Волновая электростанция

Морской змей

Рассказы средневековых мореходов о гигантских морских чудовищах вызывают у нас снисходительную улыбку. Но в XXI веке встречи с гигантскими морскими змеями могут стать вполне обыденными. Целые косяки таких монстров вскоре могут появиться у берегов Шотландии и в Северном море. Несмотря на устрашающий внешний вид, они совершенно безвредны. Более того, пожирая волны, чудовища будут снабжать электричеством прибрежные города. Одно из них было описано более десяти лет назад физиками Ричардом Йеммом, Дэйвом Пайзером и Крисом Ретцлером. Концепция электрического морского змея так понравилась инвесторам, что за это время троица из Эдинбурга сумела собрать более $100 млн для создания промышленного прототипа.

Гигантский 42-метровый буй компании Ocean Power Technologies преобразует энергию волн в электричество посредством линейного генератора, установленного на подвижном штоке поплавка. PowerBuoy 150 оснащается комплексом датчиков, позволяющих в режиме реального времени адаптировать ход штока к силе, высоте и частоте набегающей волны, сохраняя оптимальный режим работы генератора.

Волновой преобразователь Pelamis — это полупогруженная в воду модульная система из четырех 45-метровых герметичных цилиндрических секций, соединенных шарнирами. Более половины массы «змея» занимает балластная вода. Качание секций диаметром по 4,5 м на волнах приводит в движение поршни гидравлических насосов, которые нагнетают рабочую жидкость через компенсирующие аккумуляторы на гидравлические моторы. Моторы вращают электрические генераторы, производя энергию. Секции связаны между собой динамическим силовым кабелем, проходящим внутри шарниров. Напряжение от хвостовой секции 180-метрового туловища «змея» поступает по кабелю на трансформатор, расположенный на дне моря. А оттуда — на наземные сети. Из нескольких 750-киловаттных Pelamis, прикрепленных к дну моря, можно выстраивать большие энергофермы. Плотность группировки весьма высока — для фиксации преобразователей суммарной мощностью 30 МВт требуется не более 1 км² морского дна.

Но у стального Pelamis вскоре может появиться опасный конкурент. Это Anaconda, «выращенная» компанией Checkmate Sea Energy. 200-метровая рептилия с «кожей» из ткани, натуральных смол и каучука, ценой $3 млн способна вырабатывать до 1 МВт электроэнергии, расслабленно качаясь на волнах. Метод генерации электричества, примененный в Anaconda, потрясающе остроумен. Внутри брюха змеи находится эластичный контейнер с морской водой, выполняющей сразу две функции: она служит балластом для оптимального притапливания установки и рабочим телом. Извиваясь под самой поверхностью волны под углом к ее фронту, Anaconda разгоняет воду от головы до хвоста через каскад невозвратно-запорных клапанов. В хвосте «змеи» находятся гидравлический аккумулятор и гидротурбина. В результате растягивания каучуковой «шкуры» возникает нечто вроде пульсации крови в артериях. Мощный поток раскручивает лопатки турбины, отдавая кинетическую энергию генератору. Потерявшая энергию отработанная вода через выпускной клапан и ресивер низкого давления возвращается в контейнер.

В 2008 году британцы обнародовали свою концепцию, а уже через год построили восьмиметровый прототип морской змеи. Испытания машины в волновом бассейне технопарка Госпорт показали феноменальные результаты — крохотная Anaconda выжимала из волн практически всю энергию! Кроме того, благодаря своей эластичности она легко выдерживала экстремальные волны и была абсолютно не подвержена коррозии. По замыслу разработчиков, выводок из 50 и более «анаконд» сможет обеспечить электричеством городок среднего размера. Инвесторы воодушевлены таким началом и намерены вывести установку на рынок уже в 2014 году. Стоимость киловатта «змеиного» электричества обещает стать самой низкой на рынке — порядка 14 центов. Не в последнюю очередь за счет высочайшей надежности, мизерных затрат на обслуживание и способности эффективно работать на весьма слабой волне энергоемкостью всего около 25 кВт на метр фронта.

