Проект морской волновой электростанции. Волновые электростанции

Первую приливную электростанцию построили в 1913 г. вблизи Ливерпуля в бухте Ди, ее мощность достигала 635 кВт.

Для работы электростанции необходимо, чтобы перепад уровней между отливом и приливом составлял более четырех метров.

С увеличением разницы высот воды увеличивается выработка электроэнергии приливной электростанции. Наиболее подходящим местом для использования энергии приливов необходимо считать такое место на морском побережье, где приливы обычно имеют амплитуду от 4 до 19 м, а береговой рельеф позволяет с минимальными затратами создать большой замкнутый бассейн.

Удобным местом для постройки приливной электростанции является узкий морской залив, который при устройстве ПЭС отсекается плотиной от океана. В отверстиях плотины размещаются гидротурбины с генераторами. Генератор и турбина заключены в обтекаемую капсулу. Главным достоинством таких капсульных агрегатов является их универсальность. Они способны не только вырабатывать электрическую энергию при движении через них морской воды, но и выполнять функции насосов. При этом производство электроэнергии происходит как в период прилива, так и в период отлива.

Режим работы приливной электростанции обычно состоит из нескольких циклов. Четыре переходных цикла (периода): простой турбин, по 1-2 часа, периоды начала прилива и его окончания. Затем четыре рабочих цикла продолжительностью по 4-5 часов, периоды прилива или отлива, действующих в полную силу. В ходе прилива водой наполняется бассейн приливной электростанции. Движение воды вращает колеса капсульных агрегатов, электростанция вырабатывает ток. Во время отлива вода, уходя из бассейна в океан, также вращает рабочие колеса, но в обратную сторону. В промежутках между приливом и отливом колеса останавливаются. Приливную электростанцию необходимо связать с сетью.

В России первая приливная станция была построена в заливе Кислая Губа в 90 км от Мурманска в 1968 г., мощность турбины 400 кВт. Впервые при ее монтаже была применена наплавная технология строительства, когда блоки делают в доке, затем перемещают плавучим способом к месту установки, монтируют и бетонируют. Такая же технология впоследствии была использована при строительстве дамбы в Санкт-Петербурге. В настоящее время на станции установлен агрегат нового типа.

В России после выполнения проектных проработок определены несколько основных мест возможного размещения приливных электростанций в Северном море: Мезенская ПЭС – 8 ГВт, Северное море, около 10 м прилив; Северная ПЭС – 12 ГВт, Баренцево море, высота прилива около 4 м; Пенжинская ПЭС – 88 ГВт, Охотское море, высота прилива 11 м; Тугурская ПЭС – 8 ГВт, Охотское море, высота прилива 9 м. Положение ПЭС на карте .

Следует помнить, что общая мощность тепловых электростанций в России на сегодня составляет около 150 ГВт. В связи с дальним расположением потребителей электроэнергии рассматривается вариант производства рядом с ПЭС водорода с последующей его транспортировкой потребителям. Ведутся переговоры с Россией о строительстве международной ПЭС на востоке России. Энергия ПЭС самая дешевая.

Для применения на ПЭС в России разработаны простые в изготовлении и потому дешевые ортогональные роторные турбины, состоящие из нескольких ярусов и имеющие к.п.д. на уровне 70…80%. У них есть ряд преимуществ перед осевыми машинами, хотя их к.п.д. несколько меньше.

Самой мощной на сегодня является Сихвинская ПЭС мощность 252 МВт (Южная Корея), введенная в работу в 2013 г.

Волновые электростанции

Применяются также волновые электростанции. Конструктивных реализаций волновых электростанций, как минимум, несколько десятков. В настоящем разделе приведены три довольно оригинальных конструкции.

