Проект морской волновой электростанции. Волновые электростанции как будущее гидроэнергетики

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:

станции могут выступать в качестве волногасителей, а значит, способны защитить берега от разломов и обвалов;
можно расположить волновые электрогенераторы небольшой мощности на конструкциях мостов, причалов, сокращая действие на них;
значительное преимущество перед ветровой энергетикой;
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.

Использование: к гидроэнергетике, преобразование энергии волн в электрическую энергию. Сущность изобретения: волновой генератор содержит опору, вертикальный цилиндрический корпус с крышкой и днищем, в котором выполнено волноприемное отверстие, обратный клапан и преобразователь энергии волн в виде вертикального вала, жестко соединенный с крышкой корпуса, в нижней части боковой стенки которого выполнены вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия. Новым является то, что в конструкции имеются второй вертикальный цилиндрический корпус, электрогенератор, волноприемные отверстия, причем второй вертикальный цилиндрический корпус подвижно связан с первым корпусом посредством вертикального вала, жестко соединенного с крышкой второго корпуса, и на валу жестко посажен магнитный кольцевой ротор электрогенератора, а статор жестко соединен с днищем первого корпуса, который связан с опорой, причем вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия второго корпуса направлены в сторону противоположную таким же отверстиям первого корпуса. 3 ил.

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства для создания дополнительных источников энергии. Известен волновой двигатель, содержащий вертикальный корпус с волноприемным отверстием, клапан и преобразователь энергии волн, где корпус выполнен цилиндрическим с крышкой и днищем, волноприемное отверстие выполнено в днище, клапан выполнен обратным и установлен в отверстии, преобразователь представляет собой вертикальный вал и жестко соединен с крышкой корпуса, при этом в нижней части боковой стенки корпуса выполнены вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия. Недостатком известной конструкции является низкий КПД. Техническим результатом изобретения является повышение КПД. Технический результат достигается тем, что в волновом генераторе, содержащем вертикальный цилиндрический корпус с крышкой и днищем, в котором выполнено волноприемное отверстие, обратный клапан и преобразователь энергии волн в виде вертикального вала, жестко соединенный с крышкой корпуса, в нижней части боковой стенки которого выполнены вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй вертикальный цилиндрический корпус, электрический генератор, опору, волноприемные отверстия, причем второй вертикальный цилиндрический корпус подвижно связан с первым корпусом посредством вертикального вала, жестко соединенного с крышкой второго корпуса, и на валу жестко посажен ротор генератора, а статор жестко соединен с днищем первого корпуса, который связан с опорой, причем вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия второго корпуса направлены в сторону, противоположную таким же отверстиям первого корпуса. На фиг.1 показан волновой генератор; на фиг.2 и 3 первый и второй соответственно цилиндрические корпуса, разрез. Волновой генератор содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с крышкой и днищем, в котором выполнено волноприемное отверстие 2, обратный клапан 3 и преобразователь энергии волн в виде вертикального вала 4, жестко соединенный с крышкой корпуса, в нижней части боковой стенки которого выполнены вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия 5. Основными отличительными признаками являются второй вертикальный цилиндрический корпус 6, электрогенератор 7, опора 8, волноприемные отверстия 9, причем второй вертикальный цилиндрический корпус 6 подвижно связан с первым корпусом 1 посредством вертикального вала 10, жестко соединенного с крышкой второго корпуса, и на валу 10 жестко посажен магнитный кольцевой ротор 11 электрогенератора 7, а статор 12 жестко соединен с днищем первого корпуса 1, который связан с опорой 8, причем вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия 13 второго корпуса 6 направлены в сторону, противоположную таким же отверстиям 5 первого корпуса 1. Волновой генератор устанавливается на некоторую глубину и работает следующим образом. При увеличении гидростатического давления возрастает давление и внутри вертикальных корпусов 1 и 6. Через обратные клапана 3, установленные в волноприемных отверстиях 2 и 9 вода вливается в корпуса 1 и 6 и приводит к уменьшению объема воздушных зазоров, которые образуются при установке генератора на глубину и находятся в верхних частях корпусов 1 и 6. Далее при спаде гидростатического давления под действием упругих сил сжатого воздуха вода с реактивной силой выбрасывается через тангенциально направленные щелевые отверстия 5 и 13, что вызывает вращательное движение корпусов 1 и 6, а следовательно, магнитного кольцевого ротора электрогенератора 11 и статора 12, причем они вращаются в противоположные друг от друга стороны, так как. вертикальные тангенциально направленные щелевые отверстия 5 и 13 корпусов 1 и 6 направлены в противоположные стороны относительно друг друга. При этом магнитные силовые линии ротора 11, пронизывая обмотку статора 12, наводят в них ЭДС. Если обмотку статора замкнуть через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотках статора 12 возникает ток.

Формула изобретения

Волновой генератор, содержащий опору, вертикальный цилиндрический корпус с крышкой и днищем, в котором выполнено волноприемное отверстие, обратный клапан и преобразователь энергии волн, выполненный в виде вертикального вала, жестко соединенного с крышкой корпуса, в нижней части боковой стенки которого выполнены вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия, отличающийся тем, что он снабжен электрическим генератором и вторым вертикальным цилиндрическим корпусом с волноприемными и вертикальными тангенциально расположенными щелевыми отверстиями, причем второй корпус подвижно связан с первым посредством дополнительного вертикального вала, жестко соединенного с крышкой второго корпуса, на дополнительном валу жестко закреплен магнитный кольцевой ротор электрического генератора, статор которого соединен с днищем первого корпуса, связанного с опорой, при этом щелевые отверстия второго корпуса направлены в сторону, противоположную щелевым отверстиям первого корпуса.

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.

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.

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

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

Природа явления

Волнообразование – есть результат воздействия солнечных лучей. Солнце нагревает воздушные массы, из-за чего они перемещаются в пространстве. В процессе перетекания воздух соприкасается с поверхностью океана, инициируя возникновение волны.

Энергоемкость конкретного волнового вала определяется:

силой ветров;
продолжительностью порывов;
шириной воздушного фронта.

Максимальное значение энергоемкости одной волны достигает 100 кВт на 1 м. Данный показатель существенно понижается на мелководье, что объясняется трением о дно водоема.

Принцип действия классической волновой электростанции

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

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

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

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

Совершенствование классической модели

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

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

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

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

Буй-генератор

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

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

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

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

Преимущества и недостатки

Преимущества волновой энергетики:

волновая электростанция способна заменить волногасители, защищающие береговую линию и прибрежные сооружения от разрушения;
волновые электрогенераторы малой мощности можно монтировать непосредственно на мостовых опорах, причалах, принимая мощность волн;
удельная мощность волнения волн выше удельной мощности ветров на 1-2 порядка, соответственно волновая энергетика может оказаться выгоднее, нежели ветряная.

Недостатки:

штормовая волна способна смять лопасти водяных турбин. Проблема решается методами искусственного уменьшения мощности, заключенной в волнах;
некоторые типы генераторов представляют реальную угрозу для безопасности мореплавания;
в местах установки отдельных видов агрегатов промышленное рыболовство становится невозможным.