Статья «Cерфинг на тераватт» опубликована в журнале «Популярная механика»
(№5, Май 2011).

Наиболее перспективными из перечисленных выше технологий являются:

• Усовершенствованные неорганические тонкопленочные ФЭМ — Сферические ФЭМ на основе селенида меди-индия (CIS) и тонкопленочные поликристаллические кремниевые ФЭМ;
• Органические ФЭМ (в том числе фотосенсибилизированные красителем ФЭМ на основе органических полимеров);
• Термо-фотоэлектрические (TPV) ячейки с узкой запрещенной зоной (low gap-band).

Основные исследования в области развития фотоэлектрических технологий направлены на снижение себестоимости фотоэлектрических модулей за счет:

• Повышения КПД фотоэлектрических модулей I-го и II-го поколения:
• Снижения потребления материалов – использования пленочных ФЭМ;
• Повышения энергоемкости – уменьшения поверхности ФЭМ;
• Использования органических материалов взамен дефицитного сырья (такого как серебро, индий, теллур, свинец и кадмий);
• Снижения стоимости и сроков окупаемости ФЭМ (Рисунок 1);
• Использования более тонких и эффективных фотоэлектрических пластин;
• Использования поликремневых заменителей (например, металлургического кремния).

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:

• Экологическая безопасность установок;
• Волновые электростанции могут выполнять защитные функции, путем гашения волн вблизи портовых акваторий и прочей береговой линии;
• Возобновляемый источник энергии;
• Низкая себестоимость получаемой электроэнергии;
• Продолжительный срок эксплуатации.

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.

Гидроэлектростанции от 100 до 1000 МВт

1. В стадии строительства, проектная мощность ГЭС — 570 МВт.
2. Принята в эксплуатацию с тремя из четырёх генераторов. Проектная мощность станции — 370 МВт. Работает на изолированную от ЕЭС России энергосистему.

С 1989 года заморожено строительство Крапивинской ГЭС планируемой мощностью 300 МВт на р. Томь в Кемеровской области.

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.

1. Принцип «осциллирующего водяного столба». В этом конструктивном варианте волны,
   осуществляя толчковые движения, заполняют собой специально изготовленные камеры, в которых содержатся воздушные массы. Воздух сжимается, создается избыточное давление, под действием которого он поступает на турбину, вращая ее лопастные механизмы. Вращательное движение турбины передается на генератор, который вырабатывает электрический ток.
2. Принцип «колеблющегося тела». На принципе «колеблющегося тела» работают разнообразные буи, «морские змеи» и др. В этом варианте конструкции несколько секций соединяются в конвертер, между которыми на подвижных платформах монтируются гидравлические поршни. К поршню (группе поршней) подсоединён гидравлический двигатель, он приводит во вращательное движение электрический генератор. Под раскачивающимся действием волн конвертер приводит в движение поршни, а они, в свою очередь, приводят в работу гидравлический двигатель и соответственно генератор.
3. Установка с «искусственным атоллом». Это бетонное сооружение состоит из корпуса, на которомразмещается поверхность для наката волн. В средней части располагается накопительный резервуар (бассейн). Из него через приёмное отверстие вода поступает на гидротурбину. Генератор устанавливается в верхней части сооружения. Для поднятия воды в бассейн, который расположен выше уровня моря, используют эффект «набегания волны» на специальную наклонную поверхность.

Другие варианты микрогенерации

ВИЭ — модное, современное направление, но на самом деле к ВИЭ относится один из наиболее старых способов выработки электроэнергии, а именно, гидрогенерация. Микро-ГЭС известны уже более 100 лет. Современные технологии дали новый импульс развитию данного направления. За рубежом в ряде стран, например, Канаде, микро-ГЭС пользуются большой популярностью. Даже в соседнем с нами Казахстане микро-ГЭС активно используются. На сайтах Alibaba и Maide-in-China можно найти сотни разнообразных моделей микро-ГЭС.

Микро-гэс популярны за рубежом, но в России их применение сдерживается сложностью процесса согласования установки

К сожалению, действующее российское законодательство не делает скидок на размер ГЭС при согласовании ее установки. Сложная процедура согласования пока сдерживает развитие микрогенерации на основе ГЭС в России. Хотя для нашей страны, исходя из ее природных условий, такой способ весьма перспективен.

