Приливні та хвильові електростанції. Хвильові електростанції – приклади трьох проектів

На сьогоднішній день існує велика кількість різноманітних джерел енергії, які використовує людина. Основними вважаються звичайно ж, вугілля і, але вони колись закінчаться. На жаль для багатьох, але запасів даних вуглеводнів залишилося не так уже й багато. За приблизними розрахунками вчених, газ та нафта на нашій планеті закінчиться через 50 років, а вугілля через 400-500. Звичайно подібні прогнози робляться з урахуванням того, що не буде відкрито нових родовищ, але все ж таки варто задуматися, а що якщо так і станеться?!

Звичайно хвильові електростанції ККД яких має пристойне значення мають цілу низку переваг, що роблять їх більш перспективними перед вуглеводнями. Головним вважається саме коефіцієнт корисної дії, що має високі показники. Також варто відзначити, що поплавкова хвильова електростанція може виконувати функцію хвилегасника. Завдяки такому використанню можна убезпечити береги водойм, у яких бувають сильні припливи. Також хвильові можуть виконувати охорону морських кордонів держави, але для цього знадобиться невелике вдосконалення.

Будівництво ВЕС

Під час будівництва ВЕС необхідно враховувати такі фактори отримання електричної енергії:

• Потрібно брати до уваги показники кінетичної енергії хвиль. При попаданні в трубу хвильової електростанції вода чинить тиск на розташовану всередині, яка рухається і виробляє енергію. Також цей процес може здійснюватися за допомогою тиску, який виявляється водою, що виштовхує повітря із порожнистої камери.
• Енергія одержуваного від кочення поверхні. У разі на поверхню води встановлюються спеціальні датчики, звані поплавцями. Вони відстежують профілі кожної хвилі та перетворюють хитання в електричну енергію.

На щастя схема ПЗЕМ проста, тому на будівництво та запуск не доводиться витрачати великих коштів, у той час як ККД приливної електростанції дозволяє використовувати її навіть для великих містузбережжя.

Висновок

Звичайно, як і інші альтернативні способи видобутку електричної енергії даний методне до кінця вивчено і розроблено, але процес йде дуже хорошими темпами. На сьогоднішній день навіть перетворення не може на рівних конкурувати з вуглеводневими джерелами, але слід продовжувати досліджувати всі альтернативні методи. Росія нещодавно почала розробляти проект отримання енергії з ВЕС, але в країни є великий потенціал та можливості, які потрібно лише реалізувати на всі 100%.

Сьогодні головними джерелами енергії є вуглеводнева сировина – нафта, вугілля, газ. Як показують дослідження, вугільних покладів за нинішніх темпів видобутку буде достатньо ще на 4 століття, а поклади нафти та газу вичерпаються через 4 десятки та 6 десятків років відповідно.

Подібне швидке скорочення кількості корисних копалин потребує пошуку інших методів видобутку енергії. Найбільш перспективним видом є такий вид гідроенергетики як хвильова.

Єдина структура станцій хвильової енергетики

Станція хвильової енергетики - це будова, що знаходиться на воді, здатна за рахунок хвиль виробляти електричну енергію. При їх зведенні необхідно зважати на дві обставини:

Енергія руху хвиль. Хвилі, що прямують у колектор значного кола, змушують обертатися лопаті турбін, що приводять у робочий стан генератор. Існує й інший спосіб - хвиля рухається крізь відкриту ємність, витісняючи стиснене повітря, змушує двигун працювати.

Енергія поверхневого кочення. Тут отримання електроенергії відбувається завдяки перетворювачам - поплавкам, які стежать за напрямом хвилі, перебуваючи на поверхні води.

Існують такі типи подібних поплавців:

Качка "Солтера" - має на увазі величезну кількість поплавців, які встановлені на одному валу. Для більшої результативності цього виду поплавця необхідно прикріпити на вал їх до 30 штук.

Пліт Коккереля є будовою з 4 осередків, що мають з'єднання за допомогою шарнір, які рухаються через силу хвиль і змушують працювати гідроциліндричні пристрої, що забезпечують діяльність генераторів.

Перетворювачі Pelamis навіюються ще морськими зміями, сегменти у вигляді циліндрів з'єднуються шарнірним способом і під дією віл створена змія згинається, змушуючи працювати гідравлічні поршні.

Переваги та недоліки гідроенергетики хвиль

Сьогодні всього лише 1% електричної енергії, що добувається гідроенергетикихвиль, та їх ресурси величезні. Незначне застосування станцій хвильової енергетики пояснюється дорогою на виході енергією.

Мінусами застосування станцій хвильової енергетики є певні умови:

Екологічні. Величезна кількість перетворювачів хвиль здатне завдати шкоди екологічної системи, тому що хвилі значно впливають на газообмін океану і атмосфери, на очищення поверхні води від засмічень.

Соціально-економічні. Певні види генераторів, що використовуються в гідроенергетиці хвиль, можуть завдати шкоди судноплавству. Що вплине на роботу рибалок, яким доведеться залишити великі рибопромислові місця.

Проте хвильові електростанції крім мінусів мають і низку певних переваг:

1. станції можуть виступати як хвилегасники, а значить, здатні захистити береги від розломів та обвалів;
2. можна розташувати хвильові електрогенератори невеликої потужності на конструкціях мостів, причалів, скорочуючи дію ними;
3. значну перевагу перед вітровою енергетикою;
4. електроенергія одержувана завдяки морським хвиль не завитий і не потребує вуглеводневої сировини, поклади яких значно скорочуються.

Найважливішою метою творців станцій хвильової енергетики є модернізація його спорудження в такий спосіб, щоб відчутно скоротити собівартість виробленої електрики.

Територіальне будівництво хвильових електростанцій

Зведення хвильових електростанцій малих потужностей використовується для живлення електроенергією невеликих об'єктів:

Будівництв берегової лінії;

Малих селищ;

Незалежних маяків, буїв;

Наукових та дослідницьких пристроїв;

Букові установки.

Португалія

У районі Агусадора у 2008 році відбулася значна подія у гідроенергетиці – вперше розпочала свою роботу хвилева електростанція з потужністю 2,25 МВт. Розробкою займалася компанія Pelamis Wave із Шотландії, яка підписала з Португалією договір на 8 млн. євро.

На даний момент на станції працюють 3 перетворювачі за типом змії, які на половину знаходяться у воді. Одна «змія» має довжину 120 метрів, а важить 750 тонн. Сама станція розташовується за 5 км від берегової лінії, на неї кабелями надходить електрика. На станції проводяться роботи, що сприяють зростанню потужності цієї хвильової станції до 21 МВт, у планах встановити 25 додаткових перетворювачів, що дозволить забезпечити електрику 15 тисяч будинків.

Норвегія

Поява хвильових станцій для промислових цілей зафіксовано 85-го року XX століття Норвегії.

Ця станція – повітряна хвильова споруда, що має потужність до 500 кВт. Її опускають на найнижчий шар поверхні води.

У нашій країні інтерес до хвильових перетворювачів виник 20-30гг. XX ст. У 1935р. наш великий співвітчизник К.Е. Ціолковський опублікував статтю «Хвилям і вилучення енергії з морських хвиль», в якій описав принципові схеми трьох типів пристроїв, які в даний час належать до розряду найбільш перспективних. У них легко дізнаємося (рис. 2.1) аналоги майбутніх пристроїв розроблених Масудою, Кайзером, Коккереллом. Російський вчений К.Е. Ціолковський вважав, що перші дві системи не оригінальні, але щодо новизни останньої – контурного плоту – не сумнівався.

Рис. 2.1.

описані К.Е. Ціолковським: а, б – пневматичні; в – контурний пліт.

У 70-х роках минулого століття на Чорному морі випробовувалась модель хвильового плоту. Вона мала довжину 12 м, ширину поплавців 0,4 м. На хвилях висотою 0,5 м і завдовжки 10 – 15 м установка розвивала потужність 150 кВт. (Рис.2.2)

Рис. 2.2. Варіант виконання контурного плоту Коккерелла: 1 - секція, що коливається; 2 - перетворювач; 3 – тяга; 4 – шарнір.

Детальні лабораторні випробування моделі плоту в масштабі 1/100 показали, що його ефективність становить близько 45%. Це нижче, ніж у «качки» Солтера, але пліт приваблює іншою перевагою: близькість конструкції до традиційних суднобудівних.

У сучасної Росіїіснує безліч розробок хвильових електростанцій, всі вони реалізовані тією чи іншою мірою. Одним із таких проектів є спільна розробка компанії ВАТ «OceanRusEnergy» та Уральський. федеральний університет(УрФУ м. Єкатеринбург).

Рис. 2.3.

При створенні хвильового руху у верхній та нижній точках проходження хвилі, маятник здійснює зворотно-поступальні рухи, акумулюючи потенційну енергію у пружині. При обертанні валу генератора виробляється змінний струм. Для створення постійного струму передбачені невеликі випрямлячі (наприклад, за схемою Ларіонова), що дозволяє заряджати АКБ (акумуляторна батарея).

Схема впливу хвилі на поплавковий мікромодуль хвильової мікроЕС (ВГЕС) представлена ​​на рис. 2.4.

хвильовий електростанція поплавковий мікромодуль

Рис. 2.4

При випробуваннях модуля ВГЕС імітувалася хвилева хитавиця Баренцева моря з періодом коливання хвилі від 1 до 3,5 секунд, середньорічною швидкістю вітру 7-9 м/с, розрахунковою гарантованою амплітудою коливань (висота хвилі) 20 см та 30 см. Для імітації хвиль був використаний кривошипно-шатунний механізм (КШМ) з поздовжнім рухом кінцевої ланки – тяги. КШМ перетворював обертання валу двигуна на зворотно-поступальний рух тяги. Як привод був обраний асинхронний двигун потужністю Р=1 кВт і частотою обертання n0 не менше 3000 об/хв. Редуктор був підібраний із розрахунку передавального відношення Z=25.

Використання у дослідженні режимів імітації хвиль з амплітудою А=20, А=30, та періодом коливань Т=2, 3, 3.5 з дозволило отримати необхідні електротехнічні значення та характеристики для оцінки генерованої потужності та визначити оптимальні та ефективні режими роботи досліджуваної поплавцевої ВГЕС.

Випробування на стенді проводились у лабораторії хвильової енергетики Євроазіатського центру ВДЕ УрФУ. Випробуваний зразок ВГЕС представлений на рис. 2.5.

Рис. 2.5.

Приклад електротехнічних параметрів модуля, що генерує, при постійному струмі (DC) представлений на графіку.

Графік показника потужності ВГЕС при амплітуді коливань 0,2 м та періоді 1 с.

Результати експериментів з імітацією хвиль різної амплітуди і періоду коливань хвиль Т показали, що потужність одного модуля ВГЕС, що генерується, становить 15-60 Вт. Збільшення потужності рівня, кількох кВт, вирішується з допомогою використання кількох мікромодулів ВГЭС, об'єднаних у єдиний кластер (рис.2.6)

Рис. 2.6.

Подальше нарощування потужності ВГЕС до кількох десятків і сотень кВт може бути реалізовано шляхом складання більшого числамікромодулів у кластери ВДЕ на базі хвильових мікромодулів (рис. 2.7).

Рис. 2.7.

Висновок

У разі безпосереднього використання електроенергії, що виробляється хвильовою станцією, для господарських потреб її не можна розглядати як самостійне джерело. Непостійність у часі та просторі, сезонний характер самого ресурсу вимагають мати в резерві якесь додаткове джерело електроенергії, або підключати хвильову електростанцію до енергомережі, що дозволяє за рахунок сторонніх джерел компенсувати зниження потужності через зменшення хвилювання, або нарешті використовувати акумулювання енергії.

Ще одна складність при створенні хвильових перетворювачів - забезпечення їх живучості у разі екстремальних хвильових навантажень, які значно перевищують розрахункові режими експлуатації. Середнє значення потужності для Північної Атлантики становить приблизно 50 кВт/м. Під час сильного шторму ця величина може досягти значення 2 МВт/м при висоті хвиль 15 м. Спостерігалися в цьому ж районі максимальні хвилі (так звані «п'ятдесятирічні хвилі») мали висоту до 34 м. Для цього району вважається за доцільне розробляти пристрої, розраховані на нормальну роботув діапазоні потужностей 50-150 кВт/м. Таким чином, щоб протистояти штормам середньої сили перетворювачі енергії хвиль повинні мати встановлену потужність, що значно перевищує середню. Це не рятує їх від сильних штормів. Тут запропоновано кілька варіантів захисту. Наприклад, у разі такого шторму перетворювач може бути затоплений. Інший варіант - так розраховувати перетворювачі, щоб зі збільшенням хвилювання вище оптимального їх ефективність падала. Проте, у разі виникають серйозні труднощі під час обслуговування, передачі енергії, утриманні якорі. Виникають навіть нові проблеми. Наприклад, зрив з якоря одного з точкових перетворювачів може призвести до руйнування сусідніх пристроїв. Викидання на берег аварійних пристроїв може призвести до небезпеки руйнування берегових споруд.

Проблеми створення енергетики на перетворенні енергії хвиль досить великі. Їхнє подолання вимагатиме ще багатьох зусиль розробників та вчених. В даний час у світі вже експлуатується близько 400 автономних навігаційних буїв, що використовують енергію води. Однак уже в цьому столітті прогнозується можливе отримання від океанських хвиль потужності не менше ніж 10 ГВт (потужність Красноярської ГЕС близько 12 ГВт).

Переваги хвильової енергіїполягають у тому, що вона досить сильно сконцентрована, доступна для перетворення і на будь-який час може прогнозуватися в залежності від погодних умов. Створюючись під впливом вітру, хвилі добре зберігають свій енергетичний потенціал, поширюючись на значні відстані. Наприклад, великі хвилі, що досягають узбережжя Європи, зароджуються під час штормів у центрі Атлантики і навіть у Карибському морі.

Вашій увазі представляється схема генератора хвиль Шуманана основі універсального таймера NE 555. Конструкція генератора проста і особливих налаштувань не потребує. Особливістю схеми є біфілярна котушка, виконана друкованим способом.

Зі сторінок Вікіпедії про резонанс Шумана називається явище освіти стоячих електромагнітних хвильнизьких і наднизьких частот між поверхнею Землі та іоносферою.

Це глобальне явище електромагнітного резонансу названо на честь фізика Вінфріда Отто Шумана, який передбачив це математично в 1952 році. Резонанс Шуман відбувається тому, що простір між поверхнею Землі та іоносферою діє як замкнутий хвилевод-резонатор для низьких і наднизьких частотхвиль низьких. Вважається, що розряди блискавки є первинним природним джереломзбудження резонансу Шумана. Найбільш чітко спостерігаються піки на частотах приблизно 8, 14, 20, 26, 32 Гц.Основна частота резонансу Шумана – 7,83 Гц.

На даний момент у продажу є безліч пристроїв, що генерують частоти резонансу Шумана. Вважається, що хвилі Шумана сприятливо впливають на організм людиниhttp://udalov-boris.narod2.ru/volni_shumana_i_mozg/ , а також цей генератор використовує народ як додаткову «примочку» до своїх музичних систем для посилення сприйняття музичного твору. Як висловився один друг, "допомагає легше бути втягнутим у музику", але в цьому випадку необхідно поекспериментувати з розташуванням девайсу.

Рис.1 Схема генератора

Налаштування частоти виконується елементами R 1, R 2, C 1. Краще використовувати підстроювальний резистор R 2 номіналом 100К. За його допомогою виставляється частота 7,83 Гц. Резистор R3- струмообмежуючий.

