновая электростанция, разработка которой началась в 2005 году, была введена в эксплуатацию 23 сентября 2008 года в 5-ти километровой прибрежной зоне Португалии (район Агусадора). Ее эксплуатационная электрическая мощность составила 2,25 МВт. Сейчас она обеспечивает светом более 1,5 тыс. частных домов.

Волновые электростанции России и других стран

Наша страна имеет протяженную береговую линию, а многие места пригодны для установки таких сооружений. Поэтому российские инженеры ведут активные разработки в области волновых электростанций, работающих на возобновляемых источниках энергии.

Первое сооружение подобного типа уже построено на полуострове Гамова Приморского края, географически расположенного на Дальнем Востоке. Данная станция считается универсальной, поскольку кроме энергии направленных волн, она способна преобразовывать и использовать в работе энергию, заключенную в приливах и отливах. Установка признана перспективной, дающей толчок дальнейшему развитию волновых электростанций.

Если рассматривать установки других государств, то самое первое сооружение в мире, использующее энергию волн, появилось в Норвегии в 1985 году. Это была экспериментальная конструкция мощностью всего 500 кВт. Промышленный вариант был сооружен в Австралии в 2005 году. Это станция Oceanlinx, мощность которой после реконструкции 2009 года достигает 450 кВт.

Первая установка, построенная на коммерческой основе, появилась в португальском городе Агусадоре в 2008 году. Данная установка работает на принципе колеблющегося тела, непосредственно используя механическую энергию волн. Ее мощность достигла 2,3 МВт и этот показатель может быть увеличен за счет дополнительных конструктивных элементов.

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:

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.

Проект московского физика Александра Темеева победил в международном конкурсе альтернативных источников энергии.

Российские ученые стали победителями международного конкурса Energy Globe в номинации «Национальный проект от России». Это соревнование в области использования возобновляемых источников энергии и охраны окружающей среды проводится Международным фондом Energy Globe совместно с Европейской комиссией.

Наука давно ищет, чем заменить быстро сокращающиеся запасы углеводородов. Возможностей много — Солнце, ветер, приливы, горячие подземные источники, волны. Их общая мощность намного превосходит все, что запасено в недрах Земли. Но взять эту энергию непросто: она слишком рассеяна, а потому обходится куда дороже, чем от сжигания нефти, газа и даже угля.

Казалось бы, очень перспективно использование волн в тех акваториях, где море всегда неспокойно. Ведь концентрация энергии в волнах в десятки раз выше по сравнению с другими возобновляемыми источниками. Не случайно во многих странах давно пытаются приручить водную стихию. Скажем, в Шотландии уже затратили свыше 70 миллионов долларов на создание волновой 150-метровой электростанции с четырьмя цилиндрами-поплавками, каждый длиной более 30 метров. Качаясь на волнах, поплавки вращают турбины генераторов.

Увы, станция так и не доведена до стадии эксплуатации. Дело в том, что у волн капризный характер. Чтобы отобрать у них энергию, поплавок должен иметь размеры, сравнимые с длиной морской волны. Но она крайне непостоянна, может то резко увеличиться, то надолго снизить свою силу, а то вовсе пропасть.

Значит, при заданных размерах поплавок будет откликаться и отбирать энергию только у вполне определенных волн, не замечая другие. То есть кпд такой системы крайне мало.

Нам удалось устранить этот недостаток, — говорит руководитель группы ученых, создавших уникальную волновую электростанцию, кандидат технических наук Александр Темеев. — Суть в следующем. В каждый поплавок мы поместили колебательное устройство, проще говоря, маятник. Он взаимодействует с волной, создавая резонанс, что позволяет отбирать энергию с высоким кпд, достигая даже 70 процентов. В принципе мощность таких волновых станций может достигать десятков мегаватт.

Проектом российских ученых заинтересовались энергетики многих стран, предложения о сотрудничестве приходят из Норвегии, Великобритании, Дании, Испании, Италии, Китая и т.д. По оценкам, стоимость электроэнергии будет составлять не более 2 рублей за кВт/ч, а капитальные затраты на сооружение электростанций окупятся за два года.

В России поплавковые электростанции наиболее перспективны в незамерзающих акваториях Баренцева моря, а в качестве регионального или сезонного источника энергии — на Черном, Каспийском и дальневосточных морях.

Преимущества и недостатки волновой энергетики

Существует проблема, связанная с тем, что при создании волновых электростанций штормовые волны гнут и сминают даже стальные лопасти водяных турбин. Поэтому приходится применять методы искусственного снижения мощности, отбираемой от волн.

