Волновая энергетика: прилив сил. Волновая электростанция

Использование: к гидроэнергетике, преобразование энергии волн в электрическую энергию. Сущность изобретения: волновой генератор содержит опору, вертикальный цилиндрический корпус с крышкой и днищем, в котором выполнено волноприемное отверстие, обратный клапан и преобразователь энергии волн в виде вертикального вала, жестко соединенный с крышкой корпуса, в нижней части боковой стенки которого выполнены вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия. Новым является то, что в конструкции имеются второй вертикальный цилиндрический корпус, электрогенератор, волноприемные отверстия, причем второй вертикальный цилиндрический корпус подвижно связан с первым корпусом посредством вертикального вала, жестко соединенного с крышкой второго корпуса, и на валу жестко посажен магнитный кольцевой ротор электрогенератора, а статор жестко соединен с днищем первого корпуса, который связан с опорой, причем вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия второго корпуса направлены в сторону противоположную таким же отверстиям первого корпуса. 3 ил.

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства для создания дополнительных источников энергии. Известен волновой двигатель, содержащий вертикальный корпус с волноприемным отверстием, клапан и преобразователь энергии волн, где корпус выполнен цилиндрическим с крышкой и днищем, волноприемное отверстие выполнено в днище, клапан выполнен обратным и установлен в отверстии, преобразователь представляет собой вертикальный вал и жестко соединен с крышкой корпуса, при этом в нижней части боковой стенки корпуса выполнены вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия. Недостатком известной конструкции является низкий КПД. Техническим результатом изобретения является повышение КПД. Технический результат достигается тем, что в волновом генераторе, содержащем вертикальный цилиндрический корпус с крышкой и днищем, в котором выполнено волноприемное отверстие, обратный клапан и преобразователь энергии волн в виде вертикального вала, жестко соединенный с крышкой корпуса, в нижней части боковой стенки которого выполнены вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй вертикальный цилиндрический корпус, электрический генератор, опору, волноприемные отверстия, причем второй вертикальный цилиндрический корпус подвижно связан с первым корпусом посредством вертикального вала, жестко соединенного с крышкой второго корпуса, и на валу жестко посажен ротор генератора, а статор жестко соединен с днищем первого корпуса, который связан с опорой, причем вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия второго корпуса направлены в сторону, противоположную таким же отверстиям первого корпуса. На фиг.1 показан волновой генератор; на фиг.2 и 3 первый и второй соответственно цилиндрические корпуса, разрез. Волновой генератор содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с крышкой и днищем, в котором выполнено волноприемное отверстие 2, обратный клапан 3 и преобразователь энергии волн в виде вертикального вала 4, жестко соединенный с крышкой корпуса, в нижней части боковой стенки которого выполнены вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия 5. Основными отличительными признаками являются второй вертикальный цилиндрический корпус 6, электрогенератор 7, опора 8, волноприемные отверстия 9, причем второй вертикальный цилиндрический корпус 6 подвижно связан с первым корпусом 1 посредством вертикального вала 10, жестко соединенного с крышкой второго корпуса, и на валу 10 жестко посажен магнитный кольцевой ротор 11 электрогенератора 7, а статор 12 жестко соединен с днищем первого корпуса 1, который связан с опорой 8, причем вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия 13 второго корпуса 6 направлены в сторону, противоположную таким же отверстиям 5 первого корпуса 1. Волновой генератор устанавливается на некоторую глубину и работает следующим образом. При увеличении гидростатического давления возрастает давление и внутри вертикальных корпусов 1 и 6. Через обратные клапана 3, установленные в волноприемных отверстиях 2 и 9 вода вливается в корпуса 1 и 6 и приводит к уменьшению объема воздушных зазоров, которые образуются при установке генератора на глубину и находятся в верхних частях корпусов 1 и 6. Далее при спаде гидростатического давления под действием упругих сил сжатого воздуха вода с реактивной силой выбрасывается через тангенциально направленные щелевые отверстия 5 и 13, что вызывает вращательное движение корпусов 1 и 6, а следовательно, магнитного кольцевого ротора электрогенератора 11 и статора 12, причем они вращаются в противоположные друг от друга стороны, так как. вертикальные тангенциально направленные щелевые отверстия 5 и 13 корпусов 1 и 6 направлены в противоположные стороны относительно друг друга. При этом магнитные силовые линии ротора 11, пронизывая обмотку статора 12, наводят в них ЭДС. Если обмотку статора замкнуть через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотках статора 12 возникает ток.

Формула изобретения

Волновой генератор, содержащий опору, вертикальный цилиндрический корпус с крышкой и днищем, в котором выполнено волноприемное отверстие, обратный клапан и преобразователь энергии волн, выполненный в виде вертикального вала, жестко соединенного с крышкой корпуса, в нижней части боковой стенки которого выполнены вертикальные тангенциально расположенные щелевые отверстия, отличающийся тем, что он снабжен электрическим генератором и вторым вертикальным цилиндрическим корпусом с волноприемными и вертикальными тангенциально расположенными щелевыми отверстиями, причем второй корпус подвижно связан с первым посредством дополнительного вертикального вала, жестко соединенного с крышкой второго корпуса, на дополнительном валу жестко закреплен магнитный кольцевой ротор электрического генератора, статор которого соединен с днищем первого корпуса, связанного с опорой, при этом щелевые отверстия второго корпуса направлены в сторону, противоположную щелевым отверстиям первого корпуса.

Проект московского физика Александра Темеева победил в международном конкурсе альтернативных источников энергии.

Российские ученые стали победителями международного конкурса Energy Globe в номинации "Национальный проект от России". Это соревнование в области использования возобновляемых источников энергии и охраны окружающей среды проводится Международным фондом Energy Globe совместно с Европейской комиссией.

Наука давно ищет, чем заменить быстро сокращающиеся запасы углеводородов. Возможностей много - Солнце, ветер, приливы, горячие подземные источники, волны. Их общая мощность намного превосходит все, что запасено в недрах Земли. Но взять эту энергию непросто: она слишком рассеяна, а потому обходится куда дороже, чем от сжигания нефти, газа и даже угля.

Казалось бы, очень перспективно использование волн в тех акваториях, где море всегда неспокойно. Ведь концентрация энергии в волнах в десятки раз выше по сравнению с другими возобновляемыми источниками. Не случайно во многих странах давно пытаются приручить водную стихию. Скажем, в Шотландии уже затратили свыше 70 миллионов долларов на создание волновой 150-метровой электростанции с четырьмя цилиндрами-поплавками, каждый длиной более 30 метров. Качаясь на волнах, поплавки вращают турбины генераторов.

Увы, станция так и не доведена до стадии эксплуатации. Дело в том, что у волн капризный характер. Чтобы отобрать у них энергию, поплавок должен иметь размеры, сравнимые с длиной морской волны. Но она крайне непостоянна, может то резко увеличиться, то надолго снизить свою силу, а то вовсе пропасть.

Значит, при заданных размерах поплавок будет откликаться и отбирать энергию только у вполне определенных волн, не замечая другие. То есть кпд такой системы крайне мало.

Нам удалось устранить этот недостаток, - говорит руководитель группы ученых, создавших уникальную волновую электростанцию, кандидат технических наук Александр Темеев. - Суть в следующем. В каждый поплавок мы поместили колебательное устройство, проще говоря, маятник. Он взаимодействует с волной, создавая резонанс, что позволяет отбирать энергию с высоким кпд, достигая даже 70 процентов. В принципе мощность таких волновых станций может достигать десятков мегаватт.

Проектом российских ученых заинтересовались энергетики многих стран, предложения о сотрудничестве приходят из Норвегии, Великобритании, Дании, Испании, Италии, Китая и т.д. По оценкам, стоимость электроэнергии будет составлять не более 2 рублей за кВт/ч, а капитальные затраты на сооружение электростанций окупятся за два года.

В России поплавковые электростанции наиболее перспективны в незамерзающих акваториях Баренцева моря, а в качестве регионального или сезонного источника энергии - на Черном, Каспийском и дальневосточных морях.

Воды Мирового океана скрывают в себе несметные богатства, главными из которых, пожалуй, являются безграничные источники энергии в виде морских волн. Впервые об использовании кинетической энергии накатывающихся на берег валов задумались в 18 веке в Париже, где был представлен первый патент на волновую мельницу. Сейчас технологии шагнули далеко вперед, и совместными усилиями ученых была создана первая коммерческая волновая электростанция, которая начала эксплуатироваться в 2008 году.

Почему это выгодно?

Ни для кого не секрет, что природные богатства находятся на грани истощения. Запасы угля, нефти и газа - основных энергетических источников - подходят к концу. По самым оптимистичным прогнозам ученых, запасов хватит для 150-300 лет жизни. Атомная энергетика тоже не оправдала ожиданий. Большая мощность и производительность окупают затраты на строительство, эксплуатацию, но проблемы захоронения отходов и нанесения ущерба окружающей среде скоро заставят отказаться и от них. По этим причинам ученые ищут новые Сейчас уже действуют ветровые и солнечные электростанции. Но при всех своих достоинствах они имеют существенный недостаток - низкий КПД. Удовлетворить потребности всего населения не удастся. Поэтому необходимы новые решения.

Для выработки электричества волновая электростанция использует кинетическую энергию волн. По самым скромным подсчетам, этот потенциал оценивается в 2 млн МВт, что сравнимо с 1000 работающих на полную мощность атомных электростанций, а на один метр фронта волны приходится около 75 кВт/м. При этом не наблюдается абсолютно никакого вредного воздействия на окружающую среду.

Общая схема работы

Волновыми электростанциями называют плавучие сооружения, которые способны преобразовывать движения волн в электрическую и передавать ее потребителю. При этом стараются использовать два источника:

1. Кинетические запасы. Морские валы проходят через трубу большого диаметра и вращают лопасти, которые передают усилие на электрогенератор. Применяется и пневматический принцип - вода, проникая в специальную камеру, вытесняет оттуда кислород, который перенаправляется по системе каналов и вращает лопасти турбины.
2. Энергия качения. В этом случае волновая электростанция выступает в роли поплавка. Перемещаясь в пространстве вместе с профилем волны, она посредством сложной системы рычагов заставляет вращаться турбину.

Разными странами используются свои собственные технологии преобразования механического движения волн в электричество, но общая схема действия у них одинаковая.

Недостатки волновых электростанций

Главным препятствием на пути к обширному внедрению волновых электростанций является их стоимость. Из-за сложной конструкции и сложной установки на поверхность морских вод затраты на внедрение подобных установок в эксплуатацию выше, чем на строительство АЭС или ТЭС.

Кроме того, наблюдается и ряд других недостатков, которые в основном связаны с появлением социально-экономических проблем. Дело все в том, что крупные поплавковые станции создают опасность и мешают мореходству и рыболовству - поплавковая волновая электростанция может просто вытеснить человека из промысловых зон. Возможны и экологические последствия. Использование установок значительно гасит морские валы, делает их меньше и не дает пробиться на берег. Между тем волны играют важную роль в процессе газообмена океана, очищения его поверхности. Все это может привести к смещению экологического равновесия.

Положительные стороны волновых электростанций

Вместе с недостатками волновая электростанция имеет и ряд преимуществ, которые оказывают положительное воздействие и на деятельность человека:

• установки, благодаря тому что гасят энергию волны, могут защищать прибрежные сооружения (причалы, порты) от разрушения силой океана;
• выработка электричества происходит с минимальными затратами;
• высокая мощность волнения делает ВЭС экономически более выгодными, нежели ветровые или солнечные электростанции.

Запасами энергии обладают и воды суши, главным образом реки. Сооружение станций на мостах, переправах, причалах является перспективой развития этой области выработки электроэнергии.

Проблемы, которые надо решить

Основная задача, которая стоит перед научным сообществом сейчас, - это совершенствование конструкции, что позволит снизить себестоимость электричества, которое вырабатывают волновые электростанции. Принцип работы должен остаться тем же, но применяться для создания установок будут уже новые технологии и материалы.

Средняя мощность волны составляет 75-85 кВт/м - именно на такой диапазон настраиваются большинство станций. Однако во время шторма сила морских валов увеличивается в несколько раз и создается опасность разрушения установок. Уже не одна лопасть была смята или погнута после шторма. Для решения этой проблемы ученые искусственными методами снижают удельную мощность волн. Одна из проблем состоит в том, что массовое использование волновых станций приведет к изменению климата. Генерация электрической энергии осуществляется за счет вращения Земли (именно так образуются волны). Повсеместное использование станций заставит планету вращаться медленнее. Человек разницу не почувствует, но это уничтожит ряд течений, которые играют важную роль в теплообмене Земли.

Первая в мире опытная ВЭС

Первая волновая электростанция появилась в 1985 году в Норвегии. Ее мощность составила 500 кВт, а сама она представляла собой опытный образец. Ее принцип действия основан на циклическом сжатии и расширении среды:

• цилиндр с открытым дном погружен в воду так, чтобы его край был ниже ложбины волны - самой нижней ее точки;
• периодически набегающая вода сжимает воздух во внутренней полости;
• по достижении определенного давления открывается клапан, который дает проход сжатому кислороду к турбине.

Такая электростанция вырабатывала 500 кВт энергии, чтобы было достаточно для подтверждения действенности установок, что способствовало их развитию.

Первая в мире промышленная электростанция

Первой в мире установкой промышленного масштаба считается Oceanlinx в акватории Порт-Кембл, в Австралии. Она введена в эксплуатацию в 2005 году, но затем была отправлена на реконструкцию и в 2009 году вновь заработала, из-за чего в регионе теперь используются и приливные, и волновые электростанции. Ее принцип действия состоит в следующем:

1. Волны периодически забегают в специальные камеры, заставляя сжиматься воздух.
2. По достижении критического давления через сеть каналов вращает электрогенератор.
3. Для улавливания движения и силы волн лопасти турбины меняют свой угол наклона.

Мощность установки составила порядка 450 кВт, хотя каждая секция станции способна выдавать от 100 кВт*ч до 1,5 МВт*ч электрической энергии.

Первая в мире коммерческая ВЭС

Первая волновая электростанция коммерческого назначения заработала в 2008 году в Агусадоре, Португалия. Более того, она первая в мире установка, которая использует непосредственно механическую энергию волны. Проект подготовила английская компания Pelamis Wave Power.

В состав конструкции входит несколько секций, которые отпускаются и поднимаются вместе с профилем волны. Секции шарнирно скреплены с гидравлической системой и во время движения приводят ее в действие. Гидравлический механизм заставляет вращаться ротор генератора, благодаря чему и вырабатывается электроэнергия. Используемые в Португалии волновые электростанции плюсы и минусы имеют. Преимущество установки заключается в большой мощности - около 2,25 МВт, а также в возможности установки дополнительных секций. Недостаток установки системы один - возникает сложности с по проводам к потребителю.

Первая в России волновая электростанция

В России первая ВЭС появилась в 2014 году в Приморском крае. Разработкой занимался коллектив ученых из и Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН. Установка имеет экспериментальный характер. Ее особенность в том, что она использует энергию не только волн, но и приливов/отливов.

В Москве предполагается строительство научно-исследовательской лаборатории, которая займется разработкой и созданием первой отечественной поплавковой станции. Возможно, после этого волновые электростанции в России тоже будут иметь промышленное или коммерческое назначение.

В наши дни основными источниками энергии являются углеводороды – нефть, уголь, газ. Согласно прогнозам аналитиков запасов угля при современных уровнях добычи хватит на 400 лет, а запасы нефти и газа закончатся через 40 и 60 лет соответственно. Такое стремительное уменьшение объема природных богатств ставит задачу поиска альтернативных способов получения энергии.