Морской волновой прибрежный электрогенератор
Волновая электростанция – электростанция, расположенная в водной среде, целью которой является получение электроэнергии из кинетической энергии волн.
Автором создано устройство оригинальной конструкции, позволяющее добывать энергию в прибрежной зоне.
Громадный потенциал
Потенциал волн огромен: он оценивается более чем в 2 млн МВт. Наиболее пригодны для волновой энергетики западное побережье Европы, северное побережье Великобритании и тихоокеанское побережье Северной, Южной Америки, Австралии и Новой Зеландии, а также побережье Южной Африки. Но и в других местах энергию волн можно использовать.Еще в 1799 г. во Франции была подана первая заявка на патент волновой мельницы. С тех пор энергию волн пытались использовать неоднократно. Интерес особо увеличился после нефтяного кризиса в 1973 г. А в 2008 г. в Португалии, в районе Агусадора вошла в эксплуатацию первая волновая электростанция. Она расположена в 5 км от берега. Мощность ее составляет 2,25 МВт, что хватает для обеспечения электроэнергией примерно 1600 домов. Проект электростанции принадлежит шотландской компании «Pelamis Wave Power».
Электростанция состоит из трех больших плавающих объектов Pelamis P-750 змеевидного типа длиной 120 метров. Объекты состоят из секций, между которыми закреплены гидравлические поршни. Внутри каждой секции также есть гидравлические двигатели и электрогенераторы. Под воздействием волн конвертеры качаются на поверхности воды, и это заставляет их изгибаться. Движение этих соединений приводит в работу гидравлические поршни, которые, в свою очередь, приводят в движение масло. Масло проходит через гидравлические двигатели. А гидравлические двигатели приводят в движение электрические генераторы, которые производят электроэнергию.
Планировалось добавить к трем существующем конвертерам еще 25, что увеличит мощность электростанции до 21 МВт. Такой мощности хватит для обеспечения электроэнергией 15 000 домов и снизит выбросы углекислого газа на 60 000 тонн в год.
Другие проекты
В 2009 г. у берегов Оркнейских островов, в северной части Шотландии, было запущено еще одно уникальное сооружение. Это генератор «Oyster» («Устрица»). Он 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 м. Вся электрическая часть устройства вынесена на берег, а связь между двумя частями – поплавком-насосом и береговой электростанцией – осуществляется через трубу, по которой морская вода под давлением устремляется к гидроэлектрогенератору. Максимальная мощность системы – 600 кВт.На территории Москвы планировалось строительство производственного научно-исследовательского предприятия, которое будет разрабатывать модуль поплавковой волновой электростанции. А ученые УрФУ разработали мобильную волновую электростанцию. Кроме того, в России планировалось построить волновой генератор «Ocean 160».
А в Великобритании, у побережья Корнуолла, – электростанцию «Wave Hub» мощностью в 20 МВт. Здесь комплекс генераторов соединяется с берегом при помощи силового кабеля. Сам комплекс работает за счет вертикального перемещения поплавков, которые скользят по колоннам, заякоренным у дна. Общая мощность системы из 400 буев запланирована на 50 МВт.
Это крупнейшая волновая электростанция в мире. Буи расположены в море начиная с расстояния 16 км от берега и дальше, на протяжении 1800 м.
Буи устроены следующим образом. Колонна содержит внутри генератор, который за счет системы поршней приводится в движение, и вырабатывает электричество, когда буй колеблется на волнах. Электрический ток от каждого буя передается по проводам на подводную подстанцию, от которой силовой кабель передает электроэнергию на сушу.
Проблемы и преимущества
Основная проблема при создании волновых электростанций связана с тем, что штормовые волны гнут и сминают даже стальные лопасти водяных турбин. Поэтому приходится применять методы искусственного снижения мощности, отбираемой от волн. Кроме того, они могут представлять опасность для безопасного плавания.Тем не менее у таких станций есть и свои преимущества. Они могут выполнять роль волногасителей, защищая гавани и берега от разрушения. Некоторые маломощные типы могут устанавливаться на стенках причалов и опорах мостов, уменьшая воздействие волн на них. 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 морских колебаний можно получить, преобразовав 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.
Авторская идея
Автор давно занимается разработкой проектов использования прибрежной волновой энергии.В настоящее время морская прибрежная волновая энергия практически не используется, хотя запасы ее неисчерпаемы. Среди возобновляемых источников энергия волны обладает наибольшей удельной мощностью: 15 кВт / погонный метр.
Прибрежная волновая электростанция, по мнению автора, должна удовлетворять следующим требованиям:
1. Энергия волн идет по поверхности, под водой движения практически нет, т. е. забор энергии происходит только с поверхности воды. Движущиеся части под водой исключены. Забор энергии идет в зоне максимальной волновой энергии в полосе прибоя;
2. Используется не только фактор подъема и спада волны, но и фактор движения волн в определенном направлении;
3. То, что станция «прибрежная», предполагает близкое наличие дна, поэтому обязательно использование опоры о дно. Забор энергии волны только от подъема и спада без опоры – неэффективен;
4. Генератор должен обязательно находиться над водой, под водой генератор устанавливать нельзя или практически сложно. Низкоэффективный «линейный» возвратно-поступательный генератор следует исключить.
В основе предыдущей авторской идеи – тележка с килем и баллонами большого диаметра на осях по краям тележки. Это – по примеру одной из осей автомобиля повышенной проходимости с колесами большого диаметра. Сама тележка находится на оси конца силового рычага, другой конец которого – на верху столба (колонны), выполняющего опорные функции. Силовая часть – между опорой (столбом) и верхним концом рычага (патент № 2597342).
Недостаток устройства – удаленность центра тяжести силовой части от оси опорной башенки с опорой на дне, ограничение угла действия силовой части. Эти факторы могут привести к не совсем стабильной работе и в сильный шторм вызвать поломку и отказ в работе устройства.
Новая задача
Задачей являлось создание устройства, позволяющего более свободно и эффективно производить забор волновой энергии с поверхности волн недалеко от берега на небольшой глубине, где максимальна волновая амплитуда, и работа которого слабо зависит от искаженной формы волны, вносимой гребнем (буруном).Технический эффект такого изобретения достигается путем усовершенствования устройства, которое с помощью рычага с поплавком вращает круговые генераторы, расположенные над поверхностью воды, в котором используется фактор направления движения волн и свойство баллонов тороидальной формы большого диаметра в движении преодолевать крупные волны с закрученным гребнем.
Состав устройства
Предлагаемое устройство состоит из: полой цилиндрической башенки с опорой, корпуса силовой части на верху башенки с возможностью разворота без ограничений на 360 градусов на оси башенки, генераторов на корпусе силовой части, рычага, поплавка на оси внизу рычага в виде тележки с килем и баллонами тороидальной формы на осях вращения по краям тележки. Внутри корпуса силовой части находится втулка с маховым колесом. Втулка соединена с осью, к которой с двух сторон закреплен рычаг, через механизмы одностороннего вращения (храповики). Шестерня на оси генераторов зацеплена с маховым колесом.На башенку сверху, как продолжение башенки, вставлен держатель колец кольцевого токосъемника, на нем, в свою очередь, установлена шаровая опора для корпуса силовой части, который дополнительно держится не опорном кольце. Между корпусом силовой части и башенкой с держателем находятся игольчатые подшипники. Через нишу корпуса силовой части вставляется щеткодержатель со щетками, которые контактируют с кольцами токосъемника на держателе колец. Провод от генераторов позволяет свободно вытаскивать и вставлять щеткодержатель в нишу. Ниша закрывается крышкой. Провод для потребителя изнутри соединен с кольцами, затем через полую башенку уходит ко дну и далее – на потребителя.
Принцип работы
Волна килем ориентирует корпус силовой части рычагом по направлению своего движения на оси башенки, поднимает рычаг за счет баллонов и с помощью механизма одностороннего вращения раскручивает маховое колесо, которое в свою очередь вращает шестерню с генераторами.Генераторы, подключенные синфазно, вырабатывают электроэнергию. После прохождения волны рычаг падает, но, т. к. вступают в работу механизмы одностороннего вращения, маховое колесо продолжает вращаться. Следующая волна повторяет цикл, т. е. идет периодическая «подкрутка» махового колеса. Электрический ток от генераторов через провод, контакты кольцевого токосъемника и силовой провод поступает по дну на берег (к контроллеру зарядки, батарее, инвертору и т. д.).
Следует заметить, преобразование механической энергии в электрическую – энергетически достаточно затратный процесс. Безопорный забор энергии волны только от подъема и спада энергетически неэффективен. Заявленное изобретение – наиболее перспективный путь получения и преобразования океанской или морской прибрежной волновой энергии.
Александр САВИН
