Новая волновая электростанция

Развитие мировой энергетики в последнее время все более ориентируется на новые, экологически чистые технологии, основанные на возобновляемых источниках энергии. Одним из таких источников является энергия морских волн.

В природе эта энергия представлена в наиболее сконцентрированном виде (например, среднегодовые показатели энергии на один метр волнового фронта Северного моря – 90 кВт, Черного моря – 40 кВт).

Киевская научно-производственная фирма «Крок-1» (официальный корпоративный поставщик услуг по ремонту технологического оборудования атомных электростанций Украины) разработала, изготовила и испытала конструкцию принципиально новой волновой электростанции.

Волновые электростанции (ВЭС) предназначены для преобразования энергии морских волн в условиях открытого моря в электроэнергию, которой обеспечивают автономные и береговые объекты (островные поселения, буровые платформы, плавсредства, гостиничные комплексы, различные производства и т. п.).

ВЭС устанавливаются в определенном порядке вдоль всего побережья и являются при этом волнозащитными сооружениями для береговой линии.

Перспективы Змеиного острова

Возможность реализации проекта авторы показали на примере острова Змеиный, расположенного в юго-западной части Черного моря на расстоянии 20 миль от устья Дуная и 80 миль от Одессы (общая площадь острова – 20,5 гектара).

Проект предусматривает в первую очередь строительство в акватории острова пилотного модуля волновой электростанции мощностью 500 кВт с последующим строительством многомодульной ВЭС мощностью в 2‑3 МВт для обеспечения развивающейся инфраструктуры острова и его защиты от разрушения.

В дальнейшем предусматривается строительство ВЭС различной мощности для обеспечения работы объектов на континентальном шельфе и в прибрежной полосе.

Волновая электростанция устанавливается на расстоянии от берега так, чтобы глубина в месте установки была не менее 25 метров. Станция соединяется с потребителем электроэнергии электрическим кабелем. Управление ВЭС производится с береговой подстанции.

При этом для строительства не требуется отвод земельных участков, а береговая подстанция располагается на территории объекта потребления. ВЭС не создают негативного воздействия на окружающую среду и производят дешевую, экологически чистую электроэнергию.

Энергетический потенциал

Малая площадь острова Змеиный позволяет предположить, что при незначительном удалении от берега (200‑300 метров) ВЭС будет работать в условиях открытого моря.

Предварительную оценку энергетического потенциала акватории острова можно сделать на основании данных российской системы ЕСИМО (Единая государственная система информации об обстановке в мировом океане). Здесь в электронном атласе «Климат Черного моря» содержатся сведения о климатических характеристиках морской среды. Они подготовлены на основе данных гидрометеорологических наблюдений, накопленных за многолетний временной период.

Эти данные были введены, как исходные, в «Программу расчета параметров энергопоглощающего элемента волновой электростанции с учетом энергетических параметров морских волн», разработанную специалистами НПФ «Крок-1» и украинского Национального авиационного университета.

На основании проведенных расчетов авторы выяснили оптимальные, с точки зрения эффективности использования установочной мощности, параметры ВЭС для акватории Черного моря:
• длина – 60 метров
• ширина – 120 метров
• радиус рабочего элемента – 2 метра
• количество рабочих элементов – 16 штук
• установочная мощность – 2000 кВт.

Для такой электростанции среднегодовой коэффициент использования установочной мощности будет составлять около 0,5. Она не только позволит получать дешевую электроэнергию, но и защитит берег от разрушающего воздействия волн.

Утка Солтера

В настоящее время в волновых электростанциях для преобразования энергии волн применяются преобразователи, отслеживающие профиль волны, использующие колебания водного столба и подводные устройства.

К преобразователям, отслеживающим профиль волны, относится, прежде всего, разработка профессора Эдинбургского университета Стефана Солтера, названная в его честь – «утка Солтера» (техническое название проекта – «Колеблющее крыло»).

