Волновые электростанции - примеры трех проектов

Содержание

Первая в России волновая электростанция

В России первая ВЭС появилась в 2014 году в Приморском крае. Разработкой занимался коллектив ученых из Уральского федерального университета и Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН. Установка имеет экспериментальный характер. Ее особенность в том, что она использует энергию не только волн, но и приливов/отливов.

В Москве предполагается строительство научно-исследовательской лаборатории, которая займется разработкой и созданием первой отечественной поплавковой станции. Возможно, после этого волновые электростанции в России тоже будут иметь промышленное или коммерческое назначение.

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.

Проект московского физика Александра Темеева победил в международном конкурсе альтернативных источников энергии.

Российские ученые стали победителями международного конкурса Energy Globe в номинации «Национальный проект от России». Это соревнование в области использования возобновляемых источников энергии и охраны окружающей среды проводится Международным фондом Energy Globe совместно с Европейской комиссией.

Наука давно ищет, чем заменить быстро сокращающиеся запасы углеводородов. Возможностей много — Солнце, ветер, приливы, горячие подземные источники, волны. Их общая мощность намного превосходит все, что запасено в недрах Земли. Но взять эту энергию непросто: она слишком рассеяна, а потому обходится куда дороже, чем от сжигания нефти, газа и даже угля.

Казалось бы, очень перспективно использование волн в тех акваториях, где море всегда неспокойно. Ведь концентрация энергии в волнах в десятки раз выше по сравнению с другими возобновляемыми источниками. Не случайно во многих странах давно пытаются приручить водную стихию. Скажем, в Шотландии уже затратили свыше 70 миллионов долларов на создание волновой 150-метровой электростанции с четырьмя цилиндрами-поплавками, каждый длиной более 30 метров. Качаясь на волнах, поплавки вращают турбины генераторов.

Советуем изучить — Атомная энергетика России

Увы, станция так и не доведена до стадии эксплуатации. Дело в том, что у волн капризный характер. Чтобы отобрать у них энергию, поплавок должен иметь размеры, сравнимые с длиной морской волны. Но она крайне непостоянна, может то резко увеличиться, то надолго снизить свою силу, а то вовсе пропасть.

Значит, при заданных размерах поплавок будет откликаться и отбирать энергию только у вполне определенных волн, не замечая другие. То есть кпд такой системы крайне мало.

Нам удалось устранить этот недостаток, — говорит руководитель группы ученых, создавших уникальную волновую электростанцию, кандидат технических наук Александр Темеев. — Суть в следующем. В каждый поплавок мы поместили колебательное устройство, проще говоря, маятник. Он взаимодействует с волной, создавая резонанс, что позволяет отбирать энергию с высоким кпд, достигая даже 70 процентов. В принципе мощность таких волновых станций может достигать десятков мегаватт.

Проектом российских ученых заинтересовались энергетики многих стран, предложения о сотрудничестве приходят из Норвегии, Великобритании, Дании, Испании, Италии, Китая и т.д. По оценкам, стоимость электроэнергии будет составлять не более 2 рублей за кВт/ч, а капитальные затраты на сооружение электростанций окупятся за два года.

В России поплавковые электростанции наиболее перспективны в незамерзающих акваториях Баренцева моря, а в качестве регионального или сезонного источника энергии — на Черном, Каспийском и дальневосточных морях.

Волновой резонанс, генерируемый многослойной катушкой

Мастер снял видеоролик о волновом резонансе многослойной катушки, которая будет использоваться в резонансном трансформаторе для получения свободной энергии. Катушка моталась из расчёта рабочей частоты 288 кгц.

Длина волны 1041,6 м. 1 четверть, соответственно, 260 м. Это уложилось в 1385 витков. Намотал секциями по 462 витка.

Проверка будет проводиться датчиками напряжения и магнитного поля. В схеме опыта 2 датчика: датчик тока на земляном конце. И второй на горячем конце. На осциллографе верхний луч на горячем, нижний на холодном. Аккумулятор, узел коммутации. Включаем. Только потребление порядка 3 ампер. На фото сигналы датчика.

