3.2.2.Осциляционная водяная колонна

Один из способов уловить новую энергию - осциляционная водяная колонна. В полой, частично погруженной колонне из стали или бетона есть отверстие под водой. Внутренняя часть колонны содержит воздух над столбом воды. Волны, попадая в сооружение, вызывают подъем и уменьшение уровня воды. Движение воды то сжимает, то разжимает воздух в конструкции. Сжитый воздух образуется, когда вода входит в колонну, и передается турбине, прикрепленной к генератору. Волны заставляют воздух выходить через турбины и возвращаться обратно, когда давление падает. В колонне воды используется турбина Уэллса, уникальные лопасти которой позволяют ей вращаться вне зависимости от того, в каком направлении движется воздух. Прототип такой электростанции по построен на побережье Шотландии. Она генерирует около 500 киловатт электричества.

Рисунок 5. Схема установки, в которой используется принцип колеблющегося водного столба. 1 - волновой подъем уровня; 2 - воздушный поток; 3 - турбина; 4 - выпуск воздуха; 5 -направление волны; 6 - опускание уровня; 7 - впуск воздуха.

Рисунок 6. Схема работы водяной осцилляционной установки

Рисунок 7. КПД осциллирующего водного столба H и λ - соответственно, высота и длина волны.

3.3.Волновые энергетические установки, использующиеся в открытом море

Наиболее распространенными волновыми установками являются поплавковые. Рабочее тело таких установок – поплавок – находится на поверхности моря и совершает вертикальные колебания в соответствии с изменениями уровня воды при ветровом волнении. Вертикальные перемещения поплавка используются для попеременного сжатия газа или жидкости в какой-либо емкости, или они преобразуются во вращательное движение электрического генератора и т.п. Например, буй диаметром 16 м, разработанный в Норвегии, при амплитуде вертикальных перемещений 8 м способен при КПД 80% вырабатывать до 4 млн. кВт×ч в год.

Амплитуда колебаний поплавка может быть существенно (в 10-12 раз) увеличена за счет усовершенствования его конструкции. Для увеличения амплитуды (резонанса) вертикальный цилиндрический поплавок частично (в зависимости от параметров волны и поплавка) заполняется водой или к поплавку подвешивается груз соответствующей массы. Крупномасштабная модель резонансного поплавка (рисунок 8), исследованная в Японии, имела диаметр 2,2 м, высоту 22 м, массу 13,5 т, пропеллерную турбину диаметром 0,8 м. Амплитуда колебаний поплавка достигала 8 м при волнах высотой от 0,5 до 1,5 м.

Рисунок 8. Резонансный поплавок

3.3.1.«Утка» Солтера

Эффективность поплавковых установок возрастает, если применить эксцентрические поплавки, которые не только раскачиваются на волнах, но и воспринимают давление набегающей волны. Широко известной установкой этого типа является “утка” Солтера. Данная установка разработана Стефаном Солтером, профессором Эдинбургского университета, 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.  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». 

Рисунок 9. «Утка Солтера»:

а – схема преобразования энергии волны;

б – вариант конструкции преобразователя;

1 – плавучая платформа;

2 – цилиндрическая опора с размещенными в ней приводами и электрогенераторами;

3 –асимметричный поплавок.

Эффективность данного устройства исследовалась многими авторами, которые подтвердили результаты, полученные С. Солтером (рисунок. 10). Было показано также, что система, состоящая из трех-четырех тел, способна поглотить почти всю энергию случайной волны в широком диапазоне частот. Даже ограничение системы двумя телами сохраняет способность отбора более 95% энергии случайной волны в широком спектре частот. При этом эффективность каждого из тел максимальна в своем диапазоне частот (рисунок 11.)

Рисунок 10. Рисунок 11. КПД “утки” Солтера Эффективность системы из двух с одной степенью свободы «уток» Солтера .

2. Шарнирные контуры

   1. Волновой плот Коккерела

Поплавки, находящиеся на поверхности моря, могут совершать не только вертикальные колебания, но и угловые перемещения в соответствии с профилем волны. Рабочее тело таких установок состоит из двух или многих поплавков, соединенных между собой шарнирами в виде поршневых насосов или гофрированных “мехов”. Установки используют изменение формы поверхности моря при ветровом волнении (путем изменения углового положения между поплавками) для привода в действие насосов или “мехов”.

Впервые  конструкция  волнового плота  была запатентована в СССР   еще в 1926 г. В 1978 г.  в Великобритании проводились испытания опытных моделей океанских электростанций, в основе которых лежит аналогичное решение. Волновой плот  Коккерела состоит из шарнирно соединенных секций,  перемещение которых относительно   друг друга   передается  насосам с электрогенераторами. Вся конструкция  удерживается  на месте якорями. Трехсекционный волновой плот  Коккерела длиной 100 м , шириной 50 м и высотой 10 м может дать мощность до 2 тыс. кВт.

        В СССР модель волнового плота  испытывалась  в 700-х  гг. на  Черном море. 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.

Рисунок 12. 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.

Рисунок 13. Эффективность двузвенного контура плота при жесткой стабилизации заднего звена

4. Проблемы волновой энергетики энергии

Сложно выбрать место для строительства волновой электростанции Как и в случае с ветром, сила волн меняется: во время шторма они увеличиваются, а в спокойную погоду - уменьшаются. Для нормальной работы волновой электростанции необходимы относительно стабильные волны. Есть множество регионов, у берегов которых наблюдается волнение, - западные берега Шотландии, север Канады, юг Африки и Австралии; часть Гавайский островов и северо-восточные и северо-западные берега США.

Важен и вид местности. Вряд ли местным жителям понравится огромная волновая электростанция вместо живописного вида. Влияние на окружающую среду так же поднимает свои вопросы. Строители электростанции не хотят существунно поднимать существующие седиментарные слои, потому что последствия могут быть очень масштабными. Кроме того, оборудование должно выдерживать суровые погодные условия.

Самой большой проблемой для волновой энергии является ее стоимость. Волновые электростанции дорого строить. Несмотря на то, что их топливо бесплатное, а потенциал производства энергии - огромен, в нынешних условиях энергия волновых электростанций дороже, чем у станций на ископаемом топливе.