Рис.2 Друкована плата пристрою

У нижній правій частині Рис.2 розведення схеми живлення на стабілітроні 7805.

Рис.3 Загальний вигляд

Рис.4 Пристрій у зборі

Води Світового океану приховують незліченні багатства, головними з яких, мабуть, є безмежні джерела енергії у вигляді морських хвиль. Вперше про використання кінетичної енергії валів, що накатуються на берег, задумалися в 18 столітті в Парижі, де був представлений перший патент на хвильовий млин. Зараз технології зробили крок далеко вперед, і спільними зусиллями вчених була створена перша комерційна хвильова електростанція, яка почала експлуатуватися в 2008 році.

Чому це вигідно?

Ні для кого не секрет, що природні багатствазнаходяться на межі виснаження. Запаси вугілля, нафти та газу - основних енергетичних джерел - добігають кінця. За найоптимістичнішими прогнозами вчених, запасів вистачить на 150-300 років життя. Атомна енергетика також не виправдала очікувань. Велика потужністьта продуктивність окупають витрати на будівництво, експлуатацію, але проблеми поховання відходів та заподіяння шкоди навколишньому середовищінезабаром змусять відмовитися і від них. З цих причин вчені шукають нові Наразі вже діють вітрові та сонячні електростанції. Але за всіх своїх переваг вони мають істотний недолік - низький ККД. Задовольнити потреби населення не вдасться. Тому потрібні нові рішення.

Для вироблення електрики хвильова електростанція використовує кінетичну енергію хвиль. За найскромнішими підрахунками, цей потенціал оцінюється в 2 млн МВт, що порівняно з 1000 працюючих на повну потужністьатомних електростанцій, але в один метр фронту хвилі припадає близько 75 кВт/м. При цьому немає абсолютно ніякого шкідливого впливу на довкілля.

Загальна схема роботи

Хвильовими електростанціями називають плавучі споруди, які здатні перетворювати рухи хвиль в електричну та передавати її споживачеві. При цьому намагаються використати два джерела:

1. Кінетичні запаси. Морські вали проходять через трубу великого діаметра та обертають лопаті, які передають зусилля на електрогенератор. Застосовується і пневматичний принцип - вода, проникаючи у спеціальну камеру, витісняє звідти кисень, який перенаправляється системою каналів і обертає лопаті турбіни.
2. Енергія кочення. І тут хвильова електростанція виступає у ролі поплавка. Переміщаючись у просторі разом із профілем хвилі, вона у вигляді складної системи важелів змушує обертатися турбіну.

Різними країнами використовуються власні технології перетворення механічного руху хвиль на електрику, але загальна схема дії вони однакова.

Недоліки хвильових електростанцій

Основним перешкодою шляху до великому запровадження хвильових електростанцій є їхня вартість. Через складну конструкцію та складну установку на поверхню морських вод витрати на впровадження подібних установок в експлуатацію вищі, ніж на будівництво АЕС або ТЕС.

Крім того, спостерігається й низка інших недоліків, які здебільшого пов'язані з появою соціально-економічних проблем. Справа все в тому, що великі станції поплавця створюють небезпеку і заважають мореплавству і рибальству - поплавкова хвильова електростанція може просто витіснити людину з промислових зон. Можливі та екологічні наслідки. Використання установок значно гасить морські вали, робить їх менше та не дає пробитися на берег. Тим часом хвилі відіграють важливу роль у процесі газообміну океану, очищення його поверхні. Все це може призвести до усунення екологічної рівноваги.

Позитивні сторони хвильових електростанцій

Разом з недоліками хвильова електростанція має і ряд переваг, які позитивно впливають і на діяльність людини:

• установки, завдяки тому, що гасять енергію хвилі, можуть захищати прибережні споруди (причали, порти) від руйнування силою океану;
• вироблення електрики відбувається з мінімальними витратами;
• висока потужність хвилювання робить ВЕС економічно вигіднішими, ніж вітрові або сонячні електростанції.

Запаси енергії мають і води суші, головним чином річки. Спорудження станцій на мостах, переправах, причалах є перспективою розвитку цієї галузі вироблення електроенергії.

