Принцип работы волновых электростанций

Малая гидроэнергетика, потенциал, технические решения

Развитие малой гидроэнергетики – тенденция будущего, которая пользуется огромной популярностью из-за стремления улучшить экологическую ситуацию в мире. Сооружение и эксплуатация МГЭС не влияет на качество воды, вызывает минимальное затопление местности. Современные мини-ГЭС полностью автоматизированы. Их срок службы составляет примерно 40 лет.

Использование малых гидроэлектростанций является замечательной альтернативой традиционным источникам электроэнергии, особенно, для тех районов, где подключение к централизованной энергосети затруднительно.

Малая гидроэнергетика, потенциал. Расчет энергетического потенциала водотоков осуществляется на основе информации о количестве и мощности водотоков, приведенной в Водном кадастре Республики Беларусь. Для расчета потенциальной энергии Э реки на участке протяженностью L (км), при падении на нем (напор) Н (м) и среднем расходе на этом участке Q (м3/с) в течение времени Т (час) осуществляется с использование эмпирических формул:

где N – мощность, кВт; Т – время, часы; Э – вырабатываемая энергия, кВт·ч.

Таким образом, для расчета валовых гидроэнергетических ресурсов следует знать значения расход воды Q на определенном участке реки и перепад высот H.

При выборе энергетических параметров малой ГЭС, для обеспечения ее надежной и безаварийной эксплуатации, наибольший практический интерес представляет среднемноголетний расход Q_мнг и максимальный паводковый расход Q_макс.

Для определения расчетного расхода Qмакс необходимо иметь значение среднемноголетнего расхода Qмнг, позволяющего при выбранном значении напора H подсчитать мощность (N) ГЭС

Правильное решение этой задачи важно для определения экономической эффективности малой ГЭС

Запасы гидроэнергоресурсов Республики Беларусь составляет теоретический потенциал ее рек – около 7,5 млрд кВт·ч в средний по водности год, а его часть, которая путем выработки электроэнергии на ГЭС или иными техническими средствами может быть использована (технический потенциал) – 2,5–3,0 млрд кВт·ч/год. Экономический гидроэнергопотенциал в Республике Беларусь составляет 1,3 млрд кВт·ч/год, или 325 МВт общей установленной мощности возможных ГЭС в условиях Беларуси.

Глобальное производство гидроэлектроэнергии в 4 г. составило 1064 ГВт. Как видно из рис. 23, в топ 10 стран мировых производителей гидроэлектроэнергии входит Китай (около 28 % мирового производства), Бразилия, США, Канада и др.

Рис. 23. Производство гидроэлектроэнергии ведущими мировыми производителями (2016 г.)

Как видно из табл. 1 развитие малой энергетики приносит значительные экономические, технические, экологические и социальные преимущества.

Таблица 1. Преимущества использования малых ГЭС

По состоянию на 01.08.2017 г. в Беларуси эксплуатировалось 53 ГЭС общей установленной мощностью 95,4 МВт. Наиболее крупные ГЭС: Витебская (40 МВт, 2017 г.) (рис. 24) и Полоцкая (21 МВт, 4 г.). В 2018–2020 годах намечается поэтапный ввод на Днепре и Западной Двине относительно крупных ГЭС: Бешенковичская ГЭС (30 МВт); Оршанская ГЭС (5,7 МВт); Речицкая ГЭС (4,6 МВт); Верхнедвинская ГЭС (20 МВт); Шкловская ГЭС (4,9 МВт).

Рис. 24. Панорамный вид Витебской ГЭС

Плюсы волновых электростанций

У разных волновых электростанций свои плюсы и минусы, но можно выделить несколько общих пунктов. Преимущества заключаются не только в том, что ВЭС – это хорошая альтернатива нефти, газу и углю. Ученые считают, что именно за волновыми электростанциями будущее. Тому есть веские причины:

• Станции гасят волны, чем обеспечивают безопасность портов, гаваней и береговых сооружений от разрушений.
• Можно уменьшить воздействие воды на опоры мостов, если устанавливать на них небольшие волновые генераторы.
• Волновая энергетика выгоднее, чем ветровая, поскольку удельная мощность волн выше, чем ветра.

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:

1. Волны периодически забегают в специальные камеры, заставляя сжиматься воздух.
2. По достижении критического давления сжатый воздух через сеть каналов вращает электрогенератор.
3. 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.

Волновые электростанции России и других стран

Наша страна имеет протяженную береговую линию, а многие места пригодны для установки таких сооружений. Поэтому российские инженеры ведут активные разработки в области волновых электростанций, работающих на возобновляемых источниках энергии.

Первое сооружение подобного типа уже построено на полуострове Гамова Приморского края, географически расположенного на Дальнем Востоке. Данная станция считается универсальной, поскольку кроме энергии направленных волн, она способна преобразовывать и использовать в работе энергию, заключенную в приливах и отливах. Установка признана перспективной, дающей толчок дальнейшему развитию волновых электростанций.

Если рассматривать установки других государств, то самое первое сооружение в мире, использующее энергию волн, появилось в Норвегии в 1985 году. Это была экспериментальная конструкция мощностью всего 500 кВт. Промышленный вариант был сооружен в Австралии в 2005 году. Это станция Oceanlinx, мощность которой после реконструкции 2009 года достигает 450 кВт.

Первая установка, построенная на коммерческой основе, появилась в португальском городе Агусадоре в 2008 году. Данная установка работает на принципе колеблющегося тела, непосредственно используя механическую энергию волн. Ее мощность достигла 2,3 МВт и этот показатель может быть увеличен за счет дополнительных конструктивных элементов.

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.

Потенциал

Мировой ресурс энергии прибрежных волн оценивается более чем в 2 ТВт. Места с наибольшим потенциалом волновой мощности включают западное побережье Европы, северное побережье Великобритании и тихоокеанские побережья Северной и Южной Америки, южной части Африки, Австралии и Новой Зеландии. Северный и южный умеренные зоны являются лучшими участками для улавливания силы волн. Преобладающие западные ветры в этих зонах сильнее всего дуют зимой.

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) сделала оценки для различных стран по всему миру в отношении количества энергии, которое может быть произведено с помощью волновых преобразователей энергии (WEC) на их береговой линии. В частности, для Соединенных Штатов, по оценкам, общее количество энергии, которое может быть произведено вдоль их береговой линии, эквивалентно 1170 ТВтч в год, что составляет примерно 10 кВтч на гражданина США в день. Это почти 5% от общего потребления энергии на одного гражданина, включая транспорт и промышленность. Хотя это звучит многообещающе, береговая линия вдоль Аляски составляла ок. 50% от общей энергии, созданной в рамках этой оценки. Учитывая это, потребуется соответствующая инфраструктура для передачи этой энергии с берегов Аляски на материковую часть Соединенных Штатов, чтобы должным образом извлечь выгоду из удовлетворения энергетических потребностей Соединенных Штатов. Однако эти цифры показывают большой потенциал этих технологий, если они будут реализованы в глобальном масштабе, чтобы удовлетворить поиск источников возобновляемой энергии.

ВЭУ подверглись тщательной проверке в ходе исследований, особенно в отношении их эффективности и транспортировки генерируемой ими энергии. NREL показал, что эти WEC могут иметь эффективность около 50%. Это феноменальный рейтинг эффективности производства возобновляемой энергии. Для сравнения: солнечные панели с КПД выше 10% считаются жизнеспособными для устойчивого производства энергии

Таким образом, значение КПД 50% для возобновляемого источника энергии чрезвычайно важно для будущего развития возобновляемых источников энергии, которое будет реализовано во всем мире. Кроме того, были проведены исследования по изучению более мелких WEC и их жизнеспособности, особенно в отношении выходной мощности

Одно исследование показало большой потенциал небольших устройств, напоминающих буи, способных генерировать мощность до 6 МВт при различных волновых условиях и колебаниях, а также при различных размерах устройства (вплоть до примерно цилиндрического буя весом 21 кг). Даже дальнейшие исследования привели к разработке меньших, компактных версий существующих WEC, которые могли бы производить такое же количество энергии, используя примерно половину площади, необходимой для существующих устройств.  

Карта энергетических ресурсов мировых волн

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.

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.

Биотопливо

Жидкое, твердое и газообразное биотопливо может стать заменой не только традиционным источникам электричества, но и бензину. В отличие от нефти и природного газа, восстановить запасы которых не представляется возможным, биотопливо можно вырабатывать в искусственных условиях.

Простейшим биотопливом является древесина, а точнее отходы деревообрабатывающей промышленности – щепки и стружка. Спрессованные в брикеты они прекрасно горят, а нагретая с их помощью вода позволяет вырабатывать электричество и тепло, пусть и в небольших масштабах.

Кукуруза – продукт питания и в то же время сырье для биотоплива

Но будущее за жидким и газообразным биотопливом: биодизелем, биоэтанолом, биогазом и синтез-газом. Все они производятся на основе богатых сахаром или жирами растений: сахарного тростника, кукурузы и даже морского фитопланктона. Последний вариант так и вовсе имеет безграничные перспективы: выращивать водоросли в искусственных условиях дело не хитрое.

Фитопланктон (крохотные морские водоросли и бактерии) – идеальное сырье для производства жидкого и газообразного биотоплива

Преимущества ветровых генераторов

Ветровые электростанции уже долгое время используются в быту, на производстве и других областях.

За это время удалось выявить их основные положительные качества и преимущества:

• Энергия ветра, используемая для ветроэлектростанций, является бесплатной и самое главное – возобновляемой. Устройства не загрязняют окружающую среду и не выделяют каких-либо вредных веществ. В перспективе планируется еще шире использовать экологически чистые ветровые электростанции в России, что позволит сократить количество обычных установок с вредными выбросами.
• Снижается зависимость электроснабжения через центральные электрические сети.
• Широкие перспективы для дальнейшего развития и внедрения новых прогрессивных технологий, и это не последние достоинства этих установок.
• Постепенное снижение затрат на получение энергии, без которых не обойтись на первоначальном этапе. В течение последних 20 лет стоимость оборудования и комплектующих снизилась примерно на 80%. Энергия ветра становится наиболее прибыльной среди всех альтернативных источников электроэнергии.
• Ветряки имеют достаточно высокий срок эксплуатации, составляющий 20-30 лет. В течение этого срока окружающий ландшафт остается неповрежденным.
• Простота сборки и дальнейшего использования. Ветряная электростанция монтируется очень быстро, затраты на ремонт и обслуживание сравнительно низкие. Произведенная электроэнергия количественно превышает затраченную энергию ветра примерно в 85 раз. Потери при передаче электроэнергии сравнительно невысокие.

«Бесконечная» энергия из воздуха

В 2020 году ученые из Массачусетского университета создали Air-gen — генератор, который создает электричество с помощью натурального белка и влаги из воздуха.

Графическое изображение пленки из белковых нанопроводов, вырабатывающих электричество с помощью влаги из атмосферы

(Фото: UMass Amherst / Yao and Lovley labs)

С помощью протеобактерий Geobacter ученые выращивают белок, который может проводить ток. Из него делают пленку толщиной менее 10 микрон — в несколько раз тоньше, чем человеческий волос — и помещают между двумя электродами. Белок забирает влагу из воздуха и за счет тонких пор создает ток между электродами.

Лучшие результаты Air-gen показывает при влажности в 45%, но справляется и в засушливых регионах вроде Сахары. Генератор не зависит от погодных условий и работает даже в помещении.

Как это применять: пока мощности Air-gen хватает только для питания мелкой электроники. В скором времени ученые разработают версию для мобильных телефонов и смарт-часов, чтобы те никогда не разряжались. А если у исследователей получится совместить Air-gen с краской для стен, в домах появится бесконечный источник электроэнергии.

Почему это выгодно?

Ни для кого не секрет, что природные богатства находятся на грани истощения. Запасы угля, нефти и газа – основных энергетических источников – подходят к концу. По самым оптимистичным прогнозам ученых, запасов хватит для 150-300 лет жизни. Атомная энергетика тоже не оправдала ожиданий. Большая мощность и производительность окупают затраты на строительство, эксплуатацию, но проблемы захоронения отходов и нанесения ущерба окружающей среде скоро заставят отказаться и от них. По этим причинам ученые ищут новые альтернативные источники энергии. Сейчас уже действуют ветровые и солнечные электростанции. Но при всех своих достоинствах они имеют существенный недостаток – низкий КПД. Удовлетворить потребности всего населения не удастся. Поэтому необходимы новые решения.

Для выработки электричества волновая электростанция использует кинетическую энергию волн. По самым скромным подсчетам, этот потенциал оценивается в 2 млн МВт, что сравнимо с 1000 работающих на полную мощность атомных электростанций, а на один метр фронта волны приходится около 75 кВт/м. При этом не наблюдается абсолютно никакого вредного воздействия на окружающую среду.

Волновые электростанции в России

Интерес к этой области получения энергии новым способом в России растет, поскольку страна имеет выход к морю и имеется возможность использования энергии морских волн. Однако, волновые электростанции, существующие в России, стали появляться сравнительно недавно.

В 2014 году в Приморском крае появилась первая из них. Особенность ее заключается в том, что имеется возможность преобразовывать энергию, как самих волн, так и энергию приливов и отливов, что является универсальным.

По существующему плану альтернативные источники энергии вскоре должны составить 5% от общей энергетической выработки. В их число входят волновые электростанции. Еще одним преимуществом будет защита прибрежных зон от разрушительного действия набегающих на них волн.

Волновые фермы

Австралия

Ocean Power Technology и Lockheed Martin заключили Июль 2012 г.соглашение о разработке рекуператора энергии мощностью 19  МВт в Виктории. Этот проект получил многомиллионный австралийский грант от федерального правительства.

5% электроэнергии на этой базе производится с использованием энергии волн. Волновая электростанция была названа Ceto, что является именем греческой богини моря. Три Ceto 5 являются результатом тринадцати лет работы и потребовали инвестиций в размере 70 миллионов евро, в том числе 22 миллиона в виде государственных субсидий.

Каждый буй имеет более 500 датчиков, которые ежедневно регистрируют два гигабайта данных о давлении, расходе, температуре воды … Гидравлический поршень, расположенный на 24 метрах на дне моря, приводится в действие движением буев, вызванным волнами. Это движение создает давление в жидкости, содержащейся в поршне, жидкость направляется на землю по трубе и проходит через турбину, которая преобразует гидравлическую энергию в механическую. Насосы подают холодную воду в охлаждающую сеть. На электростанции на острове Гарден генератор преобразует эту механическую энергию в электричество. Вырабатываемая электроэнергия также питает завод по опреснению воды, который обеспечивает одну треть воды Garden Island .

Хотя стоимость электроэнергии, производимой Ceto 5, идентична стоимости мазута (от 20 до 28 евроцентов за киловатт-час (кВтч)), она по-прежнему дороже, чем атомная энергия или уголь. Для сравнения, по данным Евростата, плата за электричество для французских домохозяйств составляет 0,175 евро за кВтч, а для промышленных предприятий — 0,091 евро .

Более мощный проект CETO 6 находится в стадии разработки.

EDF EN вступила в партнерские отношения с Карнеги, обладателем прав на технологии CETO, для производства электроэнергии из энергии волн.

Шотландия

Система LIMPET 500 ( наземный морской силовой энергетический трансформатор ) была установлена ​​в 2001 году на острове Айлей компанией Wavegen.

Португалия

Португальцы наделили себя Ноябрь 2008 г., полуавтоматические машины Pelamis (название латинского происхождения, означающее «морской змей»), разработанная шотландской компанией Pelamis Wave Power ( PWP ). Установленная мощность этого проекта составляет 2,25  МВт от Агусадуры на севере Португалии . Весной 2009 года пришлось демонтировать первую в мире волновую электростанцию ​​из-за периодически возникающих технических проблем. Поэтому необходимо добиться прогресса, чтобы этот источник энергии не превратился в «морского змея».

Как работают волновые электростанции?

В основе работы ВЭС лежат преобразователи энергии волн из кинетической в электрическую. Такие устройства делятся на виды в зависимости от принципа действия и конструкции:

1. «Осциллирующий водяной столб».
   Принцип работы – осуществление толчковых движений, заполняющих камеры с воздушными массами. При сжатии воздуха создается избыточное давление, подающее его на турбину и вращающее лопасти. Турбина вращается и передает воздух на генератор, вырабатывающий электроток.
2. «Колеблющееся тело».
   Суть в том, что секции объединяются в конвертер, а между ними на подвижных платформах устанавливаются гидравлические поршни, на которые подсоединен гидравлический двигатель. Он заставляет вращаться электрогенератор. Раскачивающееся действие волн заставляет двигаться поршни, а они запускают двигатель и генератор. При этом объем вырабатываемой энергии волн зависит от их частоты, высоты, силы – на основе этих параметров вручную адаптируется ход штока, чтобы добиться рационального режима работы оборудования.
3. «Искусственный атолл».
   Это бетонное сооружение, на корпусе которого размещена поверхность для наката волн. В середине находится бассейн, в него вода поднимается «набеганием волны» на наклонную поверхность, а потом через приемное отверстие поступает на гидротурбину.

Почему это выгодно?

Энергия, переносимая волной, возобновляемая. К тому же она способна покрыть 20% потребности в электроэнергии. Так что развивать это направление выгодно во всех отношениях, ведь природные ресурсы истощаются, уголь, нефть и газ однажды закончатся. Атомная энергетика не сможет решить все проблемы. Да и потенциальная опасность тормозит развитие АЭС.

Преимущества и недостатки

Использование потенциальной энергии волны – альтернатива нефти, газу, углю. Однако есть и другие плюсы ВЭС:

• безопасная длительная работа без вреда экологии;
• защитная функция за счет гашения волн у портов и берегов;
• энергия стоячей океанской волны – возобновляемый ресурс;
• низкая себестоимость вырабатываемого электричества.

Однако есть и минусы таких станций:

• хотя волна океана переносит энергию, мощность большинства установок по ее выработке низкая;
• работа ВЭС нестабильная, зависит от погоды и климата;
• создается опасность для рыболовецких и иных судов.

«Морской ковер» обеспечит прибрежные города чистой энергией

Details

Created on 06.03.2014 01:08

Written by Natali

В поисках очередного возобновляемого источника энергии, который потенциально способен непрерывно снабжать «безуглеродным» электричеством, исследователи из Университета Калифорнии в Беркли (University of California, Berkeley) работают над преобразованием энергии океанских волн и пытаются применять так называемый гидравлический придонный «ковер» для сбора и конвертации колебаний волн в пригодное для использования электричество.

В любом случае, солнце заходит, а ветер стихает даже в северном море, но волны продолжают идти непрерывно, поэтому энергию океана может быть выгодно использовать в качестве источника чистой энергии в прибрежных районах.

Устройство волнового редуктора

В состав волнового редуктора входят три основных части: генератор волны, жёсткое колесо и гибкое колесо. Генератор волны в самом распространённом варианте выполняется в виде шарикоподшипника с тонкими гибкими стенками. Он устанавливается на эллиптическую втулку, и сам принимает форму эллипса. Сборка из этих двух деталей и является генератором волны. Гибкое колесо – это деталь специфическая для волнового редуктора. Оно представляет собой тонкостенное зубчатое колесо с наружным зубом. Основная рабочая поверхность этого колеса имеет форму цилиндра. Материал и толщина гибкого колеса подобраны так, чтобы оно могло постоянно испытывать упругие деформации, не теряя своих свойств. Конструкция жёсткого колеса проще чем других частей волнового редуктора. Это обычное зубчатое колесо с внутренним зубом. Его размеры подобраны так чтобы обеспечивать достаточно большую жёсткость при рабочих нагрузках.

При сборке волнового редуктора гибкое колесо устанавливают на генератор волны, в результате чего оно тоже принимает эллиптическую форму. Далее на гибкое колесо устанавливается жёсткое колесо. Поскольку гибкое колесо в процессе сборки приняло эллиптическую форму, то его зацепление с жёстким колесом происходит только на двух участках. Расположены они вдоль большой полуоси генератора волны и в сумме занимают около 40% окружности. За пределами этих участков зацепления зубьев жёсткого и гибкого колеса не происходит. Гибкое колесо имеет меньше зубьев чем жёсткое колесо. Чаще всего эта разница составляет 2 зуба, однако есть другие варианты конструкции волновых редукторов, где эта разница больше.

Похожие записи:

Первая помощь при поражении электрическим током Нормы освещенности рабочих мест и производственных помещений Коэффициент использования светового потока уличных led-светильников Импульсный стабилизатор напряжения для зарядки аккумуляторных батарей большой емкости Цоколь g9 для светодиодной, галогенной лампы: описание, преимущества, маркировка Что такое диммер и как он работает