Пристрої для перетворення енергії хвиль

В результаті хвилевого руху рідини в хвилі одночасно із зміною положення рівня і нахилу поверхні відбувається зміна кінетичної і потенційної енергії, зміна тиску під хвилею. На основі використання однієї характерної ознаки хвилевого руху або їх комбінації вже створено велике число різних пристроїв, що поглинають і перетворюють хвилеву енергію. Сюди ж входять і пристрої, що уловлюють воду з гребенів хвиль і повертають її на середній рівень або до підніжжя хвиль після перетворення потенційної енергії. Крім того, можна використовувати найрізноманітніші споруди для збільшення інтенсивності хвилевого руху в місцях розміщення перетворювачів за рахунок дифракційних і канальних ефектів.

Пристрої, що відстежують профіль хвилі.Стефан Солтер з Едінбурзького університету розробив пристрій, який назвав «качкою». Форма її забезпечувала максимальне витягання потужності (рис. 3).

Рис 3. Качка Солтера

Хвилі, що поступають зліва, змушують качку качатися. Циліндрова форма протилежної поверхні забезпечує відсутність поширення хвилі направо при коливаннях качки довкола осі О. Потужність може бути знята з осі коливальної системи з таким розрахунком, аби забезпечити мінімум віддзеркалення енергії. Відображаючи і пропускаючи лише незначну частину енергії хвиль (приблизно 5%), цей пристрій володіє вельми високою ефективністю перетворення в широкому діапазоні частот збуджуючих коливань.

Подальші розробки Солтера направлені на те, аби забезпечити качці здатність протистояти ударам максимальних хвиль і створити гірлянду перетворювачів, що заякоряє, у вигляді досить гнучкої лінії. Передбачається, що характерний розмір реальної качки дорівнюватиме приблизно 0,1 , що для 100-метрових атлантичних хвиль відповідає 10 м. Нитка з качок протяжністю декілька кілометрів передбачається встановити в районі з найбільш інтенсивним хвилюванням на захід від Гебрідських островів, потужність всієї станції буде приблизно 100 МВт. Проектуються і індивідуальні качки, що встановлюються в плотах, що заякоряють, і призначаються для роботи на менших глибинах (приблизно 20 м).

Будь-які хвилеві перетворювачі мають якісь недоліки, але для уток найбільш серйозними виявляються наступні:

1) необхідність передачі повільного коливального руху на привід генератора (Солтер працює над вживанням в якості генераторів вбудованих гіроскопів, які повинні видавати в мережу потужність, пропорційну повільному обертанню корпусів качок на хвилюванні);

2) необхідність зняття потужності з плаваючого на значній глибині пристрою великої протяжності.

Інший характерний тип пристрою даного класу — ланкастерський «молюск», що використовує той же «геометричний» принцип Солтера. Тут дзьобоподібний поплавець сполучений з декількома податливими повітряними оболонками, заповненими повітрям, що стискується під дією хвиль. Стисле повітря переганяється з однієї оболонки в іншу по мірі того, як хвиля повертає «дзьоб». Осцилюючий повітряний потік приводить в дію турбіну Уелса, що відрізняється тим, що напрям її обертання не залежить від напряму потоку повітря. Турбіна пов'язана з електрогенератором.

Водяний стовп, що коливається. При набіганні хвилі на частково занурену порожнину, відкриту під водою, стовп рідини в порожнині коливається, викликаючи зміни тиску в газі над рідиною. Порожнина може бути пов'язана з атмосферою через турбіну. Потік може регулюватися так, щоб проходити через турбіну в одному напрямі, або може бути використана турбіна Уелса. Вже відомо принаймні два приклади комерційного використання пристроїв на цьому принципі — сигнальні буї, упроваджені в Японії Масудой і у Великобританії співробітниками Королівського університету Белфаста.

Рис. 4. Широкосмугова хвилева енергетична установка на принципі водного стовпа, що коливається (побудована поблизу Тофтестоллена, Норвегія)

Крупніший і вперше включений в енергомережу пристрій побудований в Тофтестоллене (Норвегія) фірмою Kvaernor Brug А/S (рис. 4). Основний принцип дії стовпа, що коливається, показаний на рис. 5. У Тофтестоллене він використовується в 500-кіловатній установці, побудованій на краю прямовисної скелі. Крім того, національна електрична лабораторія (NEL) Великобританії пропонує конструкцію, що встановлюється безпосередньо на морському дні.

Рис. 5. Схема установки, в якій використовується принцип водного стовпа, що коливається (розроблена Національною інженерною лабораторією NEL, Великобританія, розміщується безпосередньо на ґрунті, турбіна наводиться в дію потоком одного напряму):

1 — хвилевий підйом рівня; 2 — повітряний потік; 3 — турбіна; 4 — випуск повітря; 5— напрям хвилі; 6— опускання рівня; 7— впускання повітря

Головна перевага пристроїв на принципі водяного стовпа, що коливається, полягає в тому, що швидкість повітря перед турбіною може бути значно збільшена за рахунок зменшення прохідного перерізу каналу. Це дозволяє поєднувати повільний хвилевий рух з високочастотним обертанням турбіни. Крім того, тут створюється можливість видалити генеруючий пристрій із зони безпосередньої дії солоної морської води.

Підводні пристрої. Переваги підводних пристроїв полягають в тому, що ці пристрої дозволяють уникнути штормової дії на перетворювачі. Проте при їх використанні збільшуються труднощі, пов'язані з витяганням енергії і обслуговуванням. Для прикладу можна запропонувати так званий «бристольский циліндр», що є наповненим повітрям плавучим корпусом, закріпленим під водою на опорах, встановлених на ґрунті. Циліндр знаходиться під впливом підповерхневого руху вод і зміни гідростатичного тиску. Вмонтовані в опори гідравлічні насоси перетворюють енергію руху циліндра. Перекачувана ними рідина може подаватися на генераторну станцію, єдину для декількох циліндрів, по трубопроводах.

Ряд проектів, що активно розробляються в Англії, передбачає установку на якорі два або трьох понтонів, що мають шарнірне зчленування. Проходящая хвиля викликає вигини в шарнірах, які використовуються в поршневій гідравлічній системі, що запасає енергію в стислій до високого тиску рідині. Ця енергія потім використовується в гідродвигуні і електрогенераторі. Основні труднощі при впровадженні подібних систем пов'язані з низькою надійністю якірних постановок і шарнірних з'єднань при штормах і переміщеннях льоду.

Ще один тип хвилевих енергетичних установок, реалізований при невеликих потужностях в Японії, працює таким чином. Буй, що заякоряє, має порожнину, відкриту знизу. При коливаннях на хвилі рівень води в порожнині міняється. У надводній верхній частині буя є отвір, через який повітря виходить з порожнини при її заповненні водою, коли проходить гребінь хвилі. Коли проходить підошва хвилі, повітря, навпаки, входить в порожнину через опускання рівня води. Перебіг повітря через отвір наводить в рух повітряну турбіну, сполучену з електрогенератором. У автономних електричних буях енергія, що виробляється, використовується для зарядки акумуляторів, що живлять 60-ватну електролампу. Реалізується подібний проект, в якому «поплавцем» є судно водотоннажністю 500 т, проектна потужність хвилевої енергоустановки складає 2,2 МВт. Подібна установка може використовуватися також для акумуляції енергії, виробляючи стисле повітря, яке по трубах прямує в берегові баки.

Як хвилевий генератор може використовуватися буй, що заякоряється, до якого на тросі підвішений оборотний капсульний гідроагрегат з вертикальною віссю на глибину, де хвилеві коливання невеликі. Турбіна агрегату обертається при русі вгору і вниз, коли проходять гребінь і підошва хвилі. Обмеження знову пов'язані з низькою надійністю якірної постановки і передачі електроенергії по кабель-тросу при штормах. Можлива також установка на мілководді гідроагрегатів з горизонтальною віссю в придонному шарі.

Системи, що уловлюють хвилі. Схеми подібних пристроїв використовують явище, часто спостережуване в природних лагунах. Хвиля розбивається на укосі греблі (варіант природного рифа), і вода закидається на висоту, що перевищує середній рівень моря, заповнюючи басейн. Вода може бути повернена назад в море через низьконапірну турбіну. схожий з одинбасейновою ПЕС. Біля берега греблями вигороджується басейн з пологою греблею-хвилеломом. Океанська хвиля закидає через цю греблю свої гребені. Рівень в басейні підтримується на 2...3 м вище, ніж в морі. Різниця рівнів збільшується, коли підходить підошва чергової хвилі. Низьконапірні гідроагрегати спрацьовують цей натиск. Реалізація такого проекту вимагає великих витрат на зведення гребель.

На рис. 6 приведена схема, що детально опрацьовується для умов острова Маврикій і призначена для забезпечення генерування 20 МВт електричної потужності. При питомій величині потужності хвиль 22 кВт/м ефективність такого пристрою буде не нижча 30% (мається на увазі перетворення кінетичної енергії хвиль в потенційну енергію рідини в басейні). Необхідна довжина морської греблі рівна приблизно 5 км. Перша в світі комерційна станція на цьому принципі побудована в Норвегії в районі з природним фокусуванням хвиль.