Oceanlinx – электростанция, в которой рабочим телом является воздух. Еще одно название — Oscillating Water Column (OWC). Осевая турбина производства фирмы Denniss-Auld turbine расположена горизонтально в надземной части платформы. Канал, в котором она размещена, имеет переменное сечение и переходит в подводный канал. Переменный уровень поверхности волн приводит то к выталкиванию воздуха из проточной части турбины при подъеме волны, то к втягиванию атмосферного воздуха при понижении ее уровня относительно среднего уровня воды. Скорость воздуха максимальна в окрестности рабочего колеса турбины. Эти переменные по направлению потоки воздуха и вызывают вращение колеса турбины. Несмотря на противоположные направления движения воздуха, турбина вращает генератор в одном направлении. Это достигается с помощью механизма поворота лопаток при смене направления движения воздуха. С помощью контроллера производится переменное во времени регулирование угла положения лопаток относительно оси турбины, исходя из направления движения воздуха и его скорости, которая, в свою очередь зависит от высоты волны на поверхности моря. Достигнута мощность 2,5 МВт в одном агрегате, намериваются сделать 6-модульный агрегат общей мощностью 18 МВт. Движение воздуха сопровождаются звуками, которые называют “Дыханием дракона”.

Searaser, Wave Energy Converter – гравитационно-волновой насос (другие названия “морской наполнитель”, преобразователь энергии волн) – это поплавковый поршневой насос двустороннего действия, производящий закачивание морской воды в бассейн (емкость), расположенный выше уровня моря на 100…200 м. Мощность одного модуля может достигать 250 кВт. Из верхнего бассейна вода направляется в гидротурбинный агрегат, расположенный на берегу моря и производящий электроэнергию. Насос по принципу действия похож на велосипедный насос. Движущей силой поршня является результирующая сил Архимеда и силы тяготения, действующая на перемещающийся по вертикали верхний поплавок с внутренним грузом благодаря энергии волн, смотри на русском языке и . Фактически эта установка является гидроаккумулятором, использующим энергию волн для заполнения высоко расположенной аккумулирующей емкости, башни или бассейна.

В Северной Ирландии установлен двухроторный агрегат SeaGen мощностью 1,2 МВт с лопастями диаметром 10 м, см. фото.

. Места с наибольшим потенциалом для волновой энергетики - западное побережье Европы , северное побережье Великобритании и Тихоокеанское побережье Северной , Южной Америки , Австралии и Новой Зеландии , а также побережье Южной Африки [ ] .

История

Первая волновая электростанция

Первая волновая электростанция расположена в районе Агусадора , Португалия , на расстоянии 5 километров от берега. Была официально открыта 23 сентября 2008 года португальским министром экономики. Мощность данной электростанции составляет 2,25 МВт , этого хватает для обеспечения электроэнергией примерно 1600 домов. Первоначально предполагалось, что станция войдёт в эксплуатацию в 2006 году, но развёртывание электростанции произошло на 2 года позже планируемого срока. Проект электростанции принадлежит шотландской компании Pelamis Wave Power, которая в 2005 году заключила контракт с португальской энергетической компанией Enersis на строительство волновой электростанции в Португалии. Стоимость контракта составила 8 миллионов евро.

Параметры электростанции

Электростанция состоит из 3-х устройств под названием Pelamis P-750 (англ.) русск. . Это большие плавающие объекты змеевидного типа, размер каждого:

Мощность одного такого конвертера составляет 750 КВт. Удельные характеристики: мощность 1 кВт/тонну и 650 Вт на м³ конструкции. В электричество превращается примерно 1% энергии волнения. [ ]

Устройство и принцип действия

Pelamis P-750 состоит из секций, между секциями закреплены гидравлические поршни. Внутри каждой секции также есть гидравлические двигатели и электрогенераторы. Под воздействием волн конвертеры качаются на поверхности воды, и это заставляет их изгибаться, за что конструкции стали называть «морскими змеями» («sea-snake») . Движение этих соединений приводит в работу гидравлические поршни, которые, в свою очередь, приводят в движение масло. Масло проходит через гидравлические двигатели. Эти гидравлические двигатели приводят в движение электрические генераторы, которые производят электроэнергию .

