Волновая электростанция - энергетическая установка, расположенная в водной среде, целью которой является получение электрической энергии из кинетической энергии морских или океанических волн. Как и приливные, волновые электростанции располагаются на берегу или океане в непосредственной близости ВИЧ берега, с целью экономии средств на прокладку подводных электрокоммуникаций.

Первая волновая электростанция расположена в Португалии на расстоянии 5 километров от берега. Эта волновая станция была открыта 23 сентября 2008 года. Мощность данной электростанции составляет 2,25 МВт, этого достаточно для

Рис. 4.1.

обеспечение электроэнергией примерно 1600 небольших домов.

Принципиальная схема волновой электростанции аналогична принципиальной схеме гидроэлектростанции, однако вместо плотины с падающим потоком воды здесь используется гидрохвильовий преобразователь, преобразующий энергию волн в запасенную в пневмогидроакумулятори энергию рабочей жидкости.

В качестве примера рассмотрим устройство волновой электростанции Pelamis Р 750. Эта волновая электростанция состоит из нескольких устройств, представляют собой плавающие объекты - гидрохвильови поплавковые преобразователи, соединенные в одну цепь. На рис. 4.1. показана схема устройства этой волновой электростанции. Где: 1 - плавающие поплавковые преобразователи; 2-гидравлические поршни; 3 -поверхность волны; 4 - гидромагистралей; 5 - главный корпус; 6 - контрольно-распределительное устройство; 7 аккумулирующий устройство; 8 - отвод к потребителю.

Размер каждого гидрохвильового поплавкового преобразователя: длина 120 метров, диаметр 3,5 метра, вес 7S0 тонн. Между преобразователями каждой секции закреплены гидравлические поршни. Внутри каждой секции также гидравлические двигатели и электрогенераторы. Под воздействием волн конвертеры качаются на поверхности воды, и это заставляет их крутиться. Движение каждой секции приводит в работу гидравлические поршни, которые, в свою очередь, приводят в движение маслу. Масло проходит через гидравлические двигатели. Эти гидравлические двигатели приводят в движение электрические генераторы, которые делают электроэнергию. Мощность одного такого конвертера составляет 750 кВт. В электрическую энергию превращается примерно 1% энергии волн.

Существует много возможностей получения энергии из волн морей и океанов.

Рис. 4.2.

Среди которых наибольшее распространение получили поглотители колебаний - плавающие на поверхности аттенюаторы и установлены на дне приливные турбины. Одним из интересных решений является энергетический буй - полностью автономное устройство. В этом устройстве используется винтовой компрессор, который крепится якорем ко дну и плавает на поверхности. Электроэнергии производится за счет преобразования поршневой системой и электрогенератором вертикальных перемещений буя на волнах. На берег электричество подается по подводному кабелю.

Интересное устройство под названием Searaser разработан в Англии и напоминает волновую электростанцию, использующую энергию вертикального движения поплавка. Однако сам поплавок не имеет электрических систем и представляет обычный механический насос, который закачивает морскую воду на большую высоту в прибрежные скалы. Этот проект получил название - гидроаккумулирующая электростанция, на рис. 4.3. приведено устройство станции: 1- верхний поплавок; 2 - поверхность волны; 3 - нижний поплавок; 4 - клапан; 5 - поршень; 6-шлзнг; 7 - поплавок поддержки шланга; 8, 9 бетонные якоря; 10 - коллектор. Как видно из приведенного рисунка, основой установки есть 2 поплавка, способных двигаться друг относительно друга. Верхний раскачивается волнами, нижний соединен с дном с помощью цепи и якоря. Между поплавками находится "насосная станция" (цилиндр с поршнем двойного действия, КОТОРЫЙ качает воду при движении вниз и вверх) и клапанами с выходными трубами. Автоматическая подстройка высоты положения верхнего поплавка в зависимости от уровня моря, который меняется в прилив и отлив - телескопическая труба, раздвигается и сложная под действием сил Архимеда и тяжести. К этой "приливной" колонне крепится насос с верхним поплавком. Вода, через коллектор подается на сушу, в горы. В горах устраивается бассейн, в котором вода накапливается и выпускается обратно в море, по пути вращая турбину электростанции, идентичной традиционной ГЭС, но без дамбы. Один полноразмерный поплавок Searaser должен развивать мощность до 0,25 МВт. Основная преимущества в подобной установки, по сравнению с другими,

Рис. 4.3. Гидроаккумулирующей электростанции

заключаются в следующем. В поплавки отсутствуют провода, магниты, которые или электрические контакты и герметичные отсеки для оборудования, что делает его гораздо более дешевым, простым и надежным. Турбины и электрогенераторы волновой станции, расположенные на берегу. В отличие от волновых электростанций, других типов, установка Searaser решает проблему неравномерности силы волн.

В волновых устройств с пневматическими преобразователями под действием волн воздушный поток периодически изменяет свое направление на обратное. Для этих условий и разработана турбина Уэллса, ротор которого имеет выпрямляя действие сохраняя неизменным направление своего вращения при смене направления воздушного потока, следовательно, поддерживается неизменным и направление вращения генератора.

Турбина нашла широкое применение в различных волно-энергетических устройствах. Волновой энергетический устройство "кайма" - самая мощная действующая энергетическая установка с пневматическими преобразователями - построена в Японии в 1976 г.. В своей работе она использует волны высотой до 6 -10 м. На барже длиной 80 м, шириной 12 м и водоизмещением 500 т установлены 22 воздушных камеры, открытые снизу. Каждая пара камер работает на одну турбину Уэллса. Общая мощность установки 1000 кВт. Первые испытания были проведены в 1978 - 1979 pp. у города Цуруока. Энергия передавалась на берег по подводному кабелю длиной около 3 км.

В 1985 в Норвегии в 46 км к северо-западу от города Берген построена промышленная волновая станция, состоящая из двух установок. Первая установка на острове Тофтесталлен работала по пневматическому принципу. Она представляла собой железобетонную камеру, углубленную в скале; над ней была установлена стальная башня высотой 12,3 мм и диаметром 3,6 м. Входящие в камеру волны создавали изменение объема воздуха. Возникающий поток через систему клапанов приводил во вращение турбину и связанный с ней генератор мощностью 500 кВт, годовая выработка составил 1200000. КВт. ч. Однако сильным штормом в конце 1988 башня станции была разрушена.

Конструкция второй установки состоит из конусообразного канала в ущелье длиной около 170 м с бетонными стенками высотой 15 м и шириной в основании 55 м, что входит в резервуар между островами, отделенный от моря дамбами, и плотины с энергетической установкой. Волны, проходя по каналу, сужается увеличивают свою высоту с 1,1 до 15 м и вливаются в резервуар, уровень которого на 3 м выше уровня моря. Из резервуара вода проходит через низконапорные гидротурбины мощностью 350 кВт. Станция ежегодно производит до 2 млн. КВт * ч. электроэнергии.

В Великобритании разрабатывается оригинальная конструкция волновой энергетической установки типа "моллюск", в которой в качестве рабочих органов используются мягкие оболочки - камеры. В камерах находится воздух под давлением, несколько большим атмосферного давления. Накатом волн камеры сжимаются, образуется замкнутый воздушный поток из камер в каркас установки и обратно. На пути потока установлены воздушные турбины Уэллса с электрогенераторами. Сейчас создается опытная плавучая установка с б камер, укрепленных на каркасе длиной 120 м и высотой 8 м. Ожидаемая мощность 500 кВт. Дальнейшие разработки показали, что наибольший эффект дает расположение камер по кругу. В Шотландии на озере Лох-Несс была испытана установка, состоящая из 12 камер и 8 турбин. Теоретическая мощность такой установки до 1200 кВт.

Проект, известный под названием "утка Солтера", представляет собой преобразователь волновой энергии. Рабочей конструкцией является поплавок - "утка", профиль которого рассчитан по законам гидродинамики.

Конструкция этого волнового преобразователя энергии показано на рис. 3.5. В проекте предусматривается монтаж большого количества крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение силой собственного веса. При этом приводятся в действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводит в движение турбины, установленные между поплавками и поднятые над поверхностью моря. Вырабатываемая электроэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20 - 30 поплавков. В 1978 была испытана модель установки, состоявшая из 20-ти поплавков диаметром 1 м. Выработанная мощность составили 10 кВт. Разработан проект мощной установки из 20 - 30 поплавков диаметром 15 м, укрепленных на валу, длиной 1200 м.

Рис. 4.4. Преобразователь волновой энергии "утка Солтера"

Предполагаемая мощность установки 45 тыс. КВт. Подобные системы, установленные у западных берегов Британских островов, могут обеспечить потребности Великобритании в электроэнергии.

В качестве перспективных энергетических установок можно отметить преобразователь, использующий энергию водяного столба, колеблется. Принцип работы такого преобразователя заключается в следующем. При набегании волны на частично погруженную полость, открытую под водой, столб жидкости в полости колеблется, вызывая изменения давления в газе над жидкостью. Полость связана с атмосферой через турбину. Поток может регулироваться так, чтобы проходить через турбину в одном направлении, или может быть использована турбина Уэллса. Уже известны, по крайней мере, два примера коммерческого использования устройств на этом принципе - сигнальные буи, внедренные в Японии Масудой и в Великобритании сотрудниками Королевского университета Белфаста. Больше и впервые включено в энергосеть устройство построено в Тофтестоллене (Норвегия) фирмой Kvaemor Brug A / S. Основной принцип действия преобразователя, использующего принцип колеблющегося столба показано на рис. 4.4. На этом Рис.: 1 - волновой подъем уровня; 2 - воздушный поток; 3 - турбина; 4 - система впуска и выпуска воздуха; S - направление волны; 6 - опускание волнового уровня; 7 - морское дно.

Рис. 4.5.

В Тофтестоллени он используется в 500-киловаттный установке, построенной на краю отвесной скалы. Кроме того, национальная электрическая лаборатория (NEL) Великобритании предлагает конструкцию, устанавливаемую непосредственно на морском дне. Главное преимущество устройств на принципе водяного колеблющегося столба заключается в том, что скорость воздуха перед турбиной может быть значительно увеличена за счет уменьшения проходного сечения канала. Это позволяет сочетать медленный волновое движение с высокочастотным вращением турбины. Кроме того, здесь создается возможность изъять генерирующий устройство из зоны непосредственного влияния соленой морской воды.

Существуют и другие, менее известные способы преобразования энергии волн в электрическую энергию. Так, волновая электростанция Oceanlinx в акватории города Порт-Кемпбелла (Австралия) использует волны для того, чтобы нагнетать воздух в огромные меха. Сжатый воздух под давлением проходит через турбину, вращая ее лопасти. В результате вырабатывается электроэнергия. Установка Oceanlinx в Порт-Кемпбелла поставляет в электросеть города 450 кВт электроэнергии. У побережья США в Орегоне строится "буйковых" электростанция. Буи под воздействием волн качают магнитный стержень внутри ведущей катушки и генерируют электрический ток.

Електробуйкы, разрабатываемые в Орегонского университете, планируется размещать на расстоянии в два-три километра от побережья. По предварительным расчетам, территория в 25 кв. км сможет поставить электричеством весь штат.

Некоторые типы разработанных и разрабатываемых волновых энергетических установок используют разницу оценок гребня и впадины волны. За счет перелива гребней волны, например, через дамбу, или за счет попеременного открытия клапанов или задвижек происходит заполнение емкостей - бассейнов, перепад, образовавшаяся, уровней в емкости и в море используется водяным колесом или низконапорной гидравлической турбиной для выработки электроэнергии или привода других механизмов. Наиболее известной установкой этого типа является "шлюз Рассела". С целью увеличения действующего перепада уровней (напора) используется эффект набегания волны на пологую поверхность. Для этого рабочая поверхность изготавливается в виде наклонного лотка, сужающийся к верху. Морская волна высотой 1,1 м, собранная по волновому фронту длиной 350 м, при концентрации ее в 12-метровом канале, может привести к возникновению стоячей волны с амплитудой 17 м. Экспериментально установлено, что установка, содержащая наклонную плоскость с углом наклона 30 °, обеспечивает поднятие уровня воды на 2,5 м при средней высоте волны 1,5 м. В США разрабатывается установка этого типа под названием "Дэм Атолл". Основным элементом установки является часть сферы диаметром 100 м и высотой до 30 м, выпуклой частью, выступающей над уровнем моря. На поверхности этого искусственного острова расположены хвиленаправляючи ребра, а в середине - водоприемный отверстие и водовод диаметром до 18 м с гидротурбиной. Горизонтальное давление набегающих волн, может восприниматься и непосредственно различными упругими или подвижными стенками, перемещение которых преобразуется во вращение вала генератора или давление рабочей среды в поршневом насосе. К конструкциям этого типа относится установка "триплейт", предложенная Ф.

Фарлеем. Испытания установки в Великобритании в лабораторных условиях при волнах длиной от 1,5 до 7 м, а также в натурных условиях на крупномасштабной модели при волнах длиной 150 м показали, что расчетный КПД может достигать 80-90% и более.

В настоящее время наиболее распространенными волновыми установками являются поплавковые. Рабочее тело таких установок -поплавець - находится на поверхности моря и совершает вертикальные колебания в соответствии с изменениями уровня воды при ветровом волнении. Вертикальные перемещения поплавка используются для попеременного сжатия газа или жидкости в какой-либо емкости, либо они превратятся во вращательное движение электрического генератора и т.п. Например, буй диаметром 16 м, разработанный в Норвегии, при амплитуде вертикальных перемещений 8 м способен при КПД 80% производить до 4 млн. КВт ч. в год. Амплитуда колебаний поплавка может быть существенно (в 10-12 раз) увеличена за счет совершенствования его конструкции. Для увеличения амплитуды (резонанса) вертикальный цилиндрический поплавок частично (в зависимости от параметров волны и поплавка) заполняется водой или к поплавки подвешивается груз соответствующей массы. Крупномасштабная модель резонансного поплавка, исследована в Японии, имела диаметр 2,2 м, высоту 22 м, массу 13,5 т, пропеллерную турбину диаметром 0,8 м. Амплитуда колебаний поплавка достигала 8 м при волнах высотой от 0,5 до 1, 5 м. На рис. 4.6. показано устройство такой поплавковой станции.

Рис. 4.6.

Где: 1 - поплавок 2 - сжимаемая жидкость 3 - электротурбина с генератором.

Перечисленные выше типы волновых энергетических установок включают элементы, находящиеся на поверхности моря и поэтому подвержены влиянию не только расчетных, но и экстремальных штормовых волн. Для предотвращения такого воздействия можно располагать рабочее тело полностью под уровнем моря. В таких установках "набегающая волна" давления, обусловленная разницей давлений под гребнем и впадиной волны, используется для сжатия эластичных оболочек, уложенных на дно моря в направлении движения волны, или влияния на горизонтальную площадку, укрепленную на опорах на дне моря. Толчки давления в оболочках или над горизонтальной площадкой используются для повышения давления и перемещения рабочей жидкости или газа.

В Великобритании предложена установка "упругая труба", способная воспринимать не только вертикальную, но и горизонтальную составляющую гидростатического давления. Исследования на модели показали высокую скорость реакции "трубы" на изменение волнового давления. В Бристольского университете Великобритании еще в 1976 г.. Была предложена установка под названием "Бристольский цилиндр". Установка представляет собой круговой цилиндр, полностью погружен в поверхностный слой воды параллельно фронту волны. Цилиндр имеет положительную плавучесть и содержится в затопленном состоянии якорной системой, в связях которой устанавливаются погрузочные устройства, например, гидроцилиндры.

В Японии в эти годы сделали и испытали первую в мире крупномасштабную оффшорную плавающую установку "Каишеи" в Японском море. Установка включала 9 генераторов на борту, которые были установлены выше волно-приемных камер, открытые ниже уровня воды. Волнение вызвало периодический сжатие и разрежение воздуха, прогоняли через воздушные турбины с приводом на генераторы. Кроме того, в Японии были сделаны другие по типу большие волновые установки, включая Caisson-type Oscillating Water Column prototype. Эта установка имеет 4 кессона с габаритными размерами каждого кессона 20,9 х2 4,3 х 27,0 метра. Рабочая глубина воды составляла 18 м. Каждый кессон имел 4 открытых с фронтальной части отверстия, обращенных к набегающих волн. Каждое отверстие отвечал отдельном отсеке камеры, которые разделены стинками- перегородками. Поршневая действие осцилуючих водяных колонн вызвал движение воздуха через турбины Уэльса (1,34 м в диаметре, 16 лопастей). Использовали генераторы на 60 кВт каждый. Данный прототип испытывали в Японском море в порту Саката в префектуре Ямагата. Португалия реализует проект 0,5 мегаваттной береговой волновой энергетической установки на острове Рисо (Азорские острова). Размеры бетонной компрессионной камеры составляют 12 × 12 м, а воздуховод для воздушной турбины Уэльса имеет диаметр 2,3 м. В Индии построена опытная установка на 150 кВт также с турбиной Уэльса около острова Тривандрум.

Эдинбургский фирма Aquamarine Power сдала в эксплуатацию Европейском исследовательском центре морской энергии (European Marine Energy Centre), крупнейшая в мире волновую электростанцию "Устрица" (Oyster), созданную при содействии ученых из Королевского университета в Белфасте (Queen"s University Belfast).

Элементы "Устрицы", установленные на дне вряд, похожие на растянутые автонасосы. их вертикальные стенки собраны из пяти больших параллельных труб- поплавков. Волна, идущая к берегу наклоняет эту стенку (вроде бы слегка качает насос ногой) и и, возвращаясь на петлях вокруг горизонтальной оси, приводит в действие поршень, нагнетает воду в трубопровод высокого давления. Поступающая под давлением на берег вода крутит ротор электрогенератора. Расположение между морем и сушей устройства для сбора волновой энергии и електропреобразователи реализован впервые. Выгоды такого варианта размещения действительно очевидны: материалы на суше проработает дольше, и ее обслуживать проще. Oyster уже включен в потребительскую электросеть и начал исправно питать энергией несколько сотен домов на шотландском побережье. На сегодня в морях работают уже десятки сравнительно небольших волновых электростанций. Первая в мире большая коммерческая ВЭС начала генерировать ток в прошлом году в Португалии под городком Агусадора.

В целом создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии, эффективной конструкцией станции, в которую встроены устройства сглаживания неравномерного режима волнения. Считается, что эффективно волновые станции могут работать при использовании мощности около 80 кВт / м. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока в 2-3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости. Мощные многомодульные волновые установки могут служить хорошей энергетической базой для создания экологически чистых объектов перерабатывающей промышленности морского и прибрежного базирования.

В нашей стране интерес к волновым преобразователям возник в 20-30гг. XX века. В 1935г. наш великий соотечественник К.Э. Циолковский опубликовал статью «Волнолом и извлечение энергии из морских волн», в которой описал принципиальные схемы трех типов устройств и в настоящее время относящихся к разряду наиболее перспективных. В них без труда узнаем (рис. 2.1) аналоги будущих устройств разработанных Масудой, Кайзером, Коккереллом. Российский ученый К.Э. Циолковский считал, что первые две системы не оригинальны, но относительно новизны последней - контурного плота - не сомневался.

Рис. 2.1.

описанные К.Э. Циолковским: а,б - пневматические; в - контурный плот.

В 70-х годах прошлого века на Черном море испытывалась модель волнового плота. Она имела длину 12 м, ширину поплавков 0,4 м. На волнах высотой 0,5 м и длиной 10 - 15 м установка развивала мощность 150 кВт. (рис.2.2)

Рис. 2.2. Вариант выполнения контурного плота Коккерелла: 1 - колеблющаяся секция; 2 - преобразователь; 3 - тяга; 4 - шарнир.

Детальные лабораторные испытания модели плота в масштабе 1/100 показали, что его эффективность составляет около 45 %. Это ниже, чем у «утки» Солтера, но плот привлекает другим достоинством: близость конструкции к традиционным судостроительным.

В современной России существует множество разработок волновых электростанций, все они реализованы в той или иной степени. Одним из таких проектов является совместная разработка компании ОАО «OceanRusEnergy» и Уральский федеральный университет (УрФУ г. Екатеринбург).

Рис. 2.3.

При создании волнового движения в верхней и нижней точках прохождения волны, маятник совершает возвратно-поступательные движения, аккумулируя потенциальную энергию в пружине. При вращении вала генератора вырабатывается переменный ток. Для создания постоянного тока предусмотрены небольшие выпрямители (например, по схеме Ларионова), что позволяет осуществлять зарядку АКБ (аккумуляторная батарея).

Схема воздействия волны на поплавковый микромодуль волновой микро ЭС (ВГЭС) представлена на рис. 2.4.

волновой электростанция поплавковый микромодуль

Рис. 2.4

При испытаниях модуля ВГЭС имитировалась волновая качка Баренцева моря с периодом колебания волны от 1 до 3,5 секунд, среднегодовой скоростью ветра 7-9 м/с, расчетной гарантированной амплитудой колебаний (высота волны) 20 см и 30 см. Для имитации волн был использован кривошипно-шатунный механизм (КШМ) с продольным движением конечного звена - тяги. КШМ преобразовывал вращение вала двигателя в возвратно-поступательное движение тяги. В качестве привода был выбран асинхронный двигатель мощностью Р=1 кВт и частотой вращения n0 не менее 3000 об/мин. Редуктор был подобран из расчета передаточного отношения Z=25.

Использование в исследовании режимов имитации волн с амплитудой А=20, А=30, и периодом колебаний Т=2, 3, 3.5 с позволило получить необходимые электротехнические значения и характеристики для оценки генерируемой мощности и определить оптимальные и эффективные режимы работы исследуемой поплавковой ВГЭС.

Испытания на стенде проводились в лаборатории волновой энергетики Евроазиатского центра ВИЭ УрФУ. Испытуемый образец ВГЭС представлен на рис. 2.5.

Рис. 2.5.

Пример электротехнических параметров генерирующего модуля при постоянном токе(DC) представлен на графике.

График показателя мощности ВГЭС при амплитуде колебаний 0,2м и периоде 1 с.

Результаты экспериментов с имитацией волн разной амплитуды и периода колебаний волн Т показали, что генерируемая мощность одного модуля ВГЭС составляет 15-60 Вт. Увеличение мощности до уровня, нескольких кВт, решается за счет использования нескольких микромодулей ВГЭС, объединенных в единый кластер (рис.2.6)

Рис. 2.6.

Дальнейшее наращивание мощности ВГЭС до нескольких десятков и сотен кВт может быть реализовано путем сборки большего числа микромодулей в кластеры ВИЭ на базе волновых микромодулей (рис. 2.7).

Рис. 2.7.

Заключение

В случае непосредственного использования электроэнергии, вырабатываемой волновой станцией, для хозяйственных нужд ее нельзя рассматривать как самостоятельный источник. Непостоянство во времени и пространстве, сезонный характер самого ресурса требуют иметь в резерве какой-то дополнительный источник электроэнергии, либо подключать волновую электростанцию к энергосети, позволяющей за счет сторонних источников компенсировать снижение мощности из-за уменьшения волнения, либо, наконец, использовать аккумулирование энергии.

Еще одна трудность при создании волновых преобразователей - обеспечение их живучести в случае экстремальных волновых нагрузок, значительно превышающих расчетные режимы эксплуатации. Среднее значение мощности, для Северной Атлантики составляет примерно 50 кВт/м. Во время сильного шторма эта величина может достичь значения 2 МВт/м при высоте волн 15 м. Наблюдавшиеся в этом же районе максимальные волны (так называемые «пятидесятилетние волны») имели высоту до 34 м. Для этого района считается целесообразным разрабатывать устройства, рассчитанные на нормальную работу в диапазоне мощностей 50--150 кВт/м. Таким образом, чтобы противостоять штормам средней силы преобразователи энергии волн должны иметь установленную мощность, значительно превышающую среднюю. Это не спасает их от сильных штормов. Здесь предложено несколько вариантов защиты. Например, в случае такого шторма преобразователь может быть затоплен. Другой вариант -- так рассчитывать преобразователи, чтобы с увеличением волнения выше оптимального их эффективность падала. Однако, в любом случае возникают серьезные трудности при обслуживании, передаче энергии, удержании на якоре. Возникают даже совершенно новые проблемы. Например, срыв с якоря одного из точечных преобразователей может привести к разрушению соседних с ним устройств. Выбрасывание же на берег аварийных устройств может привести к опасности разрушения береговых сооружений.

Трудности создания энергетики на преобразовании энергии волн достаточно велики. Их преодоление потребует еще многих усилий разработчиков и ученых. В настоящее время в мире уже эксплуатируется около 400 автономных навигационных буев, использующих энергию воды. Однако уже в этом столетии прогнозируется возможное получение от океанских волн мощности не менее 10 ГВт (мощность Красноярской ГЭС около 12 ГВт).

Преимущества волновой энергии состоят в том, что она достаточно сильно сконцентрирована, доступна для преобразования и на любой момент времени может прогнозироваться в зависимости от погодных условий. Создаваясь под действием ветра, волны хорошо сохраняют свой энергетический потенциал, распространяясь на значительные расстояния. Например, крупные волны, достигающие побережья Европы, зарождаются во время штормов в центре Атлантики и даже в Карибском море.

Волновая электростанция - это электрическая станция, которая располагается в водной природной среде с целью получения электроэнергии из кинетической энергии водных масс. Океаны обладают колоссальной энергией, но человек пока только начинает ее осваивать. Именно эту задачу и выполняют волновые электростанции.

Принцип работы

Принцип работы волновой электростанции основан на преобразовании кинетической энергии волн в электрическую. Существует несколько способов устройства подобных станций различных по принципу работы и конструкции.

Волновые электростанции в России

В России, как и во всех странах, имеющих выход к морскому побережью, после многих лет затишья, возвращается интерес к источникам энергии, способным восстанавливаться, к ним относятся и волновые электростанции.

Первая в нашей стране электростанция , основанная на преобразовании энергии волн, построена в
2014 году на Дальнем Востоке в Приморском крае на полуострове Гамова. Это универсальная станция, она способна преобразовывать не только энергию направленных водных масс, но и энергию природных приливов и отливов.

Профильные министерства нашей страны, совместно с руководством государства разработали план развития зеленой энергетики до 2020 года, в соответствии с которым альтернативные энергетические источники будут составлять до 5% от общего количества вырабатываемого электричества в стране. Этим планом предусмотрено и дальнейшее развитие волновых электрических станций.

Волновые электростанции в мире

Первая в мире электростанция на волнах появилась в 1985 году в Норвегии, ее мощность составляла 500 кВт.

Первой в мире промышленной электрической станцией, использующей энергию волн для производства
электрической энергии, принято считать Oceanlinx в Австралии. Она начала своё функционирование в 2005 году, потом была произведена ее реконструкция, и в 2009 году станция заработала вновь. Работа станции основана на принципе «осциллирующего водяного столба». Мощность установки сейчас составляет 450 кВт.

Первая коммерческая волновая электростанция начала работу в 2008 году в Агусадоре, Португалия. Это установка-пионер, которая использует непосредственно механическую энергию волны. Работа станции основана на принципе «колеблющегося тела». Разработала проект английская компания Pelamis Wave Power, мощность станции составила 2,3 МВт, и есть возможность увеличения мощности путем монтирования дополнительных секций.

В Великобритании построили самую большую в мире волновую электростанцию Wave Hub, она расположена у полуострова Корнуэлла. Электростанция оборудована 4-мя генераторами мощностью по 150 кВт каждый. Работа станции основана на принципе «колеблющегося тела».

Почему это выгодно?

В существующем мире человек все чаще задумывается о необходимости применения возобновляемых источников энергии при получении электроэнергии. Одним из таких вариантов является энергия морских волн. С учетом того, что мировой океан обладает огромным потенциалом, энергией которого можно обеспечить почти 20% от необходимого количества энергопотребления, то и развитие «зеленой» энергетики как нельзя актуально в наше время.

Это можно объяснить следующим причинами:

1. Природные богатства планеты находятся на грани истощения, запасы традиционных источников энергии: угля, нефти и газа – подходят к концу.
2. Атомная энергетика из-за своей потенциальной опасности не получила должного распространения.
3. «Зеленая» энергетика не вредит окружающей среде и является возобновляемой.
4. Потенциал волновых электростанций оценивается в 2,0 млн. МВт, что сравнимо по мощности с тысячей работающих атомных станций.

Ученые всего мира продолжают работы по совершенствованию способов преобразования энергии волн океана, и перечисленные выше причины являются важным аргументом для продолжения этих изысканий.

Плюсы и минусы использования

У любого агрегата всегда есть положительные и отрицательные аспекты его использования, и именно соотношение этих параметров определяет целесообразность его применения. Волновые электростанции не являются исключением, рассмотрим все за и против использования этого источника энергии.

К плюсам использования можно отнести:

К минусам данного типа электростанций относятся:

• Малая мощность вырабатываемой энергии;
• Не стабильный характер работы, вызванный атмосферными явлениями в окружающей среде;
• Может создавать опасность для хода судов и промышленного лова рыбы.

Приведенные выше «минусы» использования постепенно утрачивают свою актуальность, ученые и конструкторы продолжают свою работу. Разработка новых, более мощных генераторов, позволяет получать большее количество электрической энергии, при тех же исходных параметрах первичной энергии, которой является энергия волн. Решаются задачи по передаче полученной энергии на большие расстояния.

В настоящее время находят практическое применение установки по использованию энергии волн в морях и океанах, суммарная мощность которых по различным методикам оценивается в более чем 100 млрд. кВт.

При средней высоте волн в Мировом океане 2,5 м и периоде 8 с удельный поток энергии, приходящийся на 1 м фронта волны, составляет 75 кВт/м. Удельный поток энергии ветровых волн, например, в морях стран СНГ (кВт/м): Азовское – 3, Черное – 6–8, Каспийское – 7–11, Охотское – 12–20, Берингово – 15–44, Баренцово – 22–29, Японское – 21–31, а суммарная мощность волн, набегающих на побережье (в пределах СНГ), составляет (млн.кВт): на Черном море – 14,7; Каспийском 67,5; Баренцевом – 56, Охотском – 129.

К положительным факторам волновой энергии относятся значительный суммарный потенциал, увеличение мощности в осенне-зимний период, когда растет потребление электроэнергии, а к недостаткам – ее прерывистость.

В разных странах эксплуатируется большое количество навигационных буев, использующих энергию волн. В 1985 г. в Норвегии были введены в строй и подключены к энергосистеме две первые в мире опытно-промышленные волновые электростанции.

Волновые гидроэнергетические установки состоят из трех основных частей – рабочего тела (или водоприемника), силового преобразователя с генератором электроэнергии и системы крепления.

Рабочее тело (твердое, жидкое или газообразное), непосредственно контактируя с водой, перемещается под действием волн или изменяет тем или иным образом условия их распространения. В качестве рабочего тела могут использоваться поплавки, волноприемные камеры, эластичные трубы, волноотбойные сооружения и другие.

Силовой преобразователь предназначен для преобразования энергии, запасенной рабочим телом (механической энергии движения твердого тела, перепада уровней воды в бассейнах, давления воздуха или жидкости), в энергию, пригодную для передачи на расстояние или для непосредственного использования. В качестве силовых преобразователей могут применяться гидравлические и воздушные турбины, водяные колеса, зубчатые или цепные передачи и другие устройства.

Система крепления обеспечивает удержание на месте волновой установки.

Различные типы волновых установок отличаются той составляющей энергии ветровых волн (разновидностью кинетической или потенциальной энергии), которую рабочее тело установки преобразует в другой вид энергии.

Одной из наиболее эффективных считается пневматическая волновая электростанция (рис. 2.28). Основной частью такой установки является камера, нижняя открытая часть которой погружена под наинизший уровень воды (ложбину волны). При поднятии и опускании уровня воды в море в камере происходит циклическое сжатие и расширение воздуха, движение которого через систему клапанов приводит во вращение воздушную турбину. Такая система широко применяется в мире для питания электроэнергией навигационных буев.

Одна из первых в мире волновых электростанций мощностью около 500 кВт в Норвегии также представляет собой пневматическую волновую установку, основной частью которой является камера с нижней открытой частью, погруженной под наинизший уровень поверхности воды.

Вторая из двух первых в мире волновых электростанций мощностью 450 кВт в Норвегии, использующая эффект набегания волны на отлогую суживающуюся поверхность (конфузорный откос), включает расположенный в фиорде суживающийся канал длиной 147 м с турбинным водоприемником, расположенным на 3 м выше среднего уровня моря. Установки такого типа, расположенные на берегу, имеют преимущества перед другими типами волновых установок, исключая трудности, связанные с их обслуживанием и ремонтом.

Одна из успешнейших на данный момент попыток эффективно перерабатывать энергию океанских волн – волновая электростанция «Oceanlinx» в акватории города Порт-Кембл (Австралия). Она была введена в эксплуатацию еще в 2005 году, затем была демонтирована для реконструкции и переоборудования и только в начале 2009 г. вновь запущена в действие.

Принцип ее работы заключается в том, что проходящие через нее волны толчками заполняют водой специальную камеру, вытесняя содержащийся в этой камере воздух. Сжатый воздух под давлением проходит через турбину, вращая ее лопасти. Из-за того, что направление движения волн и их сила постоянно меняются, на станции «Oceanlinx» используется турбина Denniss-Auld c регулируемым углом поворота лопастей. Одна силовая установка станции «Oceanlinx» обладает мощностью (в пиковом режиме) от 100 кВт до 1,5 МВт. Установка в Порт-Кембла поставляет в электросеть города 450 кВт электричества.

В сентябре 2008 года в городке Агусадор (Португалия) для обеспечения местных жителей электроэнергией была введена в строй коммерческая волновая электростанция. Проект был создан английской компанией «Pelamis Wave Power», давно экспериментирующей с энергией океанов. Пока на станции работают только три преобразователя волновой энергии – змеевидных устройства, наполовину погруженных в воду. Диаметр каждого преобразователя – 3.5 метра, длина – 140 метров. Именно они конвертируют силу волн в электричество.

Принцип действия преобразователей прост: волны поднимают и опускают их секции, а внутренняя гидравлическая система сопротивляется движению, на основе чего вырабатывается электричество, которое по кабелям передается на берег.

Сейчас мощность станции 2,25 МВт. Спустя какое-то время будет добавлено еще 25 преобразователей и тогда мощность станции возрастет до 21 МВт, что достаточно для снабжения 15 тыс. домов.

Волны мира могут генерировать 2 тераватта энергии, что примерно в 2 раза превосходит объем всей производимой электроэнергии. Естественно, количество вырабатываемой энергии зависит от силы волн, которая, как известно, непостоянна во времени. Но ресурс, используемый волновой электростанцией, абсолютно возобновляемый.