Андрей Смирнов
Время чтения: ~14 мин.
Просмотров: 1

Волновая электростанция

Вектор Умова.

Пусть в некоторой среде вдоль оси храспространяется упругая плоская
продольная волна, описываемая уравнением
(1.91′)

Выделим в среде элементарный объем V
такой, что скорость движения частиц
dS/dt и
деформацию среды dS/dxво всех точках этого объема можно
считать одинаковыми. Это означает, что
еслиm– масса всего выделенного
объемаV, то он
обладаеткинетическойэнергией

а потенциальная энергия упругой
деформации этого объема

где Е – модуль Юнга, характеризующий
упругие свойства среды.

Используя известное выражение m=V (–
плотность среды) и зависимость скорости
распространения упругих волн в твердой
среде от свойств среды

получим

Тогда полнаяэнергияW, которой обладает выделенный объем

, (1.144)

Введем следующие физические величины:

1. Плотность энергииw, [Дж/м3]
– суммарная энергия колебаний всех
частиц, находящихся в единице объема
среды:

2. Поток энергииФ,
[Дж/с]– энергия, переносимая волной
через некоторую поверхностьSв единицу времени:

3. Плотность потока энергииj,
[Дж/(м2 с)] – поток энергии через
единичную площадку, расположенную
перпендикулярно к направлению, в котором
переносится энергия:

Через площадку Sза времяt пройдет
вся энергияW,
содержащаяся в объемеV:

W = wV
=wSvt.

Рис.
1.79

Тогда плотность потока энергии:

или в векторной форме

Плотность потока энергии – вектор,
направление которого совпадает с
направлением вектора фазовой скорости
.

Вектор плотности потока энергииназываетсявектором Умова. Вектор Умова
позволяет вычислить полный поток
энергии через определенную поверхность.

На основании (1.144) плотность энергии wв выделенном объеме

Взяв производные по времени и по
координате от S(x,t),
получимw=А2
2sin2(t
–kx+).

Так как среднее значение
,
то среднее по времени значение плотности
энергии в каждой точке среды

<w> =
(1/2)А2
2.

Этим значением определяется интенсивностьволны

Важно отметить пропорциональность
среднего значения плотности энергииквадрату амплитуды волны

История[править | править код]

  • 1799 год. Первая заявка на патент волновой мельницы. Заявка подана в Париже, Франция.
  • 1880 — 1900 год. Многочисленные попытки использовать энергию волн для получения электричества.
  • 1973 год. Увеличение интереса к волновой энергии после нефтяного кризиса.
  • 2008 год. Первая волновая электростанция вошла в коммерческую эксплуатацию.

Первая волновая электростанцияправить | править код

Первая волновая электростанция расположена в районе Агусадора, Португалия, на расстоянии 5 километров от берега. Была официально открыта 23 сентября 2008 года португальским министром экономики. Мощность данной электростанции составляет 2,25 МВт, этого хватает для обеспечения электроэнергией примерно 1600 домов. Первоначально предполагалось, что станция войдёт в эксплуатацию в 2006 году, но развёртывание электростанции произошло на 2 года позже планируемого срока. Проект электростанции принадлежит шотландской компании Pelamis Wave Power, которая в 2005 году заключила контракт с португальской энергетической компанией Enersis на строительство волновой электростанции в Португалии. Стоимость контракта составила 8 миллионов евро.

Параметры электростанцииправить | править код

Электростанция состоит из 3-х устройств под названием Pelamis P-750 (англ.)русск.. Это большие плавающие объекты змеевидного типа, размер каждого:

  • длина 120 метров,
  • диаметр 3,5 метра,
  • вес 750 тонн.

Мощность одного такого конвертера составляет 750 КВт. Удельные характеристики: мощность 1 кВт/тонну и 650 Вт на м³ конструкции. В электричество превращается примерно 1% энергии волнения. [источник не указан 2958 дней]

Устройство и принцип действияправить | править код

Pelamis P-750 состоит из секций, между секциями закреплены гидравлические поршни. Внутри каждой секции также есть гидравлические двигатели и электрогенераторы. Под воздействием волн конвертеры качаются на поверхности воды, и это заставляет их изгибаться, за что конструкции стали называть «морскими змеями» («sea-snake»). Движение этих соединений приводит в работу гидравлические поршни, которые, в свою очередь, приводят в движение масло. Масло проходит через гидравлические двигатели. Эти гидравлические двигатели приводят в движение электрические генераторы, которые производят электроэнергию.

Перспективыправить | править код

В дальнейшем планируется добавить к трём существующем конвертерам ещё 25, что увеличит мощность электростанции с 2,25 МВт до 21 МВт. Такой мощности хватит для обеспечения электроэнергией 15 000 домов и снизит выбросы углекислого газа на 60 000 тонн в год.

Через два месяца на электростанции возникли неполадки, в результате она была демонтирована.

Российские разработкиправить | править код

На территории Москвы может быть начато строительства производственного научно-исследовательского предприятия, которое будет разрабатывать модуль поплавковой волновой электростанции. Инвестор планирует строительство опытно-промышленного предприятия, включающего в себя производственную научно-исследовательскую лабораторию.

Учёные УрФУ разработали мобильную волновую электростанцию. В 2014 г. её испытания начались в бухте Витязь на Морской экспериментальной станции «Мыс Шульца» Тихоокеанского океанологического института им В.И. Ильчева ДВО РАН, расположенной на полуострове Гамова (Приморье).

Вызовы

Возможное воздействие на морскую среду. Например, шумовое загрязнение может иметь негативное влияние, если его не контролировать, хотя шум и видимое воздействие от каждой конструкции сильно различаются. Другие биофизические воздействия (флора и фауна, режимы наносов, структура и потоки водной толщи) расширения технологии изучаются. С точки зрения социально-экономических проблем, волновые фермы могут привести к вытеснению коммерческих рыбаков и рыбаков-любителей с продуктивных рыболовных угодий, могут изменить характер питания песком на пляже и могут представлять опасность для безопасного судоходства. Более того, поддерживающая инфраструктура, такая как подключение к морским сетям, широко не доступна. Развертывание ОЭС и подводных подстанций на море связано со сложными процедурами, которые могут создать чрезмерную нагрузку на компании, работающие в этих приложениях. В 2019 году, например, шведская производственная дочерняя компания Seabased Industries AB была ликвидирована из-за «серьезных проблем последних лет, как практических, так и финансовых».

Планирование

Исследование скорости ветра

Ветряные электростанции строят в местах с высокой средней скоростью ветра — от 4,5 м/с и выше.

Предварительно проводят исследование потенциала местности. Анемометры устанавливают на высоте от 30 до 100 метров, и в течение одного—двух лет собирают информацию о скорости и направлении ветра. Полученные сведения могут объединяться в карты доступности энергии ветра. Такие карты (и специальное программное обеспечение) позволяют потенциальным инвесторам оценить скорость окупаемости проекта.

Обычные метеорологические сведения не подходят для строительства ветряных электростанций, так как эти сведения о скоростях ветра собирались на уровне земли (до 10 метров) и в черте городов, или в аэропортах.

Во многих странах карты ветров для ветроэнергетики создаются государственными структурами, или с государственной помощью. Например, в Канаде Министерство развития и Министерство Природных ресурсов создали Атлас ветров Канады и WEST (Wind Energy Simulation Toolkit) — компьютерную модель, позволяющую планировать установку ветрогенераторов в любой местности Канады. В 2005 году Программа Развития ООН создала карту ветров для 19 развивающихся стран.

Высота

Скорость ветра возрастает с высотой. Поэтому ветряные электростанции строят на вершинах холмов или возвышенностей, а генераторы устанавливают на башнях высотой 30—60 метров

Принимаются во внимание предметы, способные влиять на ветер: деревья, крупные здания и т. д.

Экологический эффект

При строительстве ветряных электростанций учитывается влияние ветрогенераторов на окружающую среду. Законы, принятые в Великобритании, Германии, Нидерландах и Дании, ограничивают уровень шума от работающей ветряной энергетической установки до 45 дБ в дневное время и до 35 дБ ночью. Минимальное расстояние от установки до жилых домов — 300 м.

Современные ветряные электростанции прекращают работу во время сезонного перелёта птиц.

Праздничные светильники в интерьере

Оформите историю уходящего года в фотографиях, освещенных мерцанием праздничных огней.

Винные бутылки, наполненные светодиодами смотрятся поистине волшебно!

Компактная и необычная елка из гирлянды – отличное решение для небольших квартир.

Даже обычная ваза, заполненная шариками и светодиодами может сердцем новогоднего стола.

Гирлянда, которой чаще всего украшают новогоднюю елку, может быть использована в качестве составляющего компонента для изготовления осветительного прибора. Светильник из гирлянды своими руками делается просто.

Для изготовления светильника понадобится гирлянда, пластиковый абажур и подставка.

При этом освещение в помещении будет мягким. Такой светильник можно использовать в качестве ночника. Конструкции таких самодельных светильников могут быть разнообразными в зависимости от фантазии и исходных материалов.

История

Первый известный патент на использование энергии океанских волн датируется 1799 годом и был подан в Париже Жираром и его сыном. Одним из первых применений энергии волн было устройство, построенное примерно в 1910 году Бошо-Прасике для освещения и питания своего дома в Руайане , недалеко от Бордо во Франции. Похоже, что это было первое устройство волновой энергии типа колеблющегося водяного столба. С 1855 по 1973 год только в Великобритании было подано 340 патентов.

Современное научное исследование волновой энергии было положено экспериментами Йошио Масуда в 1940-х годах. Он протестировал различные концепции устройств волновой энергии в море, с несколькими сотнями устройств, используемых для питания навигационных огней. Среди них была концепция извлечения силы из углового движения сочленений плота, предложенная в 1950-х годах Масудой.

Возобновление интереса к волновой энергии было вызвано нефтяным кризисом 1973 года . Ряд университетских исследователей повторно изучили возможность генерирования энергии из океанских волн, среди которых были, в частности, Стивен Солтер из Эдинбургского университета , Кьелл Будал и Йоханнес Фалнес из Норвежского технологического института (позже объединенного с Норвежским университетом науки и технологий ) , Майкл Э. Маккормик из Военно-морской академии США , Дэвид Эванс из Бристольского университета , Майкл Френч из Ланкастерского университета , Ник Ньюман и Си Си Мей из Массачусетского технологического института .

Изобретение Стивена Солтера в 1974 году стало известно как утка Солтера или кивающая утка , хотя официально ее называли эдинбургской уткой. В небольших контролируемых испытаниях изогнутый кулачковый корпус Duck может останавливать 90% волнового движения и преобразовывать 90% из них в электричество, обеспечивая эффективность 81%.

В 1980-х годах, когда цена на нефть упала, финансирование волновой энергетики резко сократилось. Тем не менее несколько прототипов первого поколения были испытаны в море. В последнее время, вслед за проблемой изменения климата, во всем мире снова растет интерес к возобновляемым источникам энергии, включая энергию волн.

Патенты

  • Устройство для использования энергии океанской волны, 2011 г. — / Salter’s Duck Hybrid
  • — 1974 Устройство и способ извлечения энергии волн — оригинальный патент «Утка Солтера».
  • — 1977 Устройство для использования в извлечении энергии из волн на воде — метод Солтера для повышения эффективности «утки».
  • — 1999 Пьезоэлектрический генератор вращающаяся электрическая энергия
  • — 1932 г. Волновой двигатель — Океанская электростанция Парсонс — Херринг-Коув Новая Шотландия — март 1925 г. Первая в мире коммерческая установка для преобразования энергии океанских волн в электрическую энергию. Дизайнер — Осборн Хэвлок Парсонс — родился в 1873 году, Петиткодиак, Нью-Брансуик.

Мировое производство электроэнергии

Динамика мирового производства электроэнергии (Год — млрд. кВт*ч):

  • 1890 — 9
  • 1900 — 15
  • 1914 — 37,5
  • 1950—950
  • 1960—2300
  • 1970 — 5000
  • 1980 — 8250
  • 1990 — 11800
  • 2000 — 14500
  • 2005 — 18138,3
  • 2007 — 19894,8
  • 2013 — 23127
  • 2014 — 23536,5
  • 2015 — 24255
  • 2016 — 24816

Крупнейшими в мире странами-производителями электроэнергии являются Китай и США, вырабатывающие соответственно 25 % и 18 % от мирового производства, а также уступающие им в примерно 4 раза каждая — Индия, Россия, Япония.

Доля различных источников в мировом производстве электроэнергии, %
ГодУгольГазГЭСАЭСНефтьПрочиеВсего, ТВт*ч
197338,312,120,93,324,80,66 131
201539,322,916,010,64,17,124 255

ВЭС в России

См. также: Список ветряных электростанций России

Ветрогенератор А. Г. Уфимцева и В. П. Ветчинкина, Курск

В 1931 году в г. Курске была построена Ветроэлектростанция Уфимцева — первая в мире ветроэлектрическая станция с инерционным аккумулятором, изобретатель А. Г. Уфимцев.

Вторая в СССР ветроэлектрическая станция была построена в 1931 году в Балаклаве на Караньских высотах. Мощностью 100 кВт, она на момент строительства являлась самой большой в Европе. Экспериментальный ветроагрегат был разработан под руководством изобретателя Ю. В. Кондратюка. До войны он вырабатывал электроэнергию для трамвайной линии Балаклава — Севастополь. Во время Великой отечественной войны был разрушен.

После войны советская промышленность освоила выпуск серии различных ветроустановок мощностью по 3-4 киловатта, востребованными в сельской местности. На период с 1950 по 1955 годы в СССР пришёлся пик по производству ветрогенераторов — до 9 тысяч штук в год единичной мощностью до 30 кВт. Однако с развитием крупных ТЭС и ГЭС, появления АЭС серийное производство ветроустановок было прекращено. Лишь в 1987 году была принята программа «Экологически чистая энергетика», по которой планировалось к 1995 году построить 57 тысяч ветроустановок за счёт государственного финансирования. Однако из-за долгой паузы в разработке и строительстве ВЭС отрасль оказалась не готова к развитию практически с нуля, и после наступившего вскоре падения советской экономики программа была свёрнута.

В постсоветской России развитие ветроэнергетики происходит только с появлением иностранных держателей современных технологий, при этом производится локализация производства оборудования. Высокая конкуренция на рынке ветроэнергетики и последовательное замещение импортных комплектующих уже привело к уменьшению себестоимости строительства ВЭС ниже среднемировых значений.

На 2020 год общая мощность ВЭС в стране исчисляется 633 МВт.

Самая крупная ветряная электростанция в России построена государственной корпорацией «Росатом» в Республике Адыгея, её установленная мощность составляет 150 МВт.

Крупнейшим ветроэнергетическим комплексом обладает Крымская энергосистема.

Крупнейшая электростанция — Ульяновская ВЭС находится в Ульяновской области, её мощность составляет 35 МВт.

Зеленоградская ВЭУ, расположенная в районе посёлка Куликово Зеленоградского района Калининградской области имела суммарную мощность в 5,1 МВт. Состояла из ВЭУ датской компании SЕАS Energy Service A.S. (1 новая мощностью 600 кВт и 20 отработавших 8 лет в Дании мощностью 225 кВт каждая). Эксплуатировалась в течение 20 лет, в 2018 году вместо неё введена Ушаковская ВЭС (6,9 МВт).

Зеленоградская ВЭУ

Мощность Анадырской ВЭС составляет 2,5 МВт.

Мощность ВЭС Тюпкильды (Башкортостан) составляет 2,2 МВт.

Заполярная ВЭС, находящаяся около города Воркута в Коми, имеет мощность 1,5 МВт, построена в 1993 году. Состоит из шести установок АВЭ-250 российско-украинского производства мощностью 250 кВт каждая.

Около Мурманска строится опытная демонстрационная ВЭУ мощностью 250 кВт. В селе Пялица, в мае 2014 года, открыта первая в Мурманской области ветряная электростанция. Так же до 2016 года предусматривается дальнейшее введение ветропарков в Ловозерском и Терском районах области.

Буй-генератор

В феврале шотландская инжиниринговая компания Ocean Power Technologies (OPT) продемонстрировала свою новую разработку PowerBuoy PB150 — гигантский 42-метровый буй, способный превращать вертикальные колебания в электричество, покачиваясь на волнах на 11-метровом поплавке. Мощность такого буя — 150 кВт. Морская качка заставляет поплавок, закрепленный на подвижном штоке, перемещаться по вертикальной оси. Погруженная часть буя фиксируется на дне при помощи якорной системы. Шток — подвижная часть линейного генератора, который, проходя через обмотку статора, вырабатывает ток.


Вихревые колебания потока. 1. Поток набегает на препятствие. 2. Завихрение, возникающее с одной стороны препятствия, создает избыточное давление. 3. После этого турбулентность образуется с другой стороны, формируя зону давления с противоположным вектором. Чередование этих событий создает опасные вибрации.

PowerBuoy оснащается комплексом датчиков, позволяющих в режиме реального времени адаптировать ход штока к силе, высоте и частоте набегающей волны, сохраняя оптимальный режим работы генератора. В периоды экстремального волнения установка не повреждается, так как шток поплавка блокируется электроникой.

Для установки буя на место не требуются специальные суда — обычные буксиры справятся с этой операцией без всяких проблем. Несколько буев, связанных общей якорной системой и силовым контуром, формируют волновую ферму. Геометрия группировки тщательно просчитывается для максимальной эффективности работы. Минимальная глубина моря в месте дислокации фермы должна быть не менее 30−50 м. Через подстанцию, расположенную на дне, электричество может передаваться либо на береговые сети, либо на плавучие нефтяные платформы. Как и положено всем морским сооружениям, надводная часть PowerBuoy PB150 оснащается мачтой с навигационными огнями и радиолокационным отражателем.


180-метровый морской змей Pelamis способен снабжать электроэнергией и теплом 500 средних индивидуальных европейских домов. Волновые фермы, состоящие из нескольких десятков преобразователей, установленные в районах с достаточной энергоемкостью волны, будут вырабатывать 30 и более мегаватт энергии.

По словам вице-президента OPT Чарльза Данливи, волновые фермы на основе PowerBuoy PB150 гораздо компактнее ветровых аналогов — станция мощностью 10 МВт займет всего 0,125 км² поверхности моря. Техническая простота и неубиваемость таких преобразователей позволяет создавать электростанции морского базирования мощностью до 100 МВт и более. В январе 2011 года OPT получила официальную сертификацию в Регистре Ллойда по классу плавучих морских сооружений постоянной дислокации. Вскоре первый PB150 займет свое место в 33 морских милях от шотландского городка Инвергордон. На нем будет произведена проверка якорной системы, работы генератора при разных параметрах волны и общей надежности системы в целом. Бортовой симулятор будет имитировать взаимодействие системы с береговой сетью. Второй буй уже строится на заводе OPT в Нью-Джерси. Он будет участвовать в эксперименте на тихоокеанском побережье Америки, где планируется создать волновую ферму мощностью 1,5 МВт. На очереди аналогичные проекты в Японии и Австралии.

Уверенность команды OPT в успехе PowerBuoy PB150 основана не на голом энтузиазме. Еще в 2009 году первый 40-киловаттный генерирующий буй PB40 по заказу ВМФ США был притоплен на рейде Оаху, Гавайи. Малыш был успешно подключен к наземной сети и за все время эксплуатации не доставил хлопот разработчикам. Наблюдение за окружающей средой в районе буя показали, что установка экологически нейтральна и безопасна.


Преобразование кинетической энергии волн в электричество происходит за счет качания отдельных модулей относительно друг друга на специальных герметичных шарнирах. Шарниры приводят в движение поршни гидравлических насосов. В гидравлических аккумуляторах вода сжимается до рабочего давления и поступает на турбину гидромотора, который, в свою очередь, раскручивает генератор.

История

Первая ветряная электростанция — «мельница» Блита диаметром 9 метров — была построена в 1887 году на даче Блита в Мэрикирке (Великобритания). Блит предложил избыточную электроэнергию со своей «мельницы» жителям Мэрикирка для освещения главной улицы, но получил отказ, так как те считали, что электроэнергия — это «работа дьявола». В дальнейшем Блит построил ветряную турбину для подачи аварийного питания в местную больницу, сумасшедший дом и амбулаторию. Однако технологию Блита сочли экономически нежизнеспособной и следующая ветроэлектростанция появилась в Великобритании только в 1951 году. Первая автоматически управляемая ветряная установка американца Чарльза Браша появилась в 1888 году и имела диаметр ротора 17 метров.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации