РОЗДІЛ 4. Хвильош електростанції

Конструкція цього хвильового перетворювача енергії показано на рис. 3.5. У проекті передбачається монтаж великої кількості великих поплавців, послідовно укріплених на загальному валу. Під дією хвиль поплавці починають рухатися й вертаються у вихідне положення силою власної ваги. При цьому приводяться в дію насоси усередині вала, заповненого спеціально підготовленою водою. Через систему труб різного діаметра створюється різниця тиску, що приводить у рух турбіни, установлені між поплавцями й підняті над поверхнею моря. Вироблювана електроенергія передається по підводному кабелю. Для більш ефективного розподілу навантажень на валу слід установлювати 20 – 30 поплавців. В 1978 р. була випробувана модель установки, що полягала з 20-ти поплавців діаметром 1 м. Вироблена потужність склали 10 кВт. Розроблений проект могутнішої установки з 20 - 30 поплавців діаметром 15 м, укріплених на валу, довжиною 1200 м.

Рис. 4.4. Перетворювач хвильової енергії "качка Солтера"

Передбачувана потужність установки 45 тис. кВт. Подібні системи, установлені в західних берегів Британських островів, можуть забезпечити потреби Великобританії в електроенергії.

У якості перспективних енергетичних установок можна відзначити перетворювач, що використовує енергію водяного стовпа, що коливається. Принцип роботи такого перетворювача полягає в наступному. При набіганні хвилі на частково занурену порожнину, відкриту під водою, стовп рідини в порожнині коливається, викликаючи зміни тиску в газі над рідиною. Порожнина пов'язана з атмосферою через турбіну. Потік може регулюватися так, щоб проходити через турбіну в одному напрямку, або може бути використана турбіна Уеллса. Уже відомі, принаймні, два приклади комерційного використання пристроїв на цьому принципі - сигнальні буї, впроваджені в Японії Масудой і у Великобританії співробітниками Королівського університету Белфаста. Більше й уперше включене в енергомережу пристрій побудований у Тофтестоллене (Норвегія) фірмою Kvaemor Brug A/S. Основний принцип дії перетворювача, що використовує принцип коливного стовпа показано на рис. 4.4. На цьому Рис.: 1 - хвильовий підйом рівня; 2 - повітряний потік; 3 - турбіна; 4 - система впуску й випуску повітря; S - напрямок хвилі; 6 - опускання хвильового рівня; 7 - морське дно.

Рис. 4.5. Схема установки, у якій використовується принцип коливного водного стовпа

У Тофтестоллені він використовується в 500-кіловатній установці, побудованої на краю стрімкої скелі. Крім того, національна електрична лабораторія (NEL) Великобританії пропонує конструкцію, установлювану безпосередньо на морському дні. Головна перевага пристроїв на принципі водяного коливного стовпа полягає в тому, що швидкість повітря перед турбіною може бути значно збільшена за рахунок зменшення прохідного перетину каналу. Це дозволяє поєднувати повільний хвильовий рух з високочастотним обертанням турбіни. Крім того, тут створюється можливість вилучити генеруючий пристрій із зони безпосереднього впливу солоної морської води.

Існують і інші, менш відомі способи перетворення енергії хвиль в електричну енергію. Так, хвильова електростанція Oceanlinx в акваторії міста Порт-Кембла (Австралія) використовує хвилі для того, щоб нагнітати повітря у величезні хутра. Стиснене повітря під тиском проходить через турбіну, обертаючи її лопати. У результаті виробляється електроенергія. Установка Oceanlinx у Порт-Кембла поставляє в електромережу міста 450 кВт електроенергії. В узбережжя США в Орегоні будується "буйкова" електростанція. Буї під впливом хвиль качають магнітний стрижень усередині провідної котушки й генерують електричний струм.

Електробуйки, розроблювальні в Орегонскому університеті, планується розміщати на відстані у два-три кілометри від узбережжя. По попередніх розрахунках, територія в 25 кв. км зможе постачити електрикою весь штат.

Деякі типи розроблених і розроблювальних хвильових енергетичних установок використовують різницю оцінок гребеня й западини хвилі. За рахунок переливу гребенів хвилі, наприклад, через дамбу, або за рахунок поперемінного відкриття клапанів або засувок відбувається заповнення ємностей - басейнів, перепад, що утворювався, рівнів у ємності й у морі використовується водяним колесом або низьконапірною гідравлічною турбіною для виробітку електроенергії або привода інших механізмів. Найбільш відомою установкою цього типу є “шлюз Рассела”. З метою збільшення діючого перепаду рівнів (напору) використовується ефект набігання хвилі на пологу поверхню. Для цього робоча поверхня виготовляється у вигляді похилого лотка, що звужується до верху. Морська хвиля висотою 1,1 м, зібрана по хвильовому фронту довжиною 350 м, при концентрації її в 12-метровому каналі, може привести до виникнення стоячої хвилі з амплітудою 17 м. Експериментально встановлене, що установка, що містить похилу площину з кутом нахилу 30°, забезпечує підняття рівня води на 2,5 м при середній висоті хвилі 1,5 м. У США розробляється установка цього типу за назвою "Дэм Атол". Основним елементом установки є частина сфери діаметром 100 м і висотою до 30 м, опуклою частиною, що виступає над рівнем моря. На поверхні цього штучного острова розташовані хвиленаправляючі ребра, а в середині - водоприймальний отвір і водовод діаметром до 18 м з гідротурбіною. Горизонтальний тиск хвиль, що набігають, може сприйматися й безпосередньо різними пружними або рухливими стінками, переміщення яких перетвориться в обертання вала генератора або тиск робочого середовища в поршневому насосі. До конструкцій цього типу ставиться установка “триплейт”, запропонована Ф.

Фарлеем. Випробування установки у Великобританії в лабораторних умовах при хвилях довжиною від 1,5 до 7 м, а також у натурних умовах на великомасштабній моделі при хвилях довжиною 150 м показали, що розрахунковий ККД може досягати 80-90% і більше.

У цей час найпоширенішими хвильовими установками є поплавкові. Робоче тіло таких установок -поплавець - знаходиться на поверхні моря й робить вертикальні коливання відповідно до змін рівня води при вітровому хвилюванні. Вертикальні переміщення поплавця використовуються для поперемінного стиску газу або рідини в якій-небудь ємності, або вони перетворяться в обертовий рух електричного генератора й т.п. Наприклад, буй діаметром 16 м, розроблений у Норвегії, при амплітуді вертикальних переміщень 8 м здатний при ККД 80% виробляти до 4 млн. кВт•год. у рік. Амплітуда коливань поплавця може бути суттєво (в 10-12 раз) збільшена за рахунок удосконалення його конструкції. Для збільшення амплітуди (резонансу) вертикальний циліндричний поплавець частково (залежно від параметрів хвилі й поплавця) заповнюється водою або до поплавці підвішується вантаж відповідної маси. Великомасштабна модель резонансного поплавця, досліджена в Японії, мала діаметр 2,2 м, висоту 22 м, масу 13,5 т, пропелерну турбіну діаметром 0,8 м. Амплітуда коливань поплавця досягала 8 м при хвилях висотою від 0,5 до 1,5 м. На Рис. 4.6. показаний пристрій такий поплавкової станції.

Рис. 4.6. Схема поплавкової хвильової станції

Де: 1 - поплавець: 2 - стислива рідина; 3 – електротурбіна з генератором.

Перераховані вище типи хвильових енергетичних установок включають елементи, що знаходяться на поверхні моря й тому піддані впливу не тільки розрахункових, але й екстремальних штормових хвиль. Для запобігання такого впливу можна розташовувати робоче тіло повністю під рівнем моря. У таких установках “ набігаюча хвиля ” тиску, обумовлена різницею тисків під гребенем і западиною хвилі, використовується для стиску еластичних оболонок, покладених на дно моря в напрямку руху хвилі, або впливу на горизонтальний майданчик, укріплену на опорах на дні моря. Поштовхи тиску в оболонках або над горизонтальним майданчиком використовуються для підвищення тиску й переміщення робочої рідини або газу.

У Великобританії запропонована установка “пружна труба”, здатна сприймати не тільки вертикальну, але й горизонтальну складову гідростатичного тиску. Дослідження на моделі показали високу швидкість реакції “труби” на зміну хвильового тиску. У Брістольскому університеті Великобританії ще в 1976 р. була запропонована установка за назвою “брістольський циліндр”. Установка являє собою круговий циліндр, повністю занурений у поверхневий шар води паралельно фронту хвилі. Циліндр має позитивну плавучість і втримується в затопленому стані якірною системою, у зв'язках якої встановлюються навантажувальні пристрої, наприклад, гідроциліндри.

У Японії в ці роки зробили й випробували першу у світі великомасштабну офшорну плаваючу установку "Каішеі" у Японському морі. Установка включала 9 генераторів на борті, які були встановлені вище хвиле-приймальних камер, відкриті нижче рівня води. Хвилювання викликало періодичний стиск і розрідження повітря, що проганяли через повітряні турбіни із приводом на генератори. Крім того в Японії були зроблені інші по типу великі хвильові установки, включаючи Caisson-type Oscillating Water Column prototype. Ця установка має 4 кесона з габаритними розмірами кожного кесона 20,9 х2 4,3 х 27,0 метра. Робоча глибина води становила 18 м. Кожний кесон мав 4 відкритих із фронтальної частини отвору, звернених до хвиль, що набігають. Кожний отвір відповідав окремому відсіку камери, які розділені стінками- перегородками. Поршнева дія осцилуючих водяних колон викликав рух повітря через турбіни Уельсу (1,34 м у діаметрі, 16 лопатей). Використовували генератори на 60 кВт кожний. Даний прототип випробовували в Японському морі в порту Саката в префектурі Ямагата. Португалія реалізує проект 0,5 мегаватної берегової хвильової енергетичної установки на острові Рісо (Азорські Острова). Розміри бетонної компресійної камери становлять 12×12 м, а повітропровід для повітряної турбіни Уельсу має діаметр 2,3 м. В Індії побудована дослідна установка на 150 кВт також з турбіною Уельсу близько острова Тривандрум.

Единбургська фірма Aquamarine Power здала в експлуатацію Європейському дослідному центрі морської енергії (European Marine Energy Centre), найбільшу у світі хвильову електростанцію "Устриця" (Oyster), створену при сприянні вчених з Королівського університету в Белфасті (Queen's University Belfast).

Елементи "Устриці", установлені на дні вряд, схожі на розтягнуті автонасоси. їхні вертикальні стінки зібрані з п'яти більших паралельних труб- поплавців. Хвиля, що йде до берега нахиляє цю стінку (начебто б злегка качає насос ногою) і та, повертаючись на петлях навколо горизонтальної осі, пускає в хід поршень, що нагнітає воду в трубопровід високого тиску. Поступаюча під тиском на берег вода крутить ротор електрогенератора. Розташування між морем і сушею пристрою для збору хвильової енергії й електроперетворювача реалізований уперше. Вигоди такого варіанта розміщення справді очевидні: електрообладнання на суші пропрацює довше, і її обслуговувати простіше. Oyster уже включений у споживчу електромережу й почав справно живити енергією кілька сотень будинків на шотландському узбережжі. На сьогодні в морях працюють уже десятки порівняно невеликих хвильових електростанцій. Перша у світі велика комерційна ВЕС почала генерувати струм торік у Португалії під містечком Агусадора.

У цілому створення хвильових електростанцій визначається оптимальним вибором акваторії океану зі стійким запасом хвильової енергії, ефективною конструкцією станції, у яку вбудовані пристрої згладжування нерівномірного режиму хвилювання. Вважається, що ефективно хвильові станції можуть працювати при використанні потужності близько 80 кВт/м. Досвід експлуатації існуючих установок показав, що вироблювана ними електроенергія поки в 2-3 рази дорожче традиційної, але в майбутньому очікується значне зниження її вартості. Потужні багатомодульні хвильові установки можуть служити гарною енергетичною базою для створення екологічно чистих об'єктів переробної промисловості морського й прибережного базування.