Перспективы

В дальнейшем планируется добавить к трём существующем конвертерам ещё 25, что увеличит мощность электростанции с 2,25 МВт до 21 МВт . Такой мощности хватит для обеспечения электроэнергией 15 000 домов и снизит выбросы углекислого газа на 60 000 тонн в год.

Российские разработки

На территории Москвы может быть начато строительства производственного научно-исследовательского предприятия, которое будет разрабатывать модуль поплавковой волновой электростанции. Инвестор планирует строительство опытно-промышленного предприятия, включающего в себя производственную научно-исследовательскую лабораторию.

Другие эксплуатирующиеся и строящиеся волновые электростанции

Преимущества и недостатки волновой энергетики

Существует проблема, связанная с тем, что при создании волновых электростанций штормовые волны гнут и сминают даже стальные лопасти водяных турбин. Поэтому приходится применять методы искусственного снижения мощности, отбираемой от волн.

Преимущества

• Волновые электростанции могут выполнять роль волногасителей, защищая порты, гавани и берега от разрушения.
• Маломощные волновые электрогенераторы некоторых типов могут устанавливаться на стенках причалов, опорах мостов, уменьшая воздействие волн на них.
• Поскольку удельная мощность волнения на 1-2 порядка превышает удельную мощность ветра, волновая энергетика может оказаться более выгодной, чем

Энергия волн – энергия, которую волны переносят по поверхности воды. Это неисчерпаемый источник, пригодный для получения электричества. Для преобразования энергии волны в электроэнергию сооружают электростанции волновые. Их монтируют непосредственно в воду.

В перспективе волновая генерация может за год выдать 4 ТВт в прибрежных зонах и до нескольких десятков ТВт в открытом море.

Природа явления

Волнообразование – есть результат воздействия солнечных лучей. Солнце нагревает воздушные массы, из-за чего они перемещаются в пространстве. В процессе перетекания воздух соприкасается с поверхностью океана, инициируя возникновение волны.

Энергоемкость конкретного волнового вала определяется:

• силой ветров;
• продолжительностью порывов;
• шириной воздушного фронта.

Максимальное значение энергоемкости одной волны достигает 100 кВт на 1 м. Данный показатель существенно понижается на мелководье, что объясняется трением о дно водоема.

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.

Турбина Алана Артура Уэллса избавлена от сложных механизмов измерения шага, а также систем клапанов. Агрегат имеет симметричное сечение и сравнительно большой угол атаки лопастей. В целом механизм характеризуется:

• малым отношением скорости вращения к скорости потока воздуха;
• высоким коэффициентом лобового сопротивления;
• периодическими провалами мощности;
• КПД на уровне 40-70%;
• шумностью – издаваемые им, звуки сопоставимы со звучанием огромного органа.

Совершенствование классической модели

Принцип действия подобных агрегатов сохраняется неизменным. Конструкторы пытаются изменить архитектуру камеры, чтобы добиться максимального сжатия воздушной массы внутри нее. Усовершенствованная модель камеры позволяет изменять ее объем и геометрию в зависимости от состояния акватории.

Эффективность этой идеи доказали и теоретически, и практически. В итоге удалось избавиться от перепадов мощности станции, обусловленных падением высоты волны, и защитить оборудование от чрезмерных нагрузок и разрушения во время штормов.

Такая станция с «дышащей» камерой функционирует в Атлантике у португальских берегов. Ее мощности в 750 кВт достаточно для обеспечения электричеством около 1000 семей. Там планируется создать огромный прибрежный генерирующий каскад.

В перспективе плавучие волновые станции этого типа будут строить там, где функционируют ветровые фермы, используя единую якорную систему для электростанций обоих видов.

Буй-генератор

Ocean Power Technologies (OPT) – инжиниринговая компания из Шотландии – представила PowerBuoy PB150. Это огромный буй длиной 42 м, удерживаемый одиннадцатиметровым поплавком и якорной системой. Мощность одной станции 150 кВт.

Агрегат способен преобразовывать в электроэнергию вертикальные колебания. Погруженная часть буя-генератора зафиксирована на дне якорной системой. Поплавок перемещается по вертикали в унисон колебанию морских вод — он закреплен на подвижном штоке. Шток – часть линейного генератора, который во время прохождения обмотки статора вырабатывает электричество.

Конструкция оснащена системой датчиков, благодаря которой можно вручную адаптировать ход штока согласно силе, высоте и частоте волн, добиваясь наиболее рационального режима работы оборудования. Во избежание аварий в периоды сильных штормов шток поплавка блокируется автоматически.

К месту дислокации агрегат доставляют буксиры. Несколько подобных буев, установленные рядом, использующие общую якорную систему и единый силовой контур, образуют волновую ферму. Для установки системы мощностью 10МВт необходимо 0,125 квадратных км водной поверхности. Первый такой буй разместили в 33 морских милях от Инвергордона (Шотландия). Анализ среды вблизи функционирующего генератора показал, что он экологически нейтрален.

Преимущества и недостатки

Преимущества волновой энергетики:

• волновая электростанция способна заменить волногасители, защищающие береговую линию и прибрежные сооружения от разрушения;
• волновые электрогенераторы малой мощности можно монтировать непосредственно на мостовых опорах, причалах, принимая мощность волн;
• удельная мощность волнения волн выше удельной мощности ветров на 1-2 порядка, соответственно волновая энергетика может оказаться выгоднее, нежели ветряная.

Недостатки:

• штормовая волна способна смять лопасти водяных турбин. Проблема решается методами искусственного уменьшения мощности, заключенной в волнах;
• некоторые типы генераторов представляют реальную угрозу для безопасности мореплавания;
• в местах установки отдельных видов агрегатов промышленное рыболовство становится невозможным.

Волновая электростанция – это один из подвидов электростанций, использующих для выработки электроэнергии кинетическую энергию воды. В данном случае используется энергия волн морей и океанов.

Это относительно новый вид энергетики, хотя ее история насчитывает уже более 200 лет. Чаще всего волновые электростанции устанавливаются недалеко от прибрежных зон там, где потенциальная волновая активность выше всего. К таким местам относятся: западно-европейское побережье, северное побережье Англии, Тихоокеанское побережье Америки (обоих континентов), прибрежная зона Южной Африки, Австралии и Новой Зеландии.

История

Первая так называемая «волновая мельница» была запатентована Парижским патентным бюро аж в 1799 году. С этого момента инженерами и учеными производились многочисленные попытки использования кинетической энергии волн для выработки электричества . Вплоть до начала 20-го века было множество подобных изобретений, правда не одно из них так и не использовалось в промышленных масштабах.

Лишь в 1973 году после катастрофической нехватки нефтяных запасов (нефтяной кризис) интерес исследователей и ученых к альтернативной энергетике заметно возрос. Начались активно разрабатываться и создаваться, в том числе и волновые электростанции.

Первая промышленная волновая электростанция, разработка которой началась в 2005 году, была введена в эксплуатацию 23 сентября 2008 года в 5-ти километровой прибрежной зоне Португалии (район Агусадора). Ее эксплуатационная электрическая мощность составила 2,25 МВт. Сейчас она обеспечивает светом более 1,5 тыс. частных домов.

Принцип работы

Современная волновая электростанция состоит из нескольких специальных конвертеров, мощность каждого из которых может достигать 1 МВт. Каждый конвертер состоит из нескольких секций, между которыми закреплены на движимых конструкциях гидравлические поршни. К каждому поршню или системе поршней привязан гидравлический двигатель, который приводит во вращение электрический генератор .

