5.1. Используем энергию морских волн

Энергия морских волн

Как показывают расчеты, концентрация энергии морской волны почти в шесть раз выше, чем энергия ветра, который поднимает эту волну и составляет около 4000 Вт/м² в среднем по океану.

Энергетический потенциал ветра на 1 м² вертикальной поверхности при скорости 10 м/с составляет 650 Вт/ м². Энергетический потенциал 1 м² горизонтальной морской поверхности при высоте волны 2 м составляет. 4000 Вт/м².

Т. е. через единичную площадь воздействия энергоносителя, морская волна почти в 6 раз эффективней ветра (http://www.watervigorous.com/v2.html).

Реактивный преобразователь энергии морской волны

Преобразователь представляет собой вертикально установленную трубу, нижний конец которой снабжен тройниковым наконечником с входным и выходным клапаном (рис. 5.1, левый).

Так, при площади сечения трубы 1 м², амплитуде волны 2 м и периоде волнения 10 с, потенциальная энергия рабочего объема воды составит 8160 кгм, а средняя мощность в течение периода — 816 кгм/с или около 11 лошадиных сил.

При прохождении волны вода с одного конца входит в трубу, а из другого выходит. Имея однонаправленное горизонтальное движение, вода создает реактивную тягу, определяемую массой воды в трубе, высотой волны и скоростью свободного падения.

Трубы могут крепиться на борту плавсредства и обеспечивать ему:

♦ или линейное движение (для мобильного объекта);

♦ или круговое движение (для стационарного энергетического объекта).

Рис. 5.1. Преобразователи энергии морской волны

Вторая разработка (рис. 5.1, правый), представляет собой пневматический преобразователь. Группа труб, открытых с нижнего конца, устанавливается вертикально на водной поверхности. В верхней части каждая труба имеет по два клапана, входной и выходной которые также объединены, соответственно, между собой.

Конструкция представляет собой гигантский многоцилиндровый газовый компрессор, поршнями которого является вода, движимая, энергией морских волн по вертикальным трубам вверх и вниз.

Морской утюг. Между горизонтально расположенным трубопроводом верхнего давления и трубопроводом нижнего давления установлена воздушная турбина, вращающая электрогенератор для стационарного варианта, или редуктор с винтом для мобильного объекта.

Новым в предложенных разработках является то, что одна воздушная турбина может работать на неограниченное количество труб, играющих роль цилиндров в получившемся компрессоре.

Самоходная платформа «Морской утюг» (рис. 5.2) использует энергию морских волн для собственного движения и аккумулирования энергии. Может использоваться для защиты береговых сооружений, в качестве понтонной переправы, создания морских и авиационных портов на открытой морской акватории, зарядки аккумуляторов энергии, перевозки грузов и т. д.

Рис. 5.2. Самоходная платформа «Морской утюг»

Гидроаккумулирующая электростанция на энергии морских волн

Необычное устройство Searaser и проект под названием Dartmouth Wave Energy (английский изобретатель Элвин Смит (Alvin Smith) представляет собой волновую электростанцию, использующую энергию вертикального движения поплавка.

Однако сам поплавок не имеет электрических систем и представляет собой механический насос, который закачивает морскую воду на большую высоту в прибрежные скалы (http://aenergy.ru/872).

Этот проект — необычная мини Гидроаккумулирующая электростанция (по-английски Pumped-storage hydroelectricity).

В основе установки — два поплавка (рис. 5.3), способных двигаться друг относительно друга. Верхний раскачивается волнами, нижний соединен с дном при помощи цепи и якоря. Между поплавками находится «насосная станция» (цилиндр с поршнем двойного действия, который качает воду при движении вниз и вверх) и клапанами с выходными трубами.

Рис. 5.3. Система поплавков

Автоматическая подстройка высоты положения верхнего поплавка в зависимости от уровня моря, который меняется в прилив и отлив — телескопическая труба, раздвигающаяся и складывающаяся под действием сил Архимеда и тяжести. К этой «приливной» колонне крепится насос с верхним поплавком.

Вода подается на сушу, в горы. В горах устраивается бассейн, в котором вода накапливается и выпускается обратно в море, по пути вращая турбину электростанции, идентичной традиционной ГЭС, но без дамбы.

Преимущества у подобной установки следующие. В поплавке нет проводов, магнитов, катушек, контактов и герметичных отсеков для оборудования, что делает его гораздо более дешевым, простым и надежным. Турбины и электрогенераторы волновой станции, расположенные на берегу, — давно опробованная и испытанная на ГЭС техника. В отличие от традиционной ГАЭС, Searaser не требует нижнего водохранилища. В отличие от волновых электростанций, эта установка решает проблему неравномерности силы волн.

По оценке создателя машины, Searaser может поднимать морскую воду на высоту до 200 м. Один полноразмерный поплавок Searaser развивает мощность 0,25 МВт.

Волновая энергетическая установка

Волновая энергетическая установка представляет собой укрепленную в донном грунте стойку, на которой шарнирно закреплен двуплечный рычаг (рис. 5.4). На одном конце рычага находится поплавок, а другой связан с поршнем водяного насоса. Колебания поплавка вызывают движение поршня водяного насоса, нагнетающего по трубопроводу воду в накопитель. Из него вода под действием силы тяжести стекает вниз, вращая лопасти турбины гидрогенератора. Последний вырабатывает электрический ток.

Рис 5.4. Волновая энергетическая установка

Главный плюс изобретения заключается в том, что у него нет ахиллесовой пяты большинства современных волновых установок. Обычно устройства генерируют энергию непосредственно в море, а на берег доставляют ее с помощью кабеля.

В итоге снижается себестоимость установки, облегчаются монтаж и эксплуатация. В конструкции предусмотрена штормовая защита. Изобретение запатентовано и получило свидетельство № 2006121511 (023345) «Волновая энергетическая установка». Создана действующая модель установки. Таким образом, российский изобретатель Антон Кирюнин предложил новый метод использования энергии морских волн. Изобретатель руководствовался принципами ТРИЗа — классической теории решения изобретательских задач, разработанной «отцом» советских изобретателей Генрихом Альтшуллером (http://aenergy.ru/1216).

Новая волновая установка может работать не только в прибрежных водах морей и океанов, но и на речных магистралях. По предварительным расчетам, оптимальная мощность одного энергомодуля будет составлять порядка 10 кВт при КПД 25 %. Себестоимость 1 кВт-ч, вырабатываемого волновой установкой, сравнима с себестоимостью 1 кВт-ч, вырабатываемого ветряками.

Электростанция-поплавок

Московские ученые из компании «Прикладные технологии» представили новую разработку — электростанцию-поплавок. В ней предусмотрен специальный колебательный механизм, который действует согласованно с морским волнением и эффективно преобразует энергию волн в электричество. Его принцип производства электричества из энергии волн более эффективен по сравнению с существующими аналогами (http://aenergy.ru/1628).

Само устройство (рис. 5.5) представляет собой капсулу-поплавок, плавающую на поверхности воды. Его, можно располагать как вблизи от берега, так и вдали от него. Капсулу необходимо либо привязывать к стационарному объекту, либо можно установить множество капсул, которые будут связаны между собой. В последнем случае их общая мощность может достигать нескольких десятков мегаватт.

Рис. 5.5. Электростанция-поплавок

Поплавковые электростанции можно использовать для обеспечения энергией прибрежных и островных поселений, плавучих заводов, морских нефтяных вышек. По оценкам разработчиков, стоимость электроэнергии при этом будет составлять не более 2 руб. за кВт-ч, а капитальные затраты на сооружение электростанций окупятся за 2 года при общем сроке службы в десятки лет.

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

Волновое устройство

Среди специалистов, занимавшихся энергией морских волн, существует общая точка зрения: энергия морских волн может быть использована довольно просто, но, в первую очередь, не в полосе прибоя, как многие думали раньше, а в открытом море, причем мощность установок будет весьма скромная (http://physiclib.ru/).

В качестве примера подобной установки приведем представленное на рис. 5.6 устройство.

Рис. 5.6. Волновое устройство

Это устройство представляет собой нечто подобное плавающему на воде ящику (платформе), обращенному открытой стороной вниз. Устройство имеет довольно большие линейные размеры для того, чтобы колебания ящика под действием волн были небольшими.

Платформа разделена на открытые снизу секции, заполненные воздухом, играющие роль цилиндров поршневой воздушной машины. Волны, проходя под платформой, сжимают поочередно находящийся в секциях воздух. Таким образом, вода играет роль поршня.

Следовательно, в секциях поочередно по мере прохождения под ними волн давление будет то больше, то меньше. Когда данная секция находится над гребнем волны, объем находящегося в лей воздуха уменьшается, воздух сжимается, давление его растет. Когда

Направление движения морских волн же секция находится над межволновой впадиной, давление воздуха снижается.

Если дать возможность воздуху из секции с большим давлением перетекать в секцию с меньшим давлением, а на пути потока воздуха установить небольшую воздушную турбину, соединенную с электрическим генератором, то такое устройство будет преобразовывать энергию волн в электрическую энергию.

Направление протекания воздуха из одной секции в другую будет периодически изменяться. При штиле устройство, очевидно, работать не будет. Поэтому в необходимых случаях на платформе должен быть установлен хорошо защищенный от влаги электрический аккумулятор.

Все сказанное иллюстрируется рис. 5.6. В Японии подобные устройства используются для питания электроэнергией плавающих буев. Пока еще рано говорить об экономической эффективности описанного и других подобных устройств (например, с использованием гидравлических турбинок), все это пока первые шаги.

Волновая электростанция

Энергия морских волн в природе представлена в наиболее сконцентрированном виде. Среднегодовые показатели энергии на один метр волнового фронта Северного моря составляет 90 кВт, а Черного моря — 40 кВт.

Волновая станция (рис. 5.7) обладает следующими преимуществами:

♦ содержит гибкую энергопоглащающую систему, которая непрерывно изменят свои параметры под воздействием набегающих морских волн широкого диапазона длин и амплитуд, что определяет КПД станции до 80 %;

♦ имеет низкий уровень удельных капитальных затрат — 2500–3500$ на 1 кВт/час производительности, что ниже этого показателя для существующих волновых электростанций;

♦ имеет низкую себестоимость производимой электроэнергии — 0,005$ за один кВт/час;

♦ представляет собой модульную конструкцию и может проектироваться требуемой производительности;

♦ производительность одного модуля, лежит в пределах от 0,1 МВт до 1 МВт, и зависит от энергетического потенциала акватории и размеров модуля;

♦ станция имеет высокую стойкость в штормующем море, что обеспечивается проницаемостью конструкции для морских волн и ее способностью погружаться на необходимую глубину;

♦ станция мобильна и может быть отбуксирована в любой участок акватории.

Рис. 5.7. Волновая электростанция

Для постановки волновых станций такого типа на производство на сегодняшний день по заданию и при участии НПФ «Крок-1» проведены следующие работы (http://energetika.biz.ua/):

♦ изготовлен и испытан макет станции в масштабе 1:10;

♦ испытания проводились в волновом бассейне института гидромеханики НАН Украины и в натурных условиях Киевского водохранилища.