Принцип работы волновых электростанций

Электростанции обычно работают на угле, газе или нефти. Однако это вылилось в стремительное уменьшение количества природных ресурсов. Поэтому ученые рассматривают альтернативные источники электричества, в том числе энергию волн океана.

Природа явления

Энергия волны – это возможность удовлетворить 20% энергетических потребностей населения Земли. При этом в основном сейчас развивают энергетику приливов.

Согласно оценкам ученых, из бегущей волны можно генерировать 2 ТВт энергии, что вдвое превышает общую выработку в мире. Океанские волны привлекательны тем, что их удельная мощность выше, чем у солнца и ветра. При 10-метровой волне этот показатель составит 2 МВт/пог. м.

Однако существуют ограничения. Использовать волновую энергию можно только при мощности 75-80 кВт на метр и высоте до 2 м. Такие показатели характерны для прибрежных зон на европейском западе, британском севере, тихоокеанских берегах Америки, Австралии и Новой Зеландии, Южной Африке.

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:

1. [info-box type=»bold»]«Осциллирующий водяной столб». [/info-box]
   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.
2. [info-box type=»bold»]«Колеблющееся тело». [/info-box]
   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.
3. [info-box type=»bold»]«Искусственный атолл». [/info-box]
   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.

Почему это выгодно?

Энергия, переносимая волной, возобновляемая. К тому же она способна покрыть 20% потребности в электроэнергии. Так что развивать это направление выгодно во всех отношениях, ведь природные ресурсы истощаются, уголь, нефть и газ однажды закончатся. Атомная энергетика не сможет решить все проблемы. Да и потенциальная опасность тормозит развитие АЭС.

Преимущества и недостатки

Использование потенциальной энергии волны – альтернатива нефти, газу, углю. Однако есть и другие плюсы ВЭС:

• безопасная длительная работа без вреда экологии;
• защитная функция за счет гашения волн у портов и берегов;
• энергия стоячей океанской волны – возобновляемый ресурс;
• низкая себестоимость вырабатываемого электричества.

Однако есть и минусы таких станций:

• хотя волна океана переносит энергию, мощность большинства установок по ее выработке низкая;
• работа ВЭС нестабильная, зависит от погоды и климата;
• создается опасность для рыболовецких и иных судов.

Типы волновых электростанций

Принцип действия всех волновых электростанций в мире неизменный. Конструкторы лишь работают над изменением архитектуры камеры для достижения максимального сжатия воздуха внутри. Модернизированная камера позволяет изменять свой объем и геометрию, исходя из состояния акватории. Это позволило исключить перепады мощности ВЭС при снижении высоты волны и защитить оборудование от повышенных нагрузок и разрушения в период шторма.

ВЭС, работающие по принципу качения

Это поплавковые волновые электростанции на воде. Такие сооружения служат для использования энергии волн при поверхностном качении, речь идет об их способности раскачивать поплавки. Это преобразователи, отслеживающие волновой профиль.

Морские змеи

Такие поплавковые волновые электростанции представлены секциями. Они цилиндрической формы, соединяются шарнирами и стоят в воде полузатопленными.

Мощность одной такой станции – до 21 МВт, чего хватит, чтобы снабдить электричеством 15 000 домов.

Контурный плот Коккереля

В этом случае секции на шарнирах перемещаются относительно друг друга, а колебания принимают на себя насосы с генераторами. Плот из 3 секций вырабатывает до 2 000 кВт. Эффективность – до 45%, меньше, чем у утки Солтера. Однако конструкция плота напоминает судостроительную.

Утка Солтера

Такое название дали поплавковой волновой электростанции, состоящей из множества поплавков на одном валу. Для эффективной работы их должно быть минимум 20-30. «Утка» – тот самый поплавок, его разработал инженер Стивен Солтер.

Энергия течений

Потенциальная энергия заложена в самых мощных океанских течениях. Сейчас удается получать энергию при скорости потока от 1 м/с, а мощность от 1 кв. м поперечного сечения потока – 1 кВт. Перспективным считается использование Гольфстрима, Куросио и Флоридского течения.

Кинетическая энергия волн в ВЭС

Объем кинетической энергии волн колоссальный. Так, на побережье Шотландии они выломали и сдвинули каменный блок весом 1350 т. От длины волны зависит мощность – так, когда она достигает 10 миль, за 10 сек. вырабатывается 35 000 л. с.

Использовать эту энергию можно двумя способами:

• прохождение волны через полую камеру для выталкивания воздуха, что приводит турбину в движение;
• направление в широкую трубу, где волна вращает лопасти турбины и запускает генератор.

Буй генератор

Такая конструкция представляет собой 42-метровый буй. Мощность одной станции – 150 кВт.

Буй фиксируется на дне якорями, а на поверхности удерживается 11-метровым поплавком, который перемещается вертикально вслед за колебанием вод и закрепляется на подвижном штоке. Последний – часть линейного генератора, при прохождении обмотки статора он генерирует электричество. Датчики позволяют вручную контролировать ход штока в зависимости от частоты, высоты и силы волн. На период сильного шторма шток автоматически блокируется, чтобы избежать аварии.

Волновые электростанции в мире

Впервые волновая электростанция появилась в Норвегии в 1985 г. Она была пневматической и выдавала мощность 500 кВт. Вторая на 450 кВт функционирует по принципу «атолла».

В Европе были запущены ВЭС Aguadoura Wave Farm и Mutriku Breakwater. Так, Aguçadoura Wave Farm появилась в Португалии в 2008 г и стала первым коммерческим проектом. В этой установке использовалась механическая энергия плоской волны. Ее мощность – 2,3 МВт, этого хватало, чтобы обеспечить электричеством 1 600 домохозяйств. Однако сейчас ВЭС не функционирует. Зато испанская Mutriku Breakwater на 300 кВт продолжает работу.

Первая промышленная ВЭС – австралийская Oceanlinx, которая появилась в 2005 г. Самой большой волновой электростанцией считается британская Wave Hub у полуострова Корнуэлла.

Действующие объекты

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.

Демонстрационные объекты

Голландская компания Waterstudio построила подводную стену с электрогенераторами на Гудзоне. Это пилотный демонстрационный проект, получивший название Parthenon. В этой установке применяется инновационный волнолом, состоящий из колонн, которые похожи на греческие. Каждая из них – турбина диаметром в 1 м, которую волны заставляют вращаться в обе стороны.

Американский Парфенон и проекты ВМС США пока носят только экспериментальный характер. Однако, по прогнозам ученых, запуск волновых электростанций позволит покрыть 28% потребности страны в электричестве. Планируется, что к 2020 г. ВМС США будут получать 50% электричества из альтернативных источников.

В Украине разработан типовой проект ВЭС мощностью 2 МВт для акватории Черного моря. Станция включает 4 модуля по 500 кВт каждый. Однако пока не известно, когда начнется реализация проекта.

Волновые электростанции в России

Россия имеет выход к морю, поэтому энергия морских волн может использоваться, так что интерес к этой сфере растет. Однако соответствующие установки только начинают появляться. Первая ВЭС появилась в Приморском крае в 2014 г. Ее плюс в том, что она универсальна, может преобразовывать как энергию волн, так и отливов с приливами.

Согласно текущему плану развития зеленой энергетики в РФ до 2020 г, альтернативные источники энергии должны составить 5% от общей выработки электричества в стране. В том числе предполагается развитие сети волновых электростанций. Такие установки позволят генерировать электричество экологически чистым способом и одновременно защитят прибрежную зону и местный порт от разрушительного воздействия волн.