Другая «древняя» технология — паровой котел. Сжигая щепу, отходы производства (например, ше-луху от семечек) или торф, нагревают воду и используют паровую машину для выработки электричества. Проблема заключается в необходимости подвоза топлива (если только электростанция не снабжает энергией пилораму или фабрику по производству растительного масла). Кроме этого, электростанция на основе парового котла начинает быть эффектив-ной, начиная с мощности 200 кВт, что уже выходит за пределы микрогенерации.

Более перспективна для микрогенерации выработка биогаза, который подается на газовый двигатель, вращающий электрогенератор. В качестве топлива используется навоз, образующийся в личном подсобном хозяйстве. Также можно использовать щепу, шелуху от семечек и даже пищевые отходы, разлагаемые в биореакторе специальными бактериями. Применительно к микрогенерации это будет эффективнее, чем сжигать органические отходы. На выходе, помимо тепла и электроэнергии (а также газа для плиты), получаем еще и отличное удобрение. Электростанция на биогазе должна постоянно вырабатывать электроэнергию, чтобы газ не уходил в атмосферу. Это открывает широкие перспективы по продаже излишков электроэнергии.

Недостатком электростанций на биогазе является то, что их строят по индивидуальным проектам. «Коробочных» решений, которые давно есть для солнечных электростанций, ветряков и микро-ГЭС, здесь пока не существует.

География применения волновых электроэнергетических установок

Использование волновых электростанций незначительных мощностей находит применение в получении электропитания для небольших объектов:

• береговых сооружений;
• небольших поселений;
• автономных маяков, буев;
• научно-исследовательских приборов;
• буровых платформ.

Уже около 400 навигационных буев и маяков получают питание от волновых энергоустановок – как, например, плавучий маяк индийского порта Мадрас.

Португалия

Первая в мире крупная волновая электростанция с мощностью 2,25 МВт начала эксплуатироваться в 2008 году в районе португальского

Сейчас на станции функционируют три преобразователя энергии волн – змеевидные устройства, погруженные на одну половину в воду. Длина каждого преобразователя равна 120 метрам, а диаметр – 3,5. Вес так называемой морской змеи составляет 750 тонн. Волны приводят в движение секции преобразователей, а сопротивление гидравлической системы способствует выработке электричества, которое по кабелям передается на сушу (станция базируется в 5 км от берега). В настоящее время ведутся работы по увеличению мощности этой волной станции с 2,25 МВт до 21 МВт: планируется добавить еще 25 преобразователей. В этом случае установка обеспечит электроснабжением 15 тысяч домов.

Норвегия

Опытно-промышленные волновые электростанции были впервые введены в строй в 1985 году в Норвегии.

Одна из них, мощностью до 500 кВт, является пневматической волновой установкой, в которой нижняя открытая часть камеры погружена под самый низкий поверхностный слой воды.

Мощность второй составляет 450 кВт. Здесь применяется эффект набегания волны на 147-метровый конфузорный откос (отлогую конусообразную поверхность). Суживающийся канал расположен в фьорде, а турбинный водоприемник возвышается на 3 м над средним уровнем моря. Установка, размещенная на берегу, исключает трудности с ее ремонтом и обслуживанием.

Австралия

Принцип работы Oceanlinx заключается во вращении турбин сжатым воздухом, поступающим из специальной камеры. Конструкция станции громоздка, и благодаря тяжести своего веса она стоит на дне, не нарушая его структуры. Около 1/3 всей конструкции, а это составляет почти 15 метров, выступает над поверхностью воды.

Важным достоинством волновой станции такого типа является производство прогнозируемого количества энергии. Платформы работают вследствие возмущения океанической поверхности, а не самих волн. Это позволяет определить погодные условия, влияющие на количество вырабатываемой энергии, на 5–7 дней вперед. Мощность Oceanlinx составляет 1 МВт, а потребители получают около 450 кВт электричества.

