Cерфинг на тераватт: волны

Cерфинг на тераватт: волны

Альтернативная энергетика, как правило, так или иначе связана с солнцем. И технология преобразования морских волн в электричество не исключение. При чем тут солнце, спросите вы? Нагревая атмосферу, светило заставляет перемещаться колоссальные воздушные массы на большие расстояния. Трение воздуха о поверхность океана инициирует возникновение волн. Таким образом, волна представляет собой своеобразный концентрат солнечной энергии.

Энергоемкость волны зависит от ряда факторов: силы ветра, его продолжительности и ширины воздушного фронта. В некоторых глубоководных районах Мирового океана она может достигать 100 кВт энергии на метр фронта волны. По свидетельству Уэйна Райта, метеоролога из центра NASA Уоллопс, рекордная высота волны, документально зафиксированная летающей метеолабораторией WP-3D в 2004 году во время разгула урагана Айвэн, составила 28 м. Более спокойные ветра легко вызывают 10-метровые валы. На мелководье энергия волн резко падает из-за трения о дно. Тем не менее энергетические Эльдорадо встречаются и у берегов. По оценке Чанга Мея и других ученых, каждый метр линии прибоя на северо-западном побережье США, на западе Шотландии, южных оконечностях Африки, Австралии и Южной Америки может давать ежегодно от 100 до 200 МВт недорогого экологически чистого электричества. Суммарный потенциал мировой волновой энергетики только в прибрежных зонах — не менее 4 ТВт. Открытое море сулит десятки, если не сотни тераватт. Но чтобы их получить, нужны эффективные технологии преобразования. Сегодня в арсенале ученых имеется несколько многообещающих концепций.

Дыхание моря

Одна из старейших и наиболее проработанных технологий преобразования энергии волн в электричество — осциллирующая водяная колонна с воздушной турбиной Уэллса. Подобные волновые электростанции могут работать как на линии прибоя, так и вдали от берега. И в стационарных, и в плавучих установках используется тот же принцип: набегающая волна поднимает уровень воды в полупогруженной камере. Находящийся внутри камеры воздух выталкивается в атмосферу, проходя через лопатки реверсивной воздушной турбины низкого давления Уэллса. На откате волны воздух засасывается через турбину обратно в камеру. При этом направление вращения вала турбины не меняется, а значит, передача крутящего момента на вал генератора происходит непрерывно.

Волновой насос Oyster компании Aquamarine Power. Совершая возвратно-поступательные движения под напором прибоя, как метроном, закачивает под огромным давлением морскую воду через трубопровод на береговую гидроэлектростанцию.

Автор этого оригинального изобретения, профессор Королевского университета Белфаста Алан Артур Уэллс, был фанатично предан идее волновой энергии. Турбина была разработана им более 30 лет назад специально для использования в осциллирующих водяных колоннах для исключения из их конструкции сложных клапанных систем и механизмов изменения шага.

Ее главные особенности и отличия от обычных турбин — симметричное сечение и относительно большой угол атаки лопастей. Из-за этого отношение скорости вращения к скорости воздушного потока у нее очень мало, а коэффициент лобового сопротивления велик. По той же причине турбина Уэллса склонна к спонтанным провалам мощности и характеризуется довольно низким КПД (40−70%). Кроме того, при вращении детище ирландского профессора генерирует низкочастотные шумы, напоминающие звуки гигантского органа. Но все минусы перевешиваются способностью этого воздушного винта всегда вращаться в одном и том же направлении, независимо от того, откуда на него поступает поток — спереди или сзади.

С осени 2009 года экспериментальный 194-тонный Oyster успешно работает на Оркнейских островах у берегов Шотландии, в зоне, арендованной Европейским центром морской энергии. Энергоферма из 20 установок сможет обеспечить электричеством и теплом 9000 индивидуальных домов.

Наиболее продвинутые осциллирующие турбинные преобразователи имеют довольно сложную архитектуру воздушной камеры для максимальной компрессии потока. Коллектив исследователей из MIT под руководством профессора Мея, работающий над проблемой с конца 1970-х, и вовсе предлагает использовать сложную камеру с изменяемой геометрией и объемом. Сначала эффективность такого подхода была доказана на математической модели, а уже потом — на нескольких работающих прототипах. Нестандартное инженерное решение позволяет избежать провалов мощности станции при падении высоты волны, а при штормовом прибое — защитить турбину от экстремальных нагрузок и возможного разрушения.


Энергия вихревых вибраций

Множество по‑настоящему революционных технологий были рождены случайно в ходе исследований совершенно не связанных с ними научных проблем. Это можно сказать и о преобразовании гидрокинетической энергии потока в электричество методом вихревых вибраций. Идея пришла в голову профессору Мичиганского университета Майклу Берницасу, группа которого несколько лет подряд ломала головы над способами защиты опор мостов от разрушительной турбулентности. Безобидные на вид маленькие водовороты и воронки, образующиеся во время огибания струями воды цилиндрических предметов, чрезвычайно опасны. Они приводят к возникновению вихревых вибраций, перпендикулярных направлению потока, в результате которых порою происходят очень серьезные катастрофы. Так, например, в 1940 году вихревые вибрации, вошедшие в резонанс, обрушили мост Такома Нарроуз в США.

Майкл Берницас, изучая эту проблему, отметил, что подвижные цилиндрические предметы, закрепленные подвижно на двух вертикальных или горизонтальных осях, из-за возникающей турбулентности начинают вибрировать и совершать возвратно-поступательные движения. Логическое продолжение этого наблюдения — использование цилиндров в качестве несущих элементов для магнитов линейного генератора. Мощные неодимовые магниты, совершая перемещения вдоль осевого статора с обмоткой, генерируют постоянный ток. Далее, на преобразователе, ток превращается в переменный и по силовому подводному кабелю поступает в сеть. Сама установка по внешнему виду напоминает многорядную шведскую стенку.

Первые прототипы преобразователя вихревых вибраций VIVACE (Vortex Induced Vibrations Aquatic Clean Energy) обладают небольшой мощностью, но из нескольких десятков и даже сотен модулей можно создавать подводные электростанции любого формата. Отличительная особенность VIVACE — очень высокая чувствительность. Если обычные гидротурбины работают эффективно при скоростях потока не менее пяти-шести узлов, то преобразователь Берницаса — на двух и более. Именно в этом диапазоне «работает» подавляющее большинство морских и океанских течений.


Экспериментальная волновая станция с «дышащей» камерой мощностью 750 кВт уже работает на атлантическом побережье Португалии, снабжая электричеством почти тысячу семей. После обкатки технологии будет принято решение о строительстве целого прибрежного генерирующего каскада, связанного с местными сетями.

Плавучие волновые станции с осциллирующей водяной колонной в металле еще никем не реализованы, но, скорее всего, это вопрос времени. На удалении от обитаемого побережья они не будут диссонировать с привычным пейзажем, раздражая туристов и местных жителей. В идеале их можно будет устанавливать на площадях, занимаемых гигантскими ветровыми фермами на общей якорной системе.

Буй-генератор

В феврале шотландская инжиниринговая компания Ocean Power Technologies (OPT) продемонстрировала свою новую разработку PowerBuoy PB150 — гигантский 42-метровый буй, способный превращать вертикальные колебания в электричество, покачиваясь на волнах на 11-метровом поплавке. Мощность такого буя — 150 кВт. Морская качка заставляет поплавок, закрепленный на подвижном штоке, перемещаться по вертикальной оси. Погруженная часть буя фиксируется на дне при помощи якорной системы. Шток — подвижная часть линейного генератора, который, проходя через обмотку статора, вырабатывает ток.

Вихревые колебания потока. 1. Поток набегает на препятствие. 2. Завихрение, возникающее с одной стороны препятствия, создает избыточное давление. 3. После этого турбулентность образуется с другой стороны, формируя зону давления с противоположным вектором. Чередование этих событий создает опасные вибрации.

PowerBuoy оснащается комплексом датчиков, позволяющих в режиме реального времени адаптировать ход штока к силе, высоте и частоте набегающей волны, сохраняя оптимальный режим работы генератора. В периоды экстремального волнения установка не повреждается, так как шток поплавка блокируется электроникой.

Для установки буя на место не требуются специальные суда — обычные буксиры справятся с этой операцией без всяких проблем. Несколько буев, связанных общей якорной системой и силовым контуром, формируют волновую ферму. Геометрия группировки тщательно просчитывается для максимальной эффективности работы. Минимальная глубина моря в месте дислокации фермы должна быть не менее 30−50 м. Через подстанцию, расположенную на дне, электричество может передаваться либо на береговые сети, либо на плавучие нефтяные платформы. Как и положено всем морским сооружениям, надводная часть PowerBuoy PB150 оснащается мачтой с навигационными огнями и радиолокационным отражателем.

180-метровый морской змей Pelamis способен снабжать электроэнергией и теплом 500 средних индивидуальных европейских домов. Волновые фермы, состоящие из нескольких десятков преобразователей, установленные в районах с достаточной энергоемкостью волны, будут вырабатывать 30 и более мегаватт энергии.

По словам вице-президента OPT Чарльза Данливи, волновые фермы на основе PowerBuoy PB150 гораздо компактнее ветровых аналогов — станция мощностью 10 МВт займет всего 0,125 км² поверхности моря. Техническая простота и неубиваемость таких преобразователей позволяет создавать электростанции морского базирования мощностью до 100 МВт и более. В январе 2011 года OPT получила официальную сертификацию в Регистре Ллойда по классу плавучих морских сооружений постоянной дислокации. Вскоре первый PB150 займет свое место в 33 морских милях от шотландского городка Инвергордон. На нем будет произведена проверка якорной системы, работы генератора при разных параметрах волны и общей надежности системы в целом. Бортовой симулятор будет имитировать взаимодействие системы с береговой сетью. Второй буй уже строится на заводе OPT в Нью-Джерси. Он будет участвовать в эксперименте на тихоокеанском побережье Америки, где планируется создать волновую ферму мощностью 1,5 МВт. На очереди аналогичные проекты в Японии и Австралии.

Уверенность команды OPT в успехе PowerBuoy PB150 основана не на голом энтузиазме. Еще в 2009 году первый 40-киловаттный генерирующий буй PB40 по заказу ВМФ США был притоплен на рейде Оаху, Гавайи. Малыш был успешно подключен к наземной сети и за все время эксплуатации не доставил хлопот разработчикам. Наблюдение за окружающей средой в районе буя показали, что установка экологически нейтральна и безопасна.

Преобразование кинетической энергии волн в электричество происходит за счет качания отдельных модулей относительно друг друга на специальных герметичных шарнирах. Шарниры приводят в движение поршни гидравлических насосов. В гидравлических аккумуляторах вода сжимается до рабочего давления и поступает на турбину гидромотора, который, в свою очередь, раскручивает генератор.

Морской змей

Рассказы средневековых мореходов о гигантских морских чудовищах вызывают у нас снисходительную улыбку. Но в XXI веке встречи с гигантскими морскими змеями могут стать вполне обыденными. Целые косяки таких монстров вскоре могут появиться у берегов Шотландии и в Северном море. Несмотря на устрашающий внешний вид, они совершенно безвредны. Более того, пожирая волны, чудовища будут снабжать электричеством прибрежные города. Одно из них было описано более десяти лет назад физиками Ричардом Йеммом, Дэйвом Пайзером и Крисом Ретцлером. Концепция электрического морского змея так понравилась инвесторам, что за это время троица из Эдинбурга сумела собрать более $100 млн для создания промышленного прототипа.

Гигантский 42-метровый буй компании Ocean Power Technologies преобразует энергию волн в электричество посредством линейного генератора, установленного на подвижном штоке поплавка. PowerBuoy 150 оснащается комплексом датчиков, позволяющих в режиме реального времени адаптировать ход штока к силе, высоте и частоте набегающей волны, сохраняя оптимальный режим работы генератора.

Волновой преобразователь Pelamis — это полупогруженная в воду модульная система из четырех 45-метровых герметичных цилиндрических секций, соединенных шарнирами. Более половины массы «змея» занимает балластная вода. Качание секций диаметром по 4,5 м на волнах приводит в движение поршни гидравлических насосов, которые нагнетают рабочую жидкость через компенсирующие аккумуляторы на гидравлические моторы. Моторы вращают электрические генераторы, производя энергию. Секции связаны между собой динамическим силовым кабелем, проходящим внутри шарниров. Напряжение от хвостовой секции 180-метрового туловища «змея» поступает по кабелю на трансформатор, расположенный на дне моря. А оттуда — на наземные сети. Из нескольких 750-киловаттных Pelamis, прикрепленных к дну моря, можно выстраивать большие энергофермы. Плотность группировки весьма высока — для фиксации преобразователей суммарной мощностью 30 МВт требуется не более 1 км² морского дна.

Но у стального Pelamis вскоре может появиться опасный конкурент. Это Anaconda, «выращенная» компанией Checkmate Sea Energy. 200-метровая рептилия с «кожей» из ткани, натуральных смол и каучука, ценой $3 млн способна вырабатывать до 1 МВт электроэнергии, расслабленно качаясь на волнах. Метод генерации электричества, примененный в Anaconda, потрясающе остроумен. Внутри брюха змеи находится эластичный контейнер с морской водой, выполняющей сразу две функции: она служит балластом для оптимального притапливания установки и рабочим телом. Извиваясь под самой поверхностью волны под углом к ее фронту, Anaconda разгоняет воду от головы до хвоста через каскад невозвратно-запорных клапанов. В хвосте «змеи» находятся гидравлический аккумулятор и гидротурбина. В результате растягивания каучуковой «шкуры» возникает нечто вроде пульсации крови в артериях. Мощный поток раскручивает лопатки турбины, отдавая кинетическую энергию генератору. Потерявшая энергию отработанная вода через выпускной клапан и ресивер низкого давления возвращается в контейнер.

В 2008 году британцы обнародовали свою концепцию, а уже через год построили восьмиметровый прототип морской змеи. Испытания машины в волновом бассейне технопарка Госпорт показали феноменальные результаты — крохотная Anaconda выжимала из волн практически всю энергию! Кроме того, благодаря своей эластичности она легко выдерживала экстремальные волны и была абсолютно не подвержена коррозии. По замыслу разработчиков, выводок из 50 и более «анаконд» сможет обеспечить электричеством городок среднего размера. Инвесторы воодушевлены таким началом и намерены вывести установку на рынок уже в 2014 году. Стоимость киловатта «змеиного» электричества обещает стать самой низкой на рынке — порядка 14 центов. Не в последнюю очередь за счет высочайшей надежности, мизерных затрат на обслуживание и способности эффективно работать на весьма слабой волне энергоемкостью всего около 25 кВт на метр фронта.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№5, Май 2011).
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.