Энергия волн как альтернативный источник энергии. Волновые электростанции - примеры трех проектов
Волновая энергетика среди всех альтернативных источников энергии считается наиболее эффективной. Специалисты утверждают, что удельная мощность водных масс мирового океана намного превышает потенциал солнечной и ветровой энергии. Несмотря на этот факт, основа волновой энергетики – волновые электростанции значительно уступают по численности своим «альтернативным» конкурентам - ветровым и солнечным.
- Волновая энергетика: стоимость технологий должна снизиться
Волновая энергетика имеет меньший спрос из-за дороговизны строительства станций на воде, хотя обслуживание волновых электростанций может быть достаточно приемлемым. С этой же проблемой в начале своего пути сталкивалась и , и , и солнечная энергетика. Однако с течением времени эти отрасли претерпели изменения, а появление новых технологий и методов позволило сократить суммы начальных вложений и, как следствие, стоимость единицы энергии. Учитывая тенденции, с которыми происходит развитие альтернативных источников энергии, можно ждать увеличения популяции волновых электростанций. Более того, уже сейчас есть очень интересные примеры таких механизмов.
Islay LIMPET является первой в мире промышленной энергетической волновой установкой. Может поставлять до 500 кВт и подключена к национальной энергосистеме. Claire Pegrum / wikimedia.org (CC BY-SA 2.0)
- Волновая энергетика: принцип осцилляции
Сначала была придумана волновая электростанция, работающая по принципу осциллирующего столба . Осциллировать - значит колебаться, а в данном случае колебанию подвержен уровень воды в столбе. На берегу устанавливается специальная бетонная камера, расположенная под углом к морской глади так, чтобы в нее затекала вода. Прибывающие волны заполняют полость камеры, тем самым направляя воздух в турбину, генерирующую электроэнергию. Важным преимуществом волновой энергетики на базе принципа осцилляции является их меньшая стоимость по сравнению с офшорными, которые мы рассмотрим ниже.
- Первая береговая волновая электростанция
Первая береговая волновая электростанция, названная Isley Limpet, была запущена в Шотландии и подключена к общей энергетической сети страны. Несмотря на то что станция проработала 13 лет, в 2013 г. она была выведена из эксплуатации по неизвестным причинам. Воспользовавшись опытом британских коллег, в 2011 г. испанцы соорудили на побережье Бискайского залива такую же станцию, но уже с 16 турбинами. В отличие от своего северного собрата, она действует по сей день. Технология осциллирующего столба также применяется в Португалии и Японии и довольно перспективна, правда, пока что такие генераторы выдают до 500 кВт электричества.
Islay LIMPET размещена на Claddach Farm, Rhinns of Islay, шотландский остров Islay. Peter Church / wikimedia.org (CC BY-SA 2.0)
На данный момент в мире существует всего пара-тройка знаменитых волновых электростанций.
- Волновая энергетика : принцип колебаний
Также волновые электростанции могут работать за счет колеблющегося тела, находящегося на поверхности воды и двигающегося на волнах. Роль тела могут исполнять буи, соединенные с гидравлическими механизмами, которые приводят в движение генераторы электричества. По данной схеме была сооружена электростанция Pelamis, запущенная в 2008 г. у берегов Португалии, но на данный момент не функционирующая. Она представляла собой «змею», состоящую из нескольких секций, которые двигались на волнах относительно друг друга. Внутри секций, выполненных в виде труб диаметром 3,5 м, находились гидравлические двигатели и генераторы, откуда по кабелю, проложенному по дну океана, на берег поступало электричество. Эта станция была самой мощной из всех водных, существовавших по сей день, но, к сожалению, отсутствие финансирования не позволило ей развиваться дальше.
Электростанция Pelamis, была установлена в Agucadoura Wave Park, Portugal. S.Portland / wikimedia.org (CC-PD-Mark)
- Волновая энергетика : принцип конвертера
Схожую по мощности установку обещала запустить шотландская компания Aquamarine Power. Она разработала конвертер, названный Oyster, представляющий собой буй в виде створки, закрепленный на дне океана недалеко от берега. Раскачиваясь на волнах, этот механизм по трубам направляет воду на сушу, где она, в свою очередь, раскручивает электрогенератор. Затем вода перегоняется обратно в океан. Многие нашли этот проект перспективным, и компания получила инвестиции в размере 11 млн фунтов. Планировалось создание комплекса таких установок в размере 50 шт., но покупателя на данный проект не нашлось. Пока что в прибрежных водах Шотландии действуют лишь несколько экспериментальных экземпляров.
- Рентабельны волновые энергоустановки для небольших объектов
Вышеназванные примеры показывают, что ученые упорно ищут способы эффективно и, главное, рентабельно использовать силу морских волн для создания мощной глобальной отрасли волновой энергетики. Однако, как это бывает в начале любых свершений, они сталкиваются с неудачами. Так что на данный момент в мире существует всего пара-тройка знаменитых волновых электростанций. С другой стороны, если не говорить об относительно мощных станциях, то по миру уже функционирует множество установок, питающих электричеством совсем небольшие объекты. Зачастую ими пользуются маяки и прочие береговые сооружения.
OPT’s PB150 PowerBuoy успешно развернута на море в апреле 2011 командой, включающей в себя Global Maritime Scotland Ltd, Port Services (Invergordon) Ltd и OPT, с поддержкой Cromarty Firth Port Authority. Генерирует возобновляемую энергию через волны. Максимальная выходная мощность 150 квт. Ocean Power Technologies / wikimedia.org Free Art License 1.3
- Проблема дороговизны волновых электростанций пока не решена
Для создания отрасли волновой энергетики практически с нуля ученым придется совладать с серьезными трудностями. Как уже упоминалось, главная проблема - это дороговизна. Помимо того что конструкция станций зачастую слишком затратная, требуются особые материальные усилия для ее установки на воде или на дне моря. Кроме этого, ученым необходимо больше опыта для лучшего выбора места новой станции, в котором течения будут наиболее эффективными. Не обойдется без негативного воздействия на социальные и экологические аспекты проблемы - большое количество механизмов вблизи берега будет мешать рыболовству, а также газообмену вод.
Словом, с будущим волновой энергетики пока не все ясно. Воды морей и океанов - это очень мощный, возобновляемый и экологический чистый источник энергии, но человек пока что недостаточно ловок, чтобы укротить его с малыми потерями.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
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:
- 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.
- 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:
- Волны периодически забегают в специальные камеры, заставляя сжиматься воздух.
- По достижении критического давления через сеть каналов вращает электрогенератор.
- 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.
Энергия волн океанов превосходит по удельной мощности как ветровую, так и . Средняя мощность волн океанов и морей превышает 15 кВт на погонный метр, а при высоте волн в 2 метра, мощность может достигать и все 80 кВт на погонный метр.
При преобразовании энергии волн, эффективность может существенно превышать прочие альтернативные способы, такие как ветряные и солнечные электростанции, достигая коэффициента полезного использования в 85%.
Энергию из морской качки можно получить, преобразовав колебательное движение волн вверх и вниз в электрическую энергию посредством генератора. В простейшем случае генератор должен получать вращательный момент на вал, при этом промежуточных преобразований не должно быть много, а большая часть оборудования должна находиться по возможности на суше.
Первый промышленный вариант волновой электростанции, построенный шотландской компанией Pelamis Wave Power, был запущен в эксплуатацию в 2008 году в 5 километрах от берега в городе Повуа-ди-Варзин, в районе Агусадора в Португалии. Электростанция называется Pelamis P-750. Она состоит из трех одинаковых конвертеров, качающихся на волнах Атлантического океана, и вырабатывающих вместе 2,25 МВт электрической энергии. Каждый конвертер состоит из четырех секций.
Конвертеры имеют длину по 120 метров, диаметр 3,5 метра, а весят по 750 тонн. Эти конструкции змеевидной формы похожи на плавающие составы из четырех вагонов, или на морских змей, как их называют местные жители.
Каждая секция содержит гидравлический мотор и генератор. Гидравлические моторы приводятся в движение маслом, которое двигают поршни, управляемые, в свою очередь, движением стыков конструкций на волнах вверх и вниз. В стыках расположены специальные силовые модули, разработанные так, чтобы поршни работали наиболее эффективно.
Гидравлические моторы вращают генераторы, которые в свою очередь вырабатывают электричество. Электроэнергия подается на берег через силовые кабели. Этой энергии достаточно для обеспечения 1600 домов прибрежного городка Повуа-ди-Варзин.
В 2009 году у берегов Оркнейских островов, в северной части Шотландии, было запущено еще одно уникальное сооружение, вырабатывающее энергию благодаря волнам Северного моря. Это разработанный и построенный эдинбургской компанией Aquamarine Power, генератор «Oyster», что в переводе означает «Устрица».
Проект представляет собой большой поплавок-насос, который раскачивается волнами вперед и назад, и приводит, таким образом, в движение двухсторонний насос, расположенный на дне, на глубине около 16 метров.
Особенность конструкции в том, что вся электрическая часть устройства вынесена на берег, а связь между этими двумя частями – поплавком-насосом и береговой электростанцией - осуществляется через трубу, по которой морская вода под давлением устремляется к гидроэлектрогенератору.
Эта станция питает электроэнергией несколько сотен домов, а максимальная мощность, которую может развить система, составляет 600 кВт.
В Aquamarine Power уверены, что проект «Oyster» является лишь первым шагом. В компании подумывают о создании парка из 20 таких агрегатов, которые могли бы вырабатывать мегаватты электроэнергии для обеспечения 9000 частных домов. Еще одним вариантом может быть постройка комплекса из нескольких поплавков-насосов, работающих на одну мощную береговую гидроэлектрическую турбину.
В том же 2009 году в Великобритании, у побережья Корнуолла, началось строительство комплекса волновых генераторов Wave Hub, которые соединяются с берегом при помощи силового кабеля. Комплекс генераторов марки PowerBuoy, американской компании Ocean Power Technologies, работает за счет вертикального перемещения поплавков, которые скользят по колоннам, заякоренным у дна. Глубина, где установлены колонны, составляет 50 метров, а общая мощность системы из 400 буев составит в итоге 50 МВт.
Это крупнейшая волновая электростанция в мире, и ее строительство должно длиться по плану в течение 5 лет. Буи расположены в море начиная с расстояния 16 километров от берега, где расположен городок Хейли, и дальше, на протяжении 1800 метров, должны размещаться в общей сложности 400 таких буев. Проект постоянно (до сих пор) развивается, а данные о технических характеристиках везде разнятся. По последним неофициальным данным, достигнута максимальная мощность в 20 МВт.
Буи устроены следующим образом. Колонна содержит внутри генератор, который за счет системы поршней приводится в движение, и вырабатывает электричество, когда буй колеблется на волнах. от каждого буя передается по проводам на подводную подстанцию, от которой силовой кабель передает электроэнергию на сушу.
Волновая электростанция - это электрическая станция, которая располагается в водной природной среде с целью получения электроэнергии из кинетической энергии водных масс. Океаны обладают колоссальной энергией, но человек пока только начинает ее осваивать. Именно эту задачу и выполняют волновые электростанции.
Принцип работы
Принцип работы волновой электростанции основан на преобразовании кинетической энергии волн в электрическую. Существует несколько способов устройства подобных станций различных по принципу работы и конструкции.
Волновые электростанции в России
В России, как и во всех странах, имеющих выход к морскому побережью, после многих лет затишья, возвращается интерес к источникам энергии, способным восстанавливаться, к ним относятся и волновые электростанции.
Первая в нашей стране электростанция
, основанная на преобразовании энергии волн, построена в 
2014 году на Дальнем Востоке в Приморском крае на полуострове Гамова. Это универсальная станция, она способна преобразовывать не только энергию направленных водных масс, но и энергию природных приливов и отливов.
Профильные министерства нашей страны, совместно с руководством государства разработали план развития зеленой энергетики до 2020 года, в соответствии с которым альтернативные энергетические источники будут составлять до 5% от общего количества вырабатываемого электричества в стране. Этим планом предусмотрено и дальнейшее развитие волновых электрических станций.
Волновые электростанции в мире
Первая в мире электростанция на волнах появилась в 1985 году в Норвегии, ее мощность составляла 500 кВт.
Первой в мире промышленной электрической станцией, использующей энергию волн для производства 
электрической энергии, принято считать Oceanlinx в Австралии. Она начала своё функционирование в 2005 году, потом была произведена ее реконструкция, и в 2009 году станция заработала вновь. Работа станции основана на принципе «осциллирующего водяного столба». Мощность установки сейчас составляет 450 кВт.
Первая коммерческая волновая электростанция начала работу в 2008 году в Агусадоре, Португалия. Это установка-пионер, которая использует непосредственно механическую энергию волны. Работа станции основана на принципе «колеблющегося тела». Разработала проект английская компания Pelamis Wave Power, мощность станции составила 2,3 МВт, и есть возможность увеличения мощности путем монтирования дополнительных секций.
В Великобритании построили самую большую в мире волновую электростанцию Wave Hub, она расположена у полуострова Корнуэлла. Электростанция оборудована 4-мя генераторами мощностью по 150 кВт каждый. Работа станции основана на принципе «колеблющегося тела».
Почему это выгодно?
В существующем мире человек все чаще задумывается о необходимости применения возобновляемых источников энергии при получении электроэнергии. Одним из таких вариантов является энергия морских волн. С учетом того, что мировой океан обладает огромным потенциалом, энергией которого можно обеспечить почти 20% от необходимого количества энергопотребления, то и развитие «зеленой» 
энергетики как нельзя актуально в наше время.
Это можно объяснить следующим причинами:
- Природные богатства планеты находятся на грани истощения, запасы традиционных источников энергии: угля, нефти и газа – подходят к концу.
- Атомная энергетика из-за своей потенциальной опасности не получила должного распространения.
- «Зеленая» энергетика не вредит окружающей среде и является возобновляемой.
- Потенциал волновых электростанций оценивается в 2,0 млн. МВт, что сравнимо по мощности с тысячей работающих атомных станций.
Ученые всего мира продолжают работы по совершенствованию способов преобразования энергии волн океана, и перечисленные выше причины являются важным аргументом для продолжения этих изысканий.
Плюсы и минусы использования
У любого агрегата всегда есть положительные и отрицательные аспекты его использования, и именно соотношение этих параметров определяет целесообразность его применения. Волновые электростанции не являются исключением, рассмотрим все за и против использования этого источника энергии.
К плюсам использования можно отнести:
К минусам данного типа электростанций относятся:
- Малая мощность вырабатываемой энергии;
- Не стабильный характер работы, вызванный атмосферными явлениями в окружающей среде;
- Может создавать опасность для хода судов и промышленного лова рыбы.
Приведенные выше «минусы» использования постепенно утрачивают свою актуальность, ученые и конструкторы продолжают свою работу. Разработка новых, более мощных генераторов, позволяет получать большее количество электрической энергии, при тех же исходных параметрах первичной энергии, которой является энергия волн. Решаются задачи по передаче полученной энергии на большие расстояния.
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.
