Cерфинг натераватт: волны
- Волновой насос Oyster компании Aquamarine Power Совершая возвратно-поступательные перемещения под напором прибоя, как метроном, закачивает под огромным давлением морскую воду через трубопровод на береговую гидроэлектростанцию.
Волновой насос Oyster компании Aquamarine Power Совершая возвратно-поступательные перемещения под напором прибоя, как метроном, закачивает под огромным давлением морскую воду через трубопровод на береговую гидроэлектростанцию.
- Металлическая рептилия 180-метровый морской змей Pelamis способен снабжать электроэнергией и теплом 500 средних личных европейских домов. Волновые фермы, складывающиеся из нескольких десятков преобразователей, установленные в районах с достаточной энергоемкостью волны, будут производить 30 и более милионов ватт энергии.
Преобразование кинетической энергии волн в электричество является следствием качания отдельных модулей относительно друг друга на особых герметичных шарнирах.
- Шарниры приводят в перемещение поршни гидравлических насосов. В гидравлических аккумуляторная батареях вода сжимается до рабочего давления и поступает на турбину гидромотора, что, со своей стороны, раскручивает генератор.
Энергия качки Огромный 42-метровый буй компании Ocean Power Technologies преобразует энергию волн в электричество при помощи линейного генератора, установленного на подвижном штоке поплавка.
- PowerBuoy 150 оснащается комплексом датчиков, разрешающих в реальном времени приспособить движение штока к силе, частоте и высоте набегающей волны, сохраняя оптимальный режим работы генератора.
Энергоемкость волны зависит от последовательности факторов: силы ветра, его длительности и ширины воздушного фронта. В некоторых глубоководных районах Мирового океана она может быть около 100 кВт энергии на метр фронта волны. По свидетельству Уэйна Райта, метеоролога из центра NASA Уоллопс, рекордная высота волны, документально зафиксированная летающей метеолабораторией WP-3D в 2004 году на протяжении разгула урагана Айвэн, составила 28 м. Более спокойные ветра легко приводят 10-к метровым валам.
На мелководье энергия волн быстро падает из-за трения о дно. Однако энергетические Эльдорадо видятся и у берегов. По оценке Чанга Мея и других ученых, любой метр линии прибоя на северо-западном побережье США, на западе Шотландии, южных оконечностях Африки, южной Америки и Австралии может давать каждый год от 100 до 200 МВт недорогого экологически чистого электричества.
Суммарный потенциал всемирный волновой энергетики лишь в прибрежных территориях — не меньше 4 ТВт. Открытое море сулит десятки, если не много тераватт. Но дабы их взять, необходимы действенные разработки преобразования.
Сейчас в арсенале ученых имеется пара многообещающих концепций.
Дыхание моря
Одна из старейших и самый проработанных разработок преобразования энергии волн в электричество — осциллирующая водяная колонна с воздушной турбиной Уэллса. Подобные волновые электростанции смогут трудиться как на линии прибоя, так и далеко от берега. И в стационарных, и в плавучих установках употребляется тот же принцип: набегающая волна поднимает уровень воды в полупогруженной камере.
Находящийся в камеры воздушное пространство выталкивается в воздух, проходя через лопатки реверсивной воздушной турбины низкого давления Уэллса. На откате волны воздушное пространство засасывается через турбину обратно в камеру. Наряду с этим направление вращения вала турбины не изменяется, соответственно, передача крутящего момента на вал генератора происходит непрерывно.
Создатель этого уникального изобретения, доктор наук Королевского университета Белфаста Алан Артур Уэллс, был фанатично предан идее волновой энергии. Турбина была создана им более 30 лет назад специально для применения в осциллирующих водяных колоннах для исключения из их конструкции сложных клапанных механизмов и систем трансформации шага.
Ее отличия и главные особенности от простых турбин — симметричное сечение и довольно громадный угол атаки лопастей. Вследствие этого отношение скорости вращения к скорости воздушного потока у нее мало, а коэффициент лобового сопротивления велик. По той же причине турбина Уэллса склонна к спонтанным провалам мощности и характеризуется низким КПД (40−70%).
Помимо этого, при вращении детище ирландского доктора наук генерирует низкочастотные шумы, напоминающие звуки огромного органа. Но все минусы перевешиваются свойством этого воздушного винта постоянно вращаться в одном и том же направлении, независимо от того, откуда на него поступает поток — спереди либо позади.
Самый продвинутые осциллирующие турбинные преобразователи имеют достаточно сложную архитектуру воздушной камеры для большой компрессии потока. Коллектив исследователей из MIT под управлением доктора наук Мея, трудящийся над проблемой с конца 1970-х, и вовсе предлагает применять сложную камеру с объёмом и изменяемой геометрией. Сперва эффективность для того чтобы подхода была доказана на математической модели, а уже позже — на нескольких трудящихся прототипах.
Нестандартное инженерное ответ разрешает избежать провалов мощности станции при падении высоты волны, а при штормовом прибое — обезопасисть турбину от возможного разрушения и экстремальных нагрузок.
Экспериментальная волновая станция с «дышащей» камерой мощностью 750 кВт уже трудится на атлантическом побережье Португалии, снабжая электричеством около тысячи семей. По окончании обкатки разработки будет принято решение о постройке целого прибрежного генерирующего каскада, связанного с местными сетями.
Плавучие волновые станции с осциллирующей водяной колонной в металле еще никем не реализованы, но, вероятнее, это вопрос времени. На удалении от обитаемого побережья они не будут диссонировать с привычным пейзажем, зля местных жителей и туристов. В совершенстве их возможно будет устанавливать на площадях, занимаемых огромными ветровыми фермами на неспециализированной якорной совокупности.
Буй-генератор
В феврале шотландская инжиниринговая компания Ocean Power Technologies (OPT) показала собственную новую разработку PowerBuoy PB150 — огромный 42-метровый буй, талантливый превращать вертикальные колебания в электричество, покачиваясь на волнах на 11-метровом поплавке. Мощность для того чтобы буя — 150 кВт. Морская качка заставляет поплавок, закрепленный на подвижном штоке, перемещаться по вертикальной оси. Загружённая часть буя фиксируется на дне при помощи якорной совокупности.
Шток — подвижная часть линейного генератора, что, проходя через обмотку статора, производит ток.
PowerBuoy оснащается комплексом датчиков, разрешающих в реальном времени приспособить движение штока к силе, частоте и высоте набегающей волны, сохраняя оптимальный режим работы генератора. В периоды экстремального беспокойства установка не повреждается, поскольку шток поплавка блокируется электроникой.
Для установки буя на место не требуются особые суда — простые буксиры справятся с данной операцией без всяких неприятностей. Пара буев, связанных неспециализированной силовым контуром и якорной системой, формируют волновую ферму. Геометрия группировки шепетильно просчитывается для большой эффективности работы.
Минимальная глубина моря в месте дислокации фермы должна быть не меньше 30−50 м. Через подстанцию, расположенную на дне, электричество может передаваться или на береговые сети, или на плавучие нефтяные платформы. Как и положено всем морским сооружениям, надводная часть PowerBuoy PB150 оснащается мачтой с радиолокационным отражателем и навигационными огнями.
По словам вице-президента OPT Чарльза Данливи, волновые фермы на базе PowerBuoy PB150 значительно компактнее ветровых аналогов — станция мощностью 10 МВт займет всего 0,125 км? поверхности моря. Техническая простота и неубиваемость таких преобразователей разрешает создавать электростанции морского базирования мощностью до 100 МВт и более. В январе 2011 года OPT взяла официальную сертификацию в Регистре Ллойда по классу плавучих морских сооружений постоянной дислокации.
Скоро первый PB150 займет собственный место в 33 морских милях от шотландского города Инвергордон. На нем будет произведена проверка якорной совокупности, работы генератора при различных общей надёжности и параметрах волны совокупности в целом. Бортовой симулятор будет имитировать сотрудничество совокупности с береговой сетью.
Второй буй уже строится на заводе OPT в Нью-Джерси. Он будет принимать участие в опыте на берегу Тихого Океана Америки, где планируется создать волновую ферму мощностью 1,5 МВт. На очереди подобные проекты в Австралии и японии.
Уверенность команды OPT в успехе PowerBuoy PB150 основана не на голом энтузиазме. Еще в 2009 году первый 40-киловаттный генерирующий буй PB40 по заказу ВМФ США был притоплен на рейде Оаху, Гавайи. Кроха был удачно подключен к наземной сети и за все время эксплуатации не доставил хлопот разработчикам.
Наблюдение за окружающей средой недалеко от буя продемонстрировали, что установка экологически нейтральна и надёжна.
Морской змей
Рассказы средневековых мореходов о огромных морских чудовищах вызывают у нас снисходительную ухмылку. Но в двадцать первом веке встречи с огромными морскими змеями смогут стать в полной мере обыденными. Целые косяки таких монстров скоро смогут показаться у берегов Шотландии и в Северном море. Не обращая внимания на устрашающий внешний вид, они совсем безвредны. Более того, пожирая волны, чудовища будут снабжать электричеством прибрежные города.
Одно из них было обрисовано 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 промышленного прототипа.
Волновой преобразователь Pelamis — это полупогруженная в воду модульная совокупность 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 перемещение поршни гидравлических насосов, каковые нагнетают рабочую жидкость через компенсирующие аккумуляторная батареи на гидравлические моторы.
Моторы вращают электрические генераторы, создавая энергию. Секции связаны между собой динамическим силовым кабелем, проходящим в 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 морскому дну, возможно выстраивать громадные энергофермы.
Плотность группировки высока — для фиксации преобразователей суммарной мощностью 30 МВт требуется не более 1 км? дна моря.
Но у металлического Pelamis скоро может показаться страшный соперник. Это Anaconda, «выращенная» компанией Checkmate Sea Energy. 200-метровая рептилия с «кожей» из ткани, каучука и натуральных смол, ценой $3 млн способна производить до 1 МВт электричества, расслабленно качаясь на волнах. Способ генерации электричества, примененный в Anaconda, потрясающе остроумен.
В брюха змеи находится эластичный контейнер с морской водой, делающей сходу две функции: она является 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 гидротурбина и гидравлический аккумулятор. В следствии растягивания каучуковой «шкуры» появляется что-то наподобие пульсации крови в артериях.
Замечательный поток раскручивает лопатки турбины, отдавая кинетическую энергию генератору. Утратившая энергию отработанная вода через ресивер и выпускной клапан низкого давления возвращается в контейнер.
В 2008 году англичане опубликовали собственную концепцию, а уже на следующий год выстроили восьмиметровый прототип морской змеи. Опробования автомобили в волновом бассейне технопарка Госпорт продемонстрировали замечательные результаты — маленькая Anaconda выжимала из волн фактически всю энергию! Помимо этого, благодаря собственной эластичности она легко выдерживала экстремальные волны и была полностью не подвержена коррозии.
По плану разработчиков, выводок из 50 и более «анаконд» сможет обеспечить электроэнергией город среднего размера. Инвесторы вдохновлены таким началом и собираются вывести установку на рынок уже в 2014 году. Цена киловатта «змеиного» электричества обещает стать самой низкой на рынке — порядка 14 центов.
Не в последнюю очередь за счет высочайшей надежности, мизерных затрат на способности и обслуживание действенно трудиться на очень не сильный волне энергоемкостью всего около 25 кВт на метр фронта.
По морям, по волнам
Первый патент в области преобразования энергии морских волн в электричество относится к 1799 году. Он был взят неким французом Жераром.
Первая волновая установка была выстроена кроме этого во Франции, недалеко от Бордо. Это была достаточно примитивная осциллирующая водяная колонна, которая исправно снабжала электричеством частное домовладение. К середине 1970-х количество концепций волновых преобразователей перевалило за 300.
Японский гидролог Йосио Мацуда, пионер современной науки об энергии волн, в 1940-х годах совершил много натурных опытов с несколькими десятками разнообразных прототипов. Тогда его работы не позвали важного интереса генерирующих компаний. Только через 3 десятилетия, в то время, когда в мире разразился нефтяной кризис 1973 года, о волновой энергии отыскали в памяти снова.
Все нынешние действующие проекты в данной сфере появились как раз тогда.
Сейчас спрос на экологически чистую энергию снова возродил интерес к волнам.
Вихревые колебания потока
1. Поток набегает на препятствие
2. Завихрение, появляющееся с одной стороны препятствия, формирует избыточное давление
3. Затем турбулентность образуется иначе, формируя территорию давления с противоположным вектором. Чередование этих событий формирует страшные вибрации
Энергетический морепродукт
Существующие проекты в области преобразования кинетической энергии моря в ватты способны трудиться в достаточно узком диапазоне энергоемкости волны. В целом инновационные волновые проекты окупаются при ее уровне в 25 и более кВт на метр фронта. Так, в «территорию энергетического плодородия» попадает фактически все атлантическое побережье Европы, тихоокеанское побережье США, Океания, берега Чили, Японии, Новой Зеландии и юга Австралии.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№103, май 2011).
<
h4>