Электростанция предназначена для выработки электроэнергии путем использования энергии волн. Устройство содержит плавучий корпус с электрогенератором и расположенные на горизонтальном валу поплавки. На разнесенных понтонах расположены поперечно параллельные друг другу эстакады с опорами под вал. На каждом валу установлены с минимальным зазором поплавки в виде полых полуцилиндров, снабженных дополнительным грузом и объемным выступом. При этом ближайшие параллельные валы соединены между собой зубчатой передачей. Валы, расположенные на одной линии по разные стороны от понтона с механизмами привода к электрогенератору, также соединены между собой и имеют общую зубчатую передачу, редуктор и электрогенератор. Конструкция электростанции позволяет получить увеличение мощности, снимаемой с 1 м 2 воды. 4 з.п.ф-пы, 4 ил.

Изобретение относится к энергетике, в частности для выработки электроэнергии путем использования энергии морских волн за счет образующихся вертикальных подъемов и спадов волн. Известна волновая электростанция, а.с. N 1373855 F 03 B 13/12, содержащая плавучий корпус с электрогенератором, воздушной турбиной к волноприемным камерам с поплавками. Камеры выполнены в виде стаканов, открытый торец которых погружен под уровень воды. При этом для увеличения КПД каждая камера снабжена дополнительной воздушной турбиной и гидронасосом, связанными с поплавком при помощи бесконечной цепной передачи. Основным недостатком указанной установки является ограниченная мощность, связанная с медленным подъемом поплавка, равной подъему волны, и с тем, что на цепь действует ограниченная выталкивающая сила от поплавка, равная половине объема поплавка, так как удельный вес поплавка равен 0,5 г/см 3 . Большое количество механизмов и передаточных устройств усложняет установку и ведет к значительным потерям мощности, уменьшающих эффект от использования поплавка. Известна волновая электростанция (патент РФ N 2049925, кл. 6 F 03 B 13/12, 6 F 03 B 13/22 от 06.02.1992 г.), содержащая плавучий корпус с электрогенератором, воздушной турбиной и волноприемными камерами в виде погруженных в воду открытым концом стаканов, снабженных внутри поплавками Г-образной формы, установленных на горизонтальном валу с возможностью одностороннего вращения, при этом один из выступов поплавка длиннее или тяжелее другого, все валы соединены между собой, повышающий редуктор связан с последними и валом воздушной турбины при помощи обгонных муфт, а вал турбины подключен к электрогенератору. Основным недостатком указанной волновой электростанции является также низкий КПД и сложность конструкции. Это связано с тем, что ввиду кратковременности воздействия волны на сжатый воздух в камерах не удается передать весь сжимаемый в камере воздух в воздушную турбину, а при увеличении проходного сечения воздуховодов и самой турбины уменьшится давление воздуха в камере и соответственно снимаемая мощность с турбины. Г-образная форма поплавка не позволяет эффективно использовать пространство в части увеличения выталкивающей силы и создает еще большее гидравлическое сопротивление при вращении его выступов. Кроме того, конструкция волновой электростанции с использованием энергии сжатого воздуха очень сложна в изготовлении и в эксплуатации и требует больших капитальных затрат на изготовление турбины. Волновая электростанция по патенту РФ N 2049925 принята за прототип. Задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение мощности волновой электростанции. Это достигается тем, что в волновой электростанции, содержащей плавучий корпус с электрогенератором, расположенные на горизонтальном валу с возможностью одностороннего вращения поплавки, занимающие в воде положение неустойчивого равновесия, переходящего в неуравновешенное состояние и ускоренное вращательное движение в момент полного погружения поплавка, повышающий редуктор, соединяющий вал с электрогенератором, плавучий корпус выполнен в виде соединенных не менее чем двух узких понтонов, разнесенных по ширине и снабженных сверху поперечно расположенными параллельными друг другу эстакадами, вдоль каждой эстакады снизу установлены соосно кронштейны с опорами под вал, поплавки расположенных между всеми опорами последовательно с минимальными торцевыми зазорами, исключающими заклинивание поплавков при их относительном вращении, на выходных концах валов установлено зубчатое колесо, связанное непосредственно с зубчатым колесом на входном валу редуктора или через повышающую зубчатую передачу, поплавок выполнен в виде полого герметичного полуцилиндра и снабжен дополнительным грузом и расположенным с противоположной ему от оси стороны объемным выступом в виде дополнительного поплавка, при этом момент, создаваемый весом объемного выступа, больше (примерно на 5-10%) момента, создаваемого дополнительным грузом, а момент, создаваемый выталкивающей силой при погружении в воду одного объемного выступа больше момента, создаваемого весом объемного выступа, неуравновешенными воздействиями на поплавок водных и воздушных потоков и силами трения в момент начала вращения поплавка. При этом выходные концы рядом расположенных валов эстакад попарно или более соединены между собой путем зацепления зубчатых колес и установки общего редуктора и электрогенератора, а поплавки на связанных между собой валах расположены симметрично, выходные концы соосно расположенных валов эстакад, размещенных в одну линию, соединены между собой и снабжены общей зубчатой передачей, редуктором и электрогенератором, объемный выступ поплавков выполнен заодно с полуцилиндром путем удлинения окружности полуцилиндра, передняя по ходу вращения поплавка поверхность объемного выступа выполнена в виде сужающего клина. На фиг. 1 изображен общий вид волновой электростанции, на фиг. 2 показан вид сверху, на фиг. 3 изображен