В настоящее время в СССР, Японии и Индии эксплуатируется около 700 автономных навигационных буев, использующих энергию волн. В Норвегии в конце 1985 г. введены в эксплуатацию и подключены к энергосистеме две первые в мире опытно-промышленные волновые электростанции.
Практически все волновые энергетические установки состоят из трех основных частей — рабочего тела, или волноприемника, силового преобразователя с генератором электроэнергии и системы крепления.
Твердое, жидкое или газообразное рабочее тело находится в непосредственном контакте с водой, совершает под действием волн те или иные движения или изменяет тем или иным образом условия распространения волн. В качестве рабочего тела могут служить всевозможные поплавки, водяные колеса, волноприемные камеры, эластичные трубы, волноотбойные устройства, набережные стенки и другие сооружения и конструкции.
Силовой преобразователь предназначен для преобразования энергии, запасенной рабочим телом (механической энергии движения твердого тела, перепада уровней в бассейнах, давления воздуха или жидкости), в энергию, пригодную для передачи на расстояние или для непосредственного использования. В качестве силовых преобразователей выступают разнообразные гидравлические насосы, зубчатые, цепные, тросовые передачи, гидравлические турбины и водяные колеса, воздушные турбины и другие устройства.
Система крепления предназначена для удержания на месте волновой установки.
Рис. 9.5. Принципиальные схемы силового взаимодействия ветровой волны с рабочим телом волновой энергетической установки
Тип установки определяется в основном той составляющей энергии волн (разновидностью кинетической или потенциальной энергии), которую рабочее тело установки преобразует в другой вид энергии. Известные волновые установки преобразуют как потенциальную, так и кинетическую составляющую механической энергии ветровой волны.
Применительно к волновым энергетическим установкам можно выделить следующие составляющие энергии волны (рис. 9.5):
потенциальную энергию положения (изменение уровня и наклона поверхности воды):
разность между уровнем гребня волны и средним уровнем воды в море (установки типов 1 и 2): разность между уровнями гребня и ложбины волны (типы 3 — 8);
наклон по отношению к горизонтальной поверхности воды между гребнем и ложбиной волны и постоянное изменение формы (перелом) поверхности
моря при волнении (типы 8 — 10 и 13 — 14); потенциальную энергию давления (переменное гидростатическое давление):
разность, давлений на горизонтальную поверхность под гребнем и ложбиной волны у дна моря (на мелководье) или в толще воды (типы 11 и 12); гидростатическое давление на вертикальную (наклонную) поверхность, равное высоте волны (типы 13 — 16);
кинетическую энергию (гидродинамическое давление):
энергию горизонтального перемещения гребней волн (горизонтальную составляющую энергии циркуляции водных масс в области гребня волны —типы 13 — 17); энергию вертикального перемещения уровня воды от ложбины к гребню (тип 18); энергию циркуляционного движения масс воды в волне (тип 19).
Рис. 9.6. Поплавковые волновые энергетические установки:
1 — корпус поплавка; 2 — свайная опора; 3 — силовой преобразователь; 4 — ковшовая гидротурбина; 5 — трос; 6 — якорное устройство; 7 — турбина с соосными пропеллерными рабочими колесами; 8 — мультипликатор; 9 — электрогенератор; 10 — насос подкачки балласта; 11 — регулируемый балласт (вода)
Многие конструкции волновых установок способны преобразовывать одновременно несколько составляющих энергии волны, поэтому их классификация по виду используемой энергии носит несколько условный характер.
Наиболее многочисленную по разнообразию предложенных конструкций группу составляют волновые энергетические установки, использующие поплавок в качестве рабочего тела (типы 3 — 5). Находящийся на поверхности моря поплавок (рис. 9.6,а, тип 3) совершает вертикальные колебания при изменении уровня воды. Перемещение поплавка используется для попеременного сжатия газа или жидкости в какой-либо емкости или для перемещения сердечника в электромагнитной обмотке или преобразуется во вращательное движение вала электрического генератора с помощью реечной зубчатой или цепной передачи или троса или в давление рабочей жидкости с помощью поршневого насоса.
Одно из первых авторских свидетельств на волновую установку, позволяющую преобразовывать энергию низкого давления в большом объеме воды в энергию высокого давления в малом объеме и таким образом получать напор, существенно превышающий высоту волны, было выдано в СССР в 1939 г. На этом же принципе основана предложенная в ФРГ установка WAPEG. Преобразование энергии высокого давления в электроэнергию осуществляется с помощью малогабаритной ковшовой гидротурбины. Из 720 аналогичных поплавковых преобразователей (рис. 9.6,6). предполагается создать промышленную волновую электростанцию мощностью 10 МВт в Швеции в Балтийском море у о. Готланд в ближайшие 25 лет.
Для увеличения амплитуды колебаний (резонанса) вертикальный цилиндрический поплавок частично (в зависимости от соотношения параметров волны и поплавка) заполняется водой или к сферическому поплавку подвешивается груз соответствующей массы (тип 4).
Резонансные поплавки (рис. 9.6,в), испытывавшиеся в Японии, имели амплитуду вертикальных колебаний, в 10 — 12 раз превышающую высоту волны. Для привода генератора использовались осевые рабочие колеса, обеспечивавшие одностороннее его вращение при вертикальных колебаниях цилиндрического поплавка.
В США в 1972 г. была изготовлена опытная установка с резонансным цилиндрическим подлавком высотой 61 м и диаметром 20,3 см. При высоте волны 1,8 м был получен напор, в 9 раз превышающий эту высоту. Мощность установки составила 60 Вт при эффективности отбора энергии около 25 %. На установке с трубой диаметрам 91 см и высотой 91 м, рассчитанной на получение мощности 18 — 20 кВт, напор в 20 раз превысил высоту волны.
Наиболее целесообразным в настоящее время является сооружение пневматических волновых установок, получивших также название «осциллирующий водный столб» (тип 6). Основной частью этих установок является камера, нижняя открытая часть которой погружена под наинизший уровень поверхности воды (ложбину волны). При поднятии и опускании уровня воды в камере происходит циклическое сжатие и расширение воздуха, движение которого через систему клапанов приводит во вращение воздушную турбину, расположенную в отверстии вверху камеры (рис. 9.7,а).
Идея пневматического волнового преобразователя была высказана в 1935 г. К. Э. Циолковским. В 70-х годах советским изобретателем И. А. Бабинцевым была предложена более совершенная конструкция преобразователя, не имеющего клапанов на пути воздушного потока. Удачная конструкция «осциллирующего водного столба» была предложена в Японии в 1961 г. Начиная с 1965 г. были изготовлены и в настоящее время работают 350 автономных навигационных буев (WATG), питаемых энергией от генераторов с волновым возбуждением (рис. 9.7,б).
В СССР навигационные буи с волновыми установками системы Бабинцева выпускаются двух типов — мощностью 20 и 25 Вт. Время работы установок без обслуживания 180 сут.
Рис. 9.7. Пневматические волновые энергетические установки («осциллирующий водный столб»): а — схема движения воздушного потока; б — автономный навигационный буй с волновым генератором; в— волновая электростанция; 1 — корпус; 2 — воздушная турбина постоянного направления вращения; 3 — бетонная воздушная камера; 4 — стальная башня; 5 — электрогенератор
Рис. 9.8. Волновая энергетическая установка «шарнирный плот»:
1 — шарнирно соединенные поплавки; 2 — силовой преобразователь (поршневой насос); 3 — якорь
Рис. 9.9. Волновая энергетическая установка «ныряющая утка»:
1 — опорная конструкция: 2 — эксцентрические поплавке; 3 — опорный вал; 4 — силовой преобразователь (торовый насос)
По принципу «осциллирующего водного столба» действует одна из двух первых в мире промышленных волновых электростанций мощностью около 500 кВт вблизи г. Бергена в Норвегии (рис. 9.7,в). Станция представляет собой стальную башню диаметром 3,6 и высотой 12,3 м, сооруженную на берегу у уреза воды на бетонном основании, на верху которой размещены воздушные турбины, изготовленные в Великобритании.
Более мощную (5 МВт) опытную волновую электростанцию запланировано построить в 1987 г. в Великобритании около о-ва Льюис (архипелаг Внешние Гебриды). Кесонные модули, устанавливаемые на дне моря на глубине 21 м на расстоянии 500 м от берега, будут образовывать 4 камеры размером в плане 15X15 м каждая и высотой 34 м. На верху каждой камеры будет установлено но 4 воздушные турбины.
В 1935 г. К. Э. Циолковским был предложен также принцип отбора энергии волн, использующий постоянное изменение формы поверхности моря при ветровом волнении (тип 10). Позже, после усовершенствования в Великобритании в 1972 г., подобное устройство получило название «контурного (шарнирного) плота. «Плот» представляет собой плоское или коробчатое рабочее тело, состоящее из двух или многих поплавков, соединенных между собой шарнирами в виде поршневых насосов или гофрированных «мехов», которое использует изменение формы поверхности моря при ветровом волнении (путем изменения углового положения между поплавками) для привода в действие насосов или «мехов» (рис. 9.8).
В СССР установка типа «контурный плот» испытывалась на Черном море. Модель имела длину 12 м, диаметр поплавков 0,4 м. При волнах длиной от 10 до 15 м и высотой 0,4 — 0,6 м установка развила мощность до 150 Вт.
Широкую известность получил предложенный в Великобритании преобразователь энергии волн, который в последние годы все чаще называют «ныряющая утка» (тип 14). Этот преобразователь включает эксцентрические поплавки (рис. 9.9), которые раскачиваются на волнах под действием изменения формы поверхности моря и давления набегающей волны.
Рис. 9.10. Волновая электростанция Дэм-Атолл:
Рис. 9.11. Волновая энергетическая установка «триплейт»:
1, 2, 3 — силовые «плиты»; 4 — силовые преобразователи (поршневые насосы); 5 — главный насос; 6 — поплавок
1 — опорное бетонное кольцо; 2 — бетонная конструкция корпуса; 3 — поверхность выкатывания волн; 4 — водоприемное отверстие; 5 — гидротурбина; 6 — отводящий диффузор; 7 — электрогенератор
Изменение углового положения поплавка по отношению к проходящему через него валу преобразуется в работу насоса, перекачивающего рабочую жидкость (воду или масло) в резервуар высокого давления, или с помощью зубчатой передачи преобразуется во вращение вала генератора.
Одна из первых моделей «утки» была испытана в Великобритании в 1974 г. Промышленная электростанция с «утками» диаметром 15 м, укрепленными на валу длиной 1 км, в соответствии с расчетами может вырабатывать энергию при мощности 45 МВт, имея 50 %-ный отбор энергии волны. При воздействии волн, длина которых примерно в 8 раз превышает диаметр поплавка, эффективность отбора энергии от волн должна превысить 80 %.
Академик В. В. Шулейкин одним из первых оценил достоинства динамического воздействия волн на препятствия при использовании в преобразователях волновой энергии. Для увеличения эффекта набегания волны на отлогую поверхность (на мелководье морского побережья, или на откос искусственного острова, размещаемого в акватории, или на береговую стенку) работая поверхность устраивается в виде наклонного, сужающегося кверху лотка (тип 15). Это позволяет поднять воду в бассейн, расположенный выше уровня моря. Образовавшийся напор используется гидротурбиной.
Установки этого типа, располагаемые на берегу, имеют существенные преимущества перед другими волновыми установками: практически полностью исключается риск, связанный с поломкой установки; не требуется новых технических решений, так как набережная будет представлять собой низкий волнолом, обеспечивающий переливание волн с минимальным сопротивлением.
Еще перед Великой Отечественной войной на Черном море в поселке Кацивели была построена на скалистом берегу энергетическая установка с «конфузорным откосом», развивавшая мощность до 10 кВт. К сожалению, сама установка и ее чертежи погибли в 1941 г.
Конструкцию «конфузорного откоса» имеет вторая промышленная волновая электростанция в Норвегии мощностью 450 кВт. Станция включает суживающийся канал, имеющий турбинный водоприемник на отметке, на 3 м превышающей средний уровень моря. Канал расположен в фиорде шириной 48 м, имеет длину 147 м и стенки высотой до 15 м.
Проект подобной волновой электростанции мощностью до 20 МВт разработан для о. Маврикий в Индийском океане, практически не имеющего традиционных источников энергии. Расчетный напор в бассейне, отгороженном от океана дамбой длиной 4,9 км, составит 2,3 м.
В настоящее время в США разрабатывается волновая энергетическая установка, получившая название Дэм-Атолл (рис. 9.10), которую предполагается ввести в эксплуатацию к 2000 г. Основным элементом станции является часть сферы диаметром до 100 и высотой до 30 м, выпуклой поверхностью выступающей над уровнем моря. На поверхности этого искусственного острова расположены струенаправляющие (волнонаправляющие) ребра, а в середине — водоприемное отверстие и водовод диаметром до 18 м с гидротурбиной.
Динамическое воздействие волн используют также волновые установки, имеющие в качестве рабочего тела упругие вертикальные или наклонные стержни, или плиты, или подвижные вертикальные стенки, которые воспринимают горизонтальное давление от действия набегающих волн и при перемещении преобразуют его либо во вращение вала генератора, либо в давление рабочей среды в поршневом насосе (тип 16).
Приемник энергии волн в виде плиты был использован около 100 лет назад в одной из первых волновых энергетических установок в Ошен-Грове, в 110 км южнее Нью-Йорка. Установка позволяла закачивать воду в резервуар, помещенный на верху башни высотой 12 м.
К этим конструкциям относится и установка, «триплейт» (рис. 9.11), предложенная недавно в Великобритании. При модельных испытаниях КПД установки достигал 80 %.
Нетрадиционные источники гидравлической энергии обладают низкой концентрацией, или плотностью, поэтому установки, в которых используются эти источники, характеризуются большими размерами, высокими материалоемкостью и удельной стоимостью. Ряд технических затруднений вызван постоянным контактом рабочих поверхностей с морской водой, большими штормовыми нагрузками, сложностью передачи электроэнергии на берег. Вместе с тем технические способы производства электроэнергии с использованием нетрадиционных гидроэнергетических источников достаточно просты, не связаны с решением сложных, принципиально новых научных проблем и инженерных разработок, и это позволяет ожидать, что они будут вовлечены в недалеком будущем в энергобаланс промышленно развитых и развивающихся стран.