Под действием волн конвертер начинает качаться, что приводит в движение гидравлические поршни. Последние создают в гидравлической системе, в которой находится масло, давление, а оно в свою очередь движет гидравлическими двигателями.

Один конвертер может достигать в длину до 150 метров и иметь диаметр около 3 метров. Вес одной такой установки не редко достигает 700 – 800 тонн.

Есть и другие конструкции конвертеров, которые представляют собой отдельные буи, расположенные не горизонтально, а вертикально. Принцип их работы аналогичен предыдущему с той лишь разницей, что гидравлические поршни имеют несколько иную форму.

Сложность конструкций всех существующих конвертеров заключается лишь в эксплуатационных особенностях механических их частей. Ведь волновые электростанции, как правило, находятся в соленой воде, поэтому очень важно не допустить ее контакта с металлическими элементами конвертера.

Также очень часто приходится использовать специальные приспособления (волнорезы и тормозные щиты), чтобы снизить чрезмерную энергию волны, которая с легкостью может разрушить всю конструкцию.

Удельная мощность всех волн морей и океанов намного превосходит как ветровую, так и солнечную суммарную энергию. Ученые подсчитали, что средняя эквивалентная мощность волны на нашей планете равняется примерно 15 кВт на погонный метр. И это при средней высоте волн до 1 метра. Если же волны, а это бывает не так уж и редко, достигают высоты 2 и более метров, их эквивалентная мощность может доходить до 80 кВт/м пог.

Воды Мирового океана скрывают в себе несметные богатства, главными из которых, пожалуй, являются безграничные источники энергии в виде морских волн. Впервые об использовании кинетической энергии накатывающихся на берег валов задумались в 18 веке в Париже, где был представлен первый патент на волновую мельницу. Сейчас технологии шагнули далеко вперед, и совместными усилиями ученых была создана первая коммерческая волновая электростанция, которая начала эксплуатироваться в 2008 году.

Почему это выгодно?

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 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.

Для выработки электричества волновая электростанция использует кинетическую энергию волн. По самым скромным подсчетам, этот потенциал оценивается в 2 млн МВт, что сравнимо с 1000 работающих на полную мощность атомных электростанций, а на один метр фронта волны приходится около 75 кВт/м. При этом не наблюдается абсолютно никакого вредного воздействия на окружающую среду.

Общая схема работы

Волновыми электростанциями называют плавучие сооружения, которые способны преобразовывать движения волн в электрическую и передавать ее потребителю. При этом стараются использовать два источника:

1. Кинетические запасы. Морские валы проходят через трубу большого диаметра и вращают лопасти, которые передают усилие на электрогенератор. Применяется и пневматический принцип - вода, проникая в специальную камеру, вытесняет оттуда кислород, который перенаправляется по системе каналов и вращает лопасти турбины.
2. Энергия качения. В этом случае волновая электростанция выступает в роли поплавка. Перемещаясь в пространстве вместе с профилем волны, она посредством сложной системы рычагов заставляет вращаться турбину.

Разными странами используются свои собственные технологии преобразования механического движения волн в электричество, но общая схема действия у них одинаковая.

Недостатки волновых электростанций

Главным препятствием на пути к обширному внедрению волновых электростанций является их стоимость. Из-за сложной конструкции и сложной установки на поверхность морских вод затраты на внедрение подобных установок в эксплуатацию выше, чем на строительство АЭС или ТЭС.

Кроме того, наблюдается и ряд других недостатков, которые в основном связаны с появлением социально-экономических проблем. Дело все в том, что крупные поплавковые станции создают опасность и мешают мореходству и рыболовству - поплавковая волновая электростанция может просто вытеснить человека из промысловых зон. Возможны и экологические последствия. Использование установок значительно гасит морские валы, делает их меньше и не дает пробиться на берег. Между тем волны играют важную роль в процессе газообмена океана, очищения его поверхности. Все это может привести к смещению экологического равновесия.