отдельно поплавок, а на фиг. 4 его поверхность. При этом обозначено - угол поворота поплавка в текущее положение, Q о - выталкивающая сила, действующая на поплавок в исходном положении, P - вес поплавка, h п - плечо от силы веса поплавка, C в - точка центра массы воды в объеме погруженной части поплавка, Q - выталкивающая сила в текущем положении, h в - плечо выталкивающей силы, P ов - вес объемного выступа, P д - вес дополнительного груза, Y св - расстояние от оси О до центра массы воды в объеме погруженной части поплавка (для сектора с углом Y сп - расстояние от оси О до центра масс поплавка, h ов - плечо от силы веса объемного выступа, h д - плечо от силы веса дополнительного груза, l - длина поплавка, R - наружный радиус поплавка. Волновая электростанция состоит из плавучего корпуса, выполненного в виде разнесенных по ширине друг от друга не менее чем двух узких понтонов (на фиг. 1 показано 3 понтона - 1, 2 и 3), соединенных между собой балками 4 и 5. Понтоны 1 и 3 выполнены в виде полой герметичной трубы, а средний понтон 2 имеет коробчатую форму для размещения в нем механизмов привода. На понтонах установлены поперек им и параллельно друг другу эстакады 6, опирающими своими концами на понтоны. Вдоль каждой эстакады 6 установлены снизу соосно кронштейн 7 с опорами под вал 8. Между всеми опорами кронштейнов 6 установлены на валу поплавки 9 с возможностью одностороннего вращения (за счет применения обгонных муфт или храповых механизмов). Поплавки 9 располагаются последовательно на валу с минимальными торцевыми зазорами, исключающими заклинивание поплавков при их относительном вращении от температурных и силовых деформаций. На выходных концах валов 8 устанавливаются зубчатые колеса 10, которые находятся в зацеплении непосредственно с зубчатыми колесами (на фиг. не показано) на входном валу повышающих редукторов 11 или через дополнительную повышающую зубчатую передачу (на фиг. не показано). Зубчатое колесо 10 выполняет одновременно роль маховика. Выходной вал каждого редуктора 11 связан с валом электрогенератора 12 (редуктор 11 устанавливают при необходимости, возможна передача на генератор без редуктора). Поплавки 9 (см. фиг. 3) выполнены в виде полых герметичных полуцилиндров. При этом они снабжены объемным выступом 13 (над осью ОХ), выполненным в виде отдельного элемента или заодно с полуцилиндром, как это изображено на фиг. 3 (объемный выступ выполнен путем удлинения окружности полуцилиндра на угол от оси ОХ) и образования дополнительного сектора. На противоположной стороне внутри поплавка устанавливается дополнительный груз 14 с таким расчетом, чтобы момент, создаваемый весом объемного выступа 13, был равен или больше (примерно на 5-10%) момента, создаваемого дополнительным грузом 14, а выталкивающая сила, действующая на один объемный выступ 13 при погружении его в воду, должна создавать крутящий момент, больший момента, создаваемого весом объемного выступа, хаотичным и неуравновешенным воздействием на поплавок водных и воздушных потоков и силами трения, действующих в момент начала вращения поплавка. Объемный выступ 13 является инициирующим элементом, выводящим поплавок из состояния неустойчивого равновесия в неуравновешенное состояние с ускоренным поворотом поплавка (кувырком) при полном погружении поплавка в воду. Размеры волновой электростанции, количество понтонов и эстакад с поплавками зависят от планируемого съема мощности. При этом для обеспечения большей равномерности вращения генератора, а также уменьшения количества используемых механизмов приводов (зубчатых передач, редукторов, муфт и т.д.) выходные концы рядом расположенных валов эстакад попарно или более соединены между собой путем зацепления зубчатых колес на выходных концах валов между собой с установкой общего редуктора, электрогенератора и повышающей зубчатой передачи, а поплавки на связанных кинематически между собой валах расположены симметрично относительно плоскости, проходящей по середине расстояния между валами. В этом случае объемные выступы поплавков на одном валу будут располагаться на противоположной стороне по отношению к расположению объемных выступов поплавков на другом валу. Такое расположение поплавков обеспечивает вращение кинематически связанных валов в разные стороны. При количестве понтонов свыше двух для обеспечения большей равномерности вращения электрогенераторов и уменьшения количества используемых механизмов приводов и электрогенераторов эстакады и валы на смежных понтонах располагают в одну линию. В этом случае выходные концы эстакады на смежных понтонах соединяют между собой (при помощи муфты) с использованием одного общего зубчатого колеса на выходном конце одного из этих валов, общей повышающей зубчатой передачи, общего редуктора и электрогенератора (как это изображено на фиг. 1). Для уменьшения сопротивления воды при погружении поплавка в воду в момент, когда он совершает вращательное движение из крайнего верхнего положения (после кувырка) передняя по ходу вращения поплавка поверхность 15 выполнена в виде сужающего клина (фиг. 4). Поплавки 8 устанавливаются на валу с зазором и передают крутящий момент на вал при помощи обгонной муфты, состоящей из клиновидно-криволинейного пространства 16 (образованного криволинейной поверхностью 17 выемки вала и цилиндрической поверхностью отверстия поплавка) и подпружиненных пальцев 18, установленных внутри клиновидно-криволинейного пространства 16. Возможно сопряжение поплавков с валом с использованием храпового механизма, состоящего из храпового колеса, жестко закрепляемого на валу, и собачки, устанавливаемой на поплавке (на фиг. не показаны). При этом для уменьшения длины валов храповое колесо и собачка целесообразно располагать внутри проточки поплавка, выполненной соосно с отверстиями поплавка со стороны одного