При такой противофазе сигналов только горячего и холодного концов появился волновой резонанс на частоте 154 килогерц.

Высокое напряжение внутри катушки. Что же образовалась внутри? Датчик напряжения на расстоянии 10 и 12 сантиметров мощно светится. Это происходит именно на 3 секции.

В результате сложения волн здесь образовался узел. Теперь смотрим датчик магнитного поля. Он должен светиться по всей катушке при волновом резонансе. Это так и есть.

На узле при расстоянии 1,5 – 2 см максимально яркость свечения. То есть катушку съёма надо ставить на этом расстоянии. Таким образом можно с помощью датчика определять радиус магнитного поля на разных участках катушки. Обмотка нагревается, буквально за несколько минут 3 секции становится горячей. Если выбирать частоту от резонансной в другую сторону, смотрим, что на катушке. Датчик не светится. То есть падающая и отраженная волна здесь не складываются. Резонанса при этой частоте нет. Если вращать новое регулятор частоты, чтобы сигналы датчиков находились в противофазе, загорается лампа, появляется зебра и снова такое поле напряженности. Чтобы работать с этой намоткой, инженер изготовил катушку съема здесь пока 40 м.

Сильно отличается частота волнового резонанса от теоретической. По идее должно быть около 1 Мгца, но из-за того, что такой многослойный пирог, частота получилось совсем другая – 154 килогерц.

Другие видео автора: https://www.youtube.com/channel/UCS01B9OLC57Ipp8XUTPmbEA/videos?disable_polymer=1

Первая в мире коммерческая ВЭС

Первая волновая электростанция коммерческого назначения заработала в 2008 году в Агусадоре, Португалия. Более того, она первая в мире установка, которая использует непосредственно механическую энергию волны. Проект подготовила английская компания Pelamis Wave Power.

В состав конструкции входит несколько секций, которые отпускаются и поднимаются вместе с профилем волны. Секции шарнирно скреплены с гидравлической системой и во время движения приводят ее в действие. Гидравлический механизм заставляет вращаться ротор генератора, благодаря чему и вырабатывается электроэнергия. Используемые в Португалии волновые электростанции плюсы и минусы имеют. Преимущество установки заключается в большой мощности – около 2,25 МВт, а также в возможности установки дополнительных секций. Недостаток установки системы один – возникает сложности с передачей электрической энергии по проводам к потребителю.

Первая в мире опытная ВЭС

Первая волновая электростанция появилась в 1985 году в Норвегии. Ее мощность составила 500 кВт, а сама она представляла собой опытный образец. Ее принцип действия основан на циклическом сжатии и расширении среды:

цилиндр с открытым дном погружен в воду так, чтобы его край был ниже ложбины волны – самой нижней ее точки;
периодически набегающая вода сжимает воздух во внутренней полости;
по достижении определенного давления открывается клапан, который дает проход сжатому кислороду к турбине.

Такая электростанция вырабатывала 500 кВт энергии, чтобы было достаточно для подтверждения действенности установок, что способствовало их развитию.

Первая в мире промышленная электростанция

Первой в мире установкой промышленного масштаба считается Oceanlinx в акватории Порт-Кембл, в Австралии. Она введена в эксплуатацию в 2005 году, но затем была отправлена на реконструкцию и в 2009 году вновь заработала, из-за чего в регионе теперь используются и приливные, и волновые электростанции. Ее принцип действия состоит в следующем:

Волны периодически забегают в специальные камеры, заставляя сжиматься воздух.
По достижении критического давления сжатый воздух через сеть каналов вращает электрогенератор.
Для улавливания движения и силы волн лопасти турбины меняют свой угол наклона.

Мощность установки составила порядка 450 кВт, хотя каждая секция станции способна выдавать от 100 кВт*ч до 1,5 МВт*ч электрической энергии.

Достоинства и недостатки волновой энергетики

На сегодня всего 1 % получаемой электроэнергии приходится на волновые электростанции, хотя потенциал их огромен. Ограниченное использование волновых электростанций связано прежде всего с дороговизной получаемой энергии. Один киловатт электричества, полученный на ВЭС, дороже, чем сгенерированный на ТЭС или АЭС, в несколько раз.

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:

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

Геотермальная энергия в Рейкьявике и солнечные батареи для Берлина

Отдельные города по всему миру также стремятся стать климатически нейтральными. По данным CDP, из более чем 570 городов мира, по которым ведется статистика, более 100 получают по крайней мере 70% электроэнергии из возобновляемых источников — энергии воды, геотермальной, солнечной и ветровой энергии.

В списке присутствуют такие города, как Окленд, Найроби, Осло, Сиэтл, Ванкувер, Рейкьявик, Порту, Базель, Богота и другие.

Например, Берлингтон (штат Вермонт, США) уже получает 100% электроэнергии от ветра, солнца, воды и биомассы. Вся электроэнергия Рейкьявика производится за счет гидроэлектростанций и геотермальных источников. К 2040 году весь общественный и личный транспорт столицы должен стать свободным от ископаемого топлива.

100% энергии из возобновляемых источников для швейцарского Базеля обеспечивает собственная энергоснабжающая компания. Большая часть электроэнергии поступает от гидроэнергетики и 10% — от ветра. В мае 2017 года Швейцария проголосовала за постепенный отказ от атомной энергетики в пользу ВИЭ.

Зеленые и умные: четыре прорывных эко-квартала в городах Европы

Мировые столицы также не остаются в стороне. Например, Сенат Берлина утвердил план мероприятий по развитию солнечной энергетики в столице Германии «Masterplan Solarcity». В соответствии с общей стратегией развития города Берлин должен стать климатически нейтральным к 2050 году. В конце 2018 года в Берлине работали солнечных электростанций, которые покрывали 0,7% потребления электроэнергии, к 2050 году 25% энергопотребления города будут обеспечиваться за счет солнечной энергетики.

«Мы продвигаем расширение возобновляемых источников энергии в Берлине. Сейчас на рассмотрении Сената столицы находятся два законопроекта. Закон о солнечной энергии обязывает владельцев частных домов устанавливать солнечные системы на крышах. Законопроект Администрации по окружающей среде и климату сделает использование солнечной энергии в общественных зданиях обязательным уже в 2023 году. Это радикально сократит выбросы CO₂ в Берлине», — рассказала руководитель фракции «Зеленые» в берлинском Сенате Зильке Гебель.

Недостатки волновых электростанций

Главным препятствием на пути к обширному внедрению волновых электростанций является их стоимость. Из-за сложной конструкции и сложной установки на поверхность морских вод затраты на внедрение подобных установок в эксплуатацию выше, чем на строительство АЭС или ТЭС.

Кроме того, наблюдается и ряд других недостатков, которые в основном связаны с появлением социально-экономических проблем. Дело все в том, что крупные поплавковые станции создают опасность и мешают мореходству и рыболовству — поплавковая волновая электростанция может просто вытеснить человека из промысловых зон. Возможны и экологические последствия. Использование установок значительно гасит морские валы, делает их меньше и не дает пробиться на берег. Между тем волны играют важную роль в процессе газообмена океана, очищения его поверхности. Все это может привести к смещению экологического равновесия.

История

Первая так называемая «волновая мельница» была запатентована Парижским патентным бюро аж в 1799 году. С этого момента инженерами и учеными производились многочисленные попытки использования кинетической энергии волн для выработки электричества. Вплоть до начала 20-го века было множество подобных изобретений, правда не одно из них так и не использовалось в промышленных масштабах.

Лишь в 1973 году после катастрофической нехватки нефтяных запасов (нефтяной кризис) интерес исследователей и ученых к альтернативной энергетике заметно возрос. Начались активно разрабатываться и создаваться, в том числе и волновые электростанции.

Первая промышленная волновая электростанция, разработка которой началась в 2005 году, была введена в эксплуатацию 23 сентября 2008 года в 5-ти километровой прибрежной зоне Португалии (район Агусадора). Ее эксплуатационная электрическая мощность составила 2,25 МВт. Сейчас она обеспечивает светом более 1,5 тыс. частных домов.

Проблемы, которые надо решить

Основная задача, которая стоит перед научным сообществом сейчас, — это совершенствование конструкции, что позволит снизить себестоимость электричества, которое вырабатывают волновые электростанции. Принцип работы должен остаться тем же, но применяться для создания установок будут уже новые технологии и материалы.

Средняя мощность волны составляет 75-85 кВт/м — именно на такой диапазон настраиваются большинство станций. Однако во время шторма сила морских валов увеличивается в несколько раз и создается опасность разрушения установок. Уже не одна лопасть была смята или погнута после шторма. Для решения этой проблемы ученые искусственными методами снижают удельную мощность волн. Одна из проблем состоит в том, что массовое использование волновых станций приведет к изменению климата. Генерация электрической энергии осуществляется за счет вращения Земли (именно так образуются волны). Повсеместное использование станций заставит планету вращаться медленнее. Человек разницу не почувствует, но это уничтожит ряд течений, которые играют важную роль в теплообмене Земли.

Первая в России волновая электростанция

Устройство ВЭС, работающих по принципу качения

Подобные сооружения располагают на воде. В процессе их строительства учитывают два типа энергии. Первой можно назвать энергию поверхностного качения волн. Здесь используется их способность раскачивать поплавки. Так называют особые преобразователи, которые отслеживают профиль волны. Существует несколько видов поплавков.

«Утка» Солтера

Такое необычное название присвоили цепочке из большого количества поплавков, установленных на одном валу. Чтобы обеспечить эффективную работу ВЭС, их должно быть не менее 20-30 шт. «Утка» – это и есть тот поплавок. Он был разработан инженером Стивеном Солтером. Еще изобретение называют эдинбургской «уткой». Как работает волновая электростанция такого типа:

Волны заставляют поплавки двигаться, но за счет своего веса они возвращаются в начальное положение.
Это заставляет прийти в движение и насосы внутри вала. Предварительно их заполняют специально подготовленной водой.
Далее приводятся в действие турбины между поплавками.
Вырабатывается энергия, которую передают на берег по кабелю на дне.

Подобные системы уже работают. Они расположены у западных берегов Британских островов для обеспечения электроэнергией Великобритании. Мощность установки составляет 45 тыс. кВт. Ее вырабатывают 20-30 поплавков диаметром 15 м на валу длиной 1,2 км.

Природа явления

Энергия волны – это возможность удовлетворить 20% энергетических потребностей населения Земли. При этом в основном сейчас развивают энергетику приливов.

Согласно оценкам ученых, из бегущей волны можно генерировать 2 ТВт энергии, что вдвое превышает общую выработку в мире. Океанские волны привлекательны тем, что их удельная мощность выше, чем у солнца и ветра. При 10-метровой волне этот показатель составит 2 МВт/пог. м.

Однако существуют ограничения. Использовать волновую энергию можно только при мощности 75-80 кВт на метр и высоте до 2 м. Такие показатели характерны для прибрежных зон на европейском западе, британском севере, тихоокеанских берегах Америки, Австралии и Новой Зеландии, Южной Африке.

Проблемы, которые надо решить

Основная задача, которая стоит перед научным сообществом сейчас, – это совершенствование конструкции, что позволит снизить себестоимость электричества, которое вырабатывают волновые электростанции. Принцип работы должен остаться тем же, но применяться для создания установок будут уже новые технологии и материалы.

Средняя мощность волны составляет 75-85 кВт/м – именно на такой диапазон настраиваются большинство станций. Однако во время шторма сила морских валов увеличивается в несколько раз и создается опасность разрушения установок. Уже не одна лопасть была смята или погнута после шторма. Для решения этой проблемы ученые искусственными методами снижают удельную мощность волн. Одна из проблем состоит в том, что массовое использование волновых станций приведет к изменению климата. Генерация электрической энергии осуществляется за счет вращения Земли (именно так образуются волны). Повсеместное использование станций заставит планету вращаться медленнее. Человек разницу не почувствует, но это уничтожит ряд течений, которые играют важную роль в теплообмене Земли.

Первая в мире опытная ВЭС

цилиндр с открытым дном погружен в воду так, чтобы его край был ниже ложбины волны — самой нижней ее точки;
периодически набегающая вода сжимает воздух во внутренней полости;
по достижении определенного давления открывается клапан, который дает проход сжатому кислороду к турбине.

Выгодно ли использовать энергию волн

Энергия волн считается возобновляемой, к тому же огромный потенциал океана может дать около 20% от всей потребной электроэнергии. Развитие этого направления выгодно со всех сторон, поскольку природные ресурсы начинают активно истощаться, а уголь, нефть и газ рано или поздно закончатся.

Советуем изучить — Условия эксплуатации электродвигателей

Атомная энергетика не сможет решить всех будущих проблем. В связи с потенциальной опасностью и отсутствием гарантированной защиты, АЭС развиваются не так активно, как это необходимо.

К положительным качествам ВЭС можно отнести следующие:

Безопасная продолжительная эксплуатация без нарушений экологии.
Станции заодно гасят волны возле портов и берегов, выполняя функции защиты.
Волны являются возобновляемым источником энергии.
Низкая себестоимость полученной электроэнергии.

Минусами волновых установок считаются:

Небольшая мощность большинства установок.
Отсутствие стабильности в работе под влиянием погоды и природных условий.
Возможная опасность для рыболовецких и других судов.

Геотермальные электростанции (ГТЭС)

Ветряные электростанции

Газотурбинная электростанция (ГТЭС)

Тепловые электростанции (ТЭС)

Приливные электростанции (ПЭС)

Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС)

История

Первый известный патент на использование энергии океанских волн датируется 1799 годом и был подан в Париже Жираром и его сыном. Одним из первых применений энергии волн было устройство, построенное примерно в 1910 году Бошо-Прасике для освещения и питания своего дома в Руайане , недалеко от Бордо во Франции. Похоже, что это было первое устройство волновой энергии типа колеблющегося водяного столба. С 1855 по 1973 год только в Великобритании было подано 340 патентов.

Пионером современного научного исследования волновой энергии стали эксперименты Йошио Масуда в 1940-х годах. Он протестировал различные концепции устройств волновой энергии в море, с несколькими сотнями устройств, используемых для питания навигационных огней. Среди них была концепция извлечения мощности из углового движения сочлененного плота, предложенная в 1950-х годах Масудой.

Возобновление интереса к волновой энергии было вызвано нефтяным кризисом 1973 года . Ряд университетских исследователей повторно изучили возможность генерирования энергии из океанских волн, среди которых были, в частности, Стивен Солтер из Эдинбургского университета и Йоханнес Фалнес из Норвежского технологического института (позже объединенного с Норвежским университетом науки и технологий ), Майкл Э. Маккормик из Военно-морской академии США , Дэвид Эванс из Бристольского университета , Майкл Френч из Ланкастерского университета , Ник Ньюман и Си Си Мей из Массачусетского технологического института .

Изобретение Стивена Солтера в 1974 году стало известно как утка Солтера или кивающая утка , хотя официально ее называли эдинбургской уткой. В небольших контролируемых испытаниях изогнутый кулачковый корпус Duck может останавливать 90% волнового движения и преобразовывать 90% из них в электричество, обеспечивая эффективность 81%.

В 1980-х годах, когда цена на нефть упала, финансирование волновой энергетики резко сократилось. Тем не менее несколько прототипов первого поколения были испытаны в море. В последнее время, вслед за проблемой изменения климата, во всем мире снова растет интерес к возобновляемым источникам энергии, включая энергию волн.

Первый в мире испытательный центр морской энергии был основан в 2003 году, чтобы дать толчок развитию индустрии энергии волн и приливов в Великобритании. Европейский центр морской энергии (EMEC), расположенный в Оркнейских островах, Шотландия, поддержал развертывание большего количества устройств для работы с волновой и приливной энергией, чем на любом другом месте в мире. EMEC предоставляет множество испытательных полигонов в реальных морских условиях. Его связанный с сетью волновой полигон расположен в Биллиа-Кроо, на западном краю материковой части Оркнейских островов, и полностью подвержен влиянию Атлантического океана с уровнем моря высотой 19 метров, зарегистрированным на этом участке. Разработчики волновой энергии, которые в настоящее время тестируют в центре, включают Aquamarine Power , Pelamis Wave Power и ScottishPower Renewables .

Виды альтернативных источников энергии

1. Солнечная энергия

Солнце — главный источник энергии на Земле, ведь около 173 ПВт (или 173 млн ГВт) солнечной энергии попадает на нашу планету ежегодно, а это более чем в 10 тыс. раз превышает общемировые потребности в энергии. Фотоэлектрические модули на крыше или на открытых территориях преобразуют солнечный свет в электрическую энергию с помощью полупроводников — в основном, кремния. Солнечные коллекторы вырабатывают тепло для отопления и производства горячей воды, а также для кондиционирования воздуха.

Солнечные панели могут вырабатывать энергию и в пасмурную погоду, и даже в снегопад. Для наибольшей эффективности их стоит устанавливать под определенным углом — чем дальше от экватора, тем больше угол установки панелей.

Съедобная упаковка и солнечный парус: новинки космических эко-технологий

2. Энергия ветра

Использование ветра в качестве движущей силы — давняя традиция. Ветряные мельницы использовались для помола муки, лесопильных работ) и в качестве насосной или водоподъемной станции. Современные ветрогенераторы вырабатывают электроэнергию за счет энергии ветра. Сначала они превращают кинетическую энергию ветра в механическую энергию ротора, а затем в электрическую энергию.

Ветроэнергетика является одной из самых быстроразвивающихся технологий возобновляемой энергетики. По последним данным IRENA, за последние два десятилетия мировые мощности по производству энергии ветра на суше и на море выросли почти в 75 раз — с 7,5 ГВт в 1997 году до примерно 564 ГВт к 2018 году.

3. Энергия воды

Еще в древнем Египте и Римской империи энергия воды использовалась для привода рабочих машин, в том числе мельниц. В средние века водяные мельницы применялись в Европе на лесопильных и целлюлозно-бумажных предприятиях. С конца XIX века энергию воды активно используют для получения электроэнергии.

4. Геотермальная энергия

Геотермальная энергия использует тепло Земли для производства электричества. Температура недр позволяет нагревать верхние слои Земли и подземные водоемы. Извлекают геотермальную энергию грунта с помощью мелких скважин — это не требует больших капиталовложений. Особенно эффективна в регионах, где горячие источники расположены недалеко к поверхности земной коры.

5. Биоэнергетика

Биоэнергетика универсальна. Тепло, электричество и топливо могут производиться из твердой, жидкой и газообразной биомассы. При этом в качестве возобновляемого сырья используются отходы растительного и животного происхождения.

Энергия из спирта и навоза: преимущества и недостатки биотоплива

6. Энергия приливов и отливов

Приливы и волны — еще один способ получения энергии. Они заставляют вращаться генератор, который и отвечает за выработку электричества. Таким образом для получения электроэнергии волновые электростанции используют гидродинамическую энергию, то есть энергию, перепад давления и разницу температур у морских волн. Исследования в этой области еще ведутся, но специалисты уже подсчитали — только побережье Европы может ежегодно генерировать энергии в объеме более 280 ТВт·ч, что составляет половину энергопотребления Германии.

Как устроена самая мощная в мире приливная турбина