9.6.3. Волновые электростанции
Ветровые волны представляют собой один из видов преобразованной солнечной энергии. Эффективность ее поглощения водными массами выше, чем земной поверхностью, поэтому воздух над ними нагревается сильнее и поднимается вверх, вытесняя более тяжелый холодный воздух вниз. Так образуются воздушные течения, направленные вертикально. В атмосфере происходит также общая циркуляция воздуха: теплый воздух над экваториальными водами поднимается и перемещается к полярной области, где он охлаждается, опускается и движется в обратном направлении к экватору. На общий характер циркуляции влияют форма земной поверхности и вращение Земли.
Непосредственно водным массам от движущихся воздушных масс энергия передается за счет трения на границе их раздела, которое тем больше, чем больше взволнована поверхность воды.
Параметрами волн, которые можно измерить непосредственно, являются ее высота и период. Эти параметры могут быть определены волнографом или в некоторых случаях оценены визуально.
Большая часть собранной в настоящее время информации получена путем визуальных наблюдений. Установлено, что наблюдаемые высоты волн не соответствуют средним их значениям, но близки к высоте волны, определяемой как среднее от 1/3 наибольших значений из общей совокупности высот вол. Такая средняя статистическая волна называется характерной волной.
Многочисленные исследования и моделирование волновых процессов показали, что энергетический потенциал волны зависит от ее высоты, ширины и периода волновых процессов. Все эти параметры в, свою очередь, в сильной степени зависят от метеорологических условий и географического положения поверхности волнения.
Расчеты, выполненные для Мирового океана по состоянию на 3 октября 1975 г. в 12.00 по Гринвичу, показали, что волновая мощность энергии волны может колебаться от 0,1 млн до 10 млн МВт, а технические ресурсы могут составлять от 50 000 до 2 700 000 МВт.
Средняя удельная мощность ветровых волн для стран Северного полушария составляет около 25 кВт/м. В Атлантическом океане для волны высотой 2,7 м при периоде волны в 7,1 с за 60 ч с 1 погонного метра фронта волны можно получить 30 000 кВт*ч.
На северо-западном побережье Шотландии в акваториях прибрежных вод с глубиной 42 м во время шторма мощность волны достигает 1000 кВт/м, а среднее значение мощности не превосходит 42 кВт/м. В середине Северного моря у берегов Германии мощность волны не превышает 14 кВт/м.
Для западного побережья Великобритании с 10 км побережья можно получить до 250 МВт от ветровых волн.
Суммарная мощность ветровых волн у берегов Великобритании составляет от 7 до 10 ГВт, что равноценно 11-15 % всей суммарной мощности электростанций Великобритании на уровне 1999 г.
Для Норвегии средняя удельная мощность волн составляет в среднем 36 кВт/м с максимумом 6 700 кВт/м. На Азорских островах (Португалия) средняя удельная мощность волны в открытом море равна 26,9 кВт/м.
Суммарная потенциальная мощность ветровых волн у побережья Японии равно 36 000 МВт. Для условий Индии энергопотенциал волн вдоль 6000 км побережья страны составляет 40 000 МВт при средней удельной мощности в 5–10 кВт/м. Располагаемая мощность волн западного побережья острова Тасмания составляет 20 000 МВт.
Устройства для получения волновой энергии.
Волновые устройства должны обеспечивать извлечение максимальной энергии за достаточно большой период времени и учитывать возможность эпизодических резких увеличений нагрузок. На основе использования характерных признаков волнового движения в настоящее время разработано большое количество таких устройств.
Преобразование энергии морских волн в электрическую энергию производится, как правило, с помощью воздушных или гидравлических турбин. Они работают благодаря воздействию волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т.п. С помощью электрогенераторов механическая энергия их перемещений преобразуется в электрическую.
В качестве источников энергии в волновых установках применяются самые разные устройства. Условно их можно разделить на три группы: использующие колебательные движения элементов конструкции, переменный уровень воды в установке, заброс воды в бассейн, где ее уровень выше уровня воды в океане.
Последнее время внимание многих исследователей привлекает устройство под названием «Пеламис». Первый опытный образец был построен и прошел испытания в европейском Центре морских исследований на Оркнейских островах (Великобритания).
«Пеламис» представляет собой «змею», состоящую из цилиндров. Волны заставляют эту змею изгибаться, что приводит в движение поршни, расположенные внутри цилиндров, которые, в свою очередь, заставляют вращаться генераторы электроэнергии. Кабель от каждого поплавка уходит на дно, а затем под дном направляется на берег. Если устройства расположены недалеко друг от друга, можно объединить их кабели в один, что позволит сэкономить несколько километров кабеля.
Новая конфигурация «Пеламис» позволяет устройствам вступать в резонанс, благодаря которому можно значительно увеличить выработку энергии на морях, где нет сильных волн. Отдельная «змея» может достигать мощности до 750 кВт.
Диаметр устройства «Пеламис» составляет 3б5 м, а длина его около 120 м. Устройство состоит из трех секций, каждая из которых вырабатывает по 250 кВт.
В идеале плавучая конструкция должна быть расположена на расстоянии 5 – 6 км от берега, где глубина 50 – 60 м, т.е. там, где волны достаточно большие и возможно соединение установки с берегом при помощи кабеля.
Похожую по идее конструкцию представляет волновой плот «Коккерела». Впервые конструкция волнового плота была запатентована в СССР еще в 1926 г. В 1978 г. в Великобритании проводились испытания опытных моделей, 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 до 2 МВт.
В России разрабатывается поплавковая волновая электростанция (ПВЭС), в основе которой лежит колебательное устройство, согласованное с внешним волновым полем.
По сравнению с другими видами волновых электростанций ПВЭС имеют ряд достоинств, к которым можно отнести следующие:
Возможность размещения энергоустановок и энергопромышленных комплексов непосредственно в морях и океанах, в местах мало или совсем не пригодных для обитания человека или мореплавания. Возможность изменения места размещения установок в зависимости от волновой активности морской акватории и сезонно-синоптических условий.
2 Использование в преобразователе колебательного привода, позволяющего согласовывать работу устройства с внешним волновым полем, обеспечивая тем самым наилучшие условия для отбора энергии.
3. Эффективная и надежная работа при любых длинах, скоростях, интенсивностях и направлениях распространения морских волн. Возможность подстройки устройства под внешние изменяющиеся условия.
4. Использование конструктивно отработанных, стандартных узлов и механизмов. Высокий ресурс работы благодаря защищенности узлов механизмов от внешнего агрессивного воздействия среды с помощью герметичной капсулы-поплавка. Простота монтажа и демонтажа изделия.
5. Возможность работы в необслуживаемом режиме. Низкая стоимость эксплуатации.
В настоящее время сконструирован и находится в стадии изготовления макет модуля ПВЭС для испытаний в натурных условиях.
В рамках проекта EUREKA – европейской программы поддержки коммерчески перспективных проектов – разработан новый механизм использования морских волн для получения энергии. Легкое и эффективное устройство выдает энергии в три раза больше, чем его предшественники. Агрегат под названием Wavebob Wave Energy Converter (WWEC) представляет собой заякоренный на длинной цепи буй, вырабатывающий энергию вследствие колебаний под действием волн. Существующие поплавковые электрогенераторы закреплены на цепи фиксированной длины, и зачастую это приводит к простоям, когда уровень воды значительно меняется и цепь оказывается либо слишком короткой, либо избыточно длинной.
WWEC, вместо того чтобы покоиться на волнах, когда уровень моря понижается, или погружаться под воду при его повышении, автоматически регулирует длину якорной цепи, оставаясь всегда в оптимальном положении. Делать это приходится потому, что в Северной Атлантике, например, максимальный вековой диапазон изменений уровня моря составляет 35 м.
Еще одно достоинство устройства состоит в универсальности конструкции. WWEC пригоден для морей с любым климатом. Обычно же для штормовых регионов изготавливаются специальные версии с массой несколько раз больше, чем, например, для Средиземноморья. Снижение массы WWEC привело к уменьшению расходов на доставку и установку генератора.
Установки второй группы используют изменения уровня воды в замкнутом пространстве, что приводит к изменению давления находящегося над ней воздуха, который может быть выпущен в атмосферу через турбину. При этом поток может двигаться в разных направлениях (тогда используется турбина Уэллса) либо в одном, что дает возможность применять более эффективную турбину.
Схема подобной установки с водяным столбом, разработанная в Национальной инженерной лаборатории Великобритании, представлена на рис. 9.17. Очевидно, что направление потока воздуха через турбину не меняется.
Рис. 9.17. Схема установки водяным столбом: 1 – волновой подъем уровня воды в камере;2 – воздушный поток; 3 – турбина; 4 – клапан для выпуска воздуха; 5 – направление волны; 6 – снижение уровня воды в камере; 7 – выпускной клапан воздуха
Волновая энергетическая установка «Каймэй» («Морской свет») – это самая мощная действующая энергетическая установка с пневматическими преобразователями, построена в Японии в 1976 г. Она использует волны высотой 6–10 м.
На барже длиной 80 м, шириной 12 м, высотой в носовой части 7 м, в кормовой 2,3 м, водоизмещением 500 т установлены 22 воздушных камеры, открытые снизу; каждая пара камер работает на одну турбину Уэллса. Общая мощность установки 1000 кВт. Первые испытания «Каймэй» были проведены в 1978 – 1979 гг. близ города Цуруока. Энергия передавалась на берег по подводному кабелю длиной около 3 км. В 1985 г. в Норвегии, в 46 км к северо-западу от города Берген, была построена промышленная волновая станция. Она представляет собой железобетонную камеру, заглубленную в скале; над ней была установлена стальная башня высотой 12,3 м и диаметром 3,6 м. Входящие в камеру волны создавали изменение объема воздуха. Возникающий поток через систему клапанов приводили во вращение турбину и связанный с ней генератор мощностью 500 кВт, годовая выработка энергии составляла 1,2 млн. кВтч (рис.9.18).
Рис.9.18. Норвежская волновая электростанция
Для избежания опасности разрушения установок при штормовой погоде в некоторых случаях их погружают под воду. Примером такой установки может служить «бристольский цилиндр», представляющий собой наполненный воздухом плавучий корпус, закрепленный под водой на опорах, установленных на грунте. Цилиндр находится под действием поверхностного движения воды и гидростатического давления. Вмонтированные в опоры гидравлические насосы преобразуют энергию движения цилиндра. Перекачиваемая ими жидкость передается на генераторную станцию, единую для нескольких цилиндров, по трубопроводам.
В установках третьей группы используются явления, часто наблюдаемые в прибрежных лагунах, когда волна разбивается на откосе дамбы и вода забрасывается на высоту, превышающий средний уровень моря. Она может быть возвращена обратно через низконапорную турбину.
Первая в мире коммерческая станция на этом принципе была построена в Норвегии в районе с естественной фокусировкой волн.
Однако установки третьей группы могут работать не только в прибрежных районах, но и вдали от берега.
Примером такого устройства может служить установка, получившая название «Волновой Дракон». Она состоит из трех основных элементов.
1. Два волновых рефлектора, фокусирующих волны по направлению к рампе и прикрепленные к основной конструкции, играют важную роль в повышении высоты волны, что приводит к увеличению ее энергии на 70 %.
2. Основная конструкция, состояит из выпуклой рампы и резервуара, в котором скапливается вода.
Рис. 9.19. – Волновая энергоустановка А.Е. Кирюнина: 1 – поплавок; 2 – рычажная система; 3 – поршень; 4 – водяной насос; 5 – аккумулятор гидроэнергии; 6 – сливная труба; 7 – лопасти турбины; 8 – вертикальная опора
3. Ряд низконапорных турбин, преобразующих потенциальную энергию столба в электричество.
Волновая энергетика в ведущих промышленных странах мира развивается
уже в течение многих лет. И есть некоторые успехи. Но изобретение москвича А.Е. Кирюнина «Волновая энергетическая установка» (заявка 2006121511) имеет свои существенные достоинства и может заинтересовать потенциальных инвесторов и спонсоров, особенно зарубежных. Ее преимущество в простоте и в высокой надежности (рис. 9.19).
Установка
содержит поплавок 1, который качается
на волнах. Вертикальные колебания через
рычажную систему 2 передаются на поршень
3
водяного насоса 4, который нагнетает
жидкость в аккумулятор гидропотенциальной
энергии (накопитель) 5, выполненный в
виде водонапорной башни и располагаемый
над всей системой.
При подъеме волны поплавок всплывает вверх. Одновременно с этим поднимается поршень 3 водяного насоса 4 и вода засасывается в образовавшееся пространство. В следующей фазе – опускании вниз – поршень 3 выбрасывает воду через подающую магистраль в аккумулятор гидропотенциальной энергии (накопитель) 5. Из него вода стекает по сливной трубе 6 и падает на лопасти турбины 7, которая вырабатывает электрический ток. Водный насос 4 закреплен на вертикальной опоре 8, установленной в прибрежной части водоема.
Электроустановка может работать постоянно или сезонно не только в прибрежных водах морей, океанов, но и на судоходных речных магистралях. По предварительным расчетам, оптимальная мощность одного промышленного модуля на базе данного изобретения составляет 10 кВт при КПД 25 %. При этом себестоимость такого модуля, его монтаж и установка обойдутся примерно в 9 тыс. руб. Авторы создали и демонстрируют действующий макет своей электроустановки.
Перспективы использования ВЭС.
Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии, эффективной конструкцией станции, в которую встроены устройства сглаживания неравномерного режима волнения. Считается, что эффективно волновые станции могут работать при использовании удельной мощности около 80 кВт/м.
Накопленный мировой опыт показывает, что удельные капиталовложения в строительство волновой электростанции достигают 5000 дол. /кВт, и вырабатываемая ими электроэнергия в в2 – 3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости.
В настоящее время волноэнергитические установки используются для энергопитания автономных буев, маяков, научных приборов. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас.
На базе устройств типа «уток Солтера» в настоящее время разработан проект мощной установки (45 МВт), состоящей из 20 – 30 поплавков размером 15 м, укрепленных на валу длиной 1200 м. Подобные системы предполагается установить у западных берегов Британских островов.
Опытная плавучая установка типа «ланкастерского моллюска» состоит из 6 камер, укрепленных на каркасе длиной 120 м и высотой 8 м. Ожидаемая мощность 500 кВт. Дальнейшие разработки показали, что наибольший эффект дает расположение камер по кругу. В Шотландии на озере Лох-Несс была испытана установка, состоящая из 12 камер и 8 турбин, укрепленных на каркасе диаметром 60 м и высотой 7 м. Теоретическая мощность такой установки около 1200 кВт.
Электростанции на базе «Пеламис» будут представлять собой целые плантации своеобразных поплавков, покачивающихся на волнах и вырабатывающих электрическую энергию.
Поплавки соединены с берегом с помощью кабеля, по которому передается вырабатываемая энергия. Планируется, что установка мощностью 30 МВт будет занимать площадь около 1 км² и обеспечивать электричеством 20 тыс. жилых домов. 20 таких установок могут обеспечить электричеством город, сравнимый по размерам с Эдинбургом.
Три установки «Пеламис», расположенные на расстоянии 5 км от берегов Португалии, мощностью 2,25 МВт, обеспечат электричеством 1500 домов и предотвратят выброс в атмосферу 600 т углекислого газа в год.
К концу 2006 г. количество таких установок увеличено до 30 с общей мощностью 20 МВт.
При использовании ПВЭС, в зависимости от ее назначения, возможно создание как одномодульных, рассчитанных на мощность от единиц ватт до 50 кВт, так и многомодульных установок в виде сети, которые могут быть собраны из большого количества (10 – 50) киловаттных модулей с суммарной электрической мощностью до десятков мегаватт.
Одномодульные устройства могут быть использованы в качестве источников электроэнергии для морских судов, световых и радиомаяков, в средствах мониторинга окружающей среды, метеозондирования, навигации, связи, телекоммуникации, в средствах индивидуального жизнеобеспечения и др.
Многомодульные устройства могут использоваться для энергообеспечения прибрежных и островных поселений, создания экологически чистых объектов перерабатывающей промышленности морского и прибрежного базировании, в том числе с использованием морских платформ с выработанными нефтяными скважинами для масштабного электролизного производства водорода и кислорода, что будет стимулировать становление экологически безопасной водородной энергетики.
Волновые электростанции типа WWEC устанавливаются в открытом море на глубине 50 м, так как, доходя до прибрежных вод, волны теряют большую часть энергии. Такие электростанции будут организованы подобно ветроэнергетическим фермам, когда на большой площади размещено множество агрегатов. Мощность каждой WWEC будет порядка одного мегаватта. По предварительным оценкам, на западном побережье Англии (без Шотландии и Ирландии) может вырабатываться от 50 до 70 ГВт электроэнергии.