Хвалевая электрастанцыя: прынцып працы

Воды Сусветнага акіяна хаваюць у сабе незлічоныя багацці, галоўнымі з якіх, мабыць, з'яўляюцца бязмежныя крыніцы энергіі ў выглядзе марскіх хваль. Упершыню аб выкарыстанні кінэтычнай энергіі накатваюцца на бераг валаў задумаліся ў 18 стагоддзі ў Парыжы, дзе быў прадстаўлены першы патэнт на хвалевую млын. Цяпер тэхналогіі ступілі далёка наперад, і сумеснымі намаганнямі навукоўцаў была створана першая камерцыйная хвалевая электрастанцыя, якая пачала эксплуатавацца ў 2008 годзе.

Чаму гэта выгадна?

Ні для каго не сакрэт, што прыродныя багацці знаходзяцца на мяжы знясілення. Запасы вугалю, нафты і газу - асноўных энергетычных крыніц - падыходзяць да канца. Па самых аптымістычных прагнозах навукоўцаў, запасаў хопіць для 150-300 гадоў жыцця. Атамная энергетыка таксама не апраўдала чаканняў. Вялікая магутнасць і прадукцыйнасць акупляюць выдаткі на будаўніцтва, эксплуатацыю, але праблемы захавання адкідаў і нанясення шкоды навакольнага асяроддзі хутка прымусяць адмовіцца і ад іх. Па гэтых прычынах навукоўцы шукаюць новыя альтэрнатыўныя крыніцы энергіі. Цяпер ужо дзейнічаюць ветравыя і сонечныя электрастанцыі. Але пры ўсіх сваіх вартасцях яны маюць істотны недахоп - нізкі ККД. Задаволіць патрэбы ўсяго насельніцтва не атрымаецца. Таму неабходны новыя рашэнні.

Для выпрацоўкі электрычнасці хвалевая электрастанцыя выкарыстоўвае кінэтычную энергію хваль. Па самых сціплых падліках, гэты патэнцыял ацэньваецца ў 2 млн МВт, што параўнальна з 1000 працуючых на поўную магутнасць атамных электрастанцый, а на адзін метр фронту хвалі прыпадае каля 75 кВт / м. Пры гэтым не назіраецца абсалютна ніякага шкоднага ўздзеяння на навакольнае асяроддзе.

Агульная схема працы

Хвалевымі электрастанцыямі называюць плывучыя збудаванні, якія здольныя ператвараць механічную энергію руху хваль у электрычную і перадаваць яе спажыўцу. Пры гэтым імкнуцца выкарыстоўваць дзве крыніцы:

1. Кінэтычныя запасы. Марскія валы праходзяць праз трубу вялікага дыяметра і круцяць лопасці, якія перадаюць высілак на электрагенератар. Ўжываецца і пнеўматычны прынцып - вада, пранікаючы ў спецыяльную камеру, выцясняе адтуль кісларод, які перанакіроўваецца па сістэме каналаў і круціць лопасці турбіны.
2. Энергія качэння. У гэтым выпадку хвалевая электрастанцыя выступае ў ролі паплаўка. Перамяшчаючыся ў прасторы разам з профілем хвалі, яна з дапамогай складанай сістэмы рычагоў прымушае круціцца турбіну.

Рознымі краінамі выкарыстоўваюцца свае ўласныя тэхналогіі пераўтварэння механічнага руху хваль у электрычнасць, але агульная схема дзеянні ў іх аднолькавая.

Недахопы хвалевых электрастанцый

Галоўнай перашкодай на шляху да шырокага ўкаранення хвалевых электрастанцый з'яўляецца іх кошт. З-за складанай канструкцыі і складанай ўстаноўкі на паверхню марскіх вод затраты на ўкараненне падобных установак у эксплуатацыю вышэй, чым на будаўніцтва АЭС або ТЭС.

Акрамя таго, назіраецца і шэраг іншых недахопаў, якія ў асноўным звязаныя са з'яўленнем сацыяльна-эканамічных праблем. Справа ўся ў тым, што буйныя поплавковые станцыі ствараюць небяспеку і перашкаджаюць Мараходства і рыбалоўстве - поплавковая хвалевая электрастанцыя можа проста выцесніць чалавека з прамысловых зон. Магчымыя і экалагічныя наступствы. Выкарыстанне установак значна гасіць марскія валы, робіць іх менш і не дае прабіцца на бераг. Між тым хвалі гуляюць важную ролю ў працэсе газаабмену акіяна, ачышчэння яго паверхні. Усё гэта можа прывесці да зрушэння экалагічнай раўнавагі.

Станоўчыя бакі хвалевых электрастанцый

Разам з недахопамі хвалевая электрастанцыя мае і шэраг пераваг, якія аказваюць станоўчае ўздзеянне і на дзейнасць чалавека:

• ўстаноўкі, дзякуючы таму што гасяць энергію хвалі, могуць абараняць прыбярэжныя збудаванні (прычалы, парты) ад разбурэння сілай акіяна;
• выпрацоўка электрычнасці адбываецца з мінімальнымі выдаткамі;
• высокая магутнасць хвалявання робіць ВЭС эканамічна больш выгадныя, чым ветравыя або сонечныя электрастанцыі.

Запасамі энергіі валодаюць і воды сушы, галоўным чынам ракі. Збудаванне станцый на мастах, пераправах, прычалах з'яўляецца перспектывай развіцця гэтай галіне выпрацоўкі электраэнергіі.

Праблемы, якія трэба вырашыць

Асноўная задача, якая стаіць перад навуковым супольнасцю зараз, - гэта ўдасканаленне канструкцыі, што дазволіць знізіць сабекошт электрычнасці, якое выпрацоўваюць хвалевыя электрастанцыі. Прынцып працы павінен застацца тым жа, але ўжывацца для стварэння установак будуць ужо новыя тэхналогіі і матэрыялы.

Сярэдняя магутнасць хвалі складае 75-85 кВт / м - менавіта на такі дыяпазон наладжваюцца большасць станцый. Аднак падчас шторму сіла марскіх валаў павялічваецца ў некалькі разоў і ствараецца небяспека разбурэння установак. Ужо не адна лопасць была скамечана або пагнута пасля шторму. Для вырашэння гэтай праблемы навукоўцы штучнымі метадамі зніжаюць удзельную магутнасць хваль. Адна з праблем складаецца ў тым, што масавае выкарыстанне хвалевых станцый прывядзе да змены клімату. Генерацыя электрычнай энергіі ажыццяўляецца за кошт кручэння Зямлі (менавіта так утвараюцца хвалі). Паўсюднае выкарыстанне станцый прымусіць планету круціцца павольней. Чалавек розніцу не адчуе, але гэта знішчыць шэраг плыняў, якія гуляюць важную ролю ў цеплаабмене Зямлі.

Першая ў свеце дасведчаная ВЭС

Першая хвалевая электрастанцыя з'явілася ў 1985 годзе ў Нарвегіі. Яе магутнасць склала 500 кВт, а сама яна ўяўляла сабой вопытны ўзор. Яе прынцып дзеяння заснаваны на цыклічным сціску і пашырэнні асяроддзя:

• цыліндр з адкрытым дном пагружаны ў ваду так, каб яго край быў ніжэй лагчыны хвалі - самой ніжняй яе кропкі;
• перыядычна набегаць вада сціскае паветра ва ўнутранай паражніны;
• па дасягненні пэўнага ціску адкрываецца клапан, які дае праход сціснутаму кіслароду да турбіны.

Такая электрастанцыя выпрацоўвала 500 кВт энергіі, каб было дастаткова для пацверджання дзейснасці установак, што спрыяла іх развіццю.

Першая ў свеце прамысловая электрастанцыя

Першай у свеце устаноўкай прамысловага маштабу лічыцца Oceanlinx ў акваторыі Порт-Кембл, у Аўстраліі. Яна ўведзена ў эксплуатацыю ў 2005 годзе, але затым была адпраўлена на рэканструкцыю і ў 2009 годзе зноў зарабіла, з-за чаго ў рэгіёне цяпер выкарыстоўваюцца і прыліўныя, і хвалевыя электрастанцыі. Яе прынцып дзеяння складаецца ў наступным:

1. Хвалі перыядычна забягаюць ў спецыяльныя камеры, прымушаючы сціскацца паветра.
2. Па дасягненні крытычнага ціску сціснутае паветра праз сетку каналаў круціць электрагенератар.
3. Для ўлоўлівання руху і сілы хваляў лопасці турбіны мяняюць свой кут нахілу.

Магутнасць устаноўкі склала парадку 450 кВт, хоць кожная секцыя станцыі здольная выдаваць ад 100 кВт * г да 1,5 МВт * г электрычнай энергіі.

Першая ў свеце камерцыйная ВЭС

Першая хвалевая электрастанцыя камерцыйнага прызначэння зарабіла ў 2008 годзе ў Агусадоре, Партугалія. Больш за тое, яна першая ў свеце ўстаноўка, якая выкарыстоўвае непасрэдна механічную энергію хвалі. Праект падрыхтавала ангельская кампанія Pelamis Wave Power.

У склад канструкцыі ўваходзіць некалькі секцый, якія адпускаюцца і падымаюцца разам з профілем хвалі. Секцыі шарнірна змацаваныя з гідраўлічнай сістэмай і падчас руху прыводзяць яе ў дзеянне. Гідраўлічны механізм прымушае круціцца ротар генератара, дзякуючы чаму і выпрацоўваецца электраэнергія. Якія выкарыстоўваюцца ў Партугаліі хвалевыя электрастанцыі плюсы і мінусы маюць. Перавага ўстаноўкі заключаецца ў вялікай магутнасці - каля 2,25 МВт, а таксама ў магчымасці ўстаноўкі дадатковых секцый. Недахоп ўстаноўкі сістэмы адзін - узнікае складанасці з перадачай электрычнай энергіі па правадах да спажыўца.

Першая ў Расіі хвалевая электрастанцыя

У Расіі першая ВЭС з'явілася ў 2014 годзе ў Прыморскім краі. Распрацоўкай займаўся калектыў навукоўцаў з Уральскай федэральнай універсітэта і Ціхаакіянскага океанологического інстытута ДВО РАН. Ўстаноўка мае эксперыментальны характар. Яе асаблівасць у тым, што яна выкарыстоўвае энергію не толькі хваляў, але і прыліваў / адліваў.

У Маскве плануецца будаўніцтва навукова-даследчай лабараторыі, якая зоймецца распрацоўкай і стварэннем першай айчыннай поплавковой станцыі. Магчыма, пасля гэтага хвалевыя электрастанцыі ў Расеі таксама будуць мець прамысловае або камерцыйнае прызначэнне.