Волновая электростанция: принцип работы
Воды Мирового океана скрывают в себе несметные богатства, главными из которых, пожалуй, являются безграничные источники энергии в виде морских волн. Впервые об использовании кинетической энергии накатывающихся на берег валов задумались в 18 веке в Париже, где был представлен первый патент на волновую мельницу. Сейчас технологии шагнули далеко вперед, и совместными усилиями ученых была создана первая коммерческая волновая электростанция, которая начала эксплуатироваться в 2008 году.
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.
Общая схема работы
Волновыми электростанциями называют плавучие сооружения, которые способны преобразовывать механическую энергию движения волн в электрическую и передавать ее потребителю. При этом стараются использовать два источника:
- Кинетические запасы. Морские валы проходят через трубу большого диаметра и вращают лопасти, которые передают усилие на электрогенератор. Применяется и пневматический принцип – вода, проникая в специальную камеру, вытесняет оттуда кислород, который перенаправляется по системе каналов и вращает лопасти турбины.
- Энергия качения. В этом случае волновая электростанция выступает в роли поплавка. Перемещаясь в пространстве вместе с профилем волны, она посредством сложной системы рычагов заставляет вращаться турбину.
Разными странами используются свои собственные технологии преобразования механического движения волн в электричество, но общая схема действия у них одинаковая.
Недостатки волновых электростанций
Главным препятствием на пути к обширному внедрению волновых электростанций является их стоимость. Из-за сложной конструкции и сложной установки на поверхность морских вод затраты на внедрение подобных установок в эксплуатацию выше, чем на строительство АЭС или ТЭС.
Кроме того, наблюдается и ряд других недостатков, которые в основном связаны с появлением социально-экономических проблем. Дело все в том, что крупные поплавковые станции создают опасность и мешают мореходству и рыболовству – поплавковая волновая электростанция может просто вытеснить человека из промысловых зон. Возможны и экологические последствия. Использование установок значительно гасит морские валы, делает их меньше и не дает пробиться на берег. Между тем волны играют важную роль в процессе газообмена океана, очищения его поверхности. Все это может привести к смещению экологического равновесия.
Положительные стороны волновых электростанций
Вместе с недостатками волновая электростанция имеет и ряд преимуществ, которые оказывают положительное воздействие и на деятельность человека:
- установки, благодаря тому что гасят энергию волны, могут защищать прибрежные сооружения (причалы, порты) от разрушения силой океана;
- выработка электричества происходит с минимальными затратами;
- высокая мощность волнения делает ВЭС экономически более выгодными, нежели ветровые или солнечные электростанции.
Запасами энергии обладают и воды суши, главным образом реки. Сооружение станций на мостах, переправах, причалах является перспективой развития этой области выработки электроэнергии.
Проблемы, которые надо решить
Основная задача, которая стоит перед научным сообществом сейчас, – это совершенствование конструкции, что позволит снизить себестоимость электричества, которое вырабатывают волновые электростанции. Принцип работы должен остаться тем же, но применяться для создания установок будут уже новые технологии и материалы.
Средняя мощность волны составляет 75-85 кВт/м – именно на такой диапазон настраиваются большинство станций. Однако во время шторма сила морских валов увеличивается в несколько раз и создается опасность разрушения установок. Уже не одна лопасть была смята или погнута после шторма. Для решения этой проблемы ученые искусственными методами снижают удельную мощность волн. Одна из проблем состоит в том, что массовое использование волновых станций приведет к изменению климата. Генерация электрической энергии осуществляется за счет вращения Земли (именно так образуются волны). Повсеместное использование станций заставит планету вращаться медленнее. Человек разницу не почувствует, но это уничтожит ряд течений, которые играют важную роль в теплообмене Земли.
Первая в мире опытная ВЭС
Первая волновая электростанция появилась в 1985 году в Норвегии. Ее мощность составила 500 кВт, а сама она представляла собой опытный образец. Ее принцип действия основан на циклическом сжатии и расширении среды:
- цилиндр с открытым дном погружен в воду так, чтобы его край был ниже ложбины волны – самой нижней ее точки;
- периодически набегающая вода сжимает воздух во внутренней полости;
- по достижении определенного давления открывается клапан, который дает проход сжатому кислороду к турбине.
Такая электростанция вырабатывала 500 кВт энергии, чтобы было достаточно для подтверждения действенности установок, что способствовало их развитию.
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:
- Волны периодически забегают в специальные камеры, заставляя сжиматься воздух.
- По достижении критического давления сжатый воздух через сеть каналов вращает электрогенератор.
- 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.
Первая в мире коммерческая ВЭС
Первая волновая электростанция коммерческого назначения заработала в 2008 году в Агусадоре, Португалия. Более того, она первая в мире установка, которая использует непосредственно механическую энергию волны. Проект подготовила английская компания Pelamis Wave Power.
В состав конструкции входит несколько секций, которые отпускаются и поднимаются вместе с профилем волны. Секции шарнирно скреплены с гидравлической системой и во время движения приводят ее в действие. Гидравлический механизм заставляет вращаться ротор генератора, благодаря чему и вырабатывается электроэнергия. Используемые в Португалии волновые электростанции плюсы и минусы имеют. Преимущество установки заключается в большой мощности – около 2,25 МВт, а также в возможности установки дополнительных секций. Недостаток установки системы один – возникает сложности с передачей электрической энергии по проводам к потребителю.
Первая в России волновая электростанция
В России первая ВЭС появилась в 2014 году в Приморском крае. Разработкой занимался коллектив ученых из Уральского федерального университета и Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН. Установка имеет экспериментальный характер. Ее особенность в том, что она использует энергию не только волн, но и приливов/отливов.
В Москве предполагается строительство научно-исследовательской лаборатории, которая займется разработкой и созданием первой отечественной поплавковой станции. Возможно, после этого волновые электростанции в России тоже будут иметь промышленное или коммерческое назначение.