2. Енергія хвиль

З точки зору енергетики морські хвилі є концентрованою формою вітрової енергії. Вітри, що дмуть над океаном, розводять хвилювання, сила якого залежить від швидкості вітру і довжини пробігу. До берегів Чукотки доходять хвилі, що зародилися біля берегів Антарктиди. У хвилях частки води здійснюють кругові рухи. Висота хвилі дорівнює діаметру кругової орбіти частки на поверхні. З глибиною діаметри орбіт швидко убувають. Накочувавшись на мілководді, хвиля зростає по висоті і зменшується по довжині (відстані між гребенями). Біля дна частки рухаються зворотно-поступально. Хвилі в морі мають різну довжину і швидкість, висоти окремих хвиль при накладенні підсумовуються.

Величезні кількості енергії можна отримати від морських хвиль. Потужність, переносима хвилями на глибокій воді, пропорційна квадрату їх амплітуди і періоду. Тому найбільший інтерес представляють довгоперіодні (Т~10 с) хвилі великої амплітуди (а~2 м), що дозволяють знімати з одиниці довжини гребеня в середньому від 50 до 70 кВт/м.

Механічна енергія хвилі пропорційна довжині і квадрату висоти. Енергія хвилі шестиметрової висоти перевищує 100 кВт на 1 погонний метр фронту хвилі. Середня для океанських хвиль енергія оцінюється в 50 кВт/м. Фахівці підрахували, що з врахуванням неминучих втрат використання хвилевої енергії біля берегів Англії дало б 120 ГВт - це більше, ніж сумарна потужність електростанцій країни. Сумарна хвилева потужність Світового океану оцінюється в 2700 ГВт. У Росії можливе освоєння енергії морських хвиль на побережжі тихоокеанських морів і Баренцева моря.

Можливість перетворення енергії хвиль в електроенергію доведена вже давно. Існує безліч технічних рішень, що дозволяють реалізувати цю можливість. Останніми роками інтерес до хвилевої енергетики різко посилився, особливо в Японії, Великобританії, країнах Скандинавії, внаслідок чого експерименти переросли в стадію реалізації проектів. Сучасна тенденція розробки таких установок, як і взагалі установок на поновлюваних видах енергії, орієнтується на одиничні модулі помірної потужності (близько 1 МВт) розміром порядка 50 м уздовж фронту хвилі. Подібні пристрої вже зараз можуть принести певні економічні вигоди в разі заміни дизельних генераторів, що забезпечують енергією віддалені селища, особливо на островах.

Рисунок 2.1 – Фото перетворювача енергії морських хвиль Pelamis

Переваги та недоліки хвилевої енергетики

Унаслідок непостійності морського хвилювання необхідно передбачати системи акумуляції енергії (ГАЕС і тому подібне)

Розвиток хвилевої енергетики зв'язаний із значними труднощами, в основному вони зводяться до наступного.

1. Хвилі нерегулярні по амплітуді, фазі і напряму руху. Проектувати ж пристрої для ефективного витягання енергії в широкому діапазоні величин, що варіюються, не просто.

2. Завжди є вірогідність виникнення екстремальних штормів і ураганів, під час яких утворюються хвилі дуже великої інтенсивності. Конструкції хвилеенергетичних пристроїв повинні, зрозуміло, їм протистояти. Приблизно раз в 50 років виникають хвилі, амплітуда яких в 10 разів перевищує середню. Отже, під час штормів конструкції повинні витримувати навантаження, приблизно в 100 разів більші, ніж при нормальній роботі.

3. Подібні пікові величини потужності властиві головним чином саме хвилям на глибокій воді, що проходять з боку відкритого моря. Труднощі, пов'язані із створенням енергетичних пристроїв для таких хвилевих режимів, їх обслуговуванням, утриманням в заданому положенні, передачею енергії на берег, викликають побоювання.

4. Зазвичай період хвиль с (частота порядка 0,1 Гц). Досить важко пристосувати цей нерегулярний повільний рух до генерування електроенергії промислової частоти, яка в 500 разів вище.

5. Вибрати відповідний тип пристрою для перетворення енергії зі всього їх різноманіття — складне, часто просто непосильне завдання.

6. Звичка мислити категоріями великомасштабної енергетики промислово розвинених районів веде до спокуси створювати лише крупні хвилеві електростанції в місцях з високими хвилевими потенціалами. При цьому існує тенденція ігнорувати зони помірних потенціалів, де частенько використання хвилевої енергії виявляється економічно більш виправданим.

Переваги хвилевої енергії полягають в тому, що вона досить сильно сконцентрована, доступна для перетворення і на будь-який момент часу може прогнозуватися залежно від погодних умов. Створюючись під дією вітру, хвилі добре зберігають свій енергетичний потенціал, поширюючись на значні відстані. Наприклад, крупні хвилі, що досягають побережжя Європи, зароджуються під час штормів в центрі Атлантики і навіть в Карібському морі. Важливою перевагою хвилевої енергетики є можливість вживання модульного принципу - послідовне спорудження блоків обмеженої потужності, без великих початкових витрат на капітальне будівництво, властивих приливним електростанціям.

