Волновая энергетика принцип работы кратко

Обновлено: 30.06.2024

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.

Почему это выгодно?

Это можно объяснить следующим причинами:

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:

Экологическая безопасность установок;
Волновые электростанции могут выполнять защитные функции, путем гашения волн вблизи портовых акваторий и прочей береговой линии;
Возобновляемый источник энергии;
Низкая себестоимость получаемой электроэнергии;
Продолжительный срок эксплуатации.

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.

Большинство электростанций работают на угле, газе или нефтяных продуктах. Подобная ситуация привела к тому, что природные ресурсы стали заметно уменьшаться. В связи с этим, уже долгое время ведутся исследования, выполняются практические разработки, касающиеся использования альтернативных источников электроэнергии. К настоящему времени внедряются гелиосистемы, ветряные электростанции и другие установки. Среди них особое место занимает волновая электростанция, использующая огромные запасы энергии морей и океанов.

Как работают волновые электростанции

Вся работа волновых электростанций основывается на кинетической энергии движущихся масс морской и океанской воды.

Преобразование может выполняться в нескольких вариантах:

Во всех случаях используется энергия движущейся водяной массы. Поток регулируется таким образом, чтобы его движение через турбину происходило в одном направлении. В случае необходимости скорость воздушного потока можно увеличить путем снижения диаметра проходной трубы. Частота вращения турбины возрастет даже при незначительной скорости движения волн.

Принцип качения в работе ВЭС

Принцип качения, используемый в работе волновых электростанций, следует рассмотреть более подробно. Большинство подобных сооружений работают на основе энергии, возникающей при поверхностном качении волн. Именно они осуществляют раскачивание специальных преобразователей, изготовленных в виде поплавков и способных отслеживать профиль волны. Подобные конструкции выпускаются в нескольких вариантах:

Действие такой электростанции осуществляется в следующем порядке:

Под влиянием волн поплавки двигаются, но под собственным весом они приходят в первоначальное состояние.
Подобные колебания вызывают движение насосов, установленных внутри вала. Внутри них находится предварительно залитая вода.
Турбины, расположенные между поплавками, приходят в действие, после чего начинается выработка электроэнергии, передаваемой на берег по проложенному кабелю.

Подобные системы уже используются на практике. Их средняя мощность находится в пределах 45 тысяч кВт. Общая длина вала составляет 1,2 км, количество поплавков разное – от 20 до 30 шт. Диаметр каждого – 15 м.

Выработка электроэнергии происходит следующим образом:

Колебания волн приводят к изгибу конструкции.
В местах соединений располагаются гидравлические поршни. Изгиб цилиндра приводит их в движение, после чего начинается перекачивание масла через движители, соединенные с генераторами.
Начинается выработка электрического тока, передаваемого на берег по кабелю, проложенному на дне.

Одна система объединяет сразу несколько конструкций, поэтому их общая мощность может достигать показателя более 21 МВт.

Еще одна волновая электростанция представлена так называемым контурным плотом Коккереля. В данной конструкции секции также перемещаются относительно друг друга, а соединение осуществляется с помощью шарниров. Возникающие колебания передаются насосам, соединенным с генераторами. Длина сооружения составляет 100 м, ширина – 50 м и высота – 10 м. Всего в конструкцию входит три секции, производящие мощность 2 тысячи кВт.

Волновые электростанции России и других стран

Наша страна имеет протяженную береговую линию, а многие места пригодны для установки таких сооружений. Поэтому российские инженеры ведут активные разработки в области волновых электростанций, работающих на возобновляемых источниках энергии.

Первое сооружение подобного типа уже построено на полуострове Гамова Приморского края, географически расположенного на Дальнем Востоке. Данная станция считается универсальной, поскольку кроме энергии направленных волн, она способна преобразовывать и использовать в работе энергию, заключенную в приливах и отливах. Установка признана перспективной, дающей толчок дальнейшему развитию волновых электростанций.

Если рассматривать установки других государств, то самое первое сооружение в мире, использующее энергию волн, появилось в Норвегии в 1985 году. Это была экспериментальная конструкция мощностью всего 500 кВт. Промышленный вариант был сооружен в Австралии в 2005 году. Это станция Oceanlinx, мощность которой после реконструкции 2009 года достигает 450 кВт.

Первая установка, построенная на коммерческой основе, появилась в португальском городе Агусадоре в 2008 году. Данная установка работает на принципе колеблющегося тела, непосредственно используя механическую энергию волн. Ее мощность достигла 2,3 МВт и этот показатель может быть увеличен за счет дополнительных конструктивных элементов.

Выгодно ли использовать энергию волн

Энергия волн считается возобновляемой, к тому же огромный потенциал океана может дать около 20% от всей потребной электроэнергии. Развитие этого направления выгодно со всех сторон, поскольку природные ресурсы начинают активно истощаться, а уголь, нефть и газ рано или поздно закончатся.

Атомная энергетика не сможет решить всех будущих проблем. В связи с потенциальной опасностью и отсутствием гарантированной защиты, АЭС развиваются не так активно, как это необходимо.

К положительным качествам ВЭС можно отнести следующие:

Безопасная продолжительная эксплуатация без нарушений экологии.
Станции заодно гасят волны возле портов и берегов, выполняя функции защиты.
Волны являются возобновляемым источником энергии.
Низкая себестоимость полученной электроэнергии.

Минусами волновых установок считаются:

Небольшая мощность большинства установок.
Отсутствие стабильности в работе под влиянием погоды и природных условий.
Возможная опасность для рыболовецких и других судов.

Волновая энергетика, по сути, служит альтернативой существующей гидроэнергетике. Ее особенность заключается в том, что происходит использование энергии волн, появляемых в морских просторах и в океане. Удельная мощность таких волн превосходит мощность энергии солнца и ветра, поэтому это является перспективным развитием источников энергии, являющихся постоянно возобновляемыми.

Как работают волновые электростанции

Образование такого явления как волны является результатом воздействия солнечных лучей. Они нагревают воздух, в результате чего происходит перемещение в пространстве. Перемещаемый воздух приходит в соприкосновение с водной поверхностью, результатом чего является возникновение волн.

Энергетическая емкость волны зависит от силы ветра, длительности его порывов и длины воздушного фронта. На мелководье величина энергоемкости каждой волны уменьшается вследствие трения о дно.

Волновые электростанции при их применении используют кинетическую энергию перемещающихся масс морской и океанской воды. Независимо от вариантов преобразования используется энергия движущихся морских волн или соответственно энергия движущихся волн океана.

История появления

Поскольку объем используемых до этого газа, нефти и угля значительно уменьшился, альтернативное получение энергии с помощью волновых электростанций стало весьма актуальной проблемой.

История появления волновых электростанций имеет несколько этапов:

Расположена она на расстоянии пяти километров от линии берега.

Устройство

Волновая электростанция независимо от ее типа имеет принцип работы, основанный на преобразовании кинетической энергии в электрическую. Принцип действия является одинаковым как для стационарных моделей, так и для плавучих.

Энергия волн, совершающих колебательные движения вверх-вниз, преобразуется в электрическую энергию.

Имеется несколько видов устройств станций:

В таком устройстве волны заполняют специальные камеры. Воздух в них сжимается. Создавая давление, имеющее избыточный характер. Под воздействием этого воздух поступает на турбину. Лопасти турбины начинают крутиться. Вращательное движение с помощью генератора вырабатывает электроэнергию.

В конструкции имеется несколько секций. На платформах между ними смонтированы поршни. Платформы являются подвижными. К поршню подсоединяется двигатель, имеющий гидравлический характер, приводящий во вращение электрический генератор.

На корпусе бетонного сооружения размещается площадка, на которую происходит накат волн. Они накапливаются в специальном резервуаре. Из него вода попадает на гидротурбину.

Во всех вариантах происходит использование энергии движущейся водяной массы. Существуют попытки изменить конструкцию камеры, чтобы воздух внутри нее был максимально сжат.

Почему это выгодно

Морские и океанические волны являются безграничным источником энергии, который постоянно возобновляется. Волновые электростанции расположены в природной среде, что позволяет использовать колоссальную энергию морей и океанов.

Типы волновых электростанций

Любые волновые электростанции имеют похожий принцип действия, при котором используется энергия волн. Некоторое различие имеют конструкции этих массивных сооружений.

ВЭС, работающие по принципу качения

Такие сооружения находятся на воде. Принцип качения предполагает работу, основанную на энергии, которая возникает при поверхностном покачивании волн. Они раскачивают преобразователи, выполненные в виде поплавков. Имеется несколько вариантов подобных конструкций.

Морские змеи

Они изготовлены в виде нескольких секций, каждая из которых имеет форму цилиндра. Между собой секции соединены шарнирами. Вся конструкция находится в полузатопленном состоянии.

При колебании волн змеевидная конструкция начинает изгибаться. Это приводит в движение гидравлические поршни, которые находятся в местах соединений. Вырабатываемый электрический ток на берег передается по кабелю, проложенному в месте, где находится дно водоема.

Контурный плот Коккереля

При этой конструкции осуществляется перемещение секций друг относительно друга при помощи шарниров. Колебания передаются насосам, на которых закреплены генераторы. Такая конструкция дает высокий эффект примения.

Утка Солтера

Подобное название получили волновые электростанции, которые состоят из большого количества поплавков. Все они расположены на одном валу. Чтобы работа давала необходимый эффект, таких поплавков должно быть порядка двадцать-тридцать.

Энергия течений

В течениях океанов и морей заложена огромная потенциальная энергия. Имеется возможность получать достаточно высокое значение энергии. В перспективе будет целесообразно использовать энергию таких течений, как Флоридское и Гольфстрим.

Кинетическая энергия волн в ВЭС

Кинетическая энергия, которой обладают волны в подобных сооружениях, является огромной. Ее использование может происходить различными способами.

Первый заключается в том, что волна проходит через полую камеру. При этом она вытесняет имеющийся внутри воздух. Турбина начинает вращаться.

При втором способе волна попадает в трубу, имеющую большой диаметр. Там она начинает приводить во вращение лопасти турбины, приводя в действие генератор.

Принцип обоих способов является одинаковым. Происходит использование энергии, которой обладает столб воды при его колебании. Скорость потока воздуха можно регулировать путем изменения диаметра проходного канала. Тогда даже неторопливо катящиеся волны смогут вращать турбины с большой частотой.

Буй генератор

Подобная конструкция представляет собой буй, имеющий высоту 42 метра. На дне водоема буй зафиксирован якорями, а на водной поверхности его удерживает длинный поплавок, колеблющийся в вертикальной плоскости вместе с колебаниями воды.

Поплавок, закрепленный на подвижном штоке, который служит частью линейного генератора, генерирующего энергию. Контроль хода штока, зависящий от высоты и силы волны, контролируется специальными датчиками. Этим обеспечивается оптимальное прохождение работы. Во избежания во время сильного шторма поломки происходит автоматическая блокировка штока.

Волновые электростанции в мире

Первая электростанция волнового типа была запущена в 1985 году в Норвегии. Мощность этого сооружения составляла 500 кВт.

Первой в мире станцией промышленного назначения, которая использовала для получения электрической энергии энергию волн, является Oceanlinx, находящаяся в Австралии.

Волновые электростанции в России

Интерес к этой области получения энергии новым способом в России растет, поскольку страна имеет выход к морю и имеется возможность использования энергии морских волн. Однако, волновые электростанции, существующие в России, стали появляться сравнительно недавно.

В 2014 году в Приморском крае появилась первая из них. Особенность ее заключается в том, что имеется возможность преобразовывать энергию, как самих волн, так и энергию приливов и отливов, что является универсальным.

По существующему плану альтернативные источники энергии вскоре должны составить 5% от общей энергетической выработки. В их число входят волновые электростанции. Еще одним преимуществом будет защита прибрежных зон от разрушительного действия набегающих на них волн.

Преимущества и недостатки волновой энергетики

На волновые электростанции сейчас приходится лишь один процент получаемой энергии, несмотря на то, что они обладают огромным потенциалом.

Такое ограничение в первую очередь связано с тем, что такая энергия является слишком дорогой, что экономически невыгодно. Киловатт энергии, полученный методом ВЭС, в несколько раз дороже, чем такое же количество энергии, которое было сгенерировано обычными способами.

Преимущества

К преимуществам использования волновой энергетики относятся:

Такие станции можно использовать в роли гасителей волн, что является защитой от разрушений берегов, а также сооружений, находящихся недалеко от берега.
Имеется возможность устанавливать волновые электрогенераторы, обладающие не слишком большой мощностью, на опорах мостов и причалах, что снижает негативное воздействие на них воды.
Волновая энергетика является более выгодной, чем ветровая, поскольку мощность ветра ниже, чем мощность волнения.
Для того, чтобы вырабатывалась электрическая энергия с помощью волн, не требуется углеводородного сырья, чьи запасы уже невелики.

Недостатки

К недостаткам использования волновой энергии относятся экологические соображения. Экологии может повредить покрытие значительной части водной поверхности преобразователями энергии волн. Дело в том, что волны играют немалую роль в газообмене воды и атмосферы, а также в освобождении водной поверхности от различных загрязнений.

Еще одним недостатком является то, что некоторые генераторы могут представлять опасность для нормального судоходства. Может произойти вытеснение рыбоводства из рыбопромышленных объектов и многие люди потеряют работу.

Потенциал использования энергетики волн

В современном мире потребление энергии характеризуется стремительным ростом. Помимо истощения природных ресурсов в виде нефти и газа, встает проблема возникновения неблагоприятной экологической обстановки. Поэтому популярность альтернативных источников энергии постоянно растет.

ВЭС относятся к возобновляемым источникам энергии. Их экономический потенциал не является таким уж большим, и составляет порядка 25%. Однако, за последние пятнадцать лет выработка электроэнергии на основе волновой энергетике является в Европе самым быстрорастущим сектором. Такими же быстрыми темпами происходит и развитие в мире.

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 альтернативные источники энергии. 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 механическую энергию 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 сжатый воздух 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 передачей электрической энергии 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 Уральского федерального университета 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.

Читайте также: