В настоящее время находят практическое применение установки по использованию энергии волн в морях и океанах, суммарная мощность которых по различным методикам оценивается в более чем 100 млрд. кВт.

При средней высоте волн в Мировом океане 2,5 м и периоде 8 с удельный поток энергии, приходящийся на 1 м фронта волны, составляет 75 кВт/м. Удельный поток энергии ветровых волн, например, в морях стран СНГ (кВт/м): Азовское – 3, Черное – 6–8, Каспийское – 7–11, Охотское – 12–20, Берингово – 15–44, Баренцово – 22–29, Японское – 21–31, а суммарная мощность волн, набегающих на побережье (в пределах СНГ), составляет (млн.кВт): на Черном море – 14,7; Каспийском 67,5; Баренцевом – 56, Охотском – 129.

К положительным факторам волновой энергии относятся значительный суммарный потенциал, увеличение мощности в осенне-зимний период, когда растет потребление электроэнергии, а к недостаткам – ее прерывистость.

В разных странах эксплуатируется большое количество навигационных буев, использующих энергию волн. В 1985 г. в Норвегии были введены в строй и подключены к энергосистеме две первые в мире опытно-промышленные волновые электростанции.

Волновые гидроэнергетические установки состоят из трех основных частей – рабочего тела (или водоприемника), силового преобразователя с генератором электроэнергии и системы крепления.

Рабочее тело (твердое, жидкое или газообразное), непосредственно контактируя с водой, перемещается под действием волн или изменяет тем или иным образом условия их распространения. В качестве рабочего тела могут использоваться поплавки, волноприемные камеры, эластичные трубы, волноотбойные сооружения и другие.

Силовой преобразователь предназначен для преобразования энергии, запасенной рабочим телом (механической энергии движения твердого тела, перепада уровней воды в бассейнах, давления воздуха или жидкости), в энергию, пригодную для передачи на расстояние или для непосредственного использования. В качестве силовых преобразователей могут применяться гидравлические и воздушные турбины, водяные колеса, зубчатые или цепные передачи и другие устройства.

Система крепления обеспечивает удержание на месте волновой установки.

Различные типы волновых установок отличаются той составляющей энергии ветровых волн (разновидностью кинетической или потенциальной энергии), которую рабочее тело установки преобразует в другой вид энергии.

Одной из наиболее эффективных считается пневматическая волновая электростанция (рис. 2.28). Основной частью такой установки является камера, нижняя открытая часть которой погружена под наинизший уровень воды (ложбину волны). При поднятии и опускании уровня воды в море в камере происходит циклическое сжатие и расширение воздуха, движение которого через систему клапанов приводит во вращение воздушную турбину. Такая система широко применяется в мире для питания электроэнергией навигационных буев.

Одна из первых в мире волновых электростанций мощностью около 500 кВт в Норвегии также представляет собой пневматическую волновую установку, основной частью которой является камера с нижней открытой частью, погруженной под наинизший уровень поверхности воды.

Вторая из двух первых в мире волновых электростанций мощностью 450 кВт в Норвегии, использующая эффект набегания волны на отлогую суживающуюся поверхность (конфузорный откос), включает расположенный в фиорде суживающийся канал длиной 147 м с турбинным водоприемником, расположенным на 3 м выше среднего уровня моря. Установки такого типа, расположенные на берегу, имеют преимущества перед другими типами волновых установок, исключая трудности, связанные с их обслуживанием и ремонтом.

Одна из успешнейших на данный момент попыток эффективно перерабатывать энергию океанских волн – волновая электростанция «Oceanlinx» в акватории города Порт-Кембл (Австралия). Она была введена в эксплуатацию еще в 2005 году, затем была демонтирована для реконструкции и переоборудования и только в начале 2009 г. вновь запущена в действие.

Принцип ее работы заключается в том, что проходящие через нее волны толчками заполняют водой специальную камеру, вытесняя содержащийся в этой камере воздух. Сжатый воздух под давлением проходит через турбину, вращая ее лопасти. Из-за того, что направление движения волн и их сила постоянно меняются, на станции «Oceanlinx» используется турбина Denniss-Auld c регулируемым углом поворота лопастей. Одна силовая установка станции «Oceanlinx» обладает мощностью (в пиковом режиме) от 100 кВт до 1,5 МВт. Установка в Порт-Кембла поставляет в электросеть города 450 кВт электричества.

В сентябре 2008 года в городке Агусадор (Португалия) для обеспечения местных жителей электроэнергией была введена в строй коммерческая волновая электростанция. Проект был создан английской компанией «Pelamis Wave Power», давно экспериментирующей с энергией океанов. Пока на станции работают только три преобразователя волновой энергии – змеевидных устройства, наполовину погруженных в воду. Диаметр каждого преобразователя – 3.5 метра, длина – 140 метров. Именно они конвертируют силу волн в электричество.

Принцип действия преобразователей прост: волны поднимают и опускают их секции, а внутренняя гидравлическая система сопротивляется движению, на основе чего вырабатывается электричество, которое по кабелям передается на берег.

Сейчас мощность станции 2,25 МВт. Спустя какое-то время будет добавлено еще 25 преобразователей и тогда мощность станции возрастет до 21 МВт, что достаточно для снабжения 15 тыс. домов.

Волны мира могут генерировать 2 тераватта энергии, что примерно в 2 раза превосходит объем всей производимой электроэнергии. Естественно, количество вырабатываемой энергии зависит от силы волн, которая, как известно, непостоянна во времени. Но ресурс, используемый волновой электростанцией, абсолютно возобновляемый.

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.

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 энергетика среди всех альтернативных источников энергии считается наиболее эффективной. Специалисты утверждают, что удельная мощность водных масс мирового океана намного превышает потенциал солнечной и ветровой энергии. Несмотря на этот факт, основа волновой энергетики – волновые электростанции значительно уступают по численности своим «альтернативным» конкурентам - ветровым и солнечным.

• Волновая энергетика: стоимость технологий должна снизиться

Волновая энергетика имеет меньший спрос из-за дороговизны строительства станций на воде, хотя обслуживание волновых электростанций может быть достаточно приемлемым. С этой же проблемой в начале своего пути сталкивалась и , и , и солнечная энергетика. Однако с течением времени эти отрасли претерпели изменения, а появление новых технологий и методов позволило сократить суммы начальных вложений и, как следствие, стоимость единицы энергии. Учитывая тенденции, с которыми происходит развитие альтернативных источников энергии, можно ждать увеличения популяции волновых электростанций. Более того, уже сейчас есть очень интересные примеры таких механизмов.

Islay LIMPET является первой в мире промышленной энергетической волновой установкой. Может поставлять до 500 кВт и подключена к национальной энергосистеме. Claire Pegrum / wikimedia.org (CC BY-SA 2.0)

• Волновая энергетика: принцип осцилляции

Сначала была придумана волновая электростанция, работающая по принципу осциллирующего столба . Осциллировать - значит колебаться, а в данном случае колебанию подвержен уровень воды в столбе. На берегу устанавливается специальная бетонная камера, расположенная под углом к морской глади так, чтобы в нее затекала вода. Прибывающие волны заполняют полость камеры, тем самым направляя воздух в турбину, генерирующую электроэнергию. Важным преимуществом волновой энергетики на базе принципа осцилляции является их меньшая стоимость по сравнению с офшорными, которые мы рассмотрим ниже.

• Первая береговая волновая электростанция

Первая береговая волновая электростанция, названная Isley Limpet, была запущена в Шотландии и подключена к общей энергетической сети страны. Несмотря на то что станция проработала 13 лет, в 2013 г. она была выведена из эксплуатации по неизвестным причинам. Воспользовавшись опытом британских коллег, в 2011 г. испанцы соорудили на побережье Бискайского залива такую же станцию, но уже с 16 турбинами. В отличие от своего северного собрата, она действует по сей день. Технология осциллирующего столба также применяется в Португалии и Японии и довольно перспективна, правда, пока что такие генераторы выдают до 500 кВт электричества.

Islay LIMPET размещена на Claddach Farm, Rhinns of Islay, шотландский остров Islay. Peter Church / wikimedia.org (CC BY-SA 2.0)

На данный момент в мире существует всего пара-тройка знаменитых волновых электростанций.

• Волновая энергетика : принцип колебаний

Также волновые электростанции могут работать за счет колеблющегося тела, находящегося на поверхности воды и двигающегося на волнах. Роль тела могут исполнять буи, соединенные с гидравлическими механизмами, которые приводят в движение генераторы электричества. По данной схеме была сооружена электростанция Pelamis, запущенная в 2008 г. у берегов Португалии, но на данный момент не функционирующая. Она представляла собой «змею», состоящую из нескольких секций, которые двигались на волнах относительно друг друга. Внутри секций, выполненных в виде труб диаметром 3,5 м, находились гидравлические двигатели и генераторы, откуда по кабелю, проложенному по дну океана, на берег поступало электричество. Эта станция была самой мощной из всех водных, существовавших по сей день, но, к сожалению, отсутствие финансирования не позволило ей развиваться дальше.

Электростанция Pelamis, была установлена в Agucadoura Wave Park, Portugal. S.Portland / wikimedia.org (CC-PD-Mark)

• Волновая энергетика : принцип конвертера

Схожую по мощности установку обещала запустить шотландская компания Aquamarine Power. Она разработала конвертер, названный Oyster, представляющий собой буй в виде створки, закрепленный на дне океана недалеко от берега. Раскачиваясь на волнах, этот механизм по трубам направляет воду на сушу, где она, в свою очередь, раскручивает электрогенератор. Затем вода перегоняется обратно в океан. Многие нашли этот проект перспективным, и компания получила инвестиции в размере 11 млн фунтов. Планировалось создание комплекса таких установок в размере 50 шт., но покупателя на данный проект не нашлось. Пока что в прибрежных водах Шотландии действуют лишь несколько экспериментальных экземпляров.

• Рентабельны волновые энергоустановки для небольших объектов

Вышеназванные примеры показывают, что ученые упорно ищут способы эффективно и, главное, рентабельно использовать силу морских волн для создания мощной глобальной отрасли волновой энергетики. Однако, как это бывает в начале любых свершений, они сталкиваются с неудачами. Так что на данный момент в мире существует всего пара-тройка знаменитых волновых электростанций. С другой стороны, если не говорить об относительно мощных станциях, то по миру уже функционирует множество установок, питающих электричеством совсем небольшие объекты. Зачастую ими пользуются маяки и прочие береговые сооружения.

OPT’s PB150 PowerBuoy успешно развернута на море в апреле 2011 командой, включающей в себя Global Maritime Scotland Ltd, Port Services (Invergordon) Ltd и OPT, с поддержкой Cromarty Firth Port Authority. Генерирует возобновляемую энергию через волны. Максимальная выходная мощность 150 квт. Ocean Power Technologies / wikimedia.org Free Art License 1.3

• Проблема дороговизны волновых электростанций пока не решена

Для создания отрасли волновой энергетики практически с нуля ученым придется совладать с серьезными трудностями. Как уже упоминалось, главная проблема - это дороговизна. Помимо того что конструкция станций зачастую слишком затратная, требуются особые материальные усилия для ее установки на воде или на дне моря. Кроме этого, ученым необходимо больше опыта для лучшего выбора места новой станции, в котором течения будут наиболее эффективными. Не обойдется без негативного воздействия на социальные и экологические аспекты проблемы - большое количество механизмов вблизи берега будет мешать рыболовству, а также газообмену вод.

Словом, с будущим волновой энергетики пока не все ясно. Воды морей и океанов - это очень мощный, возобновляемый и экологический чистый источник энергии, но человек пока что недостаточно ловок, чтобы укротить его с малыми потерями.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .