Еще про энергию воды

Не так давно я писал про историю развития, плюсы и минусы, а также про перспективы развития добычи энергии из вод Мирового океана, основанной на разнице температур между нагретой поверхностью воды и холодными водами на глубинах порядка 1км. И, раз уж человечество смогло придумать, как обратить себе на пользу такой нетривиальный способ добывания энергии, то использовать преобразование кинетической энергии волн с электрическую, как говорится, сама природа велела.

Как рождается волна? В естественных условиях, без вмешательства человека, чаще всего это происходит так: солнце, нагревая атмосферу, заставляет перемещаться огромные воздушные массы на большие расстояния. А трение воздуха о поверхность воды и инициирует возникновение волн. Энергоемкость волны зависи от целого ряда факторов: силы ветра, его продолжительности и ширины воздушного фронта. В некоторых районах Мирового океана она может достигать 100кВт на метр фронта волны. По свидетельству метеоролога из центра NASA Уоллопс Уэйна Райта, рекордная высота волны, которая была зафиксирована летающей метеолабораторией WP-3D в 2004 году во время урагана Айвэн, составила 28м. Более спокойные ветра легко вызывают 10-метровые волны. На мелководье энергия волн резко падает из-за трения о дно, но тем не менее энергетические Клондайки встречаются и у берегов. По оценкам некоторых ученых, каждый метр линии прибоя на северо-западном побережье США, на западе Шотландии, южных оконечностях Африки, Австралии и Южной Америки может давать ежегодно от 100 до 200 МВт экологически чистого электричества. Суммарный потенциал мировой волновой энергетики только в прибрежных зонах - не менее 4ТВт! А открытое море сулит как минимум десятки, если не сотни тераватт. Однако для их получения необходимы эффективные технологии преобразования и на сегодняшний день есть некоторое количество весьма перспективных концепций.

Одна из старейших и наиболее проработанных технологий преобразования энергии волн в электричество - осциллирующая водяная колонна с воздушной турбиной Уэллса. Подобные волновые электростанции могут работать как на линии прибоя, так и вдали от берега. И в стационарных, и в плавучих установках используется один и тот же принцип: набегающая волна поднимает уровень воды в полупогруженной камере. Находящийся внутри камеры воздух выталкивается в атмосферу, проходя через лопатки реверсивной воздушной турбины низкого давления Уэллса. На откате волны воздух засасывается через турбину обратно в камеру. При этом направление вращения вала турбины не меняется, а значит передача крутящего момента на вал генератора происходит непрерывно.
Автор этого изобретения, профессор Королевского университета Белфаста Алан Артур Уэллс, разработал эту турбину более 30 лет назад специально для использования в осциллирующих водяных колоннах для исключения из их конструкции сложных клапанных систем и механизмов изменения шага.

Главные особенности и отличия турбины Уэллса от обычных турбин - симметричное сечение и относительно большой угол атаки лопастей. Из-за этого отношение скорости вращения к скорости воздушного потока у нее очень мало, а коэффициент лобового сопротивления велик. По той же причине турбина Уэллса склонна к спонтанным провалам мощности и характеризуется довольно низким КПД - от 40 до 70%. Кроме того, при вращении турбина генерирует низкочастотные шумы, напоминающие звуки гигантского органа. Но все минусы перевешиваются способностью этого воздушного винта всегда вращаться в одном и том же направлении, независимо от того, откуда на него поступает поток - спереди или сзади.

Наиболее продвинутые осциллирующие турбинные преобразователи имеют довольно сложную архитектуру воздушной камеры для максимальной компрессии потока. Коллектив исследователей из MIT (Массачусетского технологического университета) под руководством профессора Мэя, работающий над проблемой с конца 1970-х годов, и вовсе предлагает использовать сложную камеру с изменяемой геометрией и объемом. Сначала эффективность такого подхода была доказана на математической модели, а уже потом - на нескольких работающих прототипах. Нестандартное инженерное решение позволяет избежать провалов в мощности станции при падении высоты волны, а при штормовом прибое - защитить турбину от экстремальных нагрузок и возможного разрушения.
Экспериментальная волновая станция с так называемой "дышащей" камерой мощностью 750кВт уже работает на атантическом побережье Португалии, снабжая электричеством более тысячи семей. После обкатки этой технологии будет принятно решение о строительстве целого прибрежного генерирующего каскада, связанного с местными сетями.
Плавучие волновые станции с осциллирующей водяной колонной в металле еще никем не реализованы, однако скорее всего это вопрос времени. В идеале их можно будет устанавливать на удалении от обитаемого побережья, на площадях, занимаемых гигантскими ветровыми фермами на общей якорной системе.
В 2011 году шотландская инжиниринговая компания Ocean Power Technologies продемонстрировала свою новую разработку PowerBuoy PB150 - гигантский 42-метровый буй, способный превращать вертикальные колебания в электричество, покачиваясь на волнах на огромном 11-метровом поплавке. Мощность такого буя - порядка 150кВт. Морская качка заставляет поплавок, закрепленный на подвижном штоке, перемещаться по вертикальной оси. Погруженная часть буя фиксируется на дне при помощи якорной системы. Шток - подвижная часть линейного генератора, который, проходя через обмотку статора, вырабатывает ток.

Буй оснащается комплексом датчиков, позволяющих в режиме реального времени адаптировать ход штока к силе, высоте и частоте набегающей волны, сохраняя оптимальный режим работы генератора. В периоды экстремального волнения установка не повреждается, так как шток поплавка блокируется электроникой.

Для установки буя на место его работы не требуются специальные суда - обычные буксиры способны справиться с этой операцией без каких-либо проблем. Несколько буев, связанных общей якорной системой и силовым контуром, формируют волновую ферму. Геометрия группировки тщательно просчитывается для максимальной эффективности работы. Минимальная глубина моря в месте дислокации фермы должна быть не менее 30-50 м. Через подстанцию, расположенную на дне, электричество может передаваться либо на береговые сети, либо на плавучие нефтяные платформы. Как и положено всем морским сооружениям, надводная часть PB150 оснащается мачтой с навигационными огнями и радиолокационным отражателем.

По словам вице-президента OPT Чарльза Данливи, волновые фермы на основе PowerBuoy PB150 гораздо компактнее ветровых аналогов - станция мощностью 10МВт займет всего 0,125км2 поверхности моря. Техническая простота и неубиваемость таких преобразователей позволяет создавать электростанции морского базирования мощностью до 100МВт и более. ОРТ уже получила официальную сертификацию в Регистре Ллойда по классу плавучих морских сооружений постоянной дислокации и в ближайшее время первый буй планирует занять свое место в 33 морских милях от шотландского городка Инвергордон. На нем будет произведена проверка якорной системы, работы генератора при разных параметрах волны и общей надежности системы в целом. Бортовой симулятор будет имитировать взаимодействие системы с береговой сетью. Второй буй будет участвовать в эксперименте на тихоокеанском побережье США, гле планируется создать волновую ферму мощностью 1,5МВт. Также на очереди аналогичные проекты в Японии и Австралии.
Вот тут можно посмотреть небольшое видео с очень на мой взгляд неплохой демонстрацией PowerBuoy PB150 - PB150.

Существуют и более оригинальные и необычные конструкции.
У нас с вами легенды о встречах средневековых мореходов с морскими чудовищами вызывают лишь снисходительную улыбку. Однако в настоящее время встречи с гигантскими морскими змеями могут стать вполне реальными. Целые косяки таких "монстров" вскоре могут появиться в Мировом океане, в частности у берегов Шотландии и в Северном море. Одно из таких чудовищ было описано более 15 лет назад физиками Ричардом Йеммом, Дэйвом Пайзером и Крисом Ретцлером. Концепция так понравилась инвесторам, что за прошедшее время троица смогла собрать более 100 миллионов долларов на создание промышленного прототипа.


Волновой преобразователь Pelamis - это полупогруженная в воду модульная система из четырех 45-метровых герметичных цилиндрических секций, соединенных шарнирами. Более половины массы "змея" занимает балластная вода. Качание секций диаметром по 4,5м на волнах приводит в движение поршни гидравлических насосов, которые нагнетают рабочую жидкость через компенсирующие аккумуляторы на гидравлические моторы. Моторы вращают электрические генераторы, производя энергию. Секции связаны между собой динамическим силовым кабелем, проходящим внутри шарниров. Напряжение от хвостовой мекции 180-метрового корпуса "змея" поступает по кабелю на трансформатор, расположенный на дне моря, а оттуда - на наземные сети. Из нескольких 750-киловаттных Pelamis, прикрепленных к дну моря, можно выстраивать большие энергофермы. Плотность группировки довольно высока - для фиксации преобразователей суммарной мощностью 30МВт потребуется не более 1 квадратного километра морского дна.

У этого "змея" имеется и конкурент, причем весьма серьезный и опасный. Это Anaconda, "выращенная" компанией CheckMate Sea Energy. 200-метровая рептилия с "кожей" из ткани, натуральных смол и каучука, ценой порядка 3млн долларов способна вырабатывать до 1МВт энергии, просто расслабленно покачиваясь на волнах. Метод генерации электричества, примененный в Анаконде, потрясающе остроумен. Внутри брюха у нее находится эластичный контейнер с морской водой, которая выполняет сразу две функции: она служит балластом для оптимального притапливания установки и рабочим телом. Извиваясь под самой поверхностью волны под углом к ее фронту, Анаконда разгоняет воду от головы до хвоста через каскад невозвратно-запорных клапанов. В хвосте змеи находятся гидравлический аккумулятор и гидротурбина. В результате растягивания каучуковой "шкуры" возникает что-то вроде пульсации крови в артериях. Мощный поток раскручивает лопатки турбины, отдавая кинетическую энергию генератору. Потерявшая энергию отработанная вода через выпускной клапани ресивер низкого давления возвращается в контейнер.

Еще в 2008 году британцы обнародовали свою концепцию, а в 2009 построили восьмиметровый прототип морской змеи. Опытные испытания машины в волновом бассейне технопарка Госпорт показали постине феноменальные результаты - крохотная Анаконда выжимала из волн практически всю энергию. Кроме того, благодаря своей эластичности она легко выдерживала экстремальные волны и была абсолютно не подвержена коррозии. По замыслу разработчиков, "змеиный выводок" из 50 и более Анаконд сможет обеспечить электричеством город среднего размера. Стоимость киловатта "змеиного" электричества обещает стать самой низкой на рынке - порядка 14-15 центов. И не в последнюю очередь за счет очень высокой надежности, мизерных затрат на обслуживание и способности эффективно работать на весьма слабой волне энергоемкостью всего 25кВт на метр волнового фронта.

Ну и немного истории.
Первый патент в области преобразования энергии морских фолн в электричество датируется 1799 годом. Он был получен неким французом Жераром.
Первая волновая установка была построена также во Франции, вблизи Бордо. Это была довольно 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, считающийся пионером современной науки об энергии волн, в 1940-х годах провел сотни натурных экспериментов с несколькими десятками разнообразных прототипов. Тогда его работы не вызвали серьезного интереса генерирующих компаний. И только через 30 лет, после энергетического кризиса 1973 года, о волновой энергии вспомнили снова. И все действующие проекты в этой области родились именно тогда.