Положительные стороны волновых электростанций

Вместе с недостатками волновая электростанция имеет и ряд преимуществ, которые оказывают положительное воздействие и на деятельность человека:

• установки, благодаря тому что гасят энергию волны, могут защищать прибрежные сооружения (причалы, порты) от разрушения силой океана;
• выработка электричества происходит с минимальными затратами;
• высокая мощность волнения делает ВЭС экономически более выгодными, нежели ветровые или солнечные электростанции.

Запасами энергии обладают и воды суши, главным образом реки. Сооружение станций на мостах, переправах, причалах является перспективой развития этой области выработки электроэнергии.

Проблемы, которые надо решить

Основная задача, которая стоит перед научным сообществом сейчас, - это совершенствование конструкции, что позволит снизить себестоимость электричества, которое вырабатывают волновые электростанции. Принцип работы должен остаться тем же, но применяться для создания установок будут уже новые технологии и материалы.

Средняя мощность волны составляет 75-85 кВт/м - именно на такой диапазон настраиваются большинство станций. Однако во время шторма сила морских валов увеличивается в несколько раз и создается опасность разрушения установок. Уже не одна лопасть была смята или погнута после шторма. Для решения этой проблемы ученые искусственными методами снижают удельную мощность волн. Одна из проблем состоит в том, что массовое использование волновых станций приведет к изменению климата. Генерация электрической энергии осуществляется за счет вращения Земли (именно так образуются волны). Повсеместное использование станций заставит планету вращаться медленнее. Человек разницу не почувствует, но это уничтожит ряд течений, которые играют важную роль в теплообмене Земли.

Первая в мире опытная ВЭС

Первая волновая электростанция появилась в 1985 году в Норвегии. Ее мощность составила 500 кВт, а сама она представляла собой опытный образец. Ее принцип действия основан на циклическом сжатии и расширении среды:

• цилиндр с открытым дном погружен в воду так, чтобы его край был ниже ложбины волны - самой нижней ее точки;
• периодически набегающая вода сжимает воздух во внутренней полости;
• по достижении определенного давления открывается клапан, который дает проход сжатому кислороду к турбине.

Такая электростанция вырабатывала 500 кВт энергии, чтобы было достаточно для подтверждения действенности установок, что способствовало их развитию.

Первая в мире промышленная электростанция

Первой в мире установкой промышленного масштаба считается Oceanlinx в акватории Порт-Кембл, в Австралии. Она введена в эксплуатацию в 2005 году, но затем была отправлена на реконструкцию и в 2009 году вновь заработала, из-за чего в регионе теперь используются и приливные, и волновые электростанции. Ее принцип действия состоит в следующем:

1. Волны периодически забегают в специальные камеры, заставляя сжиматься воздух.
2. По достижении критического давления через сеть каналов вращает электрогенератор.
3. Для улавливания движения и силы волн лопасти турбины меняют свой угол наклона.

Мощность установки составила порядка 450 кВт, хотя каждая секция станции способна выдавать от 100 кВт*ч до 1,5 МВт*ч электрической энергии.

Первая в мире коммерческая ВЭС

Первая волновая электростанция коммерческого назначения заработала в 2008 году в Агусадоре, Португалия. Более того, она первая в мире установка, которая использует непосредственно механическую энергию волны. Проект подготовила английская компания Pelamis Wave Power.

В состав конструкции входит несколько секций, которые отпускаются и поднимаются вместе с профилем волны. Секции шарнирно скреплены с гидравлической системой и во время движения приводят ее в действие. Гидравлический механизм заставляет вращаться ротор генератора, благодаря чему и вырабатывается электроэнергия. Используемые в Португалии волновые электростанции плюсы и минусы имеют. Преимущество установки заключается в большой мощности - около 2,25 МВт, а также в возможности установки дополнительных секций. Недостаток установки системы один - возникает сложности с по проводам к потребителю.

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.