Как извлекают энергию из приливов
Альтернативная энергетика, как правило, так или иначе связана с солнцем. И технология преобразования морских волн в электричество не исключение. При чем тут солнце, спросите вы? Нагревая атмосферу, светило заставляет перемещаться колоссальные воздушные массы на большие расстояния. Трение воздуха о поверхность океана инициирует возникновение волн. Таким образом, волна представляет собой своеобразный концентрат солнечной энергии.
Энергоемкость волны зависит от ряда факторов: силы ветра, его продолжительности и ширины воздушного фронта. В некоторых глубоководных районах Мирового океана она может достигать 100 кВт энергии на метр фронта волны. По свидетельству Уэйна Райта, метеоролога из центра NASA Уоллопс, рекордная высота волны, документально зафиксированная летающей метеолабораторией WP-3D в 2004 году во время разгула урагана Айвэн, составила 28 м. Более спокойные ветра легко вызывают 10-метровые валы. На мелководье энергия волн резко падает из-за трения о дно. Тем не менее энергетические Эльдорадо встречаются и у берегов. По оценке Чанга Мея и других ученых, каждый метр линии прибоя на северо-западном побережье США, на западе Шотландии, южных оконечностях Африки, Австралии и Южной Америки может давать ежегодно от 100 до 200 МВт недорогого экологически чистого электричества. Суммарный потенциал мировой волновой энергетики только в прибрежных зонах — не менее 4 ТВт. Открытое море сулит десятки, если не сотни тераватт. Но чтобы их получить, нужны эффективные технологии преобразования. Сегодня в арсенале ученых имеется несколько многообещающих концепций.
Дыхание моря
Одна из старейших и наиболее проработанных технологий преобразования энергии волн в электричество — осциллирующая водяная колонна с воздушной турбиной Уэллса. Подобные волновые электростанции могут работать как на линии прибоя, так и вдали от берега. И в стационарных, и в плавучих установках используется тот же принцип: набегающая волна поднимает уровень воды в полупогруженной камере. Находящийся внутри камеры воздух выталкивается в атмосферу, проходя через лопатки реверсивной воздушной турбины низкого давления Уэллса. На откате волны воздух засасывается через турбину обратно в камеру. При этом направление вращения вала турбины не меняется, а значит, передача крутящего момента на вал генератора происходит непрерывно.
Волновой насос Oyster компании Aquamarine Power. Совершая возвратно-поступательные движения под напором прибоя, как метроном, закачивает под огромным давлением морскую воду через трубопровод на береговую гидроэлектростанцию.
Автор этого оригинального изобретения, профессор Королевского университета Белфаста Алан Артур Уэллс, был фанатично предан идее волновой энергии. Турбина была разработана им более 30 лет назад специально для использования в осциллирующих водяных колоннах для исключения из их конструкции сложных клапанных систем и механизмов изменения шага.
Ее главные особенности и отличия от обычных турбин — симметричное сечение и относительно большой угол атаки лопастей. Из-за этого отношение скорости вращения к скорости воздушного потока у нее очень мало, а коэффициент лобового сопротивления велик. По той же причине турбина Уэллса склонна к спонтанным провалам мощности и характеризуется довольно низким КПД (40−70%). Кроме того, при вращении детище ирландского профессора генерирует низкочастотные шумы, напоминающие звуки гигантского органа. Но все минусы перевешиваются способностью этого воздушного винта всегда вращаться в одном и том же направлении, независимо от того, откуда на него поступает поток — спереди или сзади.
С осени 2009 года экспериментальный 194-тонный Oyster успешно работает на Оркнейских островах у берегов Шотландии, в зоне, арендованной Европейским центром морской энергии. Энергоферма из 20 установок сможет обеспечить электричеством и теплом 9000 индивидуальных домов.
Наиболее продвинутые осциллирующие турбинные преобразователи имеют довольно сложную архитектуру воздушной камеры для максимальной компрессии потока. Коллектив исследователей из MIT под руководством профессора Мея, работающий над проблемой с конца 1970-х, и вовсе предлагает использовать сложную камеру с изменяемой геометрией и объемом. Сначала эффективность такого подхода была доказана на математической модели, а уже потом — на нескольких работающих прототипах. Нестандартное инженерное решение позволяет избежать провалов мощности станции при падении высоты волны, а при штормовом прибое — защитить турбину от экстремальных нагрузок и возможного разрушения.
Множество по-настоящему революционных технологий были рождены случайно в ходе исследований совершенно не связанных с ними научных проблем. Это можно сказать и о преобразовании гидрокинетической энергии потока в электричество методом вихревых вибраций. Идея пришла в голову профессору Мичиганского университета Майклу Берницасу, группа которого несколько лет подряд ломала головы над способами защиты опор мостов от разрушительной турбулентности. Безобидные на вид маленькие водовороты и воронки, образующиеся во время огибания струями воды цилиндрических предметов, чрезвычайно опасны. Они приводят к возникновению вихревых вибраций, перпендикулярных направлению потока, в результате которых порою происходят очень серьезные катастрофы. Так, например, в 1940 году вихревые вибрации, вошедшие в резонанс, обрушили мост Такома Нарроуз в США.
Майкл Берницас, изучая эту проблему, отметил, что подвижные цилиндрические предметы, закрепленные подвижно на двух вертикальных или горизонтальных осях, из-за возникающей турбулентности начинают вибрировать и совершать возвратно-поступательные движения. Логическое продолжение этого наблюдения – использование цилиндров в качестве несущих элементов для магнитов линейного генератора. Мощные неодимовые магниты, совершая перемещения вдоль осевого статора с обмоткой, генерируют постоянный ток. Далее, на преобразователе, ток превращается в переменный и по силовому подводному кабелю поступает в сеть. Сама установка по внешнему виду напоминает многорядную шведскую стенку.
Первые прототипы преобразователя вихревых вибраций VIVACE (Vortex Induced Vibrations Aquatic Clean Energy) обладают небольшой мощностью, но из нескольких десятков и даже сотен модулей можно создавать подводные электростанции любого формата. Отличительная особенность VIVACE – очень высокая чувствительность. Если обычные гидротурбины работают эффективно при скоростях потока не менее пяти-шести узлов, то преобразователь Берницаса – на двух и более. Именно в этом диапазоне «работает» подавляющее большинство морских и океанских течений.
Экспериментальная волновая станция с «дышащей» камерой мощностью 750 кВт уже работает на атлантическом побережье Португалии, снабжая электричеством почти тысячу семей. После обкатки технологии будет принято решение о строительстве целого прибрежного генерирующего каскада, связанного с местными сетями.
Источник