Волновые электростанции

На сегодняшний день существует большое количество различных источников энергии, которые использует человек. Основными считаются конечно же , уголь и , но ведь они когда-то закончатся. К сожалению для многих, но запасов данных углеводородов осталось не так уж и много. По приблизительным расчетам ученых, газ и нефть на нашей планете закончится через 50 лет, а уголь через 400-500. Конечно подобные прогнозы делаются с учетом того, что не будет открыто новых месторождений, но все же стоит задуматься, а что если так и произойдет?!

Конечно волновые электростанции КПД которых имеет приличное значение имеют целый ряд преимуществ делающих их более перспективными перед углеводородами. Главным считается именно коэффициент полезного действия, который имеет высокие показатели. Также стоит отметить, что поплавковая волновая электростанция может также выполнять функцию волногасителя. Благодаря подобному использованию можно обезопасить берега водоемов, у которых бывают сильные приливы. Также волновые могут выполнять охрану морских границ государства, но для этого потребуется небольшое усовершенствование.

Строительство ВЭС

Во время строительства ВЭС необходимо учитывать следующие факторы получения электрической энергии:

Требуется брать в расчет показатели кинетической энергии волн. При попадании в трубу волновой электростанции вода оказывает давление на расположенную внутри, которая приводится в движение и вырабатывает энергию. Также данный процесс может осуществляться с помощью давления, которое оказывается водой, выталкивающей воздух из полой камеры.
Энергия получаемого от качения поверхности. При подобных случаях на поверхность воды устанавливаются специальные датчики, называемые поплавками. Они отслеживают профили каждой волны и преобразовывают качание в электрическую энергию.

К счастью схема ПВЭС проста, поэтому на строительство и запуск не приходится тратить больших средств, в то время как КПД приливной электростанции позволяет использовать ее даже для крупных городов побережья.

Заключение

Конечно, как и другие альтернативные способы добычи электрической энергии, данный метод не до конца изучен и разработан, но процесс идет очень хорошими темпами. На сегодняшний день даже преобразование не может на равных конкурировать с углеводородными источниками, но следует продолжать исследовать все альтернативные методы. Россия не так давно стала разрабатывать проект получения энергии из ВЭС, но у страны есть большой потенциал и возможности, которые требуется лишь реализовать на все 100%.

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 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 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 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 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 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.

Энергия волн океанов превосходит по удельной мощности как ветровую, так и . Средняя мощность волн океанов и морей превышает 15 кВт на погонный метр, а при высоте волн в 2 метра, мощность может достигать и все 80 кВт на погонный метр.

При преобразовании энергии волн, эффективность может существенно превышать прочие альтернативные способы, такие как ветряные и солнечные электростанции, достигая коэффициента полезного использования в 85%.

Энергию из морской качки можно получить, преобразовав колебательное движение волн вверх и вниз в электрическую энергию посредством генератора. В простейшем случае генератор должен получать вращательный момент на вал, при этом промежуточных преобразований не должно быть много, а большая часть оборудования должна находиться по возможности на суше.

Первый промышленный вариант волновой электростанции, построенный шотландской компанией Pelamis Wave Power, был запущен в эксплуатацию в 2008 году в 5 километрах от берега в городе Повуа-ди-Варзин, в районе Агусадора в Португалии. Электростанция называется Pelamis P-750. Она состоит из трех одинаковых конвертеров, качающихся на волнах Атлантического океана, и вырабатывающих вместе 2,25 МВт электрической энергии. Каждый конвертер состоит из четырех секций.

Конвертеры имеют длину по 120 метров, диаметр 3,5 метра, а весят по 750 тонн. Эти конструкции змеевидной формы похожи на плавающие составы из четырех вагонов, или на морских змей, как их называют местные жители.

Каждая секция содержит гидравлический мотор и генератор. Гидравлические моторы приводятся в движение маслом, которое двигают поршни, управляемые, в свою очередь, движением стыков конструкций на волнах вверх и вниз. В стыках расположены специальные силовые модули, разработанные так, чтобы поршни работали наиболее эффективно.

Гидравлические моторы вращают генераторы, которые в свою очередь вырабатывают электричество. Электроэнергия подается на берег через силовые кабели. Этой энергии достаточно для обеспечения 1600 домов прибрежного городка Повуа-ди-Варзин.

В 2009 году у берегов Оркнейских островов, в северной части Шотландии, было запущено еще одно уникальное сооружение, вырабатывающее энергию благодаря волнам Северного моря. Это разработанный и построенный эдинбургской компанией Aquamarine Power, генератор «Oyster», что в переводе означает «Устрица».

Проект представляет собой большой поплавок-насос, который раскачивается волнами вперед и назад, и приводит, таким образом, в движение двухсторонний насос, расположенный на дне, на глубине около 16 метров.

Особенность конструкции в том, что вся электрическая часть устройства вынесена на берег, а связь между этими двумя частями – поплавком-насосом и береговой электростанцией - осуществляется через трубу, по которой морская вода под давлением устремляется к гидроэлектрогенератору.

Эта станция питает электроэнергией несколько сотен домов, а максимальная мощность, которую может развить система, составляет 600 кВт.

В Aquamarine Power уверены, что проект «Oyster» является лишь первым шагом. В компании подумывают о создании парка из 20 таких агрегатов, которые могли бы вырабатывать мегаватты электроэнергии для обеспечения 9000 частных домов. Еще одним вариантом может быть постройка комплекса из нескольких поплавков-насосов, работающих на одну мощную береговую гидроэлектрическую турбину.

В том же 2009 году в Великобритании, у побережья Корнуолла, началось строительство комплекса волновых генераторов Wave Hub, которые соединяются с берегом при помощи силового кабеля. Комплекс генераторов марки PowerBuoy, американской компании Ocean Power Technologies, работает за счет вертикального перемещения поплавков, которые скользят по колоннам, заякоренным у дна. Глубина, где установлены колонны, составляет 50 метров, а общая мощность системы из 400 буев составит в итоге 50 МВт.

Это крупнейшая волновая электростанция в мире, и ее строительство должно длиться по плану в течение 5 лет. Буи расположены в море начиная с расстояния 16 километров от берега, где расположен городок Хейли, и дальше, на протяжении 1800 метров, должны размещаться в общей сложности 400 таких буев. Проект постоянно (до сих пор) развивается, а данные о технических характеристиках везде разнятся. По последним неофициальным данным, достигнута максимальная мощность в 20 МВт.

Буи устроены следующим образом. Колонна содержит внутри генератор, который за счет системы поршней приводится в движение, и вырабатывает электричество, когда буй колеблется на волнах. от каждого буя передается по проводам на подводную подстанцию, от которой силовой кабель передает электроэнергию на сушу.

Энергия волн – энергия, которую волны переносят по поверхности воды. Это неисчерпаемый источник, пригодный для получения электричества. Для преобразования энергии волны в электроэнергию сооружают электростанции волновые. Их монтируют непосредственно в воду.

В перспективе волновая генерация может за год выдать 4 ТВт в прибрежных зонах и до нескольких десятков ТВт в открытом море.

Природа явления

Волнообразование – есть результат воздействия солнечных лучей. Солнце нагревает воздушные массы, из-за чего они перемещаются в пространстве. В процессе перетекания воздух соприкасается с поверхностью океана, инициируя возникновение волны.

Энергоемкость конкретного волнового вала определяется:

силой ветров;
продолжительностью порывов;
шириной воздушного фронта.

Максимальное значение энергоемкости одной волны достигает 100 кВт на 1 м. Данный показатель существенно понижается на мелководье, что объясняется трением о дно водоема.

Принцип действия классической волновой электростанции

Осциллирующая водяная колонна с воздушной турбиной Уэллса являет собой классический, наиболее проработанный вид волновой электростанции. Аналогичное оборудование успешно функционирует как в море, так и в прибрежной зоне.

Принцип работы одинаков и для стационарных, и для плавучих моделей. Волной в, наполовину погруженной в воду, камере поднимается уровень воды. Благодаря заполнению внутреннего объема агрегата водой, воздух, находящийся внутри, под давлением выдавливается из сосуда. Образовавшиеся воздушные потоки пропускаются через лопасти реверсивной турбины низкого давления Уэллса. Когда возникает откат воды, воздух возвращается в камеру, минуя все те же турбинные лопатки. Уэллс добился сохранения направления вращения вала турбины вне зависимости от направления движения волны, что обеспечивает непрерывность передачи крутящего момента на вал генератора.

Турбина Алана Артура Уэллса избавлена от сложных механизмов измерения шага, а также систем клапанов. Агрегат имеет симметричное сечение и сравнительно большой угол атаки лопастей. В целом механизм характеризуется:

малым отношением скорости вращения к скорости потока воздуха;
высоким коэффициентом лобового сопротивления;
периодическими провалами мощности;
КПД на уровне 40-70%;
шумностью – издаваемые им, звуки сопоставимы со звучанием огромного органа.

Совершенствование классической модели

Принцип действия подобных агрегатов сохраняется неизменным. Конструкторы пытаются изменить архитектуру камеры, чтобы добиться максимального сжатия воздушной массы внутри нее. Усовершенствованная модель камеры позволяет изменять ее объем и геометрию в зависимости от состояния акватории.

Эффективность этой идеи доказали и теоретически, и практически. В итоге удалось избавиться от перепадов мощности станции, обусловленных падением высоты волны, и защитить оборудование от чрезмерных нагрузок и разрушения во время штормов.

Такая станция с «дышащей» камерой функционирует в Атлантике у португальских берегов. Ее мощности в 750 кВт достаточно для обеспечения электричеством около 1000 семей. Там планируется создать огромный прибрежный генерирующий каскад.

В перспективе плавучие волновые станции этого типа будут строить там, где функционируют ветровые фермы, используя единую якорную систему для электростанций обоих видов.

Буй-генератор

Ocean Power Technologies (OPT) – инжиниринговая компания из Шотландии – представила PowerBuoy PB150. Это огромный буй длиной 42 м, удерживаемый одиннадцатиметровым поплавком и якорной системой. Мощность одной станции 150 кВт.

Агрегат способен преобразовывать в электроэнергию вертикальные колебания. Погруженная часть буя-генератора зафиксирована на дне якорной системой. Поплавок перемещается по вертикали в унисон колебанию морских вод — он закреплен на подвижном штоке. Шток – часть линейного генератора, который во время прохождения обмотки статора вырабатывает электричество.

Конструкция оснащена системой датчиков, благодаря которой можно вручную адаптировать ход штока согласно силе, высоте и частоте волн, добиваясь наиболее рационального режима работы оборудования. Во избежание аварий в периоды сильных штормов шток поплавка блокируется автоматически.

К месту дислокации агрегат доставляют буксиры. Несколько подобных буев, установленные рядом, использующие общую якорную систему и единый силовой контур, образуют волновую ферму. Для установки системы мощностью 10МВт необходимо 0,125 квадратных км водной поверхности. Первый такой буй разместили в 33 морских милях от Инвергордона (Шотландия). Анализ среды вблизи функционирующего генератора показал, что он экологически нейтрален.

Преимущества и недостатки

Преимущества волновой энергетики:

волновая электростанция способна заменить волногасители, защищающие береговую линию и прибрежные сооружения от разрушения;
волновые электрогенераторы малой мощности можно монтировать непосредственно на мостовых опорах, причалах, принимая мощность волн;
удельная мощность волнения волн выше удельной мощности ветров на 1-2 порядка, соответственно волновая энергетика может оказаться выгоднее, нежели ветряная.

Недостатки:

штормовая волна способна смять лопасти водяных турбин. Проблема решается методами искусственного уменьшения мощности, заключенной в волнах;
некоторые типы генераторов представляют реальную угрозу для безопасности мореплавания;
в местах установки отдельных видов агрегатов промышленное рыболовство становится невозможным.

Вашему вниманию представляется схема генератора волн Шумана на основе универсального таймера NE 555. Конструкция генератора проста и в особых настройках не нуждается. Особенностью схемы является бифилярная катушка, выполненная печатным способом.

Из страниц Википедии о резонансе Шумана называется явление образования стоячих электромагнитных волн низких и сверхнизких частот между поверхностью Земли и ионосферой .

Это глобальное явление электромагнитного резонанса названо в честь физика Винфрид Отто Шуман, который предсказал это математически в 1952 году. Резонанс Шуман происходит потому, что пространство между поверхностью Земли и ионосферой действует как замкнутый волновод-резонатор для низких и сверхнизких частотволн низких. Считается, что разряды молнии являются первичным естественным источником возбуждения резонанса Шумана. Наиболее чётко наблюдаются пики на частотах примерно 8, 14, 20, 26, 32 Гц. Основная частота резонанса Шумана - 7,83 Гц.

На данный момент в продаже имеется множество устройств генерирующих частоты резонанса Шумана. Считается, что волны Шумана благоприятно влияют на организм человека http://udalov-boris.narod2.ru/volni_shumana_i_mozg/ , а также этот генератор использует народ, как дополнительную «примочку» к своим музыкальным системам, для усиления восприятия музыкального произведения. Как выразился один друг, « помогает легче быть втянутым в музыку», но в этом случае необходимо поэкспериментировать с расположением девайса.

Рис.1 Схема генератора

Настройка частоты выполняется элементами R 1, R 2, C 1. Лучше использовать подстроечный резистор R 2 номиналом 100К. С его помощью выставляется частота 7,83 Гц. Резистор R3- токоограничивающий.

Рис.2 Печатная плата устройства

В нижней правой части Рис.2 разводка схемы питания на стабилитроне 7805.

Рис.3 Общий вид

Рис.4 Устройство в сборе