CC BY
153
ОБЗОР ВАРИАНТОВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МОРСКИХ ВОЛН И ИХ СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА Аванесов А. Д.1, Болобошко Д. С.2, Ланин Е. Б.3, Огурцов Г. К.4
'Аванесов Александр Давидович / Avanesov Alexandr Davidovich — магистрант, направление: морские гидротехнические сооружения и сооружения водных путей;
2Болобошко Денис Сергеевич /Boloboshko Denis Sergeevich — магистрант, направление: инновационные методы проектирования и строительства гидротехнических сооружений, кафедра водохозяйственного и гидротехнического строительства;
3Ланин Евгений Бориславович /Lamn Evgenij Borislavovich — магистрант, направление: организация и управление инвестиционно-строительными проектами, кафедра строительства уникальных зданий и сооружений;
4Огурцов Георгий Константинович / Ogurtsov Georgiy Konstantinovich — магистрант, направление: инновационные методы проектирования и строительства гидротехнических сооружений, кафедра водохозяйственного и гидротехнического строительства, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, г. Санкт-Петербург
Аннотация: волновая гидроэнергетика является весьма перспективным сектором энергетики, так как потенциал Мирового океана практически не ограничен. В данной статье целью являлся обзор и анализ различных методов энергогенерации и типов электроустановок. Для этого были решены следующие задачи: обзор различных методов генерации, обзор и анализ разных вариантов установок, работающих по данным методам. В результате обзора выбранных типов электроустановок выявлены различия между ними, а также достоинства и недостатки каждого вида электроустановок.
Ключевые слова: волновая энергетика; волновая электростанция; энергопотенциал; приливная станция; возобновляемые источники энергии.
Введение
Суммарная мощность волн Мирового Океана оценивается в 10 ТВт, что явяется достаточным для увеличения вдвое производства электроэнергии в мире. Поэтому преобразование энергии морских волн - довольно перспективное направление альтернативной электроэнергетики.
При преобразовании энергии волн эффективность выработки электроэнергии может значительно превышать прочие альтернативные преобразования, такие как генерация на ветряных и солнечных электростанциях, достигая коэффициента полезного использования в 85% [1].
Существует два принципиально разных подхода к генерации, использется:
- энергия движения волн;
- энергия поверхностного качения.
В первом случае волны, направляющиеся в коллектор, вращают турбины, а те в свою очередт - генератор. Существует и другой способ: волна движется через открытую емкость, вытесняя воздух и вынуждая работать двигатель.
Во втором - электроэнергия получается благодаря преобразователям - поплавкам, которые следуют за направлением волны и, таким образом, находятся на плоскости воды.
Сейчас примененяются установки по преобразованию энергии волн в морях и океанах, общая мощность которых составляет более 100 млрд. кВт.
Методы получения электроэнергии из волновой
Принцип «осциллирующего водяного столба» [2] - приходящая волна колеблет воду вверх-вниз в специальной камере, заполненной воздухом. Забортная вода вытесняет воздух из камеры и после роста давления происходит вращение лопастей турбин и генерация электрической энергии. Первые волновые турбинные электростанции были установлены в прибрежных районах Шотландии, Португалии и Японии [3].
Принцип «колеблющегося тела» [2] - энергия вырабатывается за счет движения рабочего элемента от волнения воды. На таких электростанциях устанавливаются полупогружные генераторы, на которых отдельный буй поднимается и опускается, а также он может раскачивается из стороны в сторону, все зависит от направления, в котором движутся волны. Также возможна установка ряда достаточно подвижных элементов, которые двигаются относительно друг друга. Система цилиндров и поршней создают давление масла, которое и вращает лопасти турбин. Турбины же соединены с генератором. На данный момент, в мире
построена лишь одна установка, работающая по принципу «колеблющегося тела». Волновая электростанция «Ре1аш18» была запущена в эксплуатацию в ноябре 2008 года в прибрежных районах Португалии. Электричество направляется потребителям по кабелям, заложенным на дне Атлантического океана [3].
Принцип «перелива» [2] - естественная закачка воды в огромный резервуар, который установлен выше уровня моря. Приходящие волны поступают в емкость до полного заполнения. Затем лишняя вода выливается сверху и под действием гравитации падает на лопасти турбины.
Приливные
На втором месте по генерируемой энергии из морской и океанической пучины занимает энергия приливов [4]. Принцип работы приливной электростанции схож с таковым у гидроэлектростанции с тем отличием, что вода движется не в русле. Приливная энергия, в отличии от других разновидностей морской энергии, довольно успешно используется в коммерческих целях в течении продолжительного времени. Так, например крупнейшая приливная электростанция «Ьа Яапсе» была построена в 1966 году в месте впадения реки в Атлантический океан в городе Сент-Мало в северной Франции. Во время прилива водная масса направляется на лопасти турбинного генератора, а при отливе устремляется обратно в океан. Мощность электростанции «Ьа Яапсе» составляет 250 МВт [3]. За последние 15-20 лет похожие установки были построены в Китае, Канаде и России. В Великобритании разрабатывается проект по строительству крупнейшей электростанции, работающей на приливной энергии. Строительство запланировано на 2015 год на реке Северн между Уэльсом и Англией. Такая станция сможет обеспечить государство до 10 % потребностей в электроэнергии [3].
Типы волновых установок
Различные типы волновых установок отличаются той составляющей энергии ветровых волн (разновидностью кинетической или потенциальной энергии), которую рабочее тело установки преобразует в другой вид энергии.