Проблеми, які треба вирішити

Основне завдання, яке стоїть перед науковим співтовариствомзараз, - це вдосконалення конструкції, що дозволить знизити собівартість електрики, що виробляють хвильові електростанції. Принцип роботи повинен залишитися тим самим, але застосовуватися для створення установок будуть нові технології та матеріали.

Середня потужність хвилі становить 75-85 кВт/м – саме на такий діапазон налаштовується більшість станцій. Однак під час шторму сила морських валів збільшується у кілька разів і створюється небезпека руйнування установок. Вже не одна лопатка була зім'ята або погнута після шторму. Для вирішення цієї проблеми вчені штучними методами знижують питому потужність хвиль. Однією з проблем є те, що масове використання хвильових станцій призведе до зміни клімату. Генерація електричної енергії здійснюється за рахунок обертання Землі (саме так утворюються хвилі). Повсюдне використання станцій змусить планету обертатися повільніше. Людина різницю не відчує, але це знищить низку течій, які відіграють важливу роль у теплообміні Землі.

Перша у світі досвідчена ВЕС

Перша хвильова електростанція з'явилася 1985 року в Норвегії. Її потужність склала 500 кВт, а сама вона була дослідним зразком. Її принцип дії заснований на циклічному стисканні та розширенні середовища:

• циліндр з відкритим дном занурений у воду так, щоб його край був нижчим за улоговину хвилі - найнижчої її точки;
• періодично набігає вода стискає повітря у внутрішній порожнині;
• після досягнення певного тиску відкривається клапан, який дає прохід стиснутому кисню до турбіни.

Така електростанція виробляла 500 кВт енергії, щоб було достатньо для підтвердження дієвості установок, що сприяло їхньому розвитку.

Перша у світі промислова електростанція

Першою у світі установкою промислового масштабу вважається Oceanlinx в акваторії Порт-Кембл, Австралія. Вона введена в експлуатацію у 2005 році, але потім була відправлена ​​на реконструкцію і у 2009 році знову запрацювала, через що в регіоні тепер використовуються і приливні, і хвильові електростанції. Її принцип дії полягає в наступному:

1. Хвилі періодично забігають у спеціальні камери, змушуючи стискати повітря.
2. Після досягнення критичного тиску через мережу каналів обертає електрогенератор.
3. Для уловлювання руху та сили хвиль лопаті турбіни змінюють свій кут нахилу.

Потужність установки склала близько 450 кВт, хоча кожна секція станції здатна видавати від 100 кВт * год до 1,5 МВт * год електричної енергії.

Перша у світі комерційна ВЕС

Перша хвильова електростанція комерційного призначення запрацювала у 2008 році в Агусадорі, Португалія. Більше того, вона перша у світі установка, яка використовує безпосередньо механічну енергію хвилі. Проект підготувала англійська компанія Pelamis Wave Power.

До складу конструкції входить кілька секцій, які відпускаються та піднімаються разом із профілем хвилі. Секції шарнірно скріплені з гідравлічною системою та під час руху приводять її в дію. Гідравлічний механізм змушує обертатися ротор генератора, завдяки чому виробляється електроенергія. Хвильові електростанції, що використовуються в Португалії, плюси і мінуси мають. Перевага установки полягає у великій потужності - близько 2,25 МВт, а також можливості встановлення додаткових секцій. Недолік установки системи один - виникає складності з проводів до споживача.

Перша в Росії хвилева електростанція

У Росії перша ВЕС з'явилася у 2014 році у Приморському краї. Розробкою займався колектив вчених з і Тихоокеанського океанологічного інституту ДВО РАН. Встановлення має експериментальний характер. Її особливість у цьому, що вона використовує енергію як хвиль, а й припливів/отливов.

У Москві передбачається будівництво науково-дослідної лабораторії, яка займатиметься розробкою та створенням першої вітчизняної поплавкової станції. Можливо, після цього хвильові електростанції в Росії також матимуть промислове чи комерційне призначення.