Проект издательского дома «МедиаПро»
Получать дайджест новостей

Статьи

Назад к списку статей
Другое

Энергия морских волн: за и против

Энергия волн и их исследования уже более 10 лет являются популярными темами научных разработок. Уже реализовано большое число проектов и имеются различные тестовые электростанции. Море постоянно находится в движении и, следовательно, является надежным и неисчерпаемым источником электроэнергии. По оценке экспертов только побережье Европы может ежегодно ее генерировать в объеме более 280 ТВт час, что соответствует половине брутто-потреблению такой промышленно высокоразвитой страны, как Германия. А при полноценном использовании энергии волн вдоль всех побережий Земли можно покрыть половину мировой потребности в электроэнергии за счет моря. При этом они считают, что нынешнее состояние технологии находится на стадии, предшествующей ее коммерциализации.

Изменение климата и увеличение расходов на получение энергии относятся к наиболее обсуждаемым темам среди специалистов, политиков и общественности. Эмиссия СО2, обусловленная работой промышленных предприятий, транспорта и производством энергии, несомненно несет ответственность за повышение глобальной температуры и связанные с ней последствия, в том числе оттаивание ледяных полярных шапок или расширение площадей, занимаемых пустынями. Эти процессы сопровождаются увеличением расходов на мазут, бензин и пищевые продукты при одновременном уменьшении запасов нефти и природного газа. Развитие и эффективное использование регенеративной и экологичной энергии является возможным выходом из сложившейся ситуации.

 

ВАЖНО!
Наряду с уже известными и частично интенсивно применяемыми источниками энергии (солнечная энергия, сила ветра, биомасса и энергия воды из большого водоема) также есть другой неисчерпаемый источник — энергия моря.

 

Так как большая часть поверхность Земли покрыта водой и многие страны располагают широкими прибрежными ландшафтами, то использование энергии волн относится к экологичному обеспечению энергией. Внедренные при этом технологии отличаются универсальным применением и могут быть реализованы в почти всех странах мира, имеющих доступ к морю. Кроме того, в период экономического кризиса эффективное использование возобновляемой энергии создает дополнительные рабочие места в научных учреждениях и на производстве. При этом применение энергии волн разумно с точки зрения экологии и экономики. Это подтверждают данные таблицы.

 

ВАЖНО!
Волновые электростанции используют гидродинамическую энергию, то есть энергию и перепад давления у морских волн, для получения электроэнергии.

 

На сегодняшний день протестированы различные прототипы для использования энергии волн и уже работают первые коммерческие электростанции, в том числе пожарная электростанция в Шотландии и работающая на приливе и отливе электростанция в Нидерландах.

 Развитие использования этой формы энергии будет способствовать увеличению доли возобновляемой энергии в повседневной жизни и улучшению защиты береговой линии. Применение энергии волн возможно различными способами.

В зависимости от формы энергии предлагаются различные возможности:

• для потенциальной энергии:

• используется изменение профиля поверхности моря, который возникает благодаря прохождению волн над глубокой водой;

• можно использовать колебания давления под поверхностью воды при ее прохождении; в сфере кинетической энергии:

• с одной стороны, применяется движение волн и орбитальное, то есть вертикальное движение частичек воды;

• с другой — происходит движение частичек воды в направлении течения волны. Это продольное движение имеет особое значение на мелководье.

Кроме того, волновые электростанции отличаются офшорными, прибрежными и береговыми установками.

 Последние напрямую интегрируются в береговую линию. Офшорные установки сооружаются в открытом море, а прибрежные — применяются на мелководье вблизи побережья.

Установки на прибрежной линии

Прибрежные установки монтируются прямо на морском побережье и используют энергию волн, набегающих на берег. Первоначально при получении электроэнергии из энергии моря было обращено внимание на периодические колебания сил земного притяжения, то есть на приливы и отливы. Средняя амплитуда приливно-отливных колебаний, обусловленных гравитацией Луны, в открытом море составляет около 1 м. Однако на побережье с различными формами и геологическими особенностями она может достигать 20 м. По этой причине целесообразно устанавливать электростанции, работающие на приливе и отливе, прямо на побережье, а не в открытом море. Для оптимального использования прилива и отлива средняя амплитуда должна быть не менее 5м.

 

ВАЖНО!
Прежде всего установки аккумулируют потенциальную энергию массы воды между приливом и отливом. Это происходит с помощью резервуара (бассейна), который заполняется при приливе и опустошается при отливе.

 

Шлюзы при входе в резервуар регулируют входящие и выходящие потоки воды. При приливе они открываются, чтобы вода попадала из моря в него. Во время снижения уровня моря шлюзы остаются закрытыми до достижения максимальной разницы высот между резервуаром и поверхностью моря при отливе.

Выравнивание потенциальных энергетических различий между бассейном и морем происходит благодаря сливу массы воды после открытия заслонки. На пути потока устанавливается турбина и кинетическая энергия превращается в электрическую.

Наряду с возможностью использовать как вытекающую воду при отливе, так и втекающую воду, такая электростанция, которая располагает многочисленными резервуарами, различными турбинами и гидроаккумулирующими насосами, повышает степень эффективности получения энергии или приспосабливается к периоду пиковой нагрузки.

В целом степень эффективности может достигать 92  %. Наиболее известная электростанция этого типа расположена в Бретани. Она имеет мощность 240 МВт и является прототипом более мощных установок.

Электростанция с осциллирующим водяным столбом

Другим типом прибрежной электростанции является сооружение, работающее на осциллирующем водяном столбе, то есть на основе колеблющейся высоты столба воды. Благодаря повышению и снижению поверхности моря движется воздушная камера, которая приводит в действие турбину.

При этом скорость распространения морской волны при снижении уровня воды становится меньше, а амплитуда — больше. Вследствие этого электростанцию этого типа можно устанавливать на побережье, так как в этом случае достигается максимум подъема поверхности моря.

Эта электростанция состоит из большого полого пространства в виде бетонной конструкции с одним отверстием ниже уровня воды в направлении моря, благодаря которому волны заполняют ее. Второе отверстие вместе с турбиной находится над уровнем моря и служит выравниванию давления с окружающей средой.

Волна, поступающая в камеру благодаря нижнему отверстию, поднимает внутри нее уровень воды и сжимает расположенный в ней воздух. Он выходит через верхнее отверстие и приводит в действие турбину. При отливе в результате снижения давления внутри полого пространства воздух засасывается через верхнее отверстие, и турбина вновь приходит в движение. Таким образом, благодаря осциллирующему водяному столбу при приливе поток воздуха направляется из камеры, а при отливе возникает противоположный поток воздуха.

Следствием этого являются изменяющиеся направления вращения турбины, которое приводит к потере большей части энергии при торможении и техническим трудностям с преобразованием частоты до традиционных 50 Гц.

 

ВАЖНО!
Существуют электростанции, которые благодаря применению различных поворотных обратных клапанов сохраняют постоянным направление потока воздуха через турбину. Но эта возможность получения постоянного потока воздуха еще не получила признания.

 

Другой альтернативой использования потока воздуха в обоих направлениях является турбина, разработанная профессором Королевского университета Белфаста Аланом Уэльсом и названная в честь его. Она располагает лопатками, расположенными перпендикулярно к потоку воздуха, с симметричным профилем. Если они однажды приведены в движении, то сохраняют свое направление движения независимо от меняющегося потока воздуха.

Это стало возможным благодаря действию общего состоящего из двух компонентов потока воздуха на турбину: из канала осциллирующего водяного столба и обтекания лопаток турбины, которое зависит от скорости вращения.

Перпендикулярно к возникающему общему потоку появляется усилие, которое действует на отдельные лопатки. Это является частью направления движения, которая действует даже при реверсе потока осциллирующего водного столба в том же направлении.

В связи с особой формой лопаток турбина Уэльса имеет значительно меньшую (50-70 %) степень эффективности по сравнению с традиционными турбинами (90 %).

Электростанции, расположенные вблизи от берега

Они монтируются на расстоянии от берега до 500 м и при наличии глубины до 30 м. Их начали разрабатывать в 1973 г. в соответствии с английской программой использования волновой энергии. К ним относятся лопаточные электростанции, которые представляют собой полупогружаемую конструкцию и используют кинетическую энергию орбитального движения морских волн. Область применения таких электростанций — пространство перед береговой линией с мелководьем.

Они состоят из плавучей конструкции, которая вращается, зафиксированная на оси. Как на ней, так и на плавучей конструкции, имеются зубоподобные возвышения, которые при движении этой конструкции перемещаются в противоположном направлении. В пространствах между этими возвышениями находится рабочая среда (гидравлическое масло) которая передает давление на аккумулятор или генератор.

 

ВАЖНО!
Эффективность лопастной электростанции при однородных волнах в резонансной зоне установки достигает 90 %. При обычных условиях она равна 50 %.

 

Благодаря набегающей волне плавучая конструкция начинает вращаться вокруг оси. Возвышения «зубчатого колеса» движутся в противоположном направлении и таким образом гидравлическое масло сжимается в пространстве высокого давления. С помощью которого запускается генератор.

Волновые бункеры Волновой бункер представляет собой установку, которая работает по такому же принципу, что и лопастная электростанция. Но здесь применяются вместо плавучей конструкции вертикальные пластины и вся установка находится под водой при глубине 7–15 м.

У волнового бункера подвижные металлические пластины монтируются вертикально на основании из бетона. Они присоединяются к поршневому насосу, который напрямую комбинируется с генератором или гидравлической системой. Многочисленные пластины могут комбинироваться с образованием большой системы.

Проходящие волны приводят пластины в колебательное движение и, таким образом, кинетическая энергия морской волны передается на поршневой насос. Он в свою очередь напрямую приводит в действие генератор или через отдельную закрытую гидравлическую систему турбину. Мощность отдельной пластины составляет 13 кВт. Созданная в 2007 г. система с многочисленными пластинами достигла мощности 1 МВт.

 

Источник: «Журнал главного инженера», №7, 2019

Убедитесь, что вы подписаны на журнал и вся необходимая информация — под рукой!

    Подписаться на рассылку