Поплавковые (ВПЭС) - это такие волновые электростанции, электроэнергия в которых вырабатывается при движении плавающего на волне. Модуль ПВЭС представляет собой продолговатую осесимметричную капсулу - поплавок, располагаемую на поверхности моря в направлении местной вертикали. Внутри капсулы размещены механический преобразователь энергии волн - колебательный привод, электрогенератор и вспомогательный накопитель энергии. Колебательный привод позволяет согласовывать работу устройства с внешним волновым полем, обеспечивая оптимальные условия для отбора энергии. Под действием волн капсула-поплавок и колебательная система механического преобразователя находятся в непрерывном колебательном движении, а привод, сцепленный с последней, обеспечивает непрерывную раскрутку электрогенератора. В зависимости от назначения, возможно создание как одномодульных, рассчитанных на мощность до 50 кВт, так и многомодульных установок в виде сети, которые могут быть собраны из большого количества десяти - пятидесяти киловаттных модулей с суммарной электрической мощностью до десятков мегаватт [5]. Одномодульные устройства используются как источники электроэнергии на морских судах, световых и радио маяках, в средствах мониторинга окружающей среды, метеозондирования, навигации, связи, телекоммуникации, в средствах индивидуального жизнеобеспечения и др.
Многомодульные устройства использоуются для энергообеспечения прибрежных и островных поселений; создания экологически чистых объектов перерабатывающей промышленности морского и прибрежного базирования, в том числе с использованием морских платформ с выработанными нефтяными скважинами для масштабного электролизного производства водорода и кислорода, что будет стимулировать становление экологически безопасной водородной энергетики на Землях [5].
Основные достоинства ПВЭС:
1. Использование в преобразователе колебательного привода, позволяющего согласовать работу устройства с волновым полем, обеспечивая лучшие условия отбора энергии.
2. Эффективная работа с любыми длинами, скоростями, интенсивностями и направлениями волн. Возможность настройки устройства взависимости от внешних условий.
3. Возможность размещения установки непосредственно в море, в местах, где нахождения человека крайне затруднено. Возможность изменения месторасположения в зависимости от волновой активности, в том числе сезонной.
4. Использование конструктивно отработанных, стандартных узлов и механизмов. Высокий ресурс работы благодаря защищенности узлов и механизмов от внешнего агрессивного воздействия среды с помощью герметичной капсулы - поплавка.
5. Простота монтажа и демонтажа изделия.
6. Возможность работы длительное время без какого-либо обслуживания.
7. Дешевая эксплуатация.
Турбинные - такие волновые электростанции, в которых вырабатывается энергия за счет вращения турбины, которая приводится в движение воздухом, под давлением, создаваемым волной в специальной камере.
Гидравлические - это волновые электростанции, электроэнергия в которых генерируется за счет движения гидравлических поршней в конвертерах. Работа такой установки сводится к следующему: насосная секция на волне движется вверх-вниз внутри направляющей клетки; охватывая, неподвижный поршень; вода по специальным водоводам подается в компенсационную колонну, откуда попадает на лопатки гидротурбины; гидротурбина связана единым валом с гидрогенератором, ротор которого, вращаясь, вырабатывает электроэнергию [4]. Преимущества и недостатки
К плюсам волновой энергетики относятся большой потенциал, достаточная мощность в осенне-зимний период, когда потребность в электроэнергии возрастает, а к недостаткам - ее прерывистость. Также к положительным факторам можно отнести сравнительно малую стоимость объекта, отсутствие вреда экологии, тишина работы установки, быстрый и недорогой ремонт. Волновые электростанции могут совмещать в себе роль волногасителей, защищая акватории портов. Маломощные волновые электрогенераторы могут устанавливаться непосредственно на стенки причалов, опор мостов и др., уменьшая тем самым воздействие на них.
К существенным недостаткам можно отнести большую вероятность разрушения вследствие шторма, превышающего расчетный, неоднородность показателей выработки в течение года, большие размеры станций ввиду низкой концентрации энергии, небольшие мощности отдельных станций. Малоизученность, вследствие малого распространения, дает неоднозначную оценку влияния электростанций на вращение планеты [6]. Перспективные зоны в России К перспективным зонам в России можно отнести:
1. Баренцево море; высота волн: 3,0-11,0 м; высота прилива: 2,0-6,0 м.
2. Карское море; высота волн: 1,5-8,0 м; высота прилива: 0,5-1,5 м.
3. Берингово море; высота волн: 3,0-11,0 м; высота прилива: 0,5-4,0 м.
4. Охотское море; высота волн: 3,0-10,0 м; высота прилива: 0,5-4,0 м. Вывод
Очевидно, что энергетические проблемы нужно решать в тесной связи с экологическими. Наиболее экологически оправданными источниками энергии являются возобновляемые, к которым и относится энергия волн. Генерация электроэнергии на волновых электростанциях, как и на других станциях, работающих на возобновляемых источниках энергии, является очень выгодной со всех точек зрения. Развитие волновой энергетики на данный момент является довольно перспективным направлением альтернативной электроэнергетики.
Литература
1. Survey of energy resources (PDF). World Energy Council. 2009, 12. Tidal Energy. P. 75-77.
2. Гентова А.А., Каменских И. В. обзор вариантов преобразователей энергии морских волн // Современные наукоемкие технологии, 2013. № 8-1. С. 115-116.
3. TIDAL ENERGY. TECHNOLOGY BRIEF / International Renewable Energy Agency, 2014.
4. O'Rourke F., Boyle F., and Reynolds A.: Tidal Energy Update 2009 // Applied Energy. Volume 87. Issue 2. Pages 398-409, February 2010.
5. Макаров А. А. Энергия и энергетика будущего // Материалы Российского энергетического форума. М., 2005.
6. Носков А. С., Савинкова М. А., Анищенко Л. Я. Воздействие ТЭС на окружающую среду и способы снижения наносимого ущерба. Новосибирск, 1990. 281 с.