или двух торцев поплавка. Для обеспечения гарантированного удержания поплавков в момент набегания волны от поворота до их полного затопления и тем самым создания максимальной потенциальной энергии погруженного поплавка, а также расширения технологических возможностей в части исключения необходимости очень точного изготовления поплавков, целесообразно обеспечить условие, чтобы момент, создаваемый весом объемного элемента, заведомо превосходил момент, создаваемый весом дополнительного груза. В этом случае для удержания поплавков от поворота в обратную сторону под действием этой разницы в моментах на уровне задней поверхности 19 поплавков 9 устанавливаются с небольшим перекрытием задней поверхности поплавка подпружиненные подвижные упоры 20, шарнирно закрепленные на неподвижных штангах 21, связанных с эстакадами. Сверху над подвижными упорами 20 закреплены на штангах неподвижные упоры 22, расположенные вне зоны вращения поплавка и удерживающие подвижные упоры 20 от подъема вверх. Поскольку при погружении поплавка в воду до начала затопления объемного выступа неуравновешенный момент, действующий в обратную сторону на поплавок, незначительный, то и сила воздействия поплавка снизу на подвижный упор 20 незначительна. Это позволяет выполнить упоры 20 небольшими по массе и объему и использовать пружину с небольшим усилием сжатия. Поэтому при рабочем вращении поплавка и воздействия его на подвижные упоры 20, уже сверху, они легко поворачиваются, погружаясь в воду, и не оказывают большого сопротивления поплавкам. Неподвижные упоры 22 могут быть выполнены непосредственно в самих шарнирах подвижных упоров 20 в виде известных конструкций ограничителей поворота. При равенстве моментов, создаваемых объемным выступом и дополнительным грузом, можно исключить применение подвижного упора 20 и неподвижного упора 22. Но для этого необходимо обеспечить постепенное увеличение объема правой части поплавка от оси OY, например, за счет плавного увеличения длины поплавка. При погружении в воду правой части поплавка будет действовать большая выталкивающая сила, чем в левой, которая обеспечит гарантированный поворот поплавка в сторону объемного выступа. Но в этом случае невозможно обеспечить максимальный запас потенциальной энергии поплавка, а его поворот будет адекватным подъему уровня воды в волне. Плавучий корпус снабжен растяжками 23 с возможностью изменения их длины (например, с помощью лебедки). Это позволяет изменять положение корпуса относительно направления волн с целью обеспечения более плавного нагружения валов крутящим моментом от поплавков, расположенных под углом к фронту волн. Возможны другие варианты изменения углового положения корпуса, например, с помощью воздушного или водного киля. Для регулирования положения поплавков относительно уровня воды при монтаже электростанции используются домкраты и прокладки у опор эстакад. При этом целесообразно монтаж производить с обеспечением максимального расположения поплавков относительно уровня воды, а регулировку осадки корпуса производить при помощи закачки или откачки в понтонах. Возможен вариант использования для этого дополнительных понтонов путем подъема или опускания их в воду на определенную глубину. Для укрытия оборудования от атмосферных осадков и создания нормальных климатических условий в работе обслуживающего персонала предусматривается крытое помещение 24. Коробчатый понтон 2 закрывается сверху люками (на фиг. не обозначены). Работа волновой электростанции выполняется следующим образом. В исходном положении, когда отсутствуют волны, все поплавки 9 занимают крайнее нижнее положение согласно фиг. 3, при этом они могут касаться и не касаться воды и даже могут быть чуть погруженными в воду (до уровня воды, при котором в процессе работы свободно падающий с крайнего верхнего положения поплавок создает неуравновешенный момент даже при погружении части поплавка в воду до этого уровня, и поплавок свободно возвращается в исходное положение, будучи частично затопленным. Разница в моментах M от веса объемного выступа 13 и дополнительного груза 14 прижимает поплавок 9 к подвижному упору 20, а тот в свою очередь прижимается к неподвижному упору 22. При образовании волн, "набегающих" под острым углом к оси валов, поплавки поочередно погружаются в воду (затапливаются волной). При этом возникает выталкивающая сила Q, равная весу воды в объеме погруженного поплавка (по закону Архимеда). Так как выталкивающие силы, действующие по обе стороны от оси OY, равны, то результирующая выталкивающая сила Q проходит вертикально вверх через ось вращения поплавка и не создает крутящего момента при погружении поплавка до самой оси OX. Сила веса поплавка P также проходит через ось OX, только вниз, и не создает крутящего момента, за исключением вышеуказанного момента M, создаваемого разницей моментов от веса объемного выступа 13, и веса дополнительного груза, который уровновешивается реакцией R уп опоры от упоров 20 и 21. При погружении поплавка выше оси OX затапливается объемный выступ 13, вследствие чего возникает дополнительный крутящий момент, который превосходит разницу M в моментах от веса объемного выступа и дополнительного груза. В результате этого поплавок начинает поворачиваться, перескакивает положение неустойчивого равновесия и стремится совершить кувырок и выскочить с ускорением из воды. Выталкивающая сила, действующая по левую сторону от оси OY, будет стремительно уменьшаться, а с правой стороны действует на протяжении всего поворота поплавка от исходного положения до угла О=90 o максимальная выталкивающая сила, равная весу вытесненной воды в объеме половины сечения поплавка. При повороте на угол О=90 o выталкивающая сила с левой стороны становится равной 0, а начиная с угла = 90 o , уменьшается выталкивающая сила с правой стороны и становится = 0, когда задняя поверхность 19 не достигнет оси OX с обратной стороны от оси OY. Все это происходит мгновенно, с ускорением, поплавок выныривает полностью из воды с разгоном. Такой эффект создается благодаря форме поплавка. В процессе поворота левая часть поплавка постоянно пересекает положение неустойчивого равновесия и как бы "накачивает собой" объем в правой части, компенсируя полностью выход из воды поплавка в течение всего поворота на угол 90 o , а значит и сохраняя величину выталкивающей силы в правой части. Из механики известно, что когда на тело постоянно действует сила - оно двигается с ускорением. Но такому резкому повороту поплавка на первых порах мешает сила инерции и сопротивление системы приводов вала, зубчатых колес, редуктора и электрогенератора, которые только начинают сначала медленное вращение. Благодаря одновременному воздействию нескольких поплавков создается достаточный момент для вращения вала. Вначале скорость вращения валов меньше скорости вращения поплавков, которую они имели бы при кувырке. Поплавки воздействуют на вал и вращаются со скоростью вала. При этом они не успевают полностью выйти из воды, как уровень волны начинает падать, и поплавки возвращаются обратно в исходное положение. Валы же продолжают вращение по инерции и от того, что на них действуют другие поплавки, и не препятствуют возврату предыдущих поплавков в исходное положение за счет наличия обгонных муфт или храпового механизма. В то время когда одни поплавки совершают холостой ход на валу, другие поплавки в это время совершают активный рабочий ход, а еще другие поплавки находятся в промежуточном состоянии. По мере нарастания оборотов вала поплавки увеличивают скорость поворота валов. При этом поплавки с каждым оборотом все больше и больше выныривают из воды, а скорость валов приближается к скорости кувырка поплавков в свободном от вала состоянии. Поплавки уже успевают полностью вынырнуть из воды до начала падения уровня волны и занять крайнее верхнее положение. В этот момент передняя поверхность 15 поплавков воздействует на подвижный упор 20, отжимает его вниз и погружается в воду. При падении уровня волны поплавки продолжают вращение к исходному положению адекватно спаду волны. Этому способствует разность моментов M от веса объемного выступа и веса дополнительного груза. Валы вращаются уже с большей скоростью, чем поплавки, поворачивающиеся в сторону исходного положения. При этом за счет инерции движения поплавки проскакивают исходное положение и освобождают подвижный упор 20, который возвращается под действием пружины в исходное положение. В это время поплавки из-за разности моментов M совершают колебательное движение обратно к исходному положению и, упираясь в подвижный упор 20, взаимодействующий с неподвижным упором 22, останавливаются в исходном положении. Далее процесс повторяется для каждого поплавка с периодичностью набегания волны, зависящей от амплитуды волны: чем выше волны, тем больше период. При вращении валов зубчатые колеса 10, закрепленные на выходном конце валов, передают крутящий момент непосредственно зубчатому колесу на входном валу редуктора 11 (или через дополнительную повышающую зубчатую передачу). От редуктора 11 крутящий момент передается электрогенератору. Во вращении каждого вала в волновой электростанции наступает такой момент, когда от воздействия какой-то последней группы поплавков вал разгоняется до такой степени, что его скорость вращения становится равной средней скорости вращения поплавков при кувырке. Поплавки перестают воздействовать на вал на какой-то миг, и вал снова начинает терять скорость. Поплавки снова начинают воздействовать на вал и добавлять ему крутящий момент. Вал опять разгоняется, затем снова замедляется; таким образом поддерживается скорость вращения валов, близкая к скорости вращения поплавка при свободном кувырке. Для расчета мощности N с волновой электростанции необходимо произвести сначала расчет крутящего момента, создаваемого одним поплавком. Для упрощения расчетов принимаем, что воздушное пространство внутри поплавка начинается от оси вращения, т.е. не учитываем наличие ступицы и отверстия поплавка (при этом очень незначительное увеличение крутящего момента от выталкивающей силы скомпенсируем тем, что в расчетах не будет учитываться крутящий момент, создаваемый выталкивающей силой, действующий на объемный выступ при затоплении его волной). Рассмотрим текущее положение поплавка (фиг. 3), при котором он уже совершил поворот от исходного положения на некоторый угол . В этом случае затопленная часть поплавка - полуцилиндра представляет сектор с углом 180 o - (объемный выступ не учитываем). Центр масс этой части сектора будет располагаться в точке C в на радиусе, делящем сектор пополам, т.е. на угле сектора. От оси OY это составляет угол На поплавок действует еще сила веса P, центр тяжести C п которого расположен на радиусе, проходящем по оси симметрии поплавка (180 o: 2 = 90 o) в исходном положении. От оси OY в текущем положении это составляет угол . Из механики известна формула, связывающая кинетическую энергию вращательного движения (T - T o) на угол от = 0 до работой A, выполняемой за этот же поворот от 0 до :(T - T o)=A, где где - скорость вращательного движения; M - крутящий момент; I o - момент инерции. Для определения работы составим сначала уравнение для крутящего момента. Уравнение момента, действующего на поплавок в текущем положении (при повороте на некоторый угол ) M т = Qh в - Ph п - P ов h ов + P д h д = M трен.
Для упрощения моменты, создаваемые весом объемного выступа и весом дополнительного груза в расчете не учитываем, ввиду их малости. Также не учитываем моменты от сил трения, которые на порядок меньше, чем момент от выталкивающей силы. Для сектора на угле 180 o -:

где - удельный вес воды,


Отсюда:

Тогда работа A, создаваемая действием выталкивающей силы Q и весом поплавка P на угле поворота от = 0 (исходное положение) до = 180 o (до выхода поплавка из воды), составит

После преобразования получаем

После решения получаем

Для определения мощности A/t определим время поворота поплавка на угол от 0 o до 180 o . Из уравнения T-T o =A после подстановки получаем

так как при 0 = 0 0 = 0, а

то после подстановки получим равенство


отсюда

Так как = , то уравнение мощностей будет

Рассмотрим пример расчета мощности волновой электростанции, выполненной согласно фиг. 1, 2, и 3: 3 понтона с 20 эстакадами и валами. На каждом валу 20 поплавков из алюминиевого сплава Д16Т ( = 2,7) . Размеры поплавков: R = 1 м; l = 1 м
При толщине листа 5 мм вес поплавка P = mg = 70 кг. Сначала произведем расчет мощности для одного поплавка. При этом примем удельную плотность морской воды равной 1025 кг/м 3 (исходя из средней условной плотности T = 25). Исходя из уравнения (2), получим


При этом

а

При темпе волнообразования в среднем 5,5 с мощность поплавка равна
N = 60,66:5,5 = 11 кВт. Примем итоговый КПД волновой электростанции с учетом КПД приводов и всех сил трения, в т.ч. воды, равным 0,6, тогда мощность волновой электростанции из 400 поплавков составит
N с = 11 400 0,6=2640 кВт,
При этом волновая электростанция будет занимать площадь . Съем мощности с 1 м 2 составит 2640:800=3,3 кВт/м 2 (сравните со съемом мощности в прототипе в 1,39 кВт или с волновыми электростанциями при использовании только воздушных турбин, где съем мощности равен 1 кВт/м 2). При этом следует отметить, что при большей высоте волны (свыше оси X) увеличивается выталкивающая сила и достигает суммарно максимального значения, когда поплавок будет затоплен от исходного нижнего положения на высоту 2R. В этом случае на поплавок воздействует выталкивающая сила в течение поворота поплавка не на 180 o , а на угол 270 o . При этом с момента поворота поплавка на угол 90 o (от исходного положения) на поплавок будет воздействовать неуравновешанная выталкивающая сила, равная весу воды, вытесненной в объеме всего поплавка (т.е. в 2 раза больше). Соответственно и создаваемая мощность волновой электростанции будет значительно выше приведенной в расчетах. Годовая выработка W электроэнергии, при условии работы волновой электростанции, например, 2/3 от годового фонда времени (в остальное время затишье или отсутствие волн необходимой высоты) и без учета волн большей высоты, чем высота затопляемой части поплавка на величину объемного выступа (данные о времени работы волновой электростанции необходимо взять конкретно из статистических данных метеонаблюдений для конкретной местности) составит 15417600 кВт/час = (2/3 264024365) При цене 1 кВт/часа 100 руб. доход от электростанции будет равен 1541,76 млн. руб. в год. При среднем потреблении 30 кВтчас в месяц на одного жителя волновая электростанция обеспечит энергопотребление населенного пункта с количеством жителей 15417600: (3012)= 42826 чел., т.е. целого городка (не считая промышленное потребление). Связанные в единую энергетическую сеть волновые электростанции позволят существенно сократить выработку электроэнергии, осуществляемую за счет сжигания топливных ресурсов. Исходя из данных многолетних метеонаблюдений за прибрежными волнами конкретных местностей могут быть построены волновые электростанции с различными по размерам и количеству поплавками. При этом должна быть проведена унификация и установлен оптимальный размерный ряд электростанций (что позволяет уменьшить затраты на их изготовлении). Станции могут быть установлены на разных расстояниях от побережья. Учитывая простоту волновой электростанции, затраты на создание их окупятся в течение года. Так, например, представленная волновая электростанция будет иметь такую укрупненную калькуляцию работ на изготовление (в ценах начала 1997 года);
3 понтона диаметром 3м, длиной 15-18 м 10 млн х 3 = 30 млн.,
20 эстакад с опорами под вал - 5 млн х 20 = 100 млн.,
20 валов - 5,5 х 20 = 110 млн.,
400 поплавков из алюм. сплава (суммарный вес 30 т) с обгонными муфтами - 0,25 х 400 = 100 млн.,
5 редукторов - 25х5 = 125 млн.,
5 генераторов - 30х5 = 150 млн.,
5 зубчатых передач 5х5 = 25 млн.,
Электрооборудование (шкафы, провода и т.д.) - 20 млн.,
Монтаж станции - 150 млн.,
Итого: 810 млн. рублей. Сравнивая с годовым доходом 1541,76 млн. рублей, можно уверенно сказать, что при данной калькуляции затрат станция окупит капитальные затраты в течение года. Таким образом, предлагаемая волновая электростанция позволяет более эффективно превращать кинетическую энергию поднимающейся волны в потенциальную энергию выталкивающей силы, действующей на поплавки, за счет удержания поплавков в крайней нижнем положении до их полного погружения в воду и мгновенного полного преобразования этой потенциальной энергии в кинематическую энергию, причем непосредственно во вращательное движение поплавков. Съем мощности с 1 м 2 воды увеличивается в 2-3 раза, упрощается конструкция волновой электростанции за счет использования кинематически простых элементов, не требующих высокой точности, и применения обычных, освоенных в машиностроении деталей и покупных изделий (зубчатых передач, валов, обгонных и соединительных муфт, редукторов, генераторов). Огромные морские просторы обеспечивают возможность строительства большого количества таких волновых электростанций и сократить количество теплоэлектростанций, сжигающих топливные ресурсы. Улучшается экологическое состояние в местах выработки электроэнергии окружающей среды. Высокая окупаемость капитальных затрат (в течение 1-2 лет) делает эффективным использование финансовых ресурсов при строительстве предлагаемой волновой электростанции.

В нашей стране интерес к волновым преобразователям возник в 20-30гг. XX века. В 1935г. наш великий соотечественник К.Э. Циолковский опубликовал статью «Волнолом и извлечение энергии из морских волн», в которой описал принципиальные схемы трех типов устройств и в настоящее время относящихся к разряду наиболее перспективных. В них без труда узнаем (рис. 2.1) аналоги будущих устройств разработанных Масудой, Кайзером, Коккереллом. Российский ученый К.Э. Циолковский считал, что первые две системы не оригинальны, но относительно новизны последней - контурного плота - не сомневался.

Рис. 2.1.

описанные К.Э. Циолковским: а,б - пневматические; в - контурный плот.

В 70-х годах прошлого века на Черном море испытывалась модель волнового плота. Она имела длину 12 м, ширину поплавков 0,4 м. На волнах высотой 0,5 м и длиной 10 - 15 м установка развивала мощность 150 кВт. (рис.2.2)

Рис. 2.2. Вариант выполнения контурного плота Коккерелла: 1 - колеблющаяся секция; 2 - преобразователь; 3 - тяга; 4 - шарнир.

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

В современной России существует множество разработок волновых электростанций, все они реализованы в той или иной степени. Одним из таких проектов является совместная разработка компании ОАО «OceanRusEnergy» и Уральский федеральный университет (УрФУ г. Екатеринбург).

Рис. 2.3.

При создании волнового движения в верхней и нижней точках прохождения волны, маятник совершает возвратно-поступательные движения, аккумулируя потенциальную энергию в пружине. При вращении вала генератора вырабатывается переменный ток. Для создания постоянного тока предусмотрены небольшие выпрямители (например, по схеме Ларионова), что позволяет осуществлять зарядку АКБ (аккумуляторная батарея).

Схема воздействия волны на поплавковый микромодуль волновой микро ЭС (ВГЭС) представлена на рис. 2.4.

волновой электростанция поплавковый микромодуль

Рис. 2.4

При испытаниях модуля ВГЭС имитировалась волновая качка Баренцева моря с периодом колебания волны от 1 до 3,5 секунд, среднегодовой скоростью ветра 7-9 м/с, расчетной гарантированной амплитудой колебаний (высота волны) 20 см и 30 см. Для имитации волн был использован кривошипно-шатунный механизм (КШМ) с продольным движением конечного звена - тяги. КШМ преобразовывал вращение вала двигателя в возвратно-поступательное движение тяги. В качестве привода был выбран асинхронный двигатель мощностью Р=1 кВт и частотой вращения n0 не менее 3000 об/мин. Редуктор был подобран из расчета передаточного отношения Z=25.

Использование в исследовании режимов имитации волн с амплитудой А=20, А=30, и периодом колебаний Т=2, 3, 3.5 с позволило получить необходимые электротехнические значения и характеристики для оценки генерируемой мощности и определить оптимальные и эффективные режимы работы исследуемой поплавковой ВГЭС.

Испытания на стенде проводились в лаборатории волновой энергетики Евроазиатского центра ВИЭ УрФУ. Испытуемый образец ВГЭС представлен на рис. 2.5.

Рис. 2.5.

Пример электротехнических параметров генерирующего модуля при постоянном токе(DC) представлен на графике.

График показателя мощности ВГЭС при амплитуде колебаний 0,2м и периоде 1 с.

Результаты экспериментов с имитацией волн разной амплитуды и периода колебаний волн Т показали, что генерируемая мощность одного модуля ВГЭС составляет 15-60 Вт. Увеличение мощности до уровня, нескольких кВт, решается за счет использования нескольких микромодулей ВГЭС, объединенных в единый кластер (рис.2.6)

Рис. 2.6.

Дальнейшее наращивание мощности ВГЭС до нескольких десятков и сотен кВт может быть реализовано путем сборки большего числа микромодулей в кластеры ВИЭ на базе волновых микромодулей (рис. 2.7).

Рис. 2.7.

Заключение

В случае непосредственного использования электроэнергии, вырабатываемой волновой станцией, для хозяйственных нужд ее нельзя рассматривать как самостоятельный источник. Непостоянство во времени и пространстве, сезонный характер самого ресурса требуют иметь в резерве какой-то дополнительный источник электроэнергии, либо подключать волновую электростанцию к энергосети, позволяющей за счет сторонних источников компенсировать снижение мощности из-за уменьшения волнения, либо, наконец, использовать аккумулирование энергии.

Еще одна трудность при создании волновых преобразователей - обеспечение их живучести в случае экстремальных волновых нагрузок, значительно превышающих расчетные режимы эксплуатации. Среднее значение мощности, для Северной Атлантики составляет примерно 50 кВт/м. Во время сильного шторма эта величина может достичь значения 2 МВт/м при высоте волн 15 м. Наблюдавшиеся в этом же районе максимальные волны (так называемые «пятидесятилетние волны») имели высоту до 34 м. Для этого района считается целесообразным разрабатывать устройства, рассчитанные на нормальную работу в диапазоне мощностей 50--150 кВт/м. Таким образом, чтобы противостоять штормам средней силы преобразователи энергии волн должны иметь установленную мощность, значительно превышающую среднюю. Это не спасает их от сильных штормов. Здесь предложено несколько вариантов защиты. Например, в случае такого шторма преобразователь может быть затоплен. Другой вариант -- так рассчитывать преобразователи, чтобы с увеличением волнения выше оптимального их эффективность падала. Однако, в любом случае возникают серьезные трудности при обслуживании, передаче энергии, удержании на якоре. Возникают даже совершенно новые проблемы. Например, срыв с якоря одного из точечных преобразователей может привести к разрушению соседних с ним устройств. Выбрасывание же на берег аварийных устройств может привести к опасности разрушения береговых сооружений.

Трудности создания энергетики на преобразовании энергии волн достаточно велики. Их преодоление потребует еще многих усилий разработчиков и ученых. В настоящее время в мире уже эксплуатируется около 400 автономных навигационных буев, использующих энергию воды. Однако уже в этом столетии прогнозируется возможное получение от океанских волн мощности не менее 10 ГВт (мощность Красноярской ГЭС около 12 ГВт).

Преимущества волновой энергии состоят в том, что она достаточно сильно сконцентрирована, доступна для преобразования и на любой момент времени может прогнозироваться в зависимости от погодных условий. Создаваясь под действием ветра, волны хорошо сохраняют свой энергетический потенциал, распространяясь на значительные расстояния. Например, крупные волны, достигающие побережья Европы, зарождаются во время штормов в центре Атлантики и даже в Карибском море.

Энергия волн – энергия, которую волны переносят по поверхности воды. Это неисчерпаемый источник, пригодный для получения электричества. Для преобразования энергии волны в электроэнергию сооружают электростанции волновые. Их монтируют непосредственно в воду.

В перспективе волновая генерация может за год выдать 4 ТВт в прибрежных зонах и до нескольких десятков ТВт в открытом море.

Природа явления

Волнообразование – есть результат воздействия солнечных лучей. Солнце нагревает воздушные массы, из-за чего они перемещаются в пространстве. В процессе перетекания воздух соприкасается с поверхностью океана, инициируя возникновение волны.

Энергоемкость конкретного волнового вала определяется:

• силой ветров;
• продолжительностью порывов;
• шириной воздушного фронта.

Максимальное значение энергоемкости одной волны достигает 100 кВт на 1 м. Данный показатель существенно понижается на мелководье, что объясняется трением о дно водоема.

Принцип действия классической волновой электростанции

Осциллирующая водяная колонна с воздушной турбиной Уэллса являет собой классический, наиболее проработанный вид волновой электростанции. Аналогичное оборудование успешно функционирует как в море, так и в прибрежной зоне.

Принцип работы одинаков и для стационарных, и для плавучих моделей. Волной в, наполовину погруженной в воду, камере поднимается уровень воды. Благодаря заполнению внутреннего объема агрегата водой, воздух, находящийся внутри, под давлением выдавливается из сосуда. Образовавшиеся воздушные потоки пропускаются через лопасти реверсивной турбины низкого давления Уэллса. Когда возникает откат воды, воздух возвращается в камеру, минуя все те же турбинные лопатки. Уэллс добился сохранения направления вращения вала турбины вне зависимости от направления движения волны, что обеспечивает непрерывность передачи крутящего момента на вал генератора.

Турбина Алана Артура Уэллса избавлена от сложных механизмов измерения шага, а также систем клапанов. Агрегат имеет симметричное сечение и сравнительно большой угол атаки лопастей. В целом механизм характеризуется:

• малым отношением скорости вращения к скорости потока воздуха;
• высоким коэффициентом лобового сопротивления;
• периодическими провалами мощности;
• КПД на уровне 40-70%;
• шумностью – издаваемые им, звуки сопоставимы со звучанием огромного органа.

Совершенствование классической модели

Принцип действия подобных агрегатов сохраняется неизменным. Конструкторы пытаются изменить архитектуру камеры, чтобы добиться максимального сжатия воздушной массы внутри нее. Усовершенствованная модель камеры позволяет изменять ее объем и геометрию в зависимости от состояния акватории.

Эффективность этой идеи доказали и теоретически, и практически. В итоге удалось избавиться от перепадов мощности станции, обусловленных падением высоты волны, и защитить оборудование от чрезмерных нагрузок и разрушения во время штормов.

Такая станция с «дышащей» камерой функционирует в Атлантике у португальских берегов. Ее мощности в 750 кВт достаточно для обеспечения электричеством около 1000 семей. Там планируется создать огромный прибрежный генерирующий каскад.

В перспективе плавучие волновые станции этого типа будут строить там, где функционируют ветровые фермы, используя единую якорную систему для электростанций обоих видов.

Буй-генератор

Ocean Power Technologies (OPT) – инжиниринговая компания из Шотландии – представила PowerBuoy PB150. Это огромный буй длиной 42 м, удерживаемый одиннадцатиметровым поплавком и якорной системой. Мощность одной станции 150 кВт.

Агрегат способен преобразовывать в электроэнергию вертикальные колебания. Погруженная часть буя-генератора зафиксирована на дне якорной системой. Поплавок перемещается по вертикали в унисон колебанию морских вод — он закреплен на подвижном штоке. Шток – часть линейного генератора, который во время прохождения обмотки статора вырабатывает электричество.

Конструкция оснащена системой датчиков, благодаря которой можно вручную адаптировать ход штока согласно силе, высоте и частоте волн, добиваясь наиболее рационального режима работы оборудования. Во избежание аварий в периоды сильных штормов шток поплавка блокируется автоматически.

К месту дислокации агрегат доставляют буксиры. Несколько подобных буев, установленные рядом, использующие общую якорную систему и единый силовой контур, образуют волновую ферму. Для установки системы мощностью 10МВт необходимо 0,125 квадратных км водной поверхности. Первый такой буй разместили в 33 морских милях от Инвергордона (Шотландия). Анализ среды вблизи функционирующего генератора показал, что он экологически нейтрален.

Преимущества и недостатки

Преимущества волновой энергетики:

• волновая электростанция способна заменить волногасители, защищающие береговую линию и прибрежные сооружения от разрушения;
• волновые электрогенераторы малой мощности можно монтировать непосредственно на мостовых опорах, причалах, принимая мощность волн;
• удельная мощность волнения волн выше удельной мощности ветров на 1-2 порядка, соответственно волновая энергетика может оказаться выгоднее, нежели ветряная.

Недостатки:

• штормовая волна способна смять лопасти водяных турбин. Проблема решается методами искусственного уменьшения мощности, заключенной в волнах;
• некоторые типы генераторов представляют реальную угрозу для безопасности мореплавания;
• в местах установки отдельных видов агрегатов промышленное рыболовство становится невозможным.

Первую приливную электростанцию построили в 1913 г. вблизи Ливерпуля в бухте Ди, ее мощность достигала 635 кВт.

Для работы электростанции необходимо, чтобы перепад уровней между отливом и приливом составлял более четырех метров.

С увеличением разницы высот воды увеличивается выработка электроэнергии приливной электростанции. Наиболее подходящим местом для использования энергии приливов необходимо считать такое место на морском побережье, где приливы обычно имеют амплитуду от 4 до 19 м, а береговой рельеф позволяет с минимальными затратами создать большой замкнутый бассейн.

Удобным местом для постройки приливной электростанции является узкий морской залив, который при устройстве ПЭС отсекается плотиной от океана. В отверстиях плотины размещаются гидротурбины с генераторами. Генератор и турбина заключены в обтекаемую капсулу. Главным достоинством таких капсульных агрегатов является их универсальность. Они способны не только вырабатывать электрическую энергию при движении через них морской воды, но и выполнять функции насосов. При этом производство электроэнергии происходит как в период прилива, так и в период отлива.

Режим работы приливной электростанции обычно состоит из нескольких циклов. Четыре переходных цикла (периода): простой турбин, по 1-2 часа, периоды начала прилива и его окончания. Затем четыре рабочих цикла продолжительностью по 4-5 часов, периоды прилива или отлива, действующих в полную силу. В ходе прилива водой наполняется бассейн приливной электростанции. Движение воды вращает колеса капсульных агрегатов, электростанция вырабатывает ток. Во время отлива вода, уходя из бассейна в океан, также вращает рабочие колеса, но в обратную сторону. В промежутках между приливом и отливом колеса останавливаются. Приливную электростанцию необходимо связать с сетью.

В России первая приливная станция была построена в заливе Кислая Губа в 90 км от Мурманска в 1968 г., мощность турбины 400 кВт. Впервые при ее монтаже была применена наплавная технология строительства, когда блоки делают в доке, затем перемещают плавучим способом к месту установки, монтируют и бетонируют. Такая же технология впоследствии была использована при строительстве дамбы в Санкт-Петербурге. В настоящее время на станции установлен агрегат нового типа.

В России после выполнения проектных проработок определены несколько основных мест возможного размещения приливных электростанций в Северном море: Мезенская ПЭС – 8 ГВт, Северное море, около 10 м прилив; Северная ПЭС – 12 ГВт, Баренцево море, высота прилива около 4 м; Пенжинская ПЭС – 88 ГВт, Охотское море, высота прилива 11 м; Тугурская ПЭС – 8 ГВт, Охотское море, высота прилива 9 м. Положение ПЭС на карте .

Следует помнить, что общая мощность тепловых электростанций в России на сегодня составляет около 150 ГВт. В связи с дальним расположением потребителей электроэнергии рассматривается вариант производства рядом с ПЭС водорода с последующей его транспортировкой потребителям. Ведутся переговоры с Россией о строительстве международной ПЭС на востоке России. Энергия ПЭС самая дешевая.

Для применения на ПЭС в России разработаны простые в изготовлении и потому дешевые ортогональные роторные турбины, состоящие из нескольких ярусов и имеющие к.п.д. на уровне 70…80%. У них есть ряд преимуществ перед осевыми машинами, хотя их к.п.д. несколько меньше.

Самой мощной на сегодня является Сихвинская ПЭС мощность 252 МВт (Южная Корея), введенная в работу в 2013 г.

Волновые электростанции

Применяются также волновые электростанции. Конструктивных реализаций волновых электростанций, как минимум, несколько десятков. В настоящем разделе приведены три довольно оригинальных конструкции.

Oceanlinx – электростанция, в которой рабочим телом является воздух. Еще одно название — Oscillating Water Column (OWC). Осевая турбина производства фирмы Denniss-Auld turbine расположена горизонтально в надземной части платформы. Канал, в котором она размещена, имеет переменное сечение и переходит в подводный канал. Переменный уровень поверхности волн приводит то к выталкиванию воздуха из проточной части турбины при подъеме волны, то к втягиванию атмосферного воздуха при понижении ее уровня относительно среднего уровня воды. Скорость воздуха максимальна в окрестности рабочего колеса турбины. Эти переменные по направлению потоки воздуха и вызывают вращение колеса турбины. Несмотря на противоположные направления движения воздуха, турбина вращает генератор в одном направлении. Это достигается с помощью механизма поворота лопаток при смене направления движения воздуха. С помощью контроллера производится переменное во времени регулирование угла положения лопаток относительно оси турбины, исходя из направления движения воздуха и его скорости, которая, в свою очередь зависит от высоты волны на поверхности моря. Достигнута мощность 2,5 МВт в одном агрегате, намериваются сделать 6-модульный агрегат общей мощностью 18 МВт. Движение воздуха сопровождаются звуками, которые называют “Дыханием дракона”.

Searaser, Wave Energy Converter – гравитационно-волновой насос (другие названия “морской наполнитель”, преобразователь энергии волн) – это поплавковый поршневой насос двустороннего действия, производящий закачивание морской воды в бассейн (емкость), расположенный выше уровня моря на 100…200 м. Мощность одного модуля может достигать 250 кВт. Из верхнего бассейна вода направляется в гидротурбинный агрегат, расположенный на берегу моря и производящий электроэнергию. Насос по принципу действия похож на велосипедный насос. Движущей силой поршня является результирующая сил Архимеда и силы тяготения, действующая на перемещающийся по вертикали верхний поплавок с внутренним грузом благодаря энергии волн, смотри на русском языке и . Фактически эта установка является гидроаккумулятором, использующим энергию волн для заполнения высоко расположенной аккумулирующей емкости, башни или бассейна.

В Северной Ирландии установлен двухроторный агрегат SeaGen мощностью 1,2 МВт с лопастями диаметром 10 м, см. фото.

На сегодняшний день существует большое количество различных источников энергии, которые использует человек. Основными считаются конечно же , уголь и , но ведь они когда-то закончатся. К сожалению для многих, но запасов данных углеводородов осталось не так уж и много. По приблизительным расчетам ученых, газ и нефть на нашей планете закончится через 50 лет, а уголь через 400-500. Конечно подобные прогнозы делаются с учетом того, что не будет открыто новых месторождений, но все же стоит задуматься, а что если так и произойдет?!

Конечно волновые электростанции КПД которых имеет приличное значение имеют целый ряд преимуществ делающих их более перспективными перед углеводородами. Главным считается именно коэффициент полезного действия, который имеет высокие показатели. Также стоит отметить, что поплавковая волновая электростанция может также выполнять функцию волногасителя. Благодаря подобному использованию можно обезопасить берега водоемов, у которых бывают сильные приливы. Также волновые могут выполнять охрану морских границ государства, но для этого потребуется небольшое усовершенствование.

Строительство ВЭС

Во время строительства ВЭС необходимо учитывать следующие факторы получения электрической энергии:

• Требуется брать в расчет показатели кинетической энергии волн. При попадании в трубу волновой электростанции вода оказывает давление на расположенную внутри, которая приводится в движение и вырабатывает энергию. Также данный процесс может осуществляться с помощью давления, которое оказывается водой, выталкивающей воздух из полой камеры.
• Энергия получаемого от качения поверхности. При подобных случаях на поверхность воды устанавливаются специальные датчики, называемые поплавками. Они отслеживают профили каждой волны и преобразовывают качание в электрическую энергию.

К счастью схема ПВЭС проста, поэтому на строительство и запуск не приходится тратить больших средств, в то время как КПД приливной электростанции позволяет использовать ее даже для крупных городов побережья.

Заключение

Конечно, как и другие альтернативные способы добычи электрической энергии, данный метод не до конца изучен и разработан, но процесс идет очень хорошими темпами. На сегодняшний день даже преобразование не может на равных конкурировать с углеводородными источниками, но следует продолжать исследовать все альтернативные методы. Россия не так давно стала разрабатывать проект получения энергии из ВЭС, но у страны есть большой потенциал и возможности, которые требуется лишь реализовать на все 100%.