Рабочей конструкцией здесь является поплавок («утка»), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики. В проекте шотландца предусматривался монтаж большого количества крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение под силой собственного веса. При этом приводятся в действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводящая в движение турбины, установленные между поплавками и поднятые над поверхностью моря. Вырабатываемая электроэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20‑30 поплавков.

Первоначально Солтером был создан макет узкополосного по частоте устройства. В волновом бассейне оно поглощало до 90 процентов падающей энергии. Первые испытания в условиях, близких к морским, были проведены в мае 1977 года на озере Лох-Несс. Пятидесятиметровая гирлянда из двадцатиметровых «уток» общей массой 16 тонн была спущена на воду и испытывалась в течение четырех месяцев при различных волновых условиях. В декабре того же года эта модель, в 1/10 предполагаемой величины океанского преобразователя, была вновь спущена на воду и дала первый ток. В течение трех зимних месяцев модель первой английской волновой электростанции работала с КПД около 50 процентов.

Дальнейшие разработки Солтера были направлены на то, чтобы обеспечить устройству способность противостоять ударам максимальных волн и создать заякоренную гирлянду преобразователей в виде гибкой линии. Нить из «уток» протяженностью несколько километров предполагалось установить в районе с наиболее интенсивным волнением западнее Гебридских островов. Мощность такой станции должна была составить около 100 МВт.

Серьезными недостатками для «уток Солтера» оказались следующие:
• необходимость передачи медленного колебательного движения на привод генератора
• необходимость снятия мощности с плавающего на значительной глубине устройства большой протяженности
• необходимость, вследствие высокой чувствительности системы к направлению волн, отслеживать изменение их направления для получения высокого КПД преобразования
• большие ударные нагрузки от воздействия максимальных волн
• затруднения при сборке и монтаже из‑за сложности формы «утки».

Плот Коккереля

Другой вариант преобразователей энергии такого типа – контурный плот Коккереля, который был испытан в проливе Солент вблизи города Саутгемптона.

Вариант построения ВЭС по принципу плота Коккереля был реализован в проекте «Волновая ферма» компанией Pelamis Wave Power. Четыре секции устройства, соединенные шарнирно, под воздействием волн изгибаются, что приводит в действие гидроцилиндры, которые перекачивают масло на гидромоторы привода генераторов. Вырабатываемая электроэнергия по кабелю, опущенному на дно, передается на берег.

Лабораторные испытания модели плота в масштабе 1/100 показали, что его эффективность составляет около 45 процентов. Это ниже, чем у «утки» Солтера, но плот привлекает другим достоинством: близость конструкции к традиционным судостроительным.

Преобразователи Pelamis

Необычные волновые электростанции качаются на волнах в пяти километрах от северного побережья Португалии. Гигантские красные конвертеры Pelamis P-750, размером с железнодорожный состав и весом 750 тонн, прозванные «морскими змеями», обеспечивают энергией местных жителей. Идея этой волновой электростанции принадлежит шотландским специалистам из основанной в Эдинбурге фирмы «Океанское энергоснабжение» (Ocean Power Delivery).

Pelamis – полузатопленное сооружение, состоящее из четырех цилиндрических секций, связанных шарнирными соединениями.

Волны заставляют изгибаться плавающую «змею», за счет чего внутри – в местах соединения секций – перемещаются гидравлические поршни, прокачивающие масло через гидравлические двигатели, которые, в свою очередь, вращают электрогенераторы.

Полученное электричество направляется в кабель, опускающийся с поплавка на дно. Несколько таких «змей» могут быть электрически соединены – суммарная мощность подается на берег по одному кабелю. Предполагается, что итоговая мощность португальской волновой станции составит 21 мегаватт. Этого хватит на 15 тысяч домов.

Кроме того, компания «Pelamis Wave Power» планировала разместить аналогичные комплексы близ Оркнейских островов и у побережья Корнуолла.

Недостатки таких преобразователей:
• высокая материалоемкость
• среднегодовой коэффициент использования мощности не более 0,4
• высокий уровень удельных капитальных затрат (около 6000 долларов США за кВт на момент установки первых агрегатов).

Водяной столб

Другой вид волновых установок – с пневматическим преобразователем – использует энергию колеблющегося водяного столба.

Принцип действия здесь таков. При набегании волны на частично погруженную полость, открытую под водой, столб жидкости в полости колеблется, вызывая изменения давления в газе над жидкостью. Полость может быть связана с атмосферой через турбину. Поток регулируется так, чтобы проходить через турбину в одном направлении.

Как вариант – используется турбина Уэльса. Это воздушная турбина низкого давления, имеющая симметричную аэродинамическую поверхность лопаток, позволяющую им вращаться всегда в одну сторону, независимо от направления потока воздуха или жидкости. Достигается это тем, что рабочее тело, попадая на лопатку, разделяется непропорционально – отклонение в одну сторону всегда больше, чем в другую. Принцип работы турбины Уэльса схож с принципом подъема крыла самолета.

Главное преимущество устройств на принципе водяного колеблющегося столба состоит в том, что скорость воздуха перед турбиной может быть значительно увеличена за счет уменьшения проходного сечения канала. Это позволяет сочетать медленное волновое движение с высокочастотным вращением турбины. Кроме того, здесь создается возможность удалить генерирующее устройство из зоны непосредственного воздействия соленой морской воды.

Известны как минимум два примера коммерческого использования устройств на этом принципе –­­
сигнальные буи, внедренные в Японии и в Великобритании.

Более крупное и впервые включенное в энергосеть устройство построено в Тофтестоллене (Норвегия). Здесь водяной столб используется в 500‑киловаттной установке, построенной на краю отвесной скалы.
Кроме того, национальная электрическая лаборатория Великобритании предлагает конструкцию, устанавливаемую непосредственно на морском дне.

Недостатками таких преобразователей являются низкий КПД и большая материалоемкость.

Электростанция Овсянкина

Специалистами фирмы «Крок-1» под руководством В. Овсянкина разработана конструкция волновой электростанции, преобразующей энергию морских волн в условиях открытого моря, которая имеет ряд принципиальных отличий от всех существующих ВЭС.

Прежде всего, ВЭС Овсянкина спроектирована так, что ее рабочие органы (энергопоглощающие элементы) являются частью водной среды, в которой они находятся. Возникающие при прохождении волн относительные перемещения отдельных объемов воды воспринимаются рабочими органами станции посредством гидродинамического напора, что создает крутящий момент на рабочих валах. Этот момент преобразуется и передается трансмиссией на вал генератора.

Конструкция ВЭС запатентована в Украине (патент № 56481) и имеет хорошие перспективы для патентования различных модернизаций конструкции в других странах.

ВЭС имеет модульную конструкцию. На одном километре волнового фронта можно устанавливать до 24 модулей. Они могут быть объединены как в одну ВЭС, так и, например, в 6 ВЭС, каждая из которых состоит из 4 модулей. Целесообразность того или иного решения определяется при разработке конкретного проекта на строительство и учете всех факторов.

Для открытых морей и океанов модули изготавливаются мощностью 1 и 2 МВт, для закрытых морей – до 0,5 МВт.

Рекомендуемая мощность модуля и его размеры для ВЭС рассчитываются по энергетическому потенциалу акватории эксплуатации.

ВЭС соединяется с береговой подстанцией электрическим кабелем.

Надежность работы ВЭС в штормующем море определяется особенностями конструкции: проницаемость для волн и способность погружаться на глубину в зону действия волн расчетных параметров.

Акватория, где предполагается установка ВЭС, должна быть абсолютно открыта волнам, иметь глубину не менее 25 метров и быть максимально приближена к объекту потребления электроэнергии.

При выборе акватории предпочтительны участки моря с большим энергетическим потенциалом и с высокой сезонной продолжительностью среднестатистического волнения.

Преимущества установки

Новая волновая электростанция, как уверяют разработчики, обладает следующими преимуществами:
• высокой эффективностью, определяемой тем, что установка представляет собой гибкую энергопоглощающую систему, которая непрерывно изменяет свои параметры под воздействием набегающих морских волн широкого диапазона длин и амплитуд
• низким уровнем удельных капитальных затрат (3500‑4000 долларов за кВт)
• низкой себестоимостью производимой электроэнергии (0,05‑0,08 доллара за кВт-ч)
• низкой материалоемкостью (до 150 кг/кВт)
• высокой стойкостью в штормовом море
• мобильностью (может быть отбуксирована в любой участок акватории).

Работы по созданию волновой станции проводились НПФ «Крок-1» более двадцати лет. За этот период проведено восемь этапов испытаний макетов станции и опытного образца мощностью 10 кВт (ВЭС-10).

Испытания макетов проводились в волновом бассейне Института гидромеханики НАН Украины, а также в натурных условиях Киевского моря. Результаты испытаний подтвердили работоспособность макетов и позволили получить исходные данные для проектирования опытного образца станции.

На основании результатов испытаний Национальным авиационным университетом (г. Киев) разработана методика расчета параметров энергопоглощающего элемента.

Натурные испытания

Опытный образец ВЭС-10 был изготовлен в 2006 году Киевским судостроительным заводом. Его испытания проводились весной 2007 года на базе Научно-исследовательского центра вооруженных сил Украины «Государственный океанариум» (Севастополь).

После спуска на воду ВЭС-10 была отбуксирована на расстояние 60 метров от пирса. Пункт управления и контроля станции находился на пирсе в автомобиле ГАЗ 66. Он был соединен со станцией силовым кабелем и кабелем управления, которые были проложены по дну акватории. Нагрузка имитировалась реостатами.

Станция ВЭС-10 рассчитана на воздействие волн высотой до 1 метра, поэтому местом испытания была выбрана Казачья бухта, защищенная от волн открытого моря. Глубина в месте установки составляла восемь метров.

За время испытаний в акватории наблюдались волны высотой до 2 метров и периоды полного штиля.

При воздействии волн высотой 0,3‑0,4 метра наблюдалось вращение рабочего вала 4‑5 об/мин, что соответствовало показаниям тахометра на валу генератора 400‑500 оборотов в минуту.

Наиболее эффективной работа ВЭС-10 была при воздействии коротких волн высотой 0,6‑0,7 метра и длиной 2,0‑2,2 метра. при этом обороты рабочего вала находились в пределах 12‑15 оборотов в минуту, а вырабатываемая генератором мощность составила 2‑3 кВт.

По результатам испытаний сделаны следующие выводы. Опытный образец ВЭС-10 показал свою работоспособность в диапазоне расчетных высот волн и выдержал испытания.

Для проектируемых волновых электростанций длина энергопоглощающего элемента должна примерно соответствовать 1‑2 длинам предельных волн расчетного диапазона для конкретной акватории, независимо от мощности станции. Так, для акваторий Черного моря длина энергопоглощающего элемента должна составлять 40‑50 метров.

Также по результатам испытаний были отработаны технические требования на разработку типового проекта модуля волновой станции мощностью 200 кВт для акватории Черного моря. Такой проект был разработан украинским Национальным кораблестроительным университетом (Николаев).

Использование энергии морских волн обеспечит необходимые условия для интенсивного развития разносторонней инфраструктуры о. Змеиный, объектов континентального шельфа и расположенных в прибрежной зоне, при этом позволит сохранить уникальную природную среду Черного моря.

В декабре 2008 года проект по строительству ВЭС был рассмотрен и одобрен ученым советом украинского Государственного научно-исследовательского и проектно-конструкторского института инновационных технологий в энергетике и энерго­сбережении.

Объем электроэнергии, вырабатываемой ВЭС мощностью 2 МВт за один год, составит более 15000 МВт-ч, что по среднемировым ценам стоит 1,5‑2,0 миллиона долларов.