Преимущества

  • Волновые электростанции могут выполнять роль волногасителей, защищая порты, гавани и берега от разрушения.
  • Маломощные волновые электрогенераторы некоторых типов могут устанавливаться на стенках причалов, опорах мостов, уменьшая воздействие волн на них.
  • Поскольку удельная мощность волнения на 1-2 порядка превышает удельную мощность ветра, волновая энергетика может оказаться более выгодной, чем

Энергия волн – энергия, которую волны переносят по поверхности воды. Это неисчерпаемый источник, пригодный для получения электричества. Для преобразования энергии волны в электроэнергию сооружают электростанции волновые. Их монтируют непосредственно в воду.

В перспективе волновая генерация может за год выдать 4 ТВт в прибрежных зонах и до нескольких десятков ТВт в открытом море.

Буй-генератор

Ocean Power Technologies (OPT) – инжиниринговая компания из Шотландии – представила PowerBuoy PB150. Это огромный буй длиной 42 м, удерживаемый одиннадцатиметровым поплавком и якорной системой. Мощность одной станции 150 кВт.

Агрегат способен преобразовывать в электроэнергию вертикальные колебания. Погруженная часть буя-генератора зафиксирована на дне якорной системой. Поплавок перемещается по вертикали в унисон колебанию морских вод — он закреплен на подвижном штоке. Шток – часть линейного генератора, который во время прохождения обмотки статора вырабатывает электричество.

Конструкция оснащена системой датчиков, благодаря которой можно вручную адаптировать ход штока согласно силе, высоте и частоте волн, добиваясь наиболее рационального режима работы оборудования. Во избежание аварий в периоды сильных штормов шток поплавка блокируется автоматически.

К месту дислокации агрегат доставляют буксиры. Несколько подобных буев, установленные рядом, использующие общую якорную систему и единый силовой контур, образуют волновую ферму. Для установки системы мощностью 10МВт необходимо 0,125 квадратных км водной поверхности. Первый такой буй разместили в 33 морских милях от Инвергордона (Шотландия). Анализ среды вблизи функционирующего генератора показал, что он экологически нейтрален.

Строительство ВЭС

Во время строительства ВЭС необходимо учитывать следующие факторы получения электрической энергии:

  • Требуется брать в расчет показатели кинетической энергии волн. При попадании в трубу волновой электростанции вода оказывает давление на расположенную внутри, которая приводится в движение и вырабатывает энергию. Также данный процесс может осуществляться с помощью давления, которое оказывается водой, выталкивающей воздух из полой камеры.
  • Энергия получаемого от качения поверхности. При подобных случаях на поверхность воды устанавливаются специальные датчики, называемые поплавками. Они отслеживают профили каждой волны и преобразовывают качание в электрическую энергию.

К счастью схема ПВЭС проста, поэтому на строительство и запуск не приходится тратить больших средств, в то время как КПД приливной электростанции позволяет использовать ее даже для крупных городов побережья.

Заключение

Конечно, как и другие альтернативные способы добычи электрической энергии, данный метод не до конца изучен и разработан, но процесс идет очень хорошими темпами. На сегодняшний день даже преобразование не может на равных конкурировать с углеводородными источниками, но следует продолжать исследовать все альтернативные методы. Россия не так давно стала разрабатывать проект получения энергии из ВЭС, но у страны есть большой потенциал и возможности, которые требуется лишь реализовать на все 100%.

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.

Выгодно ли использовать энергию волн

Энергия волн считается возобновляемой, к тому же огромный потенциал океана может дать около 20% от всей потребной электроэнергии. Развитие этого направления выгодно со всех сторон, поскольку природные ресурсы начинают активно истощаться, а уголь, нефть и газ рано или поздно закончатся.

Атомная энергетика не сможет решить всех будущих проблем. В связи с потенциальной опасностью и отсутствием гарантированной защиты, АЭС развиваются не так активно, как это необходимо.

К положительным качествам ВЭС можно отнести следующие:

  • Безопасная продолжительная эксплуатация без нарушений экологии.
  • Станции заодно гасят волны возле портов и берегов, выполняя функции защиты.
  • Волны являются возобновляемым источником энергии.
  • Низкая себестоимость полученной электроэнергии.

Минусами волновых установок считаются:

  • Небольшая мощность большинства установок.
  • Отсутствие стабильности в работе под влиянием погоды и природных условий.
  • Возможная опасность для рыболовецких и других судов.

Геотермальные электростанции (ГТЭС)

Ветряные электростанции

Газотурбинная электростанция (ГТЭС)

Тепловые электростанции (ТЭС)

Приливные электростанции (ПЭС)

Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС)

Первая в России волновая электростанция

В России первая ВЭС появилась в 2014 году в Приморском крае. Разработкой занимался коллектив ученых из и Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН. Установка имеет экспериментальный характер. Ее особенность в том, что она использует энергию не только волн, но и приливов/отливов.

В Москве предполагается строительство научно-исследовательской лаборатории, которая займется разработкой и созданием первой отечественной поплавковой станции. Возможно, после этого волновые электростанции в России тоже будут иметь промышленное или коммерческое назначение.

