Волновые электростанции. Волновая электростанция

Движение океанских волн сопровождается выделением фантастических объемов энергии. Однако человечество пока так и не научилось эффективно перерабатывать эту энергию для своих целей. Одна из успешнейших на данный момент попыток – волновая электростанция Oceanlinx в акватории города Порт-Кембла, Австралия.

В настоящее время в мире проводятся испытания шести волновых электростанций. Электростанция же Oceanlinx у берегов Австралии была введена в эксплуатацию еще в 2005 году, однако затем была демонтирована для реконструкции и переоборудования, и только сейчас вновь запущена в действие.

Принцип работы волновой электростанции заключается в том, что проходящие через нее волны толчками заполняют водой специальную камеру, вытесняя содержащийся в этой камере воздух. Сжатый воздух под давлением проходит через турбину, вращая ее лопасти. В результате вырабатывается электричество.

Основным элементом, определяющим эффективность работы волновой электростанции, является турбина. Из-за того, что направление движения волн и их сила постоянно меняются, обычные турбины для выработки волновой электроэнергии непригодны. Поэтому на станции Oceanlinx используется турбина Denniss-Auld c регулируемым углом поворота лопастей.

Одна силовая установка Oceanlinx обладает мощностью (в пиковом режиме) от 100 кВт до 1,5 МВт. Установка в Порт-Кембла поставляет в электросеть города 450 кВт электричества.

Небольшое предисловие

Основная идея поиска альтернативных источников энергии заключается в использовании тех ресурсов планеты, которые дает природа. Их эксплуатация, в свою очередь, не оказывает негативного влияния на окружающую среду. Поэтому на данный момент уже существуют волновые электростанции, солнечные, ветряные, геотермальные и так далее.

Волновая электростанция – объект, расположенный в водной среде и использующий энергию волн. Отсюда следует, что строятся такие ВИЭ далеко не на любой территории. На данный момент в мире их не так много: в Португалии, в Шотландии, во Франции, в Южной Корее и так далее.

Преимущества волновых ГЭС

• Волнение мирового океана - возобновляемый источник энергии.
• Преобразование энергии волн в электроэнергию не сопровождается выбросом угарного газа (СО), углекислоты (С02) и окислов азота и серы, пылевых загрязнителей и других вредных отходов, не загрязняет почву.
• Установка и эксплуатация волновой ГЭС относительно недороги, если разработка такой станции, предназначенной для того, чтобы противостоять штормам, не становится технически переусложненной.
• Большие волновые ГЭС могут производить огромное количество электричества.
• Правильно разработанные волновые ГЭС не оказывают вредного воздействия на морскую флору и фауну.

Недостатки волновых ГЭС

• Когда поверхность океана спокойна (штиль) или почти спокойна, волновая ГЭС не может производить полезную энергию.
• Места строительства волновых ГЭС нужно тщательно подбирать, для того чтобы минимизировать воздействие шума от них. При этом они должны располагаться именно в тех районах, где ветровые волны обладают достаточным потенциалом для выработки электроэнергии.
• «Шторм века» (hundred year storm) - совокупность штормовых показателей (постоянная скорость ветра, высота волны и т. д.), которая случается в данном районе раз в сто лет, может разрушить волновую ГЭС, а чрезмерное техническое ее усложнение с тем, чтобы она могла противостоять такому шторму, приведет к тому, что затраты на ее сооружение не окупятся.
• В некоторых случаях волновые ГЭС могут представлять опасность для навигации, если они не обозначены на картах. При сооружении волновой ГЭС может потребоваться установка бакенов или других сигнальных индикаторов.

Несмотря на отмеченные недостатки, на самом деле направление это весьма перспективное. Специалисты пытаются усовершенствовать конструкции волновых ГЭС, делая их еще более безопасными и функциональными. В данной статье будет описана одна из возможных конструкций волновой ГЭС, предложенная Борисом Владимировичем Сильвестровым ([email protected]). Описание заимствовано с сайта http://dom-en.ru/ .

Проект морской волновой гидроэлектростанции Сильвестрова Б.В.

В связи c волнующими всех нас событиями на японских АЭС стало очевидно, что мирный атом тоже может принести немало проблем. Все предусмотреть просто невозможно. Результат известен. И вместе с тем отказаться от наращивания энергетических мощностей невозможно. Именно поэтому хотел бы ознакомить Вас с одним из способов получения экологически чистой энергии. Используя этот метод, не требуется осваивать какие либо новые технологии. Все, что собрано в этом методе, уже используется в различных отраслях промышленности, впрочем, как и технологии ремонта монтажа и сервисного обслуживания. Мощности же, которые при этом можно получить, столь огромны, что вполне могут превзойти традиционные источники энергии. А вот себестоимость выработанной электроэнергии вполне может оказаться ниже традиционной.

Характеристики Морской Волновой Гидроэлектростанции (МВГэ) :

• Мощность гидроэлектростанции при волне в 1м — 3600 Мвт
• Производительность одной насосной секции — 9,085 м³/сек
• Общая производительность всех насосных секций — 654,12 м³/сек
• Максимальный напор — 326,4 м.
• Рабочее давление воды на лопасти гидротурбины — 28,64 атм.
• Общее количество гидроагрегатов — 12 по 300 мвт каждый
• Окупаемость станции — 3-4 года.
• Предельная высота волн, обеспечивающая работу секции — 12м.

С Уважением инженер-механик из Баку Сильвестров Борис Владимирович.

О необходимости альтернативных источников энергии

Трудно представить современный мир без машин и механизмов, без отапливаемого жилья, без многого того, что дарит человечеству прогресс. Но технический прогресс в современном обществе породил острейшую проблему-проблему изменения климата на земле, и как следствие в будущем, гибель многих живых организмов, изменения всей среды обитания, всего живого.

За последние два столетия использование углеводородного топлива возросло многократно. Если раньше дрова, уголь, торф, нефть сжигались в основном для обогрева, то сегодня львиная доля углеводородов используется в промышленных процессах, а развитие автомобильного транспорта и использование двигателей внутреннего сгорания в кораблестроении, авиастроении и в железнодорожном транспорте породило огромный спрос на жидкое углеводородное топливо. Помимо этого, котельные и тепловые электростанции тоже работают на разных видах углеводородного топлива.

Сжигая это топливо, мы выбрасываем в атмосферу миллиарды кубометров углекислого газа и иные вредные сопутствующие газы, изменяя постепенно процентное состояние газа в атмосфере, изменяем климат, внося изменения в экосистему земли. Пройдет тысячелетие, столетие, а может быть и несколько десятилетий и этот процесс станет катастрофическим.

Человечество уже сегодня обязано искать иные источники энергии в альтернативу углеводородному топливу. Конечно, существует ядерная энергетика, существует гидроэнергетика, но даже эти виды энергии имеют свои негативные стороны и не могут решить данную проблему. Строительство гидроэлектростанций подразумевает сооружение плотин и затопление огромных территорий и в свою очередь нарушает экосистему земли, а отходы от ядерной энергетики, — острейшая проблема сегодняшнего дня. Кроме того, аварии в атомном энергетическом сегменте, заставили задуматься о повышенной опасности ядерной энергетики.

Задачи проекта МВГэ

Существуют такие виды энергии как солнечная, геотермальная, ветровая, но доля этих видов энергии в общем энергетическом балансе весьма скромна из-за своей дороговизны. Нужен новый, экологически чистый источник энергии. Одним из таких источников энергии мог бы стать водород. При горении водород выделяет достаточное количество энергии и является прекрасным топливом. Автомобильный транспорт, да и все двигатели внутреннего сгорания могли бы работать на водороде, на выхлопе выбрасывая в атмосферу только пары воды. Для обогрева жилья в котельных тоже можно было бы использовать водород.

Водород — идеальное экологически чистое топливо. Электролиз воды является процессом получения из нее водорода и кислорода, причем в таком количестве, сколько потребуется в дальнейшем, для сжигания полученного количества этих газов. Но на сегодняшний день производство водорода путем разложения воды дорого и требует немало электроэнергии, которая в свою очередь опять-таки, в большинстве случаев, получается путем сжигания углеводородов. Для решения данной задачи необходимо много дешевой экологически чистой электроэнергии. На решение выше описанной проблемы и направлен предлагаемый проект строительства морских гидроэлектростанций, которые не сжигают углеводороды, а преобразуют энергию морских волн в электрическую энергию.

Энергия морских волн, можно сказать, безгранична, и на сегодняшний день задача видится в том, чтобы наиболее эффективно отобрать и преобразовать эту энергию. Сделать ее приемлемой к использованию и поставить ее на службу человечеству. Как раз об этом и будет идти речь в данной пояснительной записке, где будет рассмотрен способ отбора мощности у морских волн, произведены расчеты мощности на единицу оборудования, просчитана общая мощность выбранной установки, проведен сравнительный анализ окупаемости строительства подобных по мощности электростанций.

Выбор места для расположения морской гидроэлектростанции

Мощные электрические морские станции могут быть построены на морских платформах, аналогично уже действующим нефтедобывающим платформам. Строятся они на берегу, а затем монтируются в открытом море. Подобные технологии в нефтедобыче уже хорошо отработаны и не представляют никакой трудности.

Выбирая место строительства морской гидроэлектростанции, неплохо было бы иметь статистические данные по среднегодовой амплитуде морских волн. Известно, что морские волны, значительно теряют свою энергию вблизи береговой линии. И потому, целесообразно устанавливать такие платформы на глубине 60-80 м, или на более мелких глубинах, но близко расположенных к резко понижающемуся рельефу дна. Желательно устанавливать их ближе к береговой линии, для облегчения транспортировки выработанной электроэнергии, хотя использовать эту энергию в отдельных случаях можно и непосредственно в море, максимально удаляя вредные производства от мест компактного проживания людей. Можно строить энергоемкие производства непосредственно в море, так же на морских основаниях.

Отличие МВГэ от традиционной гидроэнергетики

В основе выработки электроэнергии лежит стандартное оборудование, обычные гидрогенераторы и гидротурбины, используемые в гидроэнергетике. Новизной является то, что мощные поршневые гидронасосы преобразуют энергию волн в потенциальную энергию воды, а затем по водоводам доставляют ее к лопастям гидротурбин. Данные гидронасосы используют принцип работы двух диаметрально направленных сил, силы тяжести и силы выталкивания воды, которая определяется водоизмещением понтонной части данного гидронасоса. И чем больше эти силы, тем более мощной будет энергоустановка. Эти силы, накладываясь на гребни и впадины морских волн, производят работу в мощных поршневых насосах.

Поскольку конструкция данного гидронасоса за счет прочности и жесткости самой платформы и жестко связанных с ней водоводов, являющихся в свою очередь основой неподвижных поршней, позволяет использовать понтоны водоизмещением в сотни тонн, то можно добиться значительной производительности секции гидронасоса. А за счет паритета этих двух сил можно добиться равномерной работы данной секции насоса в обоих направлениях, при подъеме на гребень волны и при спуске с него.

Отличие от традиционной гидроэнергетики состоит в том, что нет необходимости строить плотины, накапливать воду, затапливать территории, и тем самым изменять и нарушать экосистему земли. Платформа, на которой размещается морская гидроэлектростанция, занимает совсем незначительную площадь. Вода в неограниченном количестве забирается из водной среды, закачивается насосами в гидротурбины и снова сбрасывается в море.

Экологическое воздействие на окружающую среду минимально. Площади, задействованные под данный технологический процесс, минимальны. Последствия возможных аварийных ситуаций незначительны и совершенно не сопоставимы с возможными авариями на гидроэлектростанциях, а получаемые мощности огромны. Эта энергия, как некая производная солнечной энергии, вечна. Пока будет светить солнце, будут происходить атмосферные процессы, будут дуть ветра и разгонять морскую волну. Поэтому использование этой энергии столь заманчиво.

Мощность обычной гидроэлектростанции напрямую зависит от водосбора и напора, поэтому ограничена, морская же электростанция может быть построена практически любой мощности, поскольку морские просторы не ограничены, мощность морской гидроэлектростанции зависит только от ее масштабности.

Недостаток метода МВГэ и решение по его преодолению

Моря и океаны составляют две трети поверхности земли. Большинство стран мира, являются морскими державами, и потому этот экологически чистый метод получения электроэнергии может стать весьма актуальным для них, и значительно сократить использование углеводородов во всем мире. Кроме всего прочего, многие из этих стран не имеют своего углеводородного топлива, а, имея доступ к морским просторам, будут заинтересованы в строительстве предложенных морских электростанций. Экологическая чистота вырабатываемой этим методом электроэнергии также немаловажна и заманчива в свете острых запросов сегодняшнего дня.

Есть лишь один существенный недостаток в предлагаемом методе выработки электроэнергии — это период полного отсутствия волн, иными словами полный штиль на море. Но это не столь частое и не столь длительное явление и если сегодня строят ветряные электростанции, несмотря на изменчивый характер ветров, и это считается достаточно перспективным направлением, то строительство морских гидроэлектростанций будет оправданным из-за несравнимо большей мощности и более дешевой электроэнергии. А в будущем, общемировая энергосистема, закольцованная по всему миру, снимет этот недостаток, так как одновременного штиля во всех уголках планеты просто не бывает, а выработанный и накопленный водород позволит в этот период выработать электроэнергию на тепловой станции.

Аналоги морской, волновой гидроэлектростанции

Попытки использования энергии морских волн, как источника энергии предпринимаются достаточно давно. Существует множество разработок волновых преобразователей, часть из которых реализуется в той или иной мере. Наиболее известные проекты — поплавковая ГЭС, плот Коккереля, качающаяся «утка» Солтера, остеллирующий водяной столб, пульсирующий водяной столб Массуды.

Наиболее близким к данному предложению является изобретение британца Эльвина Смита, в основе идеи которого лежит использование насосов для закачки воды на какую либо береговую гору и, по мере ее накопления, использование ее, как в обычных гидроэлектростанциях. Казалось, идея та же, но насосы, в отличие от данного предложения, имеют иную конструкцию и представляют собой поплавковый вариант, иными словами являются морскими буями, закрепленными ко дну или цепями или тросами.

По отношению к данному предложению, это предложение имеет ряд существенных недостатков. Приливы и отливы, а также сама высота волн очень осложняют правильную работу насосов и требуют сложного механизма регулировки длины цепи или троса. Установка буев на якорях ведет к их неминуемому дрейфу, закрепление же их к специальным бетонным блокам резко удорожает данную конструкцию, требует неоправданно дорогостоящих подводных и морских крановых работ, а, самое главное, никакие троса и цепи не могут выдержать нагрузки в сотни тонн, как это возможно в предлагаемом варианте.

Еще одной из веских отрицательных свойств рассмотренных аналогов является то, что объединение насосов в общий водовод с использованием каких-либо гибких соединений весьма затруднительно. Нет таких надежных, недорогих, гибких материалов, которые могли бы выдержать длительные переменные нагрузки, как по давлению, так и по значительному изменению геометрических размеров. Эксплуатация таких насосов, сервисное обслуживание, а так же ремонт, если и возможны, то очень затруднены и экономически не обоснованы. В целом же, все выше перечисленные установки, а также их различные вариации в несравнимой степени маломощны, нежели предлагаемая в данном проекте конструкция.

Предложенная в работе платформа, решает сразу все трудноразрешимые вопросы рассматриваемого аналога. Но самое основное, и самое существенное это то, что предлагаемое решение в результате, выдаст огромную мощность. Жесткая конструкция платформы, ее громадный вес позволяют использовать поплавковые камеры водоизмещением в десятки и даже в сотни тонн, чего не могут выдержать никакие цепи и троса, а установка под водой опорных блоков в сотни тонн для рассмотренных аналогов, неоправданно дорогое решение.

В данном проекте будет рассмотрена морская гидроэлектростанция с конкретно заданными геометрическими и техническими параметрами, хотя в принципе задаться можно практически любыми исходными данными. В общих чертах рассмотрены вопросы ее строительства, эксплуатации, ремонта и сервисного обслуживания, произведены приближенные экономические расчеты, обосновывающие само ее существование, естественно и строительство.

Морская гидроэлектростанция, схема которой показана на рис №1, представляет многоярусное сооружение.

Рис.1. Схема морской волновой гидроэлектростанции

Данная конструкция, базируется на морском, опорном основании 1, хотя возможны и варианты, когда гидротурбины и гидрогенераторы могут располагаться на отдельном основании, что позволит уменьшить высоту подъема воды до гидроагрегатов, и тем самым увеличить давление воды на лопатки гидротурбины на 3 — 4 атм.

• 2- трубопровод сброса воды, после отработки в гидротурбине.
• 3- гидротурбина.
• 4-гидрогенератор.
• 5- высоковольтный кабель транспортировки выработанной электроэнергии.
• 6- трансформаторы.
• 7- вертолетная площадка.
• 8- бытовые помещения.
• 9- РУ « распредустройства».
• 10- кабель передачи выработанной электроэнергии от генераторов в распредустройства.
• 11-генераторное отделение.
• 12- турбинное отделение.
• 13- компенсационная колонна.
• 14-водовод.
• 15- насосное отделение.
• 16- неподвижные поршни насосной секции.
• 17- насосная секция.
• 18- направляющая клетка.

Принцип работы данной установки заключается в следующем: Насосная секция 17 вместе с волной перемещается вверх и вниз внутри направляющей клетки 18 рис. №1, охватывая, неподвижный поршень 9 показанный уже на другом рисунке,- на рис. №4 {отдельно работа насосной секции будет описана ниже}. Вода под давлением, по водоводам 14 подается в компенсационную колонну 13, откуда попадает на лопатки гидротурбины 3. Гидротурбина связана единым валом с гидрогенератором 4, ротор которого, вращаясь, вырабатывает электроэнергию. Отработавшая вода по водоводу 2 сбрасывается обратно в море. Выработанная электроэнергия по кабелю передачи 10 передается в распредустройства 9 и далее на трансформатор 6, откуда по высоковольтному кабелю 5, она готова к передаче на ближайшую к потребителям подстанцию.

План морской волновой гидроэлектростанции

В нашем случае будет рассмотрен многоярусный вариант. Габариты надводной части, обусловленные размерами L * S, выберем приблизительно равными 130х130м см. рис. №2. Нижний ярус является насосным отделением. Именно эта часть проекта будет рассмотрена наиболее подробно, так как именно она, является предлагаемым новшеством в гидроэнергостроении.

Рис. 2. План насосного отделения

Рис. 3. Фронтальный разрез насосного отделения

Этот ярус расположен на высоте 12 м. от поверхности моря и представляет собой три самостоятельных зала габаритами L1 * S длиной около 130 м. и шириной 40 м. Высота насосных залов равна 30 м, между каждыми двумя залами, имеется четырехметровое пространство, показанное на чертеже размером L2, предназначенное для размещения водоводов подающих воду на верхний ярус. Каждый из залов снабжен мостовым краном грузоподъемностью 250-300 т.

Кроме того, в нижнем настиле каждого зала с торцевой стороны имеются открытые проемы А * В, в рассматриваемом проекте данные размеры равны 25 м. на 16 м. огороженные поручнями и служащие для швартовки судов и возможности обслуживания мостовым краном. В каждом насосном зале по обеим сторонам располагаются по 12 насосных секций. Общее количество насосных секций в трех залах равно 72 шт. см. рис. № 2, который является планом насосного отделения. Мостовые краны позволяют производить монтаж и демонтаж насосных секций и присоединенных к ним водоводов, как при монтаже, так и при сервисном обслуживании и ремонте, кроме того, с их помощью обслуживаются пришвартованные суда. Водоводы секций прилегающих к наружным стенам конструкции размещены по наружным стенам данной конструкции.

На втором ярусе станции расположены гидротурбинные залы, которые тоже снабжены мостовыми кранами и ремонтными площадками. До поступления в гидротурбину на водоводах размещены компенсаторы, представляющие собой резервуары диаметром 5-6 м. и высотой 10-12 м. вход и выход воды в которые, размещен в нижней части резервуара. Сам аппарат представляет собой резервуар большого давления, частично заполненный воздухом, частично водой снабженный обратными клапанами на входе и выходе и предназначенный для сглаживания пульсирующего характера подачи воды.

На третьем ярусе расположен гидрогенераторный зал, или несколько залов, также оборудованных мостовыми кранами.

На четвертом ярусе расположена трансформаторная площадка и залы с распредустройствами.

И, наконец, на пятом ярусе расположены бытовые помещения и ремонтные цеха.

На самой верхней точке расположена вертолетная площадка.

Конструкция понтонной насосной секции

Теперь рассмотрим конструкцию насосов. Понтонная, насосная секция представляет собой геометрическую фигуру, в основании которой, лежит квадрат со сторонами F1, в нашем случае равными 7,5м * 7,5м и высотой N1 в данном варианте эта высота равна 13м. В верхней части этого понтона имеется расширенная часть сечением F, размеры которой равны 8,5м * 8,5м, и высотой 2м. смотри рисунок № 4, и рис №4а:

Рис. 4. Принцип действия морской волновой гидроэлектростанции

На рисунке №4:

• 1- водовод, являющийся стойкой неподвижного поршня.
• 2- разъемная втулка.
• 3- резиновое уплотнительное кольцо.
• 4- резиновое уплотнительное кольцо.
• 5- клапан приема забортной воды камеры «А».
• 6- клапан затопления при больших волнах.
• 7- опорные ролики.
• 8- нагнетательный клапан камеры «А».
• 9- резиновые уплотнения.
• 10- нагнетательный клапан камеры «В».
• 11- внутринные полости насосной секции.
• 12- клапан поступления забортной воды камеры «В».

Рис. 4а. Схема понтона в разрезе

Общая высота понтона, обозначенная на рис. №4а N, в данном проекте выбрана равной 15 м. Изготовлена понтонная секция из корабельного железа толщиной 15 мм. Внутри понтона имеются четыре цилиндрические камеры диаметром D { по 3 м } и высотой N1 { 13 м}, связанные с наружным корпусом ребрами жесткости см. рис №4а.

Конструкция опорного ролика и направляющей клетки

По наружным сторонам понтона расположены опорные ролики в несколько рядов по каждой стороне и, в несколько рядов по высоте. Приблизительная конструкция опорного ролика показана на рис. №5.

Рис.5 Конструкция опорного ролика

В рассматриваемом проекте размеры опорного ролика L=650, S=250, R=500, V=300, H=550. Данные ролики служат для ограничения перемещения насосной секции в пространстве и позволяют ей перемещаться только в вертикальном направлении. Опорная, резиновая поверхность ролика перемещается по внутренней поверхности швеллера №40, из которых изготовлена направляющая клетка см. рис№6 и рис№7. В рассматриваемом проекте размеры клетки H=20000 мм W=10000 мм L=7500 мм S=8386 мм см. рис№6.

В верхней части понтона на уровне отметки в 13 м во внутренней части и на уровне в 15 м по наружной части, имеются разъемные крышки позволяющие герметизировать внутреннюю полость понтона, данные крышки охватывают неподвижные трубы водоводов и в процессе работы вместе с секцией перемещаются вдоль неподвижных водоводов. См. рис. №4.

В нижней части понтона возле самого дна, а также в верхней части на уровне отметки в 13 м по всему периметру расположены приемные клапана забортной воды. Снизу верхней, расширенной части понтона располагаются аварийные клапана, предназначенные для экстренного затопления понтона, см. рис № 4 в случае чрезмерно большой амплитуды волн. В этом случае понтон заполняется водой до потери плавучести и повисает в подводном положении на направляющей решетке. Когда амплитуда волн вновь войдет в расчетные параметры из понтона будет выдавлена вода посредством сжатого воздуха, и он вновь придет в рабочее состояние. Гибкий шланг высокого давления подсоединяется к понтону и остается таковым при рабочем положении понтона.

Как уже было сказано, понтон перемещается внутри направляющей решетки, показанной на рис№6 и рис№7. Решетка представляет собой, обычную клетку, сваренную из мощных швеллеров и приваренную к днищу морского основания. Изготовлена решетка, еще на берегу, вместе с самой платформой, и для большей жесткости ряд, расположенный по каждой стороне, представляет единое целое. Все секционные клетки, каждого ряда, связаны между собой и прикреплены к днищу нижнего яруса надводной части морского основания. Часть направляющей решетки находится на воздухе, под нижним ярусом, часть под водой. По краям боковых поверхностей надводной части направляющих решеток располагаются смотровые площадки, огороженные поручнями и имеющие лестничный выход на верхний ярус.

Конструкция насосной секции и блока водоводов

По месту расположения каждой, насосной секции, жестко, при помощи болтовых соединений, закреплены четыре водовода, объединенных в единый блок, см. рис №8.

Рис. 8. Водоводы в едином блоке

Согласно данному рисунку, N=18500 мм M=9500 мм F=4000 мм. Данный блок водоводов в свою очередь являются неподвижными поршнями и монтируются внутрь насосной секции, а в верхней части насосной секции они охватываются и герметизируются разъемными крышками. См. рис. № 4.
Каждый, данный водовод представляет высоконапорную трубу диаметром 0,8 м. Толстостенные трубы водоводов позволяют выдерживать значительные переменные нагрузки и долговременно работать в режиме попеременного сжатия и растяжения. В нижней части каждого водовода, имеется утолщение диаметром около 3 м. Оно то и является неподвижным поршнем, на котором имеются впускные и выпускные клапана, а по боковым поверхностям имеются уплотнительные канавки, заполненные плотной резиной круглого сечения. Во время работы эта уплотнительная резина дополнительно поджимается напором воды.

Рис. № 9. Конструкция насосной секции

• 1- водовод
• 2- цилиндр насосной секции.
• 3- нагнетательный клапан камеры «А»
• 4- резиновые уплотнения.
• 5- нагнетательный клапан камеры «В».

Разумеется, достичь полной герметизации по рабочим камерам не удастся, да она и не требуется, незначительными протечками можно пренебречь, из камеры «В» протечки возможны только через уплотнения в камеру «А», а вода, незначительно протекающая из верхней камеры сжатия «А», будет стекать обратно в водоем. Большая часть выше описанной конструкции погружена в воду. Сразу же оговорюсь, что конструкция данной насосной секции взята произвольно, лишь для того, чтобы доказать саму жизнеспособность данной идеи, не отрицаю, что наверняка существуют более оптимальные решения данной конструкции.

Расчеты производительности и мощности

Расчет работы насосной секции

Поскольку энергия и работа это одно единое понятие, а работа в данном случае это произведение силы на перемещение, то необходимо добиться, чтобы плавучесть секции, и ее общий вес были бы равны, именно эти силы определят производительность секции.

Произведем расчет объема одной секции обеспечивающий плавучесть этой секции.

Объем одной секции равен:

Qнс = А * В * Н = 7,5 * 7,5 * 13 = 731,25 м³

Объем верхней части насосной секции равен:

Qвчнс = – [ 1 * 0,5 * 8] * 2 = 136,5 м³

Таким образом суммарный объем насосной секции, без вычета объема четырех рабочих цилиндров будет равен:
Qнс = 731,25 м³ + 136,5 м³ = 867,75м³

Объем четырех рабочих цилиндров равен:

Qрц = πr²h * 4 = 3,14 * 1,5² * 13 * 4 = 367,38 м³

Таким образом, объем обеспечивающий плавучесть рабочей секции равен:Qпл = 867,75 м³ — 367,38 м³ = 499,88 м³

Произведем расчет веса всей конструкции насосной секции, для чего высчитаем объем металла, из которого изготовлена данная секция, учитывая, что насосная секция изготовлена в основном из листового металла толщиной 15 мм

Q = 7,5 *7,5 * 0,015 + 7,5 * 4 * 13 * 0,015 + [ 8,5 + 2] * 4 * 2 * 0,015 +[ 8,5 * 8,5 -0,5 * 1 * 8] * 0,015 * 2 + 2*3,14 * 1,5 * 13 * 4 * 0,015 = 0,844 + 5,85 + 1,26 + 0,097 + 7,347 = 15,398 м³

Таким образом, с учетом ребер жесткости, боковых роликов, клапанов приема забортной воды, примем общий объем металла приблизительно равным 20 м³ Если учесть, что удельный вес стали равен 7,8 т/м³, то общий вес одной насосной секции будет приблизительно равен 156 т. Чтобы найти паритет между плавучестью и весом частично заполним насосную секцию водой до состояния равенства этих сил.

: 2 = 327,94 т

И так в дальнейших расчетах примем усилие, с которым будет работать насосная секция, как при подъеме на гребень волны, так и при спуске с нее, равным 327,94 т. Округленно, — 328т

Расчет производительности и мощности насосной электростанции

Теперь рассмотрим работу отдельно взятого рабочего цилиндра насосной секции показанного на рис № 4. На данном рисунке насосная секция вместе с волной движется вверх, что показано стрелкой. Принцип действия данного насоса заключается в следующем: переместившись вверх, на волне данная насосная секция накапливает потенциальную энергию. Камера « А увеличивается в объеме и заполняется водой через клапана забортной воды 5 рис. №4. В момент, когда вся секция, вместе с волной начнет опускаться в камере «А» создастся давление. Приемные клапана №5 забортной воды закроются, а клапана нагнетания № 8 откроются, и объем воды, находящийся в камере «А» выдавится в водовод. При этом в камере «В» происходит обратный процесс. Через открытые клапана забортной воды №12 происходит заполнение водой камеры «В». Нагнетательный клапан №10 камеры «В» при этом закрыт. По мере поднятия на гребень волны, такт сжатия и выталкивания воды в водовод через клапан №10 происходит в камере «В» и.т.д.

На рис №9 крупным планом показан поршневой узел, где 1- это водовод, по которому, вода подается на верхний ярус, на котором расположено гидротурбинное отделение. Одновременно этот же водовод является жесткой стойкой поршневой системы. Поскольку в насосной секции в едином блоке четыре водовода, то каждый из них несет попеременную нагрузку, как на сжатие, так и на растяжение приблизительно 82 т. [ 328 т: 4 = 82 т ].

• 2 — цилиндр насосной секции.
• 3 — клапана нагнетания камеры «А».
• 4 — поршневые уплотнения, выполненные из жесткой резины, такой, как та, что используется в подшипниках на гидрогенераторах, кроме того, эти резиновые кольца поджимаются постоянно давлением воды внутри поршня.
• 5 — клапан нагнетания камеры «В».

На рисунке №9 насосная секция вместе с волной движется вверх, что показано стрелкой, при этом клапана №3 закроются, а клапана №5 откроются, и в водовод выдавится объем воды из камеры «В».

Произведем некоторые расчеты позволяющие судить о производительности данной насосной секции. Итак, при волне в 1м тело находящееся на плаву поднимается в верх на 0,5 м, а затем опускается на 0,5 м. ниже спокойного уровня воды. Поскольку в водоводах будет создаваться противодавление, то ход поршня будет несколько меньшим. Условно выберем такую высоту волны при которой общий ход поршня будет равен 1м. Тогда объем воды, вытесненный в водовод за один цикл из камеры «А» равен (см рис.9):

Va = ∏r1²h – Пr²2h

где: r1 –радиус цилиндра насосной секции 1,5 м

r2 –радиус водовода равный 0,4м.

h – высота волны равная 1 м.

Va = 3,14*1,5²*1 -3,14*0,4²*1 =7,065-0,5024=6,5626 м³

Тогда объем воды вытесненный в водовод из камеры «В» будет равен:

Vв= ∏r1²h = 7,065 м³

Суммарный объем воды камеры «А» и камеры «В» за один цикл равен:

Vs = Va + Vв = 6,5626+7,065=13,6276 м³

Так как в одной насосной секции четыре цилиндра то суммарный объем будет равен:

Vнс = Vs * 4 = 13,6276 * 4 =54,5104 м³

Периодичность морских волн равна 5-6 сек. Примем период между волнами равный 6сек. Тогда производительность одной секции за одну секунду будет равна:

Qнс= 54,5104:6 =9,085м³/сек.

Тогда общая производительность 72 насосных секций будет равна:

ΣQнс=9,085м³/сек * 72 =654,12 м³/сек

Выше в расчетах было показано, что давление в каждом цилиндре, как при подъеме на волну, так и при спуске вместе с ней равно 82 т. Поскольку, каждые два цилиндра имеют выход в единый водовод, имеющий диаметр 0,8 м, то давление в водоводе будет равно 164 т. Площадь сечения водовода равна:

S = ∏r² = 3,14 * 0,4² = 0,5024 м² = 5024 см²

Таким образом, давление на каждый квадратный сантиметр будет равно:

164000 кг: 5024 см² = 32,64атм

Если учесть, что гидротурбины находятся на втором ярусе на высоте приблизительно 40 м от уровня водоема, то потеря давления на подъем воды составит 4 атм, таким образом на лопатки гидротурбины вода попадет под давлением 28,64 атм. Но в отличие от гидросооружений где напор воды на лопатки гидротурбины обусловлен высотой плотины в рассматриваемом случае поршневой насос работает и как гидропресс. Иными словами при уменьшении диаметра сечения водовода давление внутри него возрастает. И это можно использовать при выборе необходимого напора. Существует формула расчета возможной мощности, которая равна:

Мощность [ квт ] = Напор [ м ] * Расход воды [ т/сек ] * Ускорение свободного падения [ 9,81 м/сек² ] * КПД [ 0,6 ]

Таким образом, предполагаемая мощность при волне в 1 м будет равна:

N = 286,4м * 654,12 * 9,81 м/сек² * 0,6 =1102683 квт =1102,6 мвт

Высота внутренней камеры насосной секции была принята равной 13 м, тогда данные насосные секции могут быть использованы при высоте волны не более 12 м. Для нормальной работы достаточно волны в 1 м, вся лишняя вода будет сброшена в водоем.

В случае, когда волны будут более 12 м, то поршень [коснувшись] откроет специальный предохранительный клапан и затопит насосные секции, они повиснут в подводном положении, каждая на своем каркасе. Кроме этого, как было сказано ранее, секция может быть затоплена при помощи гибкого штатного трубопровода, постоянно подсоединенного к ней, и выведена из работы при необходимости. Когда шторм прекратится и высота волн приблизится к расчетным параметрам, в насосные секции будет закачено определенное количество воздуха и они вновь придут в рабочее состояние.

Произведем расчет возможной максимальной мощности выбранной станции при волне в 5м.

Vа =3,14*1,5²*5 – 3,14*0,4²*5 = 32,813м³

Vв=3,14*1,5²*5=35,325м³

Vs=Vа + Vв= 32,813м³ + 35,325м³ =68,138м³ *4 =272,552м³

За одну секунду производительность насосной секции при волне в 5м будет равна:

Qнс = 272,552м³: 6 =45,425м³/сек

ΣQнс=72*45,425м³=3270,6 м³/сек

Таким образом, предполагаемая мощность при волне в 5м будет равна:

N= 286,4м * 3270,6м³/сек * 9,81 м/сек² * 0,6 =9189042 квт =9189 Мвт

Расчет окупаемости проекта МВГэ

На Нурекской Г.Э.С., на реке Вахш, находящейся в горах Таджикистана, установлены гидроагрегаты мощностью 300 мвт каждый. Высота плотины на данной Г.Э.С. равна 300 м. Расчетный напор равен 275 м. Суммарный расход воды на 9 гидроагрегатов равен 450 м³/ сек. Расход воды на каждый агрегат равен 50 м³/cек. Если принять эти данные за аналог, то в нашем случае при напоре 286,4 м и суммарном расходе воды 654,12 м³/сек можно задействовать на рассматриваемой морской электростанции при волне в 1м 13 гидроагрегатов общей мощностью:

Nволна1м=ΣQнс:50м³/сек х 300Мвт =654,12 м³/сек:50м³/сек х300Мвт =3900Мвт/час

Соответственно при волне в 5м выработанная суммарная мощность будет равна:

Nволна5м=3270,6 м³/сек: 50 м³/сек * 300Мвт = 65*300 =19500Мвт

То количество воды, которое обусловлено производительностью 72 насосных секций на волне в 5 м, могло бы задействовать 65 агрегатов, каждый мощностью по 300 Мвт. Понятно, что такое количество гидроагрегатов установить на заданной площади просто невозможно.

Примем условно, что на рассматриваемой платформе будет установлено 12 таких агрегатов, по четыре агрегата в каждом из трех машинных залов. Размеры каждого из залов, как было сказано в начале пояснительной записки, равны 130м * 40 м. Примем, что среднегодовая волна приблизительно равна 2,5 м, {для нормальной загруженности двенадцати агрегатов достаточно волны около 1м} и что выработанная энергия будет равна приблизительно тому, что могли бы выработать 12 агрегатов, работая непрерывно в течении 10 месяцев. Примем условно, что два месяца в году будет стоять полная штилевая погода. Тогда суммарная электроэнергия, выработанная за 10 месяцев двенадцатью агрегатами, будет равна:

ΣN10 = 300Мвт * 12агрегатов * 24часа * 300дней=25920000 Мвт

Стоимость 1Мвт равна 60 манат { 60: 0,8= 75$ }. Тогда за год данная электростанция может выработать электроэнергии на сумму равную:

25920000 * 60 =1555200000 манат =1944000000 $

Если учесть, что стоимость последней установленной на Каспийском море нефтедобывающей платформы в 2008 году, равна 3,5 – 4 млрд. манат и если принять, что стоимость данной электростанции обойдется в 1,5 раза дороже, то срок окупаемости данной электростанции приблизительно будет равен от 3 до 4 лет.

Таким образом, срок окупаемости предложенной морской электростанции гораздо меньше, чем срок окупаемости аналогичных по мощности гидроэлектростанций, построенных на земле, не считая связанных с построенными гидросооружениями нежелательных экологических последствий.

МВГэ — неисчерпаемый источник энергии с неограниченной мощностью

Если мощность гидроэлектростанции на какой-либо реке обусловлена возможностью водосбора, то в случае строительства морской гидроэлектростанции количество необходимой воды всегда будет в достатке, так как площадь размещения гидроагрегатов всегда позволит разместить необходимое количество высокопроизводительных насосных секций. Иными словами, можно строить электростанции абсолютно любой требуемой мощности. А избыток воды и возможность добиваться довольно большого давления позволит в будущем проектировать турбины с гораздо меньшими габаритами.

Кроме того, неограниченная мощность данных станций позволит строить опреснительные установки в прибрежных засушливых районах земли. А в перспективе размещать в море энергоемкие заводы. В частности заводы по производству водорода, который в свою очередь является наиболее экологически чистым автомобильным топливом. Кроме того, в пересчете на маломощные энергетические установки [ 5 -10 МВт ], подобные установки могут быть использованы при строительстве морских нефтедобывающих платформ, для обеспечения собственных нужд, что тоже позволит экономить углеводородное топливо и не загрязнять атмосферу.

Монтаж и демонтаж

Осталось рассмотреть еще один очень существенный фактор – это монтаж и демонтаж насосных секций, как при общем монтаже станции, так и при сервисном обслуживании. Сложность заключается в том, что работу придется производить не только в штилевую погоду, а это подразумевает определенные трудности. Разобьем исполнение данной работы на отдельные этапы.

Первым этапом устанавливаются две опорные балки над открытым проемом в полу на месте расположения монтируемой насосной секции. Затем при помощи мостового крана насосная секция опускается в проем, каждый из роликов направляется по своей опорной поверхности и секция устанавливается своей верхней, расширенной частью на балки.

Вторым этапом при помощи мостового крана монтируются поршневая группа из четырех жестких водоводов, и опускается вовнутрь до установки на дно насосной секции.

Третьем этапом монтируются внутренние крышки, втулки и верхние крышки.

Четвертым этапом монтируют специальное приспособление представляющее собой опорную стойку, охватывающую секционный проем, высотой примерно 4-5 м, с укрепленными на ней блочками на верхней плоскости, установленными по обеим сторонам, и мощные две лебедки, закрепленные на полу по штатным местам, грузоподъемностью приблизительно по 600 т каждая. На этом же этапе подсоединяются к секции штатные, гибкие, высоконапорные шланги воздуха и воды. Шланг воды необходим для затопления секции по необходимости, а воздушный шланг, для того чтобы вытеснить часть воды и придать секции плавучесть.

На пятом этапе при помощи лебедок секция вместе с поршневыми стойками приподнимается, и выводятся опорные балки.

Шестым этапом производится спуск насосной секции на свое рабочее место при помощи двух вспомогательных лебедок, при этом поршневая группа застроплена на кране. По мере касания секцией воды, она поэтапно заполняется водой для того, чтобы лишить ее плавучести, но при этом не перегрузить опускающие лебедки. Спуск производится до тех пор, пока секция не повиснет на направляющей решетке. Все это производилось для того, чтобы исключить отрицательный фактор воздействия волн.

Седьмым этапом при помощи крана, окончательно монтируется поршневая группа. Происходит присоединение к полу и соединение водоводов между собой. После этого демонтируются вспомогательные приспособления и закрепляются верхние концы строповочных тросов, при помощи которых производился спуск насосной секции. Они присоединяются к натяжному механизму, по конструкции напоминающему механизм втягивания обычной рулетки. Нижние концы останутся присоединенными к насосной секции и в последующей ее работе. Они будут использованы в дальнейшем при демонтаже секции. Это делается для того, чтобы исключить риск в дальнейшем, при строповке секции на волне. Для окончательной готовности секции к работе из нее, при помощи воздуха, надо выдавить определенное количество воды.

Методика расчета параметров МВГэ по заданной мощности

1. Задается требуемая мощность морской волновой электростанции .

2. Под заданную мощность подбирается серийно выпускаемые гидротурбина и гидрогенератор, или несколько единиц энергооборудования в сумме дающих заданную мощность.

3. По справочным данным определяется требуемое количество воды (в м³/сек и напор, измеряемый в метрах водяного столба) на единицу оборудования.

5. Выбираются диаметр неподвижного водовода и самого поршня.

6. Выбирается конструкция насосной секции, которая может состоять из одного поршня или спаренного блока поршней.

7. В зависимости от глубины установки морской платформы и соответственно этому максимально возможной высоте волны в данном месте, принимается максимальный ход поршня.

8. В зависимости от максимального хода поршня принимаются габаритные размеры самой понтонной части насосной секции.

9. По габаритным размерам подвижной камеры насосной секции (за исключением объемов поршневых камер «А» и «В» вычисляется плавучесть (водоизмещение) насосной секции.

10. Вычисляется вес понтонной камеры исходя из геометрических размеров самой камеры и толщин материала, из которого она изготовлена.

11. Посредством частичного затопления понтонной камеры выбирается паритет сил (веса понтона в сумме с водой внутри него и плавучестью).

12. Вычисляются объемы воды рабочих камер «А» и «В» при заданном перемещении понтонной камеры относительно неподвижного поршня.

13. Исходя из периодичности волн, в районе установки морской платформы, вычисляется производительность одной насосной секции за одну секунду.

14. Подбирается необходимое, минимальное количество насосных секций, обеспечивающих работу гидроустановки при заданной высоте волны.

15. С учетом симметричного, равномерного расположения насосных секций по всей площади морской платформы (в данном случае количество насосных секций может оказаться больше расчетного числа) выбираются геометрические размеры самой платформы. В случае большего количества насосных секций, заданная мощность будет достигнута при более низких волнах, чем расчетная их высота.

16. Исходя из того, что данная конструкция насосных секций одновременно может рассматриваться и как поршневой насос и как гидропресс, и, зная диаметр поршня и диаметр трубопровода подвода воды к лопаткам гидротурбины, можно рассчитать давление воды в момент попадания ее на эти лопатки.

17. Методом подбора сечения водовода в месте попадания воды на лопатки гидротурбины доводим напор до требуемых параметров.

18. Вся лишняя вода при отсутствии резервного гидрооборудования сбрасывается обратно в водоем. При наличии такого оборудования оно может быть задействовано, так же и при волне выше расчетной. Но во всех случаях отработавшая и лишняя вода сбрасывается в водоем.

Ряд вопросов, требующих экспериментальной проверки

Остается еще ряд вопросов , ответы на которые, можно получить только экспериментальным путем .

Это, — как будет вести себя вся конструкция при длительных переменных, многотонных нагрузках на основание нижнего яруса.

Это, — как будут работать уплотнения на истирание, испытывая многотонные нагрузки, какой материал наиболее оптимален для этих уплотнений.

Это, — какие стропа надо будет выбрать, и из какого материала они будут изготовлены, учитывая, что они постоянно будут находиться в контакте с морской водой.

Это, — как сделать так, чтобы эти стропа были натянутыми при работе насосной секции.

Это, — как будут вести себя лопатки гидротурбины, работая в морской агрессивной среде, испытывая пульсирующие нагрузки, и, наверное, еще немало иных вопросов, но со всем этим можно будет работать тогда, когда будет решен главный вопрос — есть ли в предлагаемом проекте перспектива его использования и развития.

В наши дни основными источниками энергии являются углеводороды – нефть, уголь, газ. Согласно прогнозам аналитиков запасов угля при современных уровнях добычи хватит на 400 лет, а запасы нефти и газа закончатся через 40 и 60 лет соответственно. Такое стремительное уменьшение объема природных богатств ставит задачу поиска альтернативных способов получения энергии.

Одним из перспективных направлений является волновая энергетика.

Общее устройство волновых станций

Волновой электростанцией (ВЭС) называют сооружение, расположенное на воде, которое преобразовывает механическую энергию волн в электрическую.

При строительстве ВЭС учитывают два фактора.

• Кинетическая энергия волн. Волны, поступающие в трубу огромного диаметра, вращают турбинные лопасти, которые приводят в движение генератор. Иногда действует иной принцип: волна, проходя через полую камеру, выталкивает сжатый воздух, заставляя турбину вращаться.
• Энергия поверхностного качения. В этом случае выработка электроэнергии происходит посредством преобразователей, отслеживающих профиль волны, – так называемых, поплавков, расположенных на поверхности воды.

Здесь используют определенные виды поплавков-преобразователей.

• «Утка Солтера» – большое количество поплавков, смонтированных на общем валу. Для эффективной работы такого поплавка необходимо установить на валу 20–30 поплавков.
• Плот Коккереля – сооружение из четырех секций, соединенных шарнирно, которые изгибаются под влиянием волн и приводят в действие гидроцилиндрические установки, способствующие работе генераторов.
• Преобразователи Pelamis – так называемые морские змеи – соединенные шарнирами цилиндрические секции. Под воздействием волн импровизированная змея изгибается, приводя в движение гидравлические поршни.

Достоинства и недостатки волновой энергетики

На сегодня всего 1 % получаемой электроэнергии приходится на волновые электростанции, хотя потенциал их огромен. Ограниченное использование волновых электростанций связано прежде всего с дороговизной получаемой энергии. Один киловатт электричества, полученный на ВЭС, дороже, чем сгенерированный на ТЭС или АЭС, в несколько раз.

К другим недостаткам использования волновых электростанций можно отнести следующие факторы:

• Экологические. Покрытие значительной части акватории преобразователями волн может навредить экологии, поскольку волны играют большую роль в газообмене океана и атмосферы, в очищении водной поверхности от загрязнений.
• Социально-экономические. Некоторые типы генераторов, применяемые в ВЭС, представляют опасность для судоходства. Это может вытеснить рыбаков из крупных рыбопромышленных зон.

Несмотря на вышеперечисленные минусы, в определенных районах земного шара за волновыми электростанциями будущее, и вот почему:

1. Станции могут выступать в роли волногасителей, защищая тем самым берега гавани, порты, береговые сооружения от разрушений.
2. Возможна установка волновых электрогенераторов малой мощности на опорах мостов, причалов, уменьшающая воздействие на них.
3. Удельная мощность ветра на пару порядков ниже мощности волнения, поэтому волновая энергетика более выгодна, нежели ветровая.
4. Для выработки электрической энергии посредством морских волн не требуется углеводородного сырья, запасы которого стремительно иссякают.

Основной задачей разработчиков волновых электростанций является усовершенствование конструкции станции таким образом, чтобы значительно снизить себестоимость получаемой электроэнергии.

География применения волновых электроэнергетических установок

Использование волновых электростанций незначительных мощностей находит применение в получении электропитания для небольших объектов:

• береговых сооружений;
• небольших поселений;
• автономных маяков, буев;
• научно-исследовательских приборов;
• буровых платформ.

Уже около 400 навигационных буев и маяков получают питание от волновых энергоустановок – как, например, плавучий маяк индийского порта Мадрас.

Португалия

Первая в мире крупная волновая электростанция с мощностью 2,25 МВт начала эксплуатироваться в 2008 году в районе португальского местечка Агусадора. Проект установки разработала шотландская компания Pelamis Wave Power, заключившая контракт с португальцами на 8 миллионов евро.

Сейчас на станции функционируют три преобразователя энергии волн – змеевидные устройства, погруженные на одну половину в воду. Длина каждого преобразователя равна 120 метрам, а диаметр – 3,5. Вес так называемой морской змеи составляет 750 тонн. Волны приводят в движение секции преобразователей, а сопротивление гидравлической системы способствует выработке электричества, которое по кабелям передается на сушу (станция базируется в 5 км от берега). В настоящее время ведутся работы по увеличению мощности этой волной станции с 2,25 МВт до 21 МВт: планируется добавить еще 25 преобразователей. В этом случае установка обеспечит электроснабжением 15 тысяч домов.

Норвегия

Опытно-промышленные волновые были впервые введены в строй в 1985 году в Норвегии.

Одна из них, мощностью до 500 кВт, является пневматической волновой установкой, в которой нижняя открытая часть камеры погружена под самый низкий поверхностный слой воды.

Мощность второй составляет 450 кВт. Здесь применяется эффект набегания волны на 147-метровый конфузорный откос (отлогую конусообразную поверхность). Суживающийся канал расположен в фьорде, а турбинный водоприемник возвышается на 3 м над средним уровнем моря. Установка, размещенная на берегу, исключает трудности с ее ремонтом и обслуживанием.

Австралия

Одним из самых успешных проектов в части переработки энергии океанских волн является электростанция турбинного типа Oceanlinx, работающая в акватории австралийского города Порт-Кембл. После реконструкции и переоборудования, начатых в 2005 году, станцию вновь запустили в 2009 году.

Принцип работы Oceanlinx заключается во вращении турбин сжатым воздухом, поступающим из специальной камеры. Конструкция станции громоздка, и благодаря тяжести своего веса она стоит на дне, не нарушая его структуры. Около 1/3 всей конструкции, а это составляет почти 15 метров, выступает над поверхностью воды.

Важным достоинством волновой станции такого типа является производство прогнозируемого количества энергии. Платформы работают вследствие возмущения океанической поверхности, а не самих волн. Это позволяет определить погодные условия, влияющие на количество вырабатываемой энергии, на 5–7 дней вперед. Мощность Oceanlinx составляет 1 МВт, а потребители получают около 450 кВт электричества.

Корректная и эффективная работа города, и особенно коммунального хозяйства зависит от надежной техники. тому пример.

Поломался холодильник и вы его тащите на свалку? Не спешите – прочтите !

У вас много рисовой шелухи, и уже некуда от нее спасаться? Нужный материал по ссылке.

Россия

Применение волновой энергетики в России делает только первые шаги. Совсем недавно волновая электростанция, аналогичная португальской, была в экспериментальном порядке запущена на полуострове Гамова в Приморском крае. Испытания проходили в бухте Витязь на морской экспериментальной станции «Мыс Шульца». Инициаторами этой идеи стали ученые Уральского федерального университета и исследователи Тихоокеанского океанологического института при Дальневосточном отделении Российской Академии Наук.

Испытания показали, что волновая энергетика обладает большими перспективами.

Опасения при запуске этой станции вызвали:

1. возможные повреждения генератора от воздействующих на него волн;
2. безопасность движения рыболовецких траулеров в непосредственной близости от станции.

Вместе с тем волновая установка, разработанная российскими специалистами, помимо основной задачи – выработки электрической энергии, может осуществлять ряд дополнительных функций:

1. стать волногасителем, обеспечивая защиту береговых сооружений;
2. производить автоматическую охрану морских границ.

Развивать волновую энергетику в России необходимо. Однако существующие запасы углеводородов, отработанные, проверенные временем, освоенные до мелочей технологии традиционной выработки электроэнергии ставят под сомнение рентабельность использования волновых электростанций больших мощностей. Волновые электростанции наравне с вероятно станут тем необходимым шагом вперед в энергетике которого все мы, так долго ждем.

Есть смысл применять альтернативную энергетику в малозаселенных районах побережья Северного Ледовитого океана, Приморья, Дальнего Востока.

Имеющий все права на жизнь способ получения энергии. Но у меня сложилось впечатление, что приведенные в статье недостатки существенно перешивают достоинства.
С другой стороны, я вполне допускаю, что со временем специалисты найдут способ усовершенствовать волновые электростанции, и пока еще рано категорично говорить о плюсах и минусах данных преобразователей энергии. Слишком уж короток и мал опыт применения их на практике.

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:

1. Природные богатства планеты находятся на грани истощения, запасы традиционных источников энергии: угля, нефти и газа – подходят к концу.
2. Атомная энергетика из-за своей потенциальной опасности не получила должного распространения.
3. «Зеленая» энергетика не вредит окружающей среде и является возобновляемой.
4. 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.

Электростанция предназначена для выработки электроэнергии путем использования энергии волн. Устройство содержит плавучий корпус с электрогенератором и расположенные на горизонтальном валу поплавки. На разнесенных понтонах расположены поперечно параллельные друг другу эстакады с опорами под вал. На каждом валу установлены с минимальным зазором поплавки в виде полых полуцилиндров, снабженных дополнительным грузом и объемным выступом. При этом ближайшие параллельные валы соединены между собой зубчатой передачей. Валы, расположенные на одной линии по разные стороны от понтона с механизмами привода к электрогенератору, также соединены между собой и имеют общую зубчатую передачу, редуктор и электрогенератор. Конструкция электростанции позволяет получить увеличение мощности, снимаемой с 1 м 2 воды. 4 з.п.ф-пы, 4 ил.

