Волновые электростанции (ВГЭС) в отличие от других рассмотренных типов ГЭУ не требуют наличия гидротехнических сооружений для концентрации напора.
Основная задача волновых электростанций — преобразовать потенциальную и кинетическую энергию волн в кинетическую энергию пульсаций в данном месте моря (океана) и сконцентрировать эти пульсации в направленное усилие, вращающее вал генератора. Рабочим телом в этой станции может быть как сама морская вода, так и воздух. Энергия волн может либо непосредственно преобразовываться в энергию вращения вала генератора с редуктором, либо служить основой для привода воздушной турбины. К настоящему времени известно значительное число предложений по использованию энергии волн как в СССР, так и за рубежом.
Наибольшее внимание развитию волновых электростанций уделяется в Англии, Канаде, Японии и США, где уже созданы специальные исследовательские лаборатории, а также создаются опытно-промышленные установки.
Рис. 1.16. Перспективные схемы волновых электростанций:
а — «плот» Кокерелла; б — «утка» Солтера; а — «пульсирующий столб» Масуды; г —преобразователь Рассела для двух режимов попусков: 1 — понтоны; 2 — гидравлический двигатель; 3 — стенка; 4 — балласт; 5 — подвижный элемент; 6 — генератор; 7 — турбина; 8 — корпус станции
Основные трудности при реализации проектов волновых станций — обеспечение надежного крепления преобразователей энергии волн, работающих в соленой морской воде в разных условиях волнения моря (от штиля до шторма): создание эффективных схем преобразования энергии волн в электрическую при любых возможных направлениях их движения; надежная передача энергии потребителю в соответствии с его потребностями, не всегда совпадающими с волновым спектром в данном районе, и др.
Из большого числа проектов волновых электростанций можно выделить четыре, обладающих некоторыми преимуществами над другими: «плот» Кокерелля, «качающаяся утка» Солтера, «пульсирующий столб» Масуды и преобразователь Рассела (рис. 1.16).
«Плот» Кокерелля (рис. 1.16, а) представляет собой плавающий на поверхности воды понтон, состоящий из трех частей, шарнирно связанных друг с другом. Взаимное перемещение частей понтона вызывает сжатие рабочей жидкости в средней части плота, которая используется для вращения вала турбины.
Расчеты показывают, что «плот» Кокерелля размером 107x50 м способен обеспечить мощность 2 МВт. Для повышения КПД преобразования энергии: воли в электрическую рабочая кромка плота должна располагаться строго перпендикулярно направлению движения волн. Сами плоты должны располагаться отдельно друг от друга на расстоянии, равном ширине плота.
«Качающаяся утка» Солтера — проект, разработанный в Эдинбургском университете доктором Солтером. Каждый элемент этой волновой ГЭС состоит из опорных стенок с балластом и подвижного элемента, перемещающегося вокруг оси в соответствии с колебаниями уровня моря (рис. 1.16, б).
Несколько «уток» Солтера соединяются между собой с помощью общего- вала, имеющего одно направление вращения, что обеспечивается храповым механизмом. Энергия вращения общего вала преобразуется далее разными способами в энергию вращения вала генератора. «Утка» Солтера, как и «плот» Кокерелля, обладает хорошими энергетическими характеристиками. Кроме того, ее КПД менее чувствителен к частоте волн.
«Пульсирующий столб» Масуды представляет собой устройство, напоминающее коробку, «пляшущую» на воде (рис. 1.16, в). Поднятие-опускание уровня моря приводит к появлению либо избыточного давления, либо разрежения в некоторой замкнутой полости. Вследствие этого приводится во вращение воздушная турбина и далее — генератор. КПД этой ВГЭС мало зависит от направления движения воды. Эффективность «столба» Масуды существенно зависит от частоты волн, достигая максимума в пределах 1,2—1,3 Гц. Волновые- электростанции подобного типа планируется размещать на достаточно глубоких местах.
«Плавающий атолл» основан на аналогичном принципе действия. Он представляет полусферу, плавающую ниже уровня моря. В верхней части ее размещены воздушная турбина и генератор. Такое устройство диаметром 75 и высотой 18 м способно обеспечить получение 2 МВт.
Преобразователь Рассела (рис. 1.16. г) состоит из нескольких последовательно соединенных друг с другом коробкообразных устройств, расположенных в основном под уровнем моря. Смежные перегородки образуют резервуары с разными уровнями воды в них — высоким и низким. Заполнение и опорожнение этих резервуаров водой происходит в соответствии с заданной программой работы клапанов и режимом поднятия-опускания уровня моря в данном месте. Вода из верхних резервуаров пропускается через турбины в нижние и используется для выработки энергии. Подобное устройство может быть жестко укреплено на дне моря. КПД подобной установки несколько хуже, чем установок, рассмотренных выше.
Для повышения надежности снабжения энергией потребителей целесообразно сочетание волновой электростанции с другими энергоустановками или преобразование низконапорной волновой энергии в высоконапорную. Так, в Норвегии создана установка, которая использует энергию набегающей на берег волны для поднятия воды на высоту до 100 м. Для этого используется специальное «фокусирующее» устройство. Аккумулируемая вода подается далее на турбины ГЭС в требуемое время и в нужном количестве.
На рис. 1.17 показана схема энергетического комплекса на о. Маврикий (Индийский океан), состоящего из ГЭС1, ГАЭС2 и преобразователя энергии волн типа гидротарана 3.
Рис. 1.17. Проект энергетического комплекса на о. Маврикии
Существующий коралловый риф используется как основание для бетонной наклонной плоскости, на которую будут набегать волны океана и затем скатываться в береговую лагуну. Последняя с помощью плотин 5 будет превращена в водохранилище 4. Расчеты показывают, что мощность подобной низконапорной (2—3 м) волновой электростанции составляет около 3,3 кВт на 1 м фронта плотины. Для повышения надежности электроснабжения потребителей в дальнейшем планируется установить на плотине в лагуне гидротараны и с их помощью закачивать воду в верхний резервуар и далее сбрасывать ее в лагуну через турбины ГЭС мощностью 5 МВт. Здесь же предполагается установка ГАЭС. Эта схема будет использовать и приливную энергию океана (волна до 0,3 м). КПД всей схемы составит примерено 20%. Стоимость энергии на 40% ниже, чем тепловых электростанций на этом острове.
1.1.9. МАЛЫЕ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Малые гидроэлектростанции (МГЭС) с предельной максимальной мощностью, соответствующей каждой стране или региону, по способу концентрации напора и схемам использования гидравлической энергии практически ничем не отличаются от рассмотренных выше. Однако они более просты в исполнении и экономичны и характеризуются особым режимом работы установленного на них оборудования. В частности, на таких ГЭС возможна установка разнотипного оборудования и регулирование нагрузки числом включенных-отключенных агрегатов. Кроме того, малые ГЭС, установленные в системах промышленного или коммунального водоснабжения, а также на плотинах водохозяйственного назначения, работают по режиму попуска расходов этих систем. Каскады малых ГЭС отличаются малым временем добегания волны расходов между створами и существенной зависимостью режимов ГЭС в каскаде. Как правило, подобные ГЭС работают по водотоку или с ограниченным краткосрочным регулированием. В равнинных условиях малые ГЭС возводятся в виде плотинных низконапорных схем, в горных — как плотинных, так и деривационных.
Основные типы оборудования, устанавливаемого на малых ГЭС, — обычные турбины всех типов, трубные или S-образные агрегаты; агрегаты типа Straflo; бульбовые (капсульные), поперечно-струйные; активные турбины Тюрго; сифонные агрегаты.
