Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 183.

Эффективная волновая энергетическая станция

Одной из основных трудностей, стоящих на пути широкомасштабного освоения нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ), является низкая плотность потока утилизируемой энергии, вследствие чего энергетические установки получаются материалоемкими и дорогими. По этому показателю волновая энергия выгодно выделяется среди других НВИЭ, так как представляет собой ветровую энергию в природно-концентрированном виде: среднегодовая мощность волнения достигает 40-100 кВт на метр волнового фронта, превосходя по удельным показателям ветровую энергию в десятки раз. Этим определяется интерес в мире к устройствам, утилизирующим энергию волн: выданы десятки тысяч патентов, израсходованы миллионы долларов на исследования в этой области. В настоящее время используются тысячи небольших преобразователей энергии волн для подзарядки аккумуляторов морских буев, а фирма WAVEGEN (Великобритания) вышла на стадию промышленного освоения этого ресурса для нужд энергетики. Однако по стоимости получаемой энергии, достигнутому КПД преобразующих устройств и масштабам развития волновая энергетика значительно уступает ветровой, где ежегодно вводится почти 10 ГВт установок более чем на $10 млрд.

В преобразователях волновой энергии обычно выделяют два контура: первый воспринимает воздействие волн и превращает их работу в потенциальную или кинетическую энергию рабочего тела (чаще всего жидкого или газообразного). Во втором контуре происходит преобразование энергии рабочего тела в электроэнергию (обычно посредством турбин).

Волновые энергетические станции отличаются от традиционных главным образом конструкцией первого контура. С этой точки зрения можно выделить две группы станций: установки, в которых волны воздействуют непосредственно на рабочее тело, и установки, в которых воздействие волн передается через промежуточное звено, которое, используя свойство рычага, сжимает рабочее тело.

Первый контур перспективных ВлЭС первого типа («осциллирующий водный столб» – ОВС, «Каймей», «выпрямитель» Рассела) прост по конструкции и недорог, однако имеет невысокий КПД. Причем переменное и низкое давление рабочего тела на выходе (избыточное давление не может быть выше высоты столба воды в гребне) и, как следствие, невозможность объединения нескольких устройств первого контура на один преобразователь второго контура обуславливают большие энергетические потери в последнем при его высокой стоимости, а также низкое качество генерируемой электроэнергии.

ВлЭС второго типа («ныряющая утка» Солтера, «контурный плот» Коккерела, «несимметричный клин» Паркса, гидропарусная ВлЭС) – громоздкие и сложные сооружения, имеющие высокий КПД преобразования энергии волн и сравнительно высокое давление рабочего тела на выходе, что позволяет объединять множество устройств первого контура на один вторичный преобразователь. В результате снижаются энергетические потери во втором контуре и его удельная стоимость. Однако и в этом случае генерируемая электроэнергия получается дорогой из-за наличия в первом контуре конструктивно сложного промежуточного звена, которое, к тому же, включает в себя узлы трения в шарнирах и гидравлических системах сжатия, что в коррозионно-агрессивной морской среде снижает надежность ВлЭС.

Рассмотрим подробнее особенности наиболее ярких представителей выделенных типов ВлЭС.



Осевая волновая станция

Осевая волновая станция в настоящее время является основной и единственно применяемой на практике конструкцией ВлЭС. Однако она не соответствует почти половине требований, предъявляемым к ВлЭС и определяющим степень совершенства конструкции. Несмотря на то что найдены оптимальные гидродинамические и аэродинамические формы волноприемной камеры и воздушного канала, ВлЭС снабжена световыми датчиками, регулирующими клапанами, специально разработанной турбиной с поворотными лопатками и компьютеризированной системой управления, цена вырабатываемой энергии остается высокой. Причем общий КПД ВлЭС типа ОВС снижается из-за того, что турбина работает на низкопотенциальном и переменном по величине и направлению потоке воздуха. То есть получается, что 2/3 установки работают вхолостую. Следовательно, необходимо кардинальное совершенствование принципа ОВС.

«Ныряющая утка» соответствует практически всем требованиям к ВлЭС и обладает очень высоким КПД, но имеет проблемы на пути практического применения: наличие узлов трения в соединениях «клювов» с валом установки и поршневых системах сжатия жидкого рабочего тела гидрогенератора, а также длинного вала, объединяющего множество «клювов» и работающего на излом, снижает надежность и живучесть установки; «клювы» имеют собственные частоты колебаний, что уменьшает эффективность установки на некоторых режимах волнения.



Станция нового типа

Представляется, что совмещение достоинств ОВС и «утки» достигается во ВлЭС, в которой принцип ОВС используется на более высоком уровне – в рабочих элементах (волноприемных камерах), объединенных в систему многоступенчатого сжатия воздуха (а. с. СССР № 1456634). Установка содержит заполненные воздухом мягкооболочечные (выполненные из эластичного материала) волноприемные камеры и ресиверы постоянного объема, последовательно сообщенные между собой через обратные клапаны, а также якорное устройство, ориентирующее установку камерами к волнам. Корпус установки – стальной или железобетонный. Рабочие камеры в плане имеют форму квадрата либо вытянутого в горизонтали прямоугольника, в то время как ресиверы вытянуты во всю длину ВлЭС.

Работает установка следующим образом. Компрессор создает в первом ресивере давление несколько выше атмосферного. Чередование впадин и гребней волн, воздействующих на камеры, вызывает колебания давления воздуха в них. Под влиянием возникающих перепадов давления обратные клапаны открываются, пропуская порции воздуха, либо запираются, чем обеспечивается однонаправленное движение рабочего тела. Постепенно в каждом ресивере устанавливается давление, при котором воздух может под воздействием волн перетекать из предыдущей камеры в ресивер и из него в следующую. Другими словами, каждый ресивер периодически принимает воздух из предыдущей камеры и сохраняет его, выдавая по мере надобности в следующую камеру. Таким образом воздух из атмосферы постепенно закачивается все глубже под поверхность воды, достигая, наконец, ресивера, связанного воздухопроводом с турбиной. Турбина посредством генератора преобразует энергию сжатого воздуха в электроэнергию.

Как показали расчеты на математической модели установки, в ней, несмотря на отсутствие промежуточного звена, возможно сжатие рабочего тела до относительно высокого давления.

Оптимальные размеры и формы камер, ресиверов и корпуса установки, а также количество ступеней сжатия можно будет определить на основе экспериментов и опыта эксплуатации ВлЭС.



Особенности установки

Данной установке свойственны:
- неподверженность влиянию приливов;
- совместное использование кинетической и потенциальной компонент энергии волны по всему слою их переноса благодаря заглубленным мягкооболочечным камерам, образующим наклонную лицевую поверхность, при этом несущая основную часть энергии поверхностная составляющая волны, направляемая лицевой поверхностью, последовательно воздействует на все камеры ряда сжатия, накладываясь на соответствующие глубинные составляющие. Поэтому по эффективности такая ВлЭС сравнима с «уткой», имеющей, так же как и предлагаемая установка, наклонную воспринимающую поверхность;
- широкополосность спектра отбора энергии, в том числе нерегулярных волн: мягкооболочечные (следовательно, не имеющие собственной частоты колебаний) рабочие органы – волноприемные камеры, даже входящие в состав одного и того же ряда сжатия, работают независимо друг от друга, причем ресиверы сглаживают неравномерность поступления воздуха;
- концентрация волновой энергии с большой площади на вторичном преобразователе, низкие потери энергии в нем и высокое качество генерируемой электроэнергии: наличие ресиверов, объединяющих многие ряды сжатия, обеспечивает равномерную подачу воздуха на турбогенератор под практически постоянным и относительно высоким давлением;
- возможность использования мощных турбин обычного типа (например, турбодетандеров, применяемых в газовой и химической отраслях промышленности). Согласно расчетам, температура воздуха на выхлопе турбины может составлять несколько десятков градусов ниже нуля (что можно использовать для кондиционирования воздуха и охлаждения продуктов питания), также будет образовываться некоторое количество пресной воды за счет конденсации влаги из воздуха;
- способность изменять режим работы в зависимости от интенсивности волнения: путем управления глубиной осадки ВлЭС за счет изменения количества воды в балластных емкостях и переключения турбины на разные ресиверы с помощью запорных клапанов;
- живучесть при штормовом волнении: возможен разворот вдоль луча распространения волны ВлЭС, выполненной наподобие морского судна с расположенными вдоль борта рядами камер. Причем можно отметить, что ВлЭС может работать и в шторм, при этом используется, главным образом, гидростатическое давление волн;
- ремонтопригодность: ремонт (или замена) наиболее нагруженных элементов (клапанов) может производиться во время работы ВлЭС, если какая-либо камера будет прорвана, механик может заблокировать оба клапана и ВлЭС будет работать без этой камеры;
- надежность и экологичность: в первом контуре ВлЭС нет узлов трения, которые могли бы снизить надежность и срок службы установки (по этой же причине отсутствует система смазки, которая могла бы быть источником загрязнения воды), используется экологически нейтральное рабочее тело – окружающий воздух;
- возможность строительства таких ВлЭС на судостроительных и судоремонтных заводах с дальнейшей отбуксировкой их к месту работы.

Таким образом, предлагаемая установка соответствует всем основным требованиям к ВлЭС. Поэтому можно ожидать ее предпочтительность с точки зрения КПД, стоимости и эксплуатационных затрат относительно существующих конструкций ВлЭС.



Перспективы

Так, например, в настоящее время ведется строительство плавучей ВлЭС типа ОВС мощностью 2 МВт и стоимостью 1350 фунтов стерлингов/кВт (стоимость ветроэлектрических станций составляет около $ 1000/кВт). Представляется, что предлагаемая ВлЭС будет значительно дешевле, так как детандер-генераторные агрегаты стоят $140-180/кВт: такая ВлЭС (без учета якорной системы и объема бетона, который рассчитывается по условию обеспечения нулевой плавучести ВлЭС) будет стоить около $ 400-500/кВт. Общий КПД ВлЭС можно оценить величиной порядка 0,5-0,7, поскольку современные турбодетандеры имеют КПД до 0,8 и выше. Таким образом, ВлЭС длиной 100 м будет производить несколько МВт электроэнергии.

Параметры ВлЭС определяются предполагаемым местом работы. Уникальное свойство морских волн – экспоненциальное снижение потока энергии с глубиной – позволяет подбирать оптимальную осадку ВлЭС в каждом конкретном случае. Например, в районах с низким волновым потенциалом необходимо использовать ВлЭС с малой осадкой. Верфи могут выпускать ВлЭС типовыми сериями для районов со сходными показателями волновой интенсивности.

Ввиду огромного энергетического потенциала волнения Мирового океана ВлЭС могут найти широкое применение в системах энергоснабжения островов (в первую очередь, удаленных от материков, а также курортных – учитывая экологическую чистоту, визуальную и экскурсионную привлекательность ВлЭС), побережий и плавучих поселений. На крупных ВлЭс могут размещаться жилые и развлекательные комплексы, склады, рыбозаводы и другие предприятия. Подобные ВлЭС могут использоваться на некоторых морях РФ, а также, учитывая возрастающий интерес к ВлЭС в мире (в частности, в Великобритании, Швеции, Норвегии, Португалии, Дании, Японии, Индии, Китае, Австралии, США уже построены опытно-промышленные ВлЭС, осуществляется европроект на Азорских островах), быть предметом экспорта судостроительных и судоремонтных заводов, имеющих в настоящее время трудности с заказами. В ближайшем будущем только на поверхности Северного моря мощность ВлЭС достигнет нескольких ГВт – это уже учитывается в обязательствах стран ЕС по снижению выбросов парниковых газов. Подобными ВлЭС могут заинтересоваться и развивающиеся страны, в которых прогнозируется быстрый рост энергопотребления и недостаток питьевой воды.

В настоящее время мировой рынок ВлЭС оценивается в $800 млрд., но возможна корректировка емкости рынка в обе стороны в зависимости от прогресса технико-экономических показателей ВлЭС в сравнении с другими источниками электроэнергии и пресной воды.

Сергей ЖАРКОВ

В 184 выпуске читайте: Гибридные силовые агрегаты для автомобилей