Изобретение относится к энергетике, в частности для выработки электроэнергии путем использования энергии морских волн за счет образующихся вертикальных подъемов и спадов волн. Известна волновая электростанция, а.с. N 1373855 F 03 B 13/12, содержащая плавучий корпус с электрогенератором, воздушной турбиной к волноприемным камерам с поплавками. Камеры выполнены в виде стаканов, открытый торец которых погружен под уровень воды. При этом для увеличения КПД каждая камера снабжена дополнительной воздушной турбиной и гидронасосом, связанными с поплавком при помощи бесконечной цепной передачи. Основным недостатком указанной установки является ограниченная мощность, связанная с медленным подъемом поплавка, равной подъему волны, и с тем, что на цепь действует ограниченная выталкивающая сила от поплавка, равная половине объема поплавка, так как удельный вес поплавка равен 0,5 г/см 3 . Большое количество механизмов и передаточных устройств усложняет установку и ведет к значительным потерям мощности, уменьшающих эффект от использования поплавка. Известна волновая электростанция (патент РФ N 2049925, кл. 6 F 03 B 13/12, 6 F 03 B 13/22 от 06.02.1992 г.), содержащая плавучий корпус с электрогенератором, воздушной турбиной и волноприемными камерами в виде погруженных в воду открытым концом стаканов, снабженных внутри поплавками Г-образной формы, установленных на горизонтальном валу с возможностью одностороннего вращения, при этом один из выступов поплавка длиннее или тяжелее другого, все валы соединены между собой, повышающий редуктор связан с последними и валом воздушной турбины при помощи обгонных муфт, а вал турбины подключен к электрогенератору. Основным недостатком указанной волновой электростанции является также низкий КПД и сложность конструкции. Это связано с тем, что ввиду кратковременности воздействия волны на сжатый воздух в камерах не удается передать весь сжимаемый в камере воздух в воздушную турбину, а при увеличении проходного сечения воздуховодов и самой турбины уменьшится давление воздуха в камере и соответственно снимаемая мощность с турбины. Г-образная форма поплавка не позволяет эффективно использовать пространство в части увеличения выталкивающей силы и создает еще большее гидравлическое сопротивление при вращении его выступов. Кроме того, конструкция волновой электростанции с использованием энергии сжатого воздуха очень сложна в изготовлении и в эксплуатации и требует больших капитальных затрат на изготовление турбины. Волновая электростанция по патенту РФ N 2049925 принята за прототип. Задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение мощности волновой электростанции. Это достигается тем, что в волновой электростанции, содержащей плавучий корпус с электрогенератором, расположенные на горизонтальном валу с возможностью одностороннего вращения поплавки, занимающие в воде положение неустойчивого равновесия, переходящего в неуравновешенное состояние и ускоренное вращательное движение в момент полного погружения поплавка, повышающий редуктор, соединяющий вал с электрогенератором, плавучий корпус выполнен в виде соединенных не менее чем двух узких понтонов, разнесенных по ширине и снабженных сверху поперечно расположенными параллельными друг другу эстакадами, вдоль каждой эстакады снизу установлены соосно кронштейны с опорами под вал, поплавки расположенных между всеми опорами последовательно с минимальными торцевыми зазорами, исключающими заклинивание поплавков при их относительном вращении, на выходных концах валов установлено зубчатое колесо, связанное непосредственно с зубчатым колесом на входном валу редуктора или через повышающую зубчатую передачу, поплавок выполнен в виде полого герметичного полуцилиндра и снабжен дополнительным грузом и расположенным с противоположной ему от оси стороны объемным выступом в виде дополнительного поплавка, при этом момент, создаваемый весом объемного выступа, больше (примерно на 5-10%) момента, создаваемого дополнительным грузом, а момент, создаваемый выталкивающей силой при погружении в воду одного объемного выступа больше момента, создаваемого весом объемного выступа, неуравновешенными воздействиями на поплавок водных и воздушных потоков и силами трения в момент начала вращения поплавка. При этом выходные концы рядом расположенных валов эстакад попарно или более соединены между собой путем зацепления зубчатых колес и установки общего редуктора и электрогенератора, а поплавки на связанных между собой валах расположены симметрично, выходные концы соосно расположенных валов эстакад, размещенных в одну линию, соединены между собой и снабжены общей зубчатой передачей, редуктором и электрогенератором, объемный выступ поплавков выполнен заодно с полуцилиндром путем удлинения окружности полуцилиндра, передняя по ходу вращения поплавка поверхность объемного выступа выполнена в виде сужающего клина. На фиг. 1 изображен общий вид волновой электростанции, на фиг. 2 показан вид сверху, на фиг. 3 изображен отдельно поплавок, а на фиг. 4 его поверхность. При этом обозначено - угол поворота поплавка в текущее положение, Q о - выталкивающая сила, действующая на поплавок в исходном положении, P - вес поплавка, h п - плечо от силы веса поплавка, C в - точка центра массы воды в объеме погруженной части поплавка, Q - выталкивающая сила в текущем положении, h в - плечо выталкивающей силы, P ов - вес объемного выступа, P д - вес дополнительного груза, Y св - расстояние от оси О до центра массы воды в объеме погруженной части поплавка (для сектора с углом Y сп - расстояние от оси О до центра масс поплавка, h ов - плечо от силы веса объемного выступа, h д - плечо от силы веса дополнительного груза, l - длина поплавка, R - наружный радиус поплавка. Волновая электростанция состоит из плавучего корпуса, выполненного в виде разнесенных по ширине друг от друга не менее чем двух узких понтонов (на фиг. 1 показано 3 понтона - 1, 2 и 3), соединенных между собой балками 4 и 5. Понтоны 1 и 3 выполнены в виде полой герметичной трубы, а средний понтон 2 имеет коробчатую форму для размещения в нем механизмов привода. На понтонах установлены поперек им и параллельно друг другу эстакады 6, опирающими своими концами на понтоны. Вдоль каждой эстакады 6 установлены снизу соосно кронштейн 7 с опорами под вал 8. Между всеми опорами кронштейнов 6 установлены на валу поплавки 9 с возможностью одностороннего вращения (за счет применения обгонных муфт или храповых механизмов). Поплавки 9 располагаются последовательно на валу с минимальными торцевыми зазорами, исключающими заклинивание поплавков при их относительном вращении от температурных и силовых деформаций. На выходных концах валов 8 устанавливаются зубчатые колеса 10, которые находятся в зацеплении непосредственно с зубчатыми колесами (на фиг. не показано) на входном валу повышающих редукторов 11 или через дополнительную повышающую зубчатую передачу (на фиг. не показано). Зубчатое колесо 10 выполняет одновременно роль маховика. Выходной вал каждого редуктора 11 связан с валом электрогенератора 12 (редуктор 11 устанавливают при необходимости, возможна передача на генератор без редуктора). Поплавки 9 (см. фиг. 3) выполнены в виде полых герметичных полуцилиндров. При этом они снабжены объемным выступом 13 (над осью ОХ), выполненным в виде отдельного элемента или заодно с полуцилиндром, как это изображено на фиг. 3 (объемный выступ выполнен путем удлинения окружности полуцилиндра на угол от оси ОХ) и образования дополнительного сектора. На противоположной стороне внутри поплавка устанавливается дополнительный груз 14 с таким расчетом, чтобы момент, создаваемый весом объемного выступа 13, был равен или больше (примерно на 5-10%) момента, создаваемого дополнительным грузом 14, а выталкивающая сила, действующая на один объемный выступ 13 при погружении его в воду, должна создавать крутящий момент, больший момента, создаваемого весом объемного выступа, хаотичным и неуравновешенным воздействием на поплавок водных и воздушных потоков и силами трения, действующих в момент начала вращения поплавка. Объемный выступ 13 является инициирующим элементом, выводящим поплавок из состояния неустойчивого равновесия в неуравновешенное состояние с ускоренным поворотом поплавка (кувырком) при полном погружении поплавка в воду. Размеры волновой электростанции, количество понтонов и эстакад с поплавками зависят от планируемого съема мощности. При этом для обеспечения большей равномерности вращения генератора, а также уменьшения количества используемых механизмов приводов (зубчатых передач, редукторов, муфт и т.д.) выходные концы рядом расположенных валов эстакад попарно или более соединены между собой путем зацепления зубчатых колес на выходных концах валов между собой с установкой общего редуктора, электрогенератора и повышающей зубчатой передачи, а поплавки на связанных кинематически между собой валах расположены симметрично относительно плоскости, проходящей по середине расстояния между валами. В этом случае объемные выступы поплавков на одном валу будут располагаться на противоположной стороне по отношению к расположению объемных выступов поплавков на другом валу. Такое расположение поплавков обеспечивает вращение кинематически связанных валов в разные стороны. При количестве понтонов свыше двух для обеспечения большей равномерности вращения электрогенераторов и уменьшения количества используемых механизмов приводов и электрогенераторов эстакады и валы на смежных понтонах располагают в одну линию. В этом случае выходные концы эстакады на смежных понтонах соединяют между собой (при помощи муфты) с использованием одного общего зубчатого колеса на выходном конце одного из этих валов, общей повышающей зубчатой передачи, общего редуктора и электрогенератора (как это изображено на фиг. 1). Для уменьшения сопротивления воды при погружении поплавка в воду в момент, когда он совершает вращательное движение из крайнего верхнего положения (после кувырка) передняя по ходу вращения поплавка поверхность 15 выполнена в виде сужающего клина (фиг. 4). Поплавки 8 устанавливаются на валу с зазором и передают крутящий момент на вал при помощи обгонной муфты, состоящей из клиновидно-криволинейного пространства 16 (образованного криволинейной поверхностью 17 выемки вала и цилиндрической поверхностью отверстия поплавка) и подпружиненных пальцев 18, установленных внутри клиновидно-криволинейного пространства 16. Возможно сопряжение поплавков с валом с использованием храпового механизма, состоящего из храпового колеса, жестко закрепляемого на валу, и собачки, устанавливаемой на поплавке (на фиг. не показаны). При этом для уменьшения длины валов храповое колесо и собачка целесообразно располагать внутри проточки поплавка, выполненной соосно с отверстиями поплавка со стороны одного или двух торцев поплавка. Для обеспечения гарантированного удержания поплавков в момент набегания волны от поворота до их полного затопления и тем самым создания максимальной потенциальной энергии погруженного поплавка, а также расширения технологических возможностей в части исключения необходимости очень точного изготовления поплавков, целесообразно обеспечить условие, чтобы момент, создаваемый весом объемного элемента, заведомо превосходил момент, создаваемый весом дополнительного груза. В этом случае для удержания поплавков от поворота в обратную сторону под действием этой разницы в моментах на уровне задней поверхности 19 поплавков 9 устанавливаются с небольшим перекрытием задней поверхности поплавка подпружиненные подвижные упоры 20, шарнирно закрепленные на неподвижных штангах 21, связанных с эстакадами. Сверху над подвижными упорами 20 закреплены на штангах неподвижные упоры 22, расположенные вне зоны вращения поплавка и удерживающие подвижные упоры 20 от подъема вверх. Поскольку при погружении поплавка в воду до начала затопления объемного выступа неуравновешенный момент, действующий в обратную сторону на поплавок, незначительный, то и сила воздействия поплавка снизу на подвижный упор 20 незначительна. Это позволяет выполнить упоры 20 небольшими по массе и объему и использовать пружину с небольшим усилием сжатия. Поэтому при рабочем вращении поплавка и воздействия его на подвижные упоры 20, уже сверху, они легко поворачиваются, погружаясь в воду, и не оказывают большого сопротивления поплавкам. Неподвижные упоры 22 могут быть выполнены непосредственно в самих шарнирах подвижных упоров 20 в виде известных конструкций ограничителей поворота. При равенстве моментов, создаваемых объемным выступом и дополнительным грузом, можно исключить применение подвижного упора 20 и неподвижного упора 22. Но для этого необходимо обеспечить постепенное увеличение объема правой части поплавка от оси OY, например, за счет плавного увеличения длины поплавка. При погружении в воду правой части поплавка будет действовать большая выталкивающая сила, чем в левой, которая обеспечит гарантированный поворот поплавка в сторону объемного выступа. Но в этом случае невозможно обеспечить максимальный запас потенциальной энергии поплавка, а его поворот будет адекватным подъему уровня воды в волне. Плавучий корпус снабжен растяжками 23 с возможностью изменения их длины (например, с помощью лебедки). Это позволяет изменять положение корпуса относительно направления волн с целью обеспечения более плавного нагружения валов крутящим моментом от поплавков, расположенных под углом к фронту волн. Возможны другие варианты изменения углового положения корпуса, например, с помощью воздушного или водного киля. Для регулирования положения поплавков относительно уровня воды при монтаже электростанции используются домкраты и прокладки у опор эстакад. При этом целесообразно монтаж производить с обеспечением максимального расположения поплавков относительно уровня воды, а регулировку осадки корпуса производить при помощи закачки или откачки в понтонах. Возможен вариант использования для этого дополнительных понтонов путем подъема или опускания их в воду на определенную глубину. Для укрытия оборудования от атмосферных осадков и создания нормальных климатических условий в работе обслуживающего персонала предусматривается крытое помещение 24. Коробчатый понтон 2 закрывается сверху люками (на фиг. не обозначены). Работа волновой электростанции выполняется следующим образом. В исходном положении, когда отсутствуют волны, все поплавки 9 занимают крайнее нижнее положение согласно фиг. 3, при этом они могут касаться и не касаться воды и даже могут быть чуть погруженными в воду (до уровня воды, при котором в процессе работы свободно падающий с крайнего верхнего положения поплавок создает неуравновешенный момент даже при погружении части поплавка в воду до этого уровня, и поплавок свободно возвращается в исходное положение, будучи частично затопленным. Разница в моментах M от веса объемного выступа 13 и дополнительного груза 14 прижимает поплавок 9 к подвижному упору 20, а тот в свою очередь прижимается к неподвижному упору 22. При образовании волн, "набегающих" под острым углом к оси валов, поплавки поочередно погружаются в воду (затапливаются волной). При этом возникает выталкивающая сила Q, равная весу воды в объеме погруженного поплавка (по закону Архимеда). Так как выталкивающие силы, действующие по обе стороны от оси OY, равны, то результирующая выталкивающая сила Q проходит вертикально вверх через ось вращения поплавка и не создает крутящего момента при погружении поплавка до самой оси OX. Сила веса поплавка P также проходит через ось OX, только вниз, и не создает крутящего момента, за исключением вышеуказанного момента M, создаваемого разницей моментов от веса объемного выступа 13, и веса дополнительного груза, который уровновешивается реакцией R уп опоры от упоров 20 и 21. При погружении поплавка выше оси OX затапливается объемный выступ 13, вследствие чего возникает дополнительный крутящий момент, который превосходит разницу M в моментах от веса объемного выступа и дополнительного груза. В результате этого поплавок начинает поворачиваться, перескакивает положение неустойчивого равновесия и стремится совершить кувырок и выскочить с ускорением из воды. Выталкивающая сила, действующая по левую сторону от оси OY, будет стремительно уменьшаться, а с правой стороны действует на протяжении всего поворота поплавка от исходного положения до угла О=90 o максимальная выталкивающая сила, равная весу вытесненной воды в объеме половины сечения поплавка. При повороте на угол О=90 o выталкивающая сила с левой стороны становится равной 0, а начиная с угла = 90 o , уменьшается выталкивающая сила с правой стороны и становится = 0, когда задняя поверхность 19 не достигнет оси OX с обратной стороны от оси OY. Все это происходит мгновенно, с ускорением, поплавок выныривает полностью из воды с разгоном. Такой эффект создается благодаря форме поплавка. В процессе поворота левая часть поплавка постоянно пересекает положение неустойчивого равновесия и как бы "накачивает собой" объем в правой части, компенсируя полностью выход из воды поплавка в течение всего поворота на угол 90 o , а значит и сохраняя величину выталкивающей силы в правой части. Из механики известно, что когда на тело постоянно действует сила - оно двигается с ускорением. Но такому резкому повороту поплавка на первых порах мешает сила инерции и сопротивление системы приводов вала, зубчатых колес, редуктора и электрогенератора, которые только начинают сначала медленное вращение. Благодаря одновременному воздействию нескольких поплавков создается достаточный момент для вращения вала. Вначале скорость вращения валов меньше скорости вращения поплавков, которую они имели бы при кувырке. Поплавки воздействуют на вал и вращаются со скоростью вала. При этом они не успевают полностью выйти из воды, как уровень волны начинает падать, и поплавки возвращаются обратно в исходное положение. Валы же продолжают вращение по инерции и от того, что на них действуют другие поплавки, и не препятствуют возврату предыдущих поплавков в исходное положение за счет наличия обгонных муфт или храпового механизма. В то время когда одни поплавки совершают холостой ход на валу, другие поплавки в это время совершают активный рабочий ход, а еще другие поплавки находятся в промежуточном состоянии. По мере нарастания оборотов вала поплавки увеличивают скорость поворота валов. При этом поплавки с каждым оборотом все больше и больше выныривают из воды, а скорость валов приближается к скорости кувырка поплавков в свободном от вала состоянии. Поплавки уже успевают полностью вынырнуть из воды до начала падения уровня волны и занять крайнее верхнее положение. В этот момент передняя поверхность 15 поплавков воздействует на подвижный упор 20, отжимает его вниз и погружается в воду. При падении уровня волны поплавки продолжают вращение к исходному положению адекватно спаду волны. Этому способствует разность моментов M от веса объемного выступа и веса дополнительного груза. Валы вращаются уже с большей скоростью, чем поплавки, поворачивающиеся в сторону исходного положения. При этом за счет инерции движения поплавки проскакивают исходное положение и освобождают подвижный упор 20, который возвращается под действием пружины в исходное положение. В это время поплавки из-за разности моментов M совершают колебательное движение обратно к исходному положению и, упираясь в подвижный упор 20, взаимодействующий с неподвижным упором 22, останавливаются в исходном положении. Далее процесс повторяется для каждого поплавка с периодичностью набегания волны, зависящей от амплитуды волны: чем выше волны, тем больше период. При вращении валов зубчатые колеса 10, закрепленные на выходном конце валов, передают крутящий момент непосредственно зубчатому колесу на входном валу редуктора 11 (или через дополнительную повышающую зубчатую передачу). От редуктора 11 крутящий момент передается электрогенератору. Во вращении каждого вала в волновой электростанции наступает такой момент, когда от воздействия какой-то последней группы поплавков вал разгоняется до такой степени, что его скорость вращения становится равной средней скорости вращения поплавков при кувырке. Поплавки перестают воздействовать на вал на какой-то миг, и вал снова начинает терять скорость. Поплавки снова начинают воздействовать на вал и добавлять ему крутящий момент. Вал опять разгоняется, затем снова замедляется; таким образом поддерживается скорость вращения валов, близкая к скорости вращения поплавка при свободном кувырке. Для расчета мощности N с волновой электростанции необходимо произвести сначала расчет крутящего момента, создаваемого одним поплавком. Для упрощения расчетов принимаем, что воздушное пространство внутри поплавка начинается от оси вращения, т.е. не учитываем наличие ступицы и отверстия поплавка (при этом очень незначительное увеличение крутящего момента от выталкивающей силы скомпенсируем тем, что в расчетах не будет учитываться крутящий момент, создаваемый выталкивающей силой, действующий на объемный выступ при затоплении его волной). Рассмотрим текущее положение поплавка (фиг. 3), при котором он уже совершил поворот от исходного положения на некоторый угол . В этом случае затопленная часть поплавка - полуцилиндра представляет сектор с углом 180 o - (объемный выступ не учитываем). Центр масс этой части сектора будет располагаться в точке C в на радиусе, делящем сектор пополам, т.е. на угле сектора. От оси OY это составляет угол На поплавок действует еще сила веса P, центр тяжести C п которого расположен на радиусе, проходящем по оси симметрии поплавка (180 o: 2 = 90 o) в исходном положении. От оси OY в текущем положении это составляет угол . Из механики известна формула, связывающая кинетическую энергию вращательного движения (T - T o) на угол от = 0 до работой A, выполняемой за этот же поворот от 0 до :(T - T o)=A, где где - скорость вращательного движения; M - крутящий момент; I o - момент инерции. Для определения работы составим сначала уравнение для крутящего момента. Уравнение момента, действующего на поплавок в текущем положении (при повороте на некоторый угол ) M т = Qh в - Ph п - P ов h ов + P д h д = M трен.
Для упрощения моменты, создаваемые весом объемного выступа и весом дополнительного груза в расчете не учитываем, ввиду их малости. Также не учитываем моменты от сил трения, которые на порядок меньше, чем момент от выталкивающей силы. Для сектора на угле 180 o -:

где - удельный вес воды,


Отсюда:

Тогда работа A, создаваемая действием выталкивающей силы Q и весом поплавка P на угле поворота от = 0 (исходное положение) до = 180 o (до выхода поплавка из воды), составит

После преобразования получаем

После решения получаем