Образование такого явления как волны является результатом воздействия солнечных лучей. Они нагревают воздух, в результате чего происходит перемещение в пространстве. Перемещаемый воздух приходит в соприкосновение с водной поверхностью, результатом чего является возникновение волн.
Как работают волновые электростанции
Энергетическая емкость волны зависит от силы ветра, длительности его порывов и длины воздушного фронта. На мелководье величина энергоемкости каждой волны уменьшается вследствие трения о дно.
Волновые электростанции при их применении используют кинетическую энергию перемещающихся масс морской и океанской воды. Независимо от вариантов преобразования используется энергия движущихся морских волн или соответственно энергия движущихся волн океана.
Первая в России волновая электростанция
В России первая ВЭС появилась в 2014 году в Приморском крае. Разработкой занимался коллектив ученых из и Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН. Установка имеет экспериментальный характер. Ее особенность в том, что она использует энергию не только волн, но и приливов/отливов.
В Москве предполагается строительство научно-исследовательской лаборатории, которая займется разработкой и созданием первой отечественной поплавковой станции. Возможно, после этого волновые электростанции в России тоже будут иметь промышленное или коммерческое назначение.
На сегодняшний день существует большое количество различных источников энергии, которые использует человек. Основными считаются конечно же , уголь и , но ведь они когда-то закончатся. К сожалению для многих, но запасов данных углеводородов осталось не так уж и много. По приблизительным расчетам ученых, газ и нефть на нашей планете закончится через 50 лет, а уголь через 400-500. Конечно подобные прогнозы делаются с учетом того, что не будет открыто новых месторождений, но все же стоит задуматься, а что если так и произойдет?!
Общее устройство волновых станций
Волновой электростанцией (ВЭС) называют сооружение, расположенное на воде, которое преобразовывает механическую энергию волн в электрическую.
При строительстве ВЭС учитывают два фактора.
- Кинетическая энергия волн. Волны, поступающие в трубу огромного диаметра, вращают турбинные лопасти, которые приводят в движение генератор. Иногда действует иной принцип: волна, проходя через полую камеру, выталкивает сжатый воздух, заставляя турбину вращаться.
- Энергия поверхностного качения. В этом случае выработка электроэнергии происходит посредством преобразователей, отслеживающих профиль волны, – так называемых, поплавков, расположенных на поверхности воды.
Здесь используют определенные виды поплавков-преобразователей.
- «Утка Солтера» – большое количество поплавков, смонтированных на общем валу. Для эффективной работы такого поплавка необходимо установить на валу 20–30 поплавков.
- Плот Коккереля – сооружение из четырех секций, соединенных шарнирно, которые изгибаются под влиянием волн и приводят в действие гидроцилиндрические установки, способствующие работе генераторов.
- Преобразователи Pelamis – так называемые морские змеи – соединенные шарнирами цилиндрические секции. Под воздействием волн импровизированная змея изгибается, приводя в движение гидравлические поршни.
При строительстве ветряной электростанции необходимо учитывать следующие факторы для получения электроэнергии:
- необходимо учитывать показатели кинетической энергии волн. Когда она попадает в трубу гидроэлектростанции, вода оказывает внутри давление давление, которое приходит в движение и генерирует энергию. Кроме того, этот процесс можно выполнить с помощью давления, которое представляет собой вода, выталкивающая воздух из полой камеры.
- Энергия, получаемая от поверхности качения. В таких случаях на поверхности воды устанавливаются специальные датчики, называемые поплавками. Они отслеживают профили каждой волны и преобразуют колебания в электрическую энергию.
К счастью, схема PVPP проста, поэтому вам не придется тратить много денег на строительство и запуск, а эффективность приливной электростанции позволяет использовать ее даже в крупных городах на побережье.
Ни для кого не секрет, что природные богатства находятся на грани истощения. Запасы угля, нефти и газа – основных энергетических источников – подходят к концу. По самым оптимистичным прогнозам ученых, запасов хватит для 150-300 лет жизни. Атомная энергетика тоже не оправдала ожиданий. Большая мощность и производительность окупают затраты на строительство, эксплуатацию, но проблемы захоронения отходов и нанесения ущерба окружающей среде скоро заставят отказаться и от них. По этим причинам ученые ищут новые альтернативные источники энергии. Сейчас уже действуют ветровые и солнечные электростанции. Но при всех своих достоинствах они имеют существенный недостаток – низкий КПД. Удовлетворить потребности всего населения не удастся. Поэтому необходимы новые решения.
Выгодно ли использовать энергию волн
Энергия волн считается возобновляемой, к тому же огромный потенциал океана может дать около 20% от всей потребной электроэнергии. Развитие этого направления выгодно со всех сторон, поскольку природные ресурсы начинают активно истощаться, а уголь, нефть и газ рано или поздно закончатся.
Советуем изучить — Условия эксплуатации электродвигателей
Атомная энергетика не сможет решить всех будущих проблем. В связи с потенциальной опасностью и отсутствием гарантированной защиты, АЭС развиваются не так активно, как это необходимо.
К положительным качествам ВЭС можно отнести следующие:
- Безопасная продолжительная эксплуатация без нарушений экологии.
- Станции заодно гасят волны возле портов и берегов, выполняя функции защиты.
- Волны являются возобновляемым источником энергии.
- Низкая себестоимость полученной электроэнергии.
Минусами волновых установок считаются:
- Небольшая мощность большинства установок.
- Отсутствие стабильности в работе под влиянием погоды и природных условий.
- Возможная опасность для рыболовецких и других судов.
Волновые электростанции в мире
Первая волновая электростанция была запущена в 1985 году в Норвегии. Мощность этой конструкции составляла 500 кВт.
Первой в мире промышленной станцией, использующей энергию волн для выработки электроэнергии, является Oceanlinx, расположенная в Австралии.
Свою трудовую деятельность она начала в 2005 году. Через некоторое время она была реконструирована, а в 2009 году снова вернулась в рабочее состояние. Работа этой силовой установки основана на принципе «колебательного водяного столба». Сейчас мощность составляет 450 кВт.
В 2008 году в Португалии заработала первая коммерческая волновая электростанция. Принцип основан на использовании энергии механических волн. Работа основана на принципе «колеблющегося тела». Мощность 2,3 МВт. Есть конструктивная возможность монтировать дополнительные секции, тем самым увеличивая вместимость.
В Великобритании построена волновая электростанция, которая считается крупнейшей в мире. Он расположен недалеко от полуострова Корниш. Он имеет четыре генератора, каждый мощностью 150 кВт. Принцип работы силовой установки — «качающееся тело».
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.
Отличие МВГэ от традиционной гидроэнергетики
В основе выработки электроэнергии лежит стандартное оборудование, обычные гидрогенераторы и гидротурбины, используемые в гидроэнергетике. Новизной является то, что мощные поршневые гидронасосы преобразуют энергию волн в потенциальную энергию воды, а затем по водоводам доставляют ее к лопастям гидротурбин. Данные гидронасосы используют принцип работы двух диаметрально направленных сил, силы тяжести и силы выталкивания воды, которая определяется водоизмещением понтонной части данного гидронасоса. И чем больше эти силы, тем более мощной будет энергоустановка. Эти силы, накладываясь на гребни и впадины морских волн, производят работу в мощных поршневых насосах.
Поскольку конструкция данного гидронасоса за счет прочности и жесткости самой платформы и жестко связанных с ней водоводов, являющихся в свою очередь основой неподвижных поршней, позволяет использовать понтоны водоизмещением в сотни тонн, то можно добиться значительной производительности секции гидронасоса. А за счет паритета этих двух сил можно добиться равномерной работы данной секции насоса в обоих направлениях, при подъеме на гребень волны и при спуске с него.
Отличие от традиционной гидроэнергетики состоит в том, что нет необходимости строить плотины, накапливать воду, затапливать территории, и тем самым изменять и нарушать экосистему земли. Платформа, на которой размещается морская гидроэлектростанция, занимает совсем незначительную площадь. Вода в неограниченном количестве забирается из водной среды, закачивается насосами в гидротурбины и снова сбрасывается в море.
Экологическое воздействие на окружающую среду минимально. Площади, задействованные под данный технологический процесс, минимальны. Последствия возможных аварийных ситуаций незначительны и совершенно не сопоставимы с возможными авариями на гидроэлектростанциях, а получаемые мощности огромны. Эта энергия, как некая производная солнечной энергии, вечна. Пока будет светить солнце, будут происходить атмосферные процессы, будут дуть ветра и разгонять морскую волну. Поэтому использование этой энергии столь заманчиво.
Мощность обычной гидроэлектростанции напрямую зависит от водосбора и напора, поэтому ограничена, морская же электростанция может быть построена практически любой мощности, поскольку морские просторы не ограничены, мощность морской гидроэлектростанции зависит только от ее масштабности.
Как работают волновые электростанции?
В основе работы ВЭС лежат преобразователи энергии волн из кинетической в электрическую. Такие устройства делятся на виды в зависимости от принципа действия и конструкции:
- «Осциллирующий водяной столб».
Принцип работы – осуществление толчковых движений, заполняющих камеры с воздушными массами. При сжатии воздуха создается избыточное давление, подающее его на турбину и вращающее лопасти. Турбина вращается и передает воздух на генератор, вырабатывающий электроток. - «Колеблющееся тело».
Суть в том, что секции объединяются в конвертер, а между ними на подвижных платформах устанавливаются гидравлические поршни, на которые подсоединен гидравлический двигатель. Он заставляет вращаться электрогенератор. Раскачивающееся действие волн заставляет двигаться поршни, а они запускают двигатель и генератор. При этом объем вырабатываемой энергии волн зависит от их частоты, высоты, силы – на основе этих параметров вручную адаптируется ход штока, чтобы добиться рационального режима работы оборудования. - «Искусственный атолл».
Это бетонное сооружение, на корпусе которого размещена поверхность для наката волн. В середине находится бассейн, в него вода поднимается «набеганием волны» на наклонную поверхность, а потом через приемное отверстие поступает на гидротурбину.
Поплавковые волновые электростанции мало распространены, в основном они представлены экспериментальными установками. На таких генераторах работает порядка 400 маяков и буев в мире. Однако крупных станций мало и большинство из них еще строятся.
Действующие поплавковые волновые электростанции есть в Европе. Это Wave Hub с 4 генераторами мощностью 150 кВт каждый, Mutriku Breakwater в Испании мощностью 450 кВт. Еще действует ВЭС в Австралии. Ее мощность 1 МВт, но потребители получают только 450 кВт электроэнергии.
Еще один объект – Oyster Шотландия, ВЭС в акватории Северного моря. Мощность станции – 600 кВт. Принцип работы заключается в том, что донный насос под воздействием волнового поплавка качает на берег воду, а она уже приводит лопасти в движение. Вырабатываемой энергии хватает для нескольких сотен домохозяйств.
Принцип работы волновых электростанций
В основе работы волновых электростанций лежит использование поплавков или других устройств, которые двигаются под действием волн на поверхности воды. Поплавки могут быть разного типа: они могут иметь форму прямоугольников, кругов или других геометрических фигур, которые могут легко двигаться вверх и вниз, смещаться вдоль волн и поворачиваться.
Когда поплавки двигаются вверх и вниз или смещаются вдоль волн, они активируют систему шарниров, рычагов и прочих механизмов, которые передают полученную энергию на генераторы. Генераторы преобразуют механическую энергию вращения в электрическую энергию, которая затем может быть использована как для непосредственного использования, так и для хранения в батареях или подачи в электросеть.
Преимуществом волновых электростанций является их способность генерировать электроэнергию на протяжении 24 часов в сутки, без ограничения по времени года. Важно отметить, что волновые электростанции являются экологически чистыми и не выбрасывают вредные вещества в атмосферу.
Однако, волновые электростанции все еще находятся в стадии развития и эксперимента. Проблемами, с которыми сталкиваются разработчики волновых электростанций, включают в себя технические сложности с определением наиболее эффективных форм поплавков, хорошую подходящую для различных районов волновой активности, а также высокую стоимость производства и установки таких станций.
Береговые электростанции
Принцип работы береговых электростанций основан на использовании движения морской воды и волн. Для этого на берегу устраивается специальная платформа или дамба, которая создает устойчивый резервуар, отделенный от моря. В этот резервуар, с помощью специальных заслонок или шлюзов, пускается морская вода, которая приливом или волной наполняет резервуар.
Заполнившая резервуар вода поступает на специальные гидротурбины, которые начинают вращаться под ее воздействием. Вращение гидротурбин приводит к преобразованию энергии волны в механическую энергию, а затем и в электрическую энергию. После этого, полученная электроэнергия передается по специальным кабелям на места потребления или выходит в энергосеть для дальнейшего распределения.
| Преимущества береговых электростанций: | Недостатки береговых электростанций: |
|---|---|
| – Высокая эффективность в использовании энергии волны; | – Возможность нанесения вреда морской экосистеме и прилегающей территории при неправильной эксплуатации; |
| – Большой потенциал для получения электроэнергии; | – Высокая стоимость строительства и эксплуатации; |
| – Низкая зависимость от погодных условий; | – Ограниченность мест размещения береговых электростанций; |
| – Не имеют выбросов вредных веществ; | – Технические сложности при монтаже и обслуживании; |
Береговые электростанции представляют собой перспективный и экологически безопасный источник энергии. В России и других странах заинтересованность в освоении этой технологии растет, и все больше проектов по строительству береговых электростанций уже начали воплощаться в жизнь.
Отличие МВГэ от традиционной гидроэнергетики
В основе выработки электроэнергии лежит стандартное оборудование, обычные гидрогенераторы и гидротурбины, используемые в гидроэнергетике. Новизной является то, что мощные поршневые гидронасосы преобразуют энергию волн в потенциальную энергию воды, а затем по водоводам доставляют ее к лопастям гидротурбин. Данные гидронасосы используют принцип работы двух диаметрально направленных сил, силы тяжести и силы выталкивания воды, которая определяется водоизмещением понтонной части данного гидронасоса. И чем больше эти силы, тем более мощной будет энергоустановка. Эти силы, накладываясь на гребни и впадины морских волн, производят работу в мощных поршневых насосах.
Поскольку конструкция данного гидронасоса за счет прочности и жесткости самой платформы и жестко связанных с ней водоводов, являющихся в свою очередь основой неподвижных поршней, позволяет использовать понтоны водоизмещением в сотни тонн, то можно добиться значительной производительности секции гидронасоса. А за счет паритета этих двух сил можно добиться равномерной работы данной секции насоса в обоих направлениях, при подъеме на гребень волны и при спуске с него.
Отличие от традиционной гидроэнергетики состоит в том, что нет необходимости строить плотины, накапливать воду, затапливать территории, и тем самым изменять и нарушать экосистему земли. Платформа, на которой размещается морская гидроэлектростанция, занимает совсем незначительную площадь. Вода в неограниченном количестве забирается из водной среды, закачивается насосами в гидротурбины и снова сбрасывается в море.
Экологическое воздействие на окружающую среду минимально. Площади, задействованные под данный технологический процесс, минимальны. Последствия возможных аварийных ситуаций незначительны и совершенно не сопоставимы с возможными авариями на гидроэлектростанциях, а получаемые мощности огромны. Эта энергия, как некая производная солнечной энергии, вечна. Пока будет светить солнце, будут происходить атмосферные процессы, будут дуть ветра и разгонять морскую волну. Поэтому использование этой энергии столь заманчиво.
Мощность обычной гидроэлектростанции напрямую зависит от водосбора и напора, поэтому ограничена, морская же электростанция может быть построена практически любой мощности, поскольку морские просторы не ограничены, мощность морской гидроэлектростанции зависит только от ее масштабности.
Методика расчета параметров МВГэ по заданной мощности
1. Задается требуемая мощность морской волновой электростанции .
2. Под заданную мощность подбирается серийно выпускаемые гидротурбина и гидрогенератор, или несколько единиц энергооборудования в сумме дающих заданную мощность.
3. По справочным данным определяется требуемое количество воды (в м³/сек и напор, измеряемый в метрах водяного столба) на единицу оборудования.
5. Выбираются диаметр неподвижного водовода и самого поршня.
6. Выбирается конструкция насосной секции, которая может состоять из одного поршня или спаренного блока поршней.
7. В зависимости от глубины установки морской платформы и соответственно этому максимально возможной высоте волны в данном месте, принимается максимальный ход поршня.
8. В зависимости от максимального хода поршня принимаются габаритные размеры самой понтонной части насосной секции.
9. По габаритным размерам подвижной камеры насосной секции (за исключением объемов поршневых камер «А» и «В» вычисляется плавучесть (водоизмещение) насосной секции.
10. Вычисляется вес понтонной камеры исходя из геометрических размеров самой камеры и толщин материала, из которого она изготовлена.
11. Посредством частичного затопления понтонной камеры выбирается паритет сил (веса понтона в сумме с водой внутри него и плавучестью).
12. Вычисляются объемы воды рабочих камер «А» и «В» при заданном перемещении понтонной камеры относительно неподвижного поршня.
13. Исходя из периодичности волн, в районе установки морской платформы, вычисляется производительность одной насосной секции за одну секунду.
14. Подбирается необходимое, минимальное количество насосных секций, обеспечивающих работу гидроустановки при заданной высоте волны.
15. С учетом симметричного, равномерного расположения насосных секций по всей площади морской платформы (в данном случае количество насосных секций может оказаться больше расчетного числа) выбираются геометрические размеры самой платформы. В случае большего количества насосных секций, заданная мощность будет достигнута при более низких волнах, чем расчетная их высота.
16. Исходя из того, что данная конструкция насосных секций одновременно может рассматриваться и как поршневой насос и как гидропресс, и, зная диаметр поршня и диаметр трубопровода подвода воды к лопаткам гидротурбины, можно рассчитать давление воды в момент попадания ее на эти лопатки.
17. Методом подбора сечения водовода в месте попадания воды на лопатки гидротурбины доводим напор до требуемых параметров.
18. Вся лишняя вода при отсутствии резервного гидрооборудования сбрасывается обратно в водоем. При наличии такого оборудования оно может быть задействовано, так же и при волне выше расчетной. Но во всех случаях отработавшая и лишняя вода сбрасывается в водоем.