Пристрої для перетворення енергії хвиль

В результаті хвилевого руху рідини в хвилі одночасно із зміною положення рівня і нахилу поверхні відбувається зміна кінетичної і потенційної енергії, зміна тиску під хвилею. На основі використання однієї характерної ознаки хвилевого руху або їх комбінації вже створено велике число різних пристроїв, що поглинають і перетворюють хвилеву енергію. Сюди ж входять і пристрої, що уловлюють воду з гребенів хвиль і повертають її на середній рівень або до підніжжя хвиль після перетворення потенційної енергії. Крім того, можна використовувати найрізноманітніші споруди для збільшення інтенсивності хвилевого руху в місцях розміщення перетворювачів за рахунок дифракційних і канальних ефектів.

Рисунок 2.2 – Дієлектричний еластовимірний генератор

Рисунок 2.3 – Класифікація пристроїв для перетворення енергії хвиль

Пристрої, що відстежують профіль хвилі. Стефан Солтер з Единбурзького університету розробив пристрій, який назвав «качкою». Форма її забезпечувала максимальне витягання потужності (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Качка Солтера

Хвилі, що поступають зліва, змушують качку качатися. Циліндрова форма протилежної поверхні забезпечує відсутність поширення хвилі направо при коливаннях качки довкола осі О. Потужність може бути знята з осі коливальної системи з таким розрахунком, аби забезпечити мінімум віддзеркалення енергії. Відображаючи і пропускаючи лише незначну частину енергії хвиль (приблизно 5%), цей пристрій володіє вельми високою ефективністю перетворення в широкому діапазоні частот збуджуючих коливань.

Подальші розробки Солтера направлені на те, аби забезпечити качці здатність протистояти ударам максимальних хвиль і створити гірлянду перетворювачів, що заякоряє, у вигляді досить гнучкої лінії. Передбачається, що характерний розмір реальної качки дорівнюватиме приблизно 0,1, що для 100-метрових атлантичних хвиль відповідає 10 м. Нитка з качок протяжністю декілька кілометрів передбачається встановити в районі з найбільш інтенсивним хвилюванням на захід від Гебрідських островів, потужність всієї станції буде приблизно 100 МВт. Проектуються і індивідуальні качки, що встановлюються в плотах, що заякоряють, і призначаються для роботи на менших глибинах (приблизно 20 м).

Будь-які хвилеві перетворювачі мають якісь недоліки, але для уток найбільш серйозними виявляються наступні:

1) необхідність передачі повільного коливального руху на привід генератора (Солтер працює над вживанням в якості генераторів вбудованих гіроскопів, які повинні видавати в мережу потужність, пропорційну повільному обертанню корпусів качок на хвилюванні);

2) необхідність зняття потужності з плаваючого на значній глибині пристрою великої протяжності.

Інший характерний тип пристрою даного класу — ланкастерський «молюск», що використовує той же «геометричний» принцип Солтера. Тут дзьобоподібний поплавець сполучений з декількома податливими повітряними оболонками, заповненими повітрям, що стискується під дією хвиль. Стисле повітря переганяється з однієї оболонки в іншу по мірі того, як хвиля повертає «дзьоб». Осцилюючий повітряний потік приводить в дію турбіну Уелса, що відрізняється тим, що напрям її обертання не залежить від напряму потоку повітря. Турбіна пов'язана з електрогенератором.

Водяний стовп, що коливається. При набіганні хвилі на частково занурену порожнину, відкриту під водою, стовп рідини в порожнині коливається, викликаючи зміни тиску в газі над рідиною. Порожнина може бути пов'язана з атмосферою через турбіну. Потік може регулюватися так, щоб проходити через турбіну в одному напрямі, або може бути використана турбіна Уелса. Вже відомо принаймні два приклади комерційного використання пристроїв на цьому принципі — сигнальні буї, упроваджені в Японії Масудой і у Великобританії співробітниками Королівського університету Белфаста.

Рисунок 2.5 – Широкосмугова хвилева енергетична установка на принципі водного стовпа, що коливається (побудована поблизу Тофтестоллена, Норвегія)

Крупніший і вперше включений в енергомережу пристрій побудований в Тофтестоллене (Норвегія) фірмою Kvaernor Brug А/S (рисунок 2.5). Основний принцип дії стовпа, що коливається, показаний на рисунку 2.6. У Тофтестоллене він використовується в 500-кіловатній установці, побудованій на краю прямовисної скелі. Крім того, національна електрична лабораторія (NEL) Великобританії пропонує конструкцію, що встановлюється безпосередньо на морському дні.

1 — хвилевий підйом рівня; 2 — повітряний потік; 3 — турбіна; 4 — випуск повітря; 5— напрям хвилі; 6— опускання рівня; 7— впускання повітря.

Рисунок 2.6 – Схема установки, в якій використовується принцип водного стовпа, що коливається (розроблена Національною інженерною лабораторією NEL, Великобританія, розміщується безпосередньо на ґрунті, турбіна наводиться в дію потоком одного напряму).

Головна перевага пристроїв на принципі водяного стовпа, що коливається, полягає в тому, що швидкість повітря перед турбіною може бути значно збільшена за рахунок зменшення прохідного перерізу каналу. Це дозволяє поєднувати повільний хвилевий рух з високочастотним обертанням турбіни. Крім того, тут створюється можливість видалити генеруючий пристрій із зони безпосередньої дії солоної морської води.

Підводні пристрої. Переваги підводних пристроїв полягають в тому, що ці пристрої дозволяють уникнути штормової дії на перетворювачі. Проте при їх використанні збільшуються труднощі, пов'язані з витяганням енергії і обслуговуванням. Для прикладу можна запропонувати так званий «бристольский циліндр», що є наповненим повітрям плавучим корпусом, закріпленим під водою на опорах, встановлених на ґрунті. Циліндр знаходиться під впливом підповерхневого руху вод і зміни гідростатичного тиску. Вмонтовані в опори гідравлічні насоси перетворюють енергію руху циліндра. Перекачувана ними рідина може подаватися на генераторну станцію, єдину для декількох циліндрів, по трубопроводах.

Ряд проектів, що активно розробляються в Англії, передбачає установку на якорі двох або трьох понтонів, що мають шарнірне зчленування. Прохожа хвиля викликає вигини в шарнірах, які використовуються в поршневій гідравлічній системі, що запасає енергію в стислій до високого тиску рідині. Ця енергія потім використовується в гідродвигуні і електрогенераторі. Основні труднощі при впровадженні подібних систем пов'язані з низькою надійністю якірних постановок і шарнірних з'єднань при штормах і переміщеннях льоду.

Рисунок 2.7 – Енергетична установка, що використовує енергію хвиль

Ще один тип хвилевих енергетичних установок, реалізований при невеликих потужностях в Японії, працює таким чином. Буй, що заякоряють, має порожнину, відкриту знизу. При коливаннях на хвилі рівень води в порожнині міняється. У надводній верхній частині буя є отвір, через який повітря виходить з порожнини при її заповненні водою, коли проходить гребінь хвилі. Коли проходить підошва хвилі, повітря, навпаки, входить в порожнину через опускання рівня води. Перебіг повітря через отвір наводить в рух повітряну турбіну, сполучену з електрогенератором. У автономних електричних буях енергія, що виробляється, використовується для зарядки акумуляторів, що живлять 60-ватну електролампу. Реалізується подібний проект, в якому «поплавцем» є судно водотоннажністю 500 т, проектна потужність хвилевої енергоустановки складає 2,2 МВт. Подібна установка може використовуватися також для акумуляції енергії, виробляючи стисле повітря, яке по трубах прямує в берегові баки.

Рисунок 2.8 – Схема роботи хвилевої електростанції

Як хвилевий генератор може використовуватися буй, що заякоряється, до якого на тросі підвішений оборотний капсульний гідроагрегат з вертикальною віссю на глибину, де хвилеві коливання невеликі. Турбіна агрегату обертається при русі вгору і вниз, коли проходять гребінь і підошва хвилі. Обмеження знову пов'язані з низькою надійністю якірної постановки і передачі електроенергії по кабель-тросу при штормах. Можлива також установка на мілководді гідроагрегатів з горизонтальною віссю в придонному шарі.

Системи, що уловлюють хвилі. Схеми подібних пристроїв використовують явище, часто спостережуване в природних лагунах. Хвиля розбивається на укосі греблі (варіант природного рифа), і вода закидається на висоту, що перевищує середній рівень моря, заповнюючи басейн.

Схема заповнення басейну (а), розміщення споруд (б);

Рисунок 2.9 – Енергетична установка, що уловлює хвилі, в природній лагуні.

Вода може бути повернена назад в море через низьконапірну турбіну. Схожий з однобасейновою ПЕС. Біля берега греблями вигороджується басейн з пологою греблею-хвилеломом. Океанська хвиля закидає через цю греблю свої гребені. Рівень в басейні підтримується на 2...3 м вище, ніж в морі. Різниця рівнів збільшується, коли підходить підошва чергової хвилі. Низьконапірні гідроагрегати спрацьовують цей натиск. Реалізація такого проекту вимагає великих витрат на зведення гребель.

На рисунку 2.9 приведена схема, що детально опрацьовується для умов острова Маврикій і призначена для забезпечення генерування 20 МВт електричної потужності. При питомій величині потужності хвиль 22 кВт/м ефективність такого пристрою буде не нижча 30% (мається на увазі перетворення кінетичної енергії хвиль в потенційну енергію рідини в басейні). Необхідна довжина морської греблі рівна приблизно 5 км. Перша в світі комерційна станція на цьому принципі побудована в Норвегії в районі з природним фокусуванням хвиль.

Концепція використання енергії хвиль

Перейти до початку посібника