Волновая электростанция
– это один из подвидов электростанций, использующих для выработки электроэнергии кинетическую энергию воды. В данном случае используется энергия волн морей и океанов.

Это относительно новый вид энергетики, хотя ее история насчитывает уже более 200 лет. Чаще всего волновые электростанции устанавливаются недалеко от прибрежных зон там, где потенциальная волновая активность выше всего. К таким местам относятся: западно-европейское побережье, северное побережье Англии, Тихоокеанское побережье Америки (обоих континентов), прибрежная зона Южной Африки, Австралии и Новой Зеландии.

История

  • 1799 год. Первая заявка на патент волновой мельницы. Заявка подана в Париже, Франция.
  • 1880 — 1900 год. Многочисленные попытки использовать энергию волн для получения электричества.
  • 1973 год. Увеличение интереса к волновой энергии после нефтяного кризиса.
  • 2008 год. Первая волновая электростанция вошла в коммерческую эксплуатацию.

Первая волновая электростанция

Первая волновая электростанция расположена в районе Агусадора, Португалия, на расстоянии 5 километров от берега. Была официально открыта 23 сентября 2008 года португальским министром экономики. Мощность данной электростанции составляет 2,25 МВт, этого хватает для обеспечения электроэнергией примерно 1600 домов. Первоначально предполагалось, что станция войдёт в эксплуатацию в 2006 году, но развёртывание электростанции произошло на 2 года позже планируемого срока. Проект электростанции принадлежит шотландской компании Pelamis Wave Power, которая в 2005 году заключила контракт с португальской энергетической компанией Enersis на строительство волновой электростанции в Португалии. Стоимость контракта составила 8 миллионов евро.

Параметры электростанции

Электростанция состоит из 3-х устройств под названием Pelamis P-750 (англ.)русск.. Это большие плавающие объекты змеевидного типа, размер каждого:

  • длина 120 метров,
  • диаметр 3,5 метра,
  • вес 750 тонн.

Мощность одного такого конвертера составляет 750 КВт.
Удельные характеристики: мощность 1 кВт/тонну и 650 Вт на м³ конструкции. В электричество превращается примерно 1% энергии волнения. [источник не указан 2781 день]

Устройство и принцип действия

Pelamis P-750 состоит из секций, между секциями закреплены гидравлические поршни. Внутри каждой секции также есть гидравлические двигатели и электрогенераторы. Под воздействием волн конвертеры качаются на поверхности воды, и это заставляет их изгибаться, за что конструкции стали называть «морскими змеями» («sea-snake»). Движение этих соединений приводит в работу гидравлические поршни, которые, в свою очередь, приводят в движение масло. Масло проходит через гидравлические двигатели. Эти гидравлические двигатели приводят в движение электрические генераторы, которые производят электроэнергию.

Перспективы

В дальнейшем планируется добавить к трём существующем конвертерам ещё 25, что увеличит мощность электростанции с 2,25 МВт до 21 МВт. Такой мощности хватит для обеспечения электроэнергией 15 000 домов и снизит выбросы углекислого газа на 60 000 тонн в год.

Через два месяца на электростанции возникли неполадки, в результате она была демонтирована.

Российские разработки

На территории Москвы может быть начато строительства производственного научно-исследовательского предприятия, которое будет разрабатывать модуль поплавковой волновой электростанции. Инвестор планирует строительство опытно-промышленного предприятия, включающего в себя производственную научно-исследовательскую лабораторию.

Учёные УрФУ разработали мобильную волновую электростанцию. В 2014 г. её испытания начались в бухте Витязь на Морской экспериментальной станции «Мыс Шульца» Тихоокеанского океанологического института им В.И. Ильчева ДВО РАН, расположенной на полуострове Гамова (Приморье).

Проблемы, которые надо решить

Основная задача, которая стоит перед научным сообществом сейчас, — это совершенствование конструкции, что позволит снизить себестоимость электричества, которое вырабатывают волновые электростанции. Принцип работы должен остаться тем же, но применяться для создания установок будут уже новые технологии и материалы.

Средняя мощность волны составляет 75-85 кВт/м — именно на такой диапазон настраиваются большинство станций. Однако во время шторма сила морских валов увеличивается в несколько раз и создается опасность разрушения установок. Уже не одна лопасть была смята или погнута после шторма. Для решения этой проблемы ученые искусственными методами снижают удельную мощность волн. Одна из проблем состоит в том, что массовое использование волновых станций приведет к изменению климата. Генерация электрической энергии осуществляется за счет вращения Земли (именно так образуются волны). Повсеместное использование станций заставит планету вращаться медленнее. Человек разницу не почувствует, но это уничтожит ряд течений, которые играют важную роль в теплообмене Земли.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: