Наша сеть партнеров Banwar
Альтернативна енергетика, як правило, так чи інакше пов'язана з сонцем. І технологія перетворення морських хвиль в електрику не виняток. При чому тут сонце, запитаєте ви? Нагріваючи атмосферу, світило змушує переміщатися колосальні повітряні маси на великі відстані. Тертя повітря об поверхню океану ініціює виникнення хвиль. Таким чином, хвиля являє собою своєрідний концентрат сонячної енергії.
Енергоємність хвилі залежить від ряду факторів: сили вітру, його тривалості і ширини повітряного фронту. У деяких глибоководних районах Світового океану вона може досягати 100 кВт енергії на метр фронту хвилі. За свідченням Уейна Райта, метеоролога з центру NASA Воллопс, рекордна висота хвилі, документально зафіксована літаючої метеолабораторії WP-3D в 2004 році під час розгулу урагану Айвен, склала 28 м. Більш спокійні вітру легко викликають 10-метрові вали. На мілководді енергія хвиль різко падає через тертя об дно. Проте енергетичні Ельдорадо зустрічаються і біля берегів. За оцінкою Чанга Мея і інших вчених, кожен метр лінії прибою на північно-західному узбережжі США, на заході Шотландії, південних краях Африки, Австралії і Південної Америки може давати щорічно від 100 до 200 МВт недорогого екологічно чистої електрики. Сумарний потенціал світової хвильової енергетики тільки в прибережних зонах - не менше 4 ТВт. Відкрите море обіцяє десятки, якщо не сотні терават. Але щоб їх отримати, потрібні ефективні технології перетворення. Сьогодні в арсеналі вчених є кілька багатообіцяючих концепцій.
дихання моря
Одна з найстаріших і найбільш опрацьованих технологій перетворення енергії хвиль в електрику - осцилююча водяна колона з повітряною турбіною Уеллса. Подібні хвильові електростанції можуть працювати як на лінії прибою, так і далеко від берега. І в стаціонарних, і в плавучих установках використовується той же принцип: набігаюча хвиля піднімає рівень води в напівзануреної камері. Що знаходиться всередині камери повітря виштовхується в атмосферу, проходячи через лопатки реверсивної повітряної турбіни низького тиску Уеллса. На відкат хвилі повітря засмоктується через турбіну назад в камеру. При цьому напрямок обертання валу турбіни не змінюється, а значить, передача крутного моменту на вал генератора відбувається безперервно.
Хвильовий насос Oyster компанії Aquamarine Power. Здійснюючи зворотно-поступальні рухи під напором прибою, як метроном, закачує під величезним тиском морську воду через трубопровід на берегову гідроелектростанцію.
Автор цього оригінального винаходу, професор Королівського університету Белфаста Алан Артур Уеллс, був фанатично відданий ідеї хвильової енергії. Турбіна була розроблена їм більше 30 років тому спеціально для використання в коливальних водяних колонах для виключення з їх конструкції складних клапанних систем і механізмів зміни кроку.
Її головні особливості і відмінності від звичайних турбін - симетричне перетин і щодо великий кут атаки лопатей. Через це відношення швидкості обертання до швидкості повітряного потоку у неї дуже мало, а коефіцієнт лобового опору великий. З тієї ж причини турбіна Уеллса схильна до спонтанних провалів потужності і характеризується досить низьким ККД (40-70%). Крім того, при обертанні дітище ірландського професора генерує низькочастотні шуми, що нагадують звуки гігантського органу. Але все мінуси перевешиваются здатністю цього повітряного гвинта завжди обертатися в одному і тому ж напрямку, незалежно від того, звідки на нього надходить потік - спереду або ззаду.
З осені 2009 року експериментальний 194-тонний Oyster успішно працює на Оркнейських островах біля берегів Шотландії, в зоні, орендованій Європейським центром морської енергії. Енергоферма з 20 установок зможе забезпечити електрикою і теплом 9000 індивідуальних будинків.
Найбільш просунуті осцилюючі турбінні перетворювачі мають досить складну архітектуру повітряної камери для максимальної компресії потоку. Колектив дослідників з MIT під керівництвом професора Мея, що працює над проблемою з кінця 1970-х, і зовсім пропонує використовувати складну камеру з змінною геометрією і обсягом. Спочатку ефективність такого підходу була доведена на математичній моделі, а вже потім - на декількох працюючих прототипах. Нестандартне інженерне рішення дозволяє уникнути провалів потужності станції при падінні висоти хвилі, а при штормовому прибої - захистити турбіну від екстремальних навантажень і можливого руйнування.
Енергія вихрових вібрацій
Безліч по-справжньому революційних технологій були народжені випадково в ході досліджень абсолютно не пов'язаних з ними наукових проблем. Це можна сказати і про перетворення гідрокінетіческой енергії потоку в електрику методом вихрових вібрацій. Ідея прийшла в голову професорові Мічиганського університету Майклу Берницас, група якого кілька років поспіль ламала голову над способами захисту опор мостів від руйнівної турбулентності. Нешкідливі на вигляд маленькі вири і воронки, що утворюються під час огибания струменями води циліндричних предметів, надзвичайно небезпечні. Вони призводять до виникнення вихрових вібрацій, перпендикулярних напрямку потоку, в результаті яких часом відбуваються дуже серйозні катастрофи. Так, наприклад, в 1940 році вихрові вібрації, що увійшли в резонанс, обрушили міст Такома Нарроуз в США.
Майкл Берницас, вивчаючи цю проблему, зазначив, що рухливі циліндричні предмети, закріплені рухомо на двох вертикальних або горизонтальних осях, через що виникає турбулентності починають вібрувати і здійснювати зворотно-поступальні рухи. Логічне продовження цього спостереження - використання циліндрів в якості несучих елементів для магнітів лінійного генератора. Потужні неодимові магніти, здійснюючи переміщення уздовж осьового статора з обмоткою, генерують постійний струм. Далі, на перетворювачі, ток перетворюється в змінний і по силовому підводного кабелю надходить в мережу. Сама установка за зовнішнім виглядом нагадує багаторядну шведську стінку.
Перші прототипи перетворювача вихрових вібрацій VIVACE (Vortex Induced Vibrations Aquatic Clean Energy) володіють невеликою потужністю, але з кількох десятків і навіть сотень модулів можна створювати підводні електростанції будь-якого формату. Відмітна особливість VIVACE - дуже висока чутливість. Якщо звичайні гідротурбіни працюють ефективно при швидкостях потоку не менше п'яти-шести вузлів, то перетворювач Берницас - на двох і більше. Саме в цьому діапазоні «працює» переважна більшість морських і океанських течій.
Експериментальна хвильова станція з «дихаючої» камерою потужністю 750 кВт вже працює на атлантичному узбережжі Португалії, забезпечуючи електрикою майже тисячу сімей. Після обкатки технології буде прийнято рішення про будівництво цілого прибережного генеруючого каскаду, пов'язаного з місцевими мережами.
Плавучі хвильові станції з осциллирующей водяній колоною в металі ще ніким не реалізовані, але, швидше за все, це питання часу. На видаленні від населеного узбережжя вони не будуть дисонувати зі звичним пейзажем, дратуючи туристів і місцевих жителів. В ідеалі їх можна буде встановлювати на площах, де гігантськими вітровими фермами на загальній якірної системі.
Буй-генератор
У лютому шотландська інжинірингова компанія Ocean Power Technologies (OPT) продемонструвала свою нову розробку PowerBuoy PB150 - гігантський 42-метровий буй, здатний перетворювати вертикальні коливання в електрику, погойдуючись на хвилях на 11-метровому поплавці. Потужність такого буя - 150 кВт. Морська качка змушує поплавець, закріплений на рухомому штоку, переміщатися по вертикальній осі. Занурена частина буя фіксується на дні за допомогою якірної системи. Шток - рухома частина лінійного генератора, який, проходячи через обмотку статора, виробляє струм.
Вихрові коливання потоку. 1. Потік набігає на перешкоду. 2. Завихорення, що виникає з одного боку перешкоди, створює надлишковий тиск. 3. Після цього турбулентність утворюється з іншого боку, формуючи зону тиску з протилежним вектором. Чергування цих подій створює небезпечні вібрації.
PowerBuoy оснащується комплексом датчиків, що дозволяють в режимі реального часу адаптувати хід штока до сили, висоті і частоті хвилі, що набігає, зберігаючи оптимальний режим роботи генератора. У періоди екстремального хвилювання установка не пошкоджується, тому що шток поплавка блокується електронікою.
Для установки буя на місце не потрібні спеціальні судна - звичайні буксири впораються з цією операцією без всяких проблем. Кілька буїв, пов'язаних загальною якірної системою і силовим контуром, формують хвильову ферму. Геометрія угруповання ретельно прораховується для максимальної ефективності роботи. Мінімальна глибина моря в місці дислокації ферми повинна бути не менше 30-50 м. Через підстанцію, розташовану на дні, електрику може передаватися або на берегові мережі, або на плавучі нафтові платформи. Як і належить усім морським спорудам, надводна частина PowerBuoy PB150 оснащується щоглою з навігаційними вогнями і радіолокаційним відбивачем.
180-метровий морський змій Pelamis здатний забезпечувати електроенергією та теплом 500 середніх індивідуальних європейських будинків. Хвильові ферми, що складаються з декількох десятків перетворювачів, встановлені в районах з достатньою енергоємністю хвилі, будуть виробляти 30 і більше мегават енергії.
За словами віце-президента OPT Чарльза Данліві, хвильові ферми на основі PowerBuoy PB150 набагато компактніше вітрових аналогів - станція потужністю 10 МВт займе всього 0,125 км² поверхні моря. Технічна простота і неубиваемость таких перетворювачів дозволяє створювати електростанції морського базування потужністю до 100 МВт і більше. У січні 2011 року OPT отримала офіційну сертифікацію в Регістрі Ллойда по класу плавучих морських споруд постійної дислокації. Незабаром перший PB150 займе своє місце в 33 морських милях від шотландського містечка Інвергордон. На ньому буде проведена перевірка якірної системи, роботи генератора при різних параметрах хвилі і загальної надійності системи в цілому. Бортовий симулятор буде імітувати взаємодію системи з берегової мережею. Другий буй вже будується на заводі OPT в Нью-Джерсі. Він братиме участь в експерименті на тихоокеанському узбережжі Америки, де планується створити хвильову ферму потужністю 1,5 МВт. На черзі аналогічні проекти в Японії і Австралії.
Впевненість команди OPT в успіху PowerBuoy PB150 заснована не на голому ентузіазмі. Ще в 2009 році перший 40-кіловатний генерує буй PB40 на замовлення ВМФ США був притоплений на рейді Оаху, Гаваї. Малюк був успішно підключений до наземної мережі і за весь час експлуатації не доставив клопоту розробникам. Спостереження за навколишнім середовищем в районі буя показали, що установка екологічно нейтральна і безпечна.
Перетворення кінетичної енергії хвиль в електрику відбувається за рахунок коливання окремих модулів відносно один одного на спеціальних герметичних шарнірах. Шарніри надають руху поршні гідравлічних насосів. У гідравлічних акумуляторах вода стискається до робочого тиску і надходить на турбіну гідромотора, який, в свою чергу, розкручує генератор.
морський змій
Розповіді середньовічних мореплавців про гігантських морських чудовиськ викликають у нас поблажливу посмішку. Але в XXI столітті зустрічі з гігантськими морськими зміями можуть стати цілком буденними. Цілі косяки таких монстрів незабаром можуть з'явитися біля берегів Шотландії і в Північному морі. Незважаючи на страхітливий зовнішній вигляд, вони абсолютно нешкідливі. Більш того, пожираючи хвилі, чудовиська забезпечуватимуть електрикою прибережні міста. Одне з них було описано більше десяти років тому фізиками Річардом Йеммом, Дейвом Пайзером і Крісом Ретцлером. Концепція електричного морського змія так сподобалася інвесторам, що за цей час трійця з Единбурга зуміла зібрати понад $ 100 млн для створення промислового прототипу.
Гігантський 42-метровий буй компанії Ocean Power Technologies перетворює енергію хвиль в електрику за допомогою лінійного генератора, встановленого на рухомому штоку поплавка. PowerBuoy 150 оснащується комплексом датчиків, що дозволяють в режимі реального часу адаптувати хід штока до сили, висоті і частоті хвилі, що набігає, зберігаючи оптимальний режим роботи генератора.
Хвильовий перетворювач Pelamis - це напівзанурені в воду модульна система з чотирьох 45-метрових герметичних циліндричних секцій, з'єднаних шарнірами. Більше половини маси «змія» займає баластних вода. Хитання секцій діаметром по 4,5 м на хвилях призводить в рух поршні гідравлічних насосів, які нагнітають робочу рідину через компенсуючі акумулятори на гідравлічні мотори. Мотори обертають електричні генератори, виробляючи енергію. Секції пов'язані між собою динамічним силовим кабелем, що проходить всередині шарнірів. Напруга від хвостовій секції 180-метрового тулуба «змія» надходить по кабелю на трансформатор, розташований на дні моря. А звідти - на наземні мережі. З декількох 750-кіловатних Pelamis, прикріплених до дну моря, можна вибудовувати великі енергоферми. Щільність угруповання вельми висока - для фіксації перетворювачів сумарною потужністю 30 МВт потрібно не більше 1 км² морського дна.
Але у сталевого Pelamis незабаром може з'явитися небезпечний конкурент. Це Anaconda, «вирощена» компанією Checkmate Sea Energy. 200-метрова рептилія з «шкірою» з тканини, натуральних смол і каучуку, ціною $ 3 млн здатна виробляти до 1 МВт електроенергії, розслаблено гойдаючись на хвилях. Метод генерації електрики, застосований в Anaconda, приголомшливо дотепний. Усередині черева змії знаходиться еластичний контейнер з морською водою, яка виконує відразу дві функції: вона служить баластом для оптимального притоплення установки і робочим тілом. Звиваючись під самою поверхнею хвилі під кутом до її фронту, Anaconda розганяє воду від голови до хвоста через каскад вороття-запірних клапанів. У хвості «змії» знаходяться гідравлічний акумулятор і гідротурбін. В результаті розтягування каучукової «шкури» виникає щось на зразок пульсації крові в артеріях. Потужний потік розкручує лопатки турбіни, віддаючи кінетичну енергію генератору. Втративши енергію відпрацьована вода через випускний клапан і ресивер низького тиску повертається в контейнер.
У 2008 році британці оприлюднили свою концепцію, а вже через рік побудували восьмиметровий прототип морської змії. Випробування машини в хвильовому басейні технопарку Госпорт показали феноменальні результати - крихітна Anaconda вичавлювала з хвиль практично всю енергію! Крім того, завдяки своїй еластичності вона легко витримувала екстремальні хвилі і була абсолютно не схильна до корозії. За задумом розробників, виводок з 50 і більше «анаконд» зможе забезпечити електрикою містечко середнього розміру. Інвестори натхнені таким початком і мають намір вивести установку на ринок вже в 2014 році. Вартість кіловата «зміїного» електрики обіцяє стати найнижчою на ринку - близько 14 центів. Не в останню чергу за рахунок високої надійності, мізерних витрат на обслуговування і здатності ефективно працювати на дуже слабкою хвилі енергоємністю всього близько 25 кВт на метр фронту.
Стаття «Cерфінг на терават» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №5, травень 2011 ).
При чому тут сонце, запитаєте ви?