Россия

Применение волновой энергетики в России делает только первые шаги. Совсем недавно волновая электростанция, аналогичная португальской, была в экспериментальном порядке запущена на полуострове Гамова в Приморском крае. Испытания проходили в бухте Витязь на морской экспериментальной станции «Мыс Шульца». Инициаторами этой идеи стали ученые Уральского федерального университета и исследователи Тихоокеанского океанологического института при Дальневосточном отделении Российской Академии Наук.

Испытания показали, что волновая энергетика обладает большими перспективами.

Опасения при запуске этой станции вызвали:

1. возможные повреждения генератора от воздействующих на него волн;
2. безопасность движения рыболовецких траулеров в непосредственной близости от станции.

Вместе с тем волновая установка, разработанная российскими специалистами, помимо основной задачи – выработки электрической энергии, может осуществлять ряд дополнительных функций:

1. стать волногасителем, обеспечивая защиту береговых сооружений;
2. производить автоматическую охрану морских границ.

Развивать волновую энергетику в России необходимо. Однако существующие запасы углеводородов, отработанные, проверенные временем, освоенные до мелочей технологии традиционной выработки электроэнергии ставят под сомнение рентабельность использования волновых электростанций больших мощностей. Волновые электростанции наравне с солнечными электростанциями для дома вероятно станут тем необходимым шагом вперед в энергетике которого все мы, так долго ждем.

Есть смысл применять альтернативную энергетику в малозаселенных районах побережья Северного Ледовитого океана, Приморья, Дальнего Востока.

Достоинства и недостатки волновой энергетики

К другим недостаткам использования волновых электростанций можно отнести следующие факторы:

• Экологические. Покрытие значительной части акватории преобразователями волн может навредить экологии, поскольку волны играют большую роль в газообмене океана и атмосферы, в очищении водной поверхности от загрязнений.
• Социально-экономические. Некоторые типы генераторов, применяемые в ВЭС, представляют опасность для судоходства. Это может вытеснить рыбаков из крупных рыбопромышленных зон.

Несмотря на вышеперечисленные минусы, в определенных районах земного шара за волновыми электростанциями будущее, и вот почему:

1. Станции могут выступать в роли волногасителей, защищая тем самым берега гавани, порты, береговые сооружения от разрушений.
2. Возможна установка волновых электрогенераторов малой мощности на опорах мостов, причалов, уменьшающая воздействие на них.
3. Удельная мощность ветра на пару порядков ниже мощности волнения, поэтому волновая энергетика более выгодна, нежели ветровая.
4. Для выработки электрической энергии посредством морских волн не требуется углеводородного сырья, запасы которого стремительно иссякают.

Типы фотоэлектрических элементов

Твердотельные

Солнечная электростанция установленной мощностью 200Вт на основе батарей поликристаллических элементов

В настоящее время принято различать три поколения ФЭП:

• Кристаллические (первое поколение):
  • монокристаллические кремниевые;
  • поликристаллические (мультикристаллические) кремниевые;
  • технологии выращивания тонкостенных заготовок: EFG (Edge defined film-fed crystal growth technique), S-web (Siemens), тонкослойный поликремний (Apex).
• Тонкоплёночные (второе поколение):
  • кремниевые: аморфные, микрокристаллические, нанокристаллические, CSG (crystalline silicon on glass);
  • на основе теллурида кадмия (CdTe);
  • на основе селенида меди-индия-(галлия) (CI(G)S);
• ФЭП третьего поколения:
  • фотосенсибилизированные красителем (dye-sensitized solar cell, DSC);
  • органические (полимерные) ФЭП (OPV);
  • неорганические ФЭП (CTZSS);
• ФЭП на основе каскадных структур.

В 2005 году на тонкоплёночные фотоэлементы приходилось 6 % рынка. В 2006 году тонкоплёночные фотоэлементы занимали 7 % долю рынка. В 2007 году доля тонкоплёночных технологий увеличилась до 8 %. В 2009 году доля тонкоплёночных фотоэлементов выросла до 16,8 %.

За период с 1999 года по 2006 год поставки тонкоплёночных фотоэлементов росли ежегодно в среднем на 80 %.

