Волновая электростанция: принцип работы. Есть ли будущее у волновых электростанций

Сегодня главными источниками энергии считаются углеводородное сырье – нефть, уголь, газ. Как показывают исследования, угольных залежей при нынешних темпах добычи будет достаточно еще на 4 столетия, а залежи нефти и газа истощатся через 4 десятка и 6 десятков лет соответственно.

Подобное скорое сокращение количества полезных ископаемых требует поиска других методов добычи энергии. Самым многообещающим видом является такой вид гидроэнергетики как волновая.

Единая структура станций волновой энергетики

Станция волновой энергетики – это строение, находящееся на воде, способное за счет волн вырабатывать электрическую энергию. При их возведении необходимо считаться с двумя обстоятельствами:

Энергия движения волн. Волны, направляющиеся в коллектор значительной окружности, заставляют вращаться лопасти турбин, приводящие в рабочее состояние генератор. Существует и другой способ – волна движется сквозь открытую емкость, вытесняя сжатый воздух, вынуждает двигатель работать.

Энергия поверхностного качения. Здесь получение электроэнергии случается благодаря преобразователям - поплавкам, которые следят за направлением волны, находясь на плоскости воды.

Существуют следующие типы подобных поплавков:

Утка «Солтера» - подразумевает огромное число поплавков, которые установлены на одном валу. Для большей результативности данного вида поплавка нужно прикрепить на вал их до 30 штук.

Плот Коккереля представляет собой строение из 4 ячеек, имеющих соединение посредством шарнир, которые движутся из-за силы волн и заставляют работать гидроцилиндрические устройства, обеспечивающие деятельность генераторов.

Преобразователи Pelamis навеваются еще морскими змеями, сегменты в виде цилиндров соединяются шарнирным способом и под действием вол созданная «змея» изгибается, заставляя работать гидравлические поршни.

Достоинства и недостатки гидроэнергетики волн

Сегодня всего только 1% добываемой электрической энергии относится к гидроэнергетике волн, но их ресурсы огромны. Незначительное применение станций волновой энергетики объясняется дорогостоящей на выходе энергией.

Минусами применения станций волновой энергетики являются определенные условия:

Экологические. Огромное число преобразователей волн способно нанести вред экологической системе, потому что волны оказывают значительное влияние на газообмен океана и атмосферы, на очищение поверхности воды от засорений.

Социально-экономические. Определенные виды генераторов, используемые в гидроэнергетике волн, могут нанести вред судоходству. Что повлияет на работу рыбаков, которым придется покинуть крупные рыбопромышленные места.

Однако волновые электростанции помимо минусов имеют и ряд определенных достоинств:

1. станции могут выступать в качестве волногасителей, а значит, способны защитить берега от разломов и обвалов;
2. можно расположить волновые электрогенераторы небольшой мощности на конструкциях мостов, причалов, сокращая действие на них;
3. значительное преимущество перед ветровой энергетикой;
4. электроэнергия получаемая благодаря морским волнам не завит и не нуждается в углеводородном сырье, залежи которых значительно сокращаются.

Важнейшей целью создателей станций волновой энергетики является модернизация его постройки таким способом, чтобы ощутимо сократить себестоимость производимого электричества.

Территориальное возведение волновых электростанций

Возведение волновых электростанций малых мощностей используется для питания электроэнергией маленьких объектов:

Построек по береговой линии;

Малых селений;

Независимых маяков, буев;

Научных и исследовательских устройств;

Буковых установок.

Португалия

В районе Агусадора в 2008 году произошло значительное событие в гидроэнергетике – впервые начала свою работу волновая электростанция с мощностью 2,25 МВт. Разработкой занималась компания Pelamis Wave из Шотландии, которая подписала с Португалией договор на 8 млн. евро.

На данный момент на станции работают 3 преобразователя по типу змеи, которые на половину находятся в воде. Одна «змея» имеет длину в 120 метров, а весит 750 тонн. Сама станция располагается в 5 км от береговой линии, на нее по кабелям поступает электричество. На станции проводятся работы, способствующие росту мощности этой волновой станции до 21 МВт, в планах установить 25 дополнительных преобразователей, что позволит снабдить электричество 15 тысяч домов.

Норвегия

Появление волновых станций для промышленных целей зафиксировано в 85-м году XX века в Норвегии.

Эта станция – воздушное волновое сооружение, имеет мощность до 500 кВт. Ее опускают на самый низший слой поверхности воды.

. Места с наибольшим потенциалом для волновой энергетики - западное побережье Европы , северное побережье Великобритании и Тихоокеанское побережье Северной , Южной Америки , Австралии и Новой Зеландии , а также побережье Южной Африки [ ] .

История

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:

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. [ ]

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.

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.

Другие эксплуатирующиеся и строящиеся волновые электростанции

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

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

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

История

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

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

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

Принцип работы

Современная волновая электростанция состоит из нескольких специальных конвертеров, мощность каждого из которых может достигать 1 МВт. Каждый конвертер состоит из нескольких секций, между которыми закреплены на движимых конструкциях гидравлические поршни. К каждому поршню или системе поршней привязан гидравлический двигатель, который приводит во вращение электрический генератор .

Под действием волн конвертер начинает качаться, что приводит в движение гидравлические поршни. Последние создают в гидравлической системе, в которой находится масло, давление, а оно в свою очередь движет гидравлическими двигателями.

Один конвертер может достигать в длину до 150 метров и иметь диаметр около 3 метров. Вес одной такой установки не редко достигает 700 – 800 тонн.

Есть и другие конструкции конвертеров, которые представляют собой отдельные буи, расположенные не горизонтально, а вертикально. Принцип их работы аналогичен предыдущему с той лишь разницей, что гидравлические поршни имеют несколько иную форму.

Сложность конструкций всех существующих конвертеров заключается лишь в эксплуатационных особенностях механических их частей. Ведь волновые электростанции, как правило, находятся в соленой воде, поэтому очень важно не допустить ее контакта с металлическими элементами конвертера.

Также очень часто приходится использовать специальные приспособления (волнорезы и тормозные щиты), чтобы снизить чрезмерную энергию волны, которая с легкостью может разрушить всю конструкцию.

Удельная мощность всех волн морей и океанов намного превосходит как ветровую, так и солнечную суммарную энергию. Ученые подсчитали, что средняя эквивалентная мощность волны на нашей планете равняется примерно 15 кВт на погонный метр. И это при средней высоте волн до 1 метра. Если же волны, а это бывает не так уж и редко, достигают высоты 2 и более метров, их эквивалентная мощность может доходить до 80 кВт/м пог.

Первую приливную электростанцию построили в 1913 г. вблизи Ливерпуля в бухте Ди, ее мощность достигала 635 кВт.

Для работы электростанции необходимо, чтобы перепад уровней между отливом и приливом составлял более четырех метров.

С увеличением разницы высот воды увеличивается выработка электроэнергии приливной электростанции. Наиболее подходящим местом для использования энергии приливов необходимо считать такое место на морском побережье, где приливы обычно имеют амплитуду от 4 до 19 м, а береговой рельеф позволяет с минимальными затратами создать большой замкнутый бассейн.

Удобным местом для постройки приливной электростанции является узкий морской залив, который при устройстве ПЭС отсекается плотиной от океана. В отверстиях плотины размещаются гидротурбины с генераторами. Генератор и турбина заключены в обтекаемую капсулу. Главным достоинством таких капсульных агрегатов является их универсальность. Они способны не только вырабатывать электрическую энергию при движении через них морской воды, но и выполнять функции насосов. При этом производство электроэнергии происходит как в период прилива, так и в период отлива.

Режим работы приливной электростанции обычно состоит из нескольких циклов. Четыре переходных цикла (периода): простой турбин, по 1-2 часа, периоды начала прилива и его окончания. Затем четыре рабочих цикла продолжительностью по 4-5 часов, периоды прилива или отлива, действующих в полную силу. В ходе прилива водой наполняется бассейн приливной электростанции. Движение воды вращает колеса капсульных агрегатов, электростанция вырабатывает ток. Во время отлива вода, уходя из бассейна в океан, также вращает рабочие колеса, но в обратную сторону. В промежутках между приливом и отливом колеса останавливаются. Приливную электростанцию необходимо связать с сетью.

В России первая приливная станция была построена в заливе Кислая Губа в 90 км от Мурманска в 1968 г., мощность турбины 400 кВт. Впервые при ее монтаже была применена наплавная технология строительства, когда блоки делают в доке, затем перемещают плавучим способом к месту установки, монтируют и бетонируют. Такая же технология впоследствии была использована при строительстве дамбы в Санкт-Петербурге. В настоящее время на станции установлен агрегат нового типа.

В России после выполнения проектных проработок определены несколько основных мест возможного размещения приливных электростанций в Северном море: Мезенская ПЭС – 8 ГВт, Северное море, около 10 м прилив; Северная ПЭС – 12 ГВт, Баренцево море, высота прилива около 4 м; Пенжинская ПЭС – 88 ГВт, Охотское море, высота прилива 11 м; Тугурская ПЭС – 8 ГВт, Охотское море, высота прилива 9 м. Положение ПЭС на карте .

Следует помнить, что общая мощность тепловых электростанций в России на сегодня составляет около 150 ГВт. В связи с дальним расположением потребителей электроэнергии рассматривается вариант производства рядом с ПЭС водорода с последующей его транспортировкой потребителям. Ведутся переговоры с Россией о строительстве международной ПЭС на востоке России. Энергия ПЭС самая дешевая.

Для применения на ПЭС в России разработаны простые в изготовлении и потому дешевые ортогональные роторные турбины, состоящие из нескольких ярусов и имеющие к.п.д. на уровне 70…80%. У них есть ряд преимуществ перед осевыми машинами, хотя их к.п.д. несколько меньше.

Самой мощной на сегодня является Сихвинская ПЭС мощность 252 МВт (Южная Корея), введенная в работу в 2013 г.

Волновые электростанции

Применяются также волновые электростанции. Конструктивных реализаций волновых электростанций, как минимум, несколько десятков. В настоящем разделе приведены три довольно оригинальных конструкции.

Oceanlinx – электростанция, в которой рабочим телом является воздух. Еще одно название — Oscillating Water Column (OWC). Осевая турбина производства фирмы Denniss-Auld turbine расположена горизонтально в надземной части платформы. Канал, в котором она размещена, имеет переменное сечение и переходит в подводный канал. Переменный уровень поверхности волн приводит то к выталкиванию воздуха из проточной части турбины при подъеме волны, то к втягиванию атмосферного воздуха при понижении ее уровня относительно среднего уровня воды. Скорость воздуха максимальна в окрестности рабочего колеса турбины. Эти переменные по направлению потоки воздуха и вызывают вращение колеса турбины. Несмотря на противоположные направления движения воздуха, турбина вращает генератор в одном направлении. Это достигается с помощью механизма поворота лопаток при смене направления движения воздуха. С помощью контроллера производится переменное во времени регулирование угла положения лопаток относительно оси турбины, исходя из направления движения воздуха и его скорости, которая, в свою очередь зависит от высоты волны на поверхности моря. Достигнута мощность 2,5 МВт в одном агрегате, намериваются сделать 6-модульный агрегат общей мощностью 18 МВт. Движение воздуха сопровождаются звуками, которые называют “Дыханием дракона”.

Searaser, Wave Energy Converter – гравитационно-волновой насос (другие названия “морской наполнитель”, преобразователь энергии волн) – это поплавковый поршневой насос двустороннего действия, производящий закачивание морской воды в бассейн (емкость), расположенный выше уровня моря на 100…200 м. Мощность одного модуля может достигать 250 кВт. Из верхнего бассейна вода направляется в гидротурбинный агрегат, расположенный на берегу моря и производящий электроэнергию. Насос по принципу действия похож на велосипедный насос. Движущей силой поршня является результирующая сил Архимеда и силы тяготения, действующая на перемещающийся по вертикали верхний поплавок с внутренним грузом благодаря энергии волн, смотри на русском языке и . Фактически эта установка является гидроаккумулятором, использующим энергию волн для заполнения высоко расположенной аккумулирующей емкости, башни или бассейна.

В Северной Ирландии установлен двухроторный агрегат SeaGen мощностью 1,2 МВт с лопастями диаметром 10 м, см. фото.