Наноантенны

В последнее время наметился прогресс в создании ФЭП на основе наноантенн, напрямую преобразующих электромагнитную энергию светового излучения в электрический ток. Перспективность наноантенн обусловлена их высоким теоретическим КПД (до 85 %) и потенциально более низкой стоимостью.

Красноярская ГЭС (6000 МВт)

Красноярская ГЭС им. 50-летия СССР также стоит на Енисее, возле Дивногорска в Красноярском крае и является третьим звеном Енисейского каскада ГЭС. В Красноярском гидроузле есть судоподъёмник – единственный в России.
Первые два гидроагрегата здесь запустили в конце 1967 года, в следующем году к ним прибавились ещё 4, ещё один в 1970 году, а последние в 1971 году. Приём в эксплуатацию Красноярской ГЭС государственной комиссией прошёл с отметкой «отлично». В 1976 году началась пробная эксплуатация судоподъёмника, а с 1982 года он заработал на постоянной основе.
Красноярская ГЭС является важным центром нагрузок единой энергосистемы Сибири, обеспечивает стабильное снабжение Красноярского края электроэнергией. Она сглаживает неравномерное потребление энергии, особенно в случаях аварий. Так, после катастрофы на Саяно-Шушенской ГЭС, по команде системного оператора нагрузка на Красноярскую ГЭС возросла с 2450 МВт до 3932 МВт. Красноярская ГЭС производит свыше 30% электроэнергии Красноярского края. Но её функция состоит не только в выработке энергии, но и в защите лежащих ниже земель от наводнений, срезая пики паводков, она задерживает их в водохранилище. Она обеспечивает водой соседние населённые пункты, работой речной флот как выше, так и ниже плотины.

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.

Читайте далее:

Использование энергии морских приливов и отливов

Плюсы и минусы приливных электростанций

Геотермальные электростанции: плюсы и минусы выработки электроэнергии ГеоТЭС

Альтернативная энергетика своими руками для дома

Что такое гидроэнергия, ее источники, плюсы и минусы

А Вы сортируете мусор?

ДаНет

Генератор волн кулачковый.

Кулачковый генератор состоит из подшипника с гибкими кольцами и кулачка. Кулачок выполняется в форме кольца, растянутого четырьмя силами с углам между ними 2β = 60°.

Радиус-вектор ρ кулачка в зависимости от угла φ вычисляют по формулам:

где D, d — диаметры подшипника наружный и отверстия;

w — номинальная радиальная деформация гибкого колеса (из геометрического расчета);

w₁ — коэффициент нормированной формы кулачка (из таблицы ниже);

Т — момент, Н·м.

Кулачок выполняется в виде толстого кольца (рис. 1), которое не должно деформироваться от действия радиальных сил. При индивидуальном изготовлении кулачок можно выполнить в виде тонкого кольца, напрессованного на штифты (рис. 2). Размер ρ получают последовательным обтачиванием (шлифованием) штифтов, попарно вставленных в заранее приготовленные отверстия ступицы . Обтачивание начинают со штифтов, расположенных на малой оси кулачка. Такой кулачок можно использовать как мастер-кулачок при шлифовании методом копирования.

Приблизительные соотношения размеров гибкого подшипника.

Диаметр шара d_ш=(0,09…0,1)D

Толщина кольца h_к=(0,018…0,02)D

Глубина канавки t=(0,05…0,06)d_ш

Радиусы желобов:

r₁=(0,52…0,53)d_ш

r₂=(0,54…0,56)d_ш

Ширина кольца b=0,15…0,17)D

Число шаров 20…23 шт.

Диаметры сепаратора:

d_c=d+2h_к+3w

D_c=D-2h_к-3w

Ширина сепаратора:

b₁=0,5b-1мм

b₂=b₁+0,5d_ш

Диаметр отверстия d=d_ш+0,7w

Размеры D×d×b гибких подшипников из проектного ряда ВНИИПП:

• 42×30×7
• 52×40×8
• 62×50×9
• 80×60×13
• 100×75×15
• 120×90×18
• 160×120×24
• 200×150×30
• 240×180×35
• 300×220×45
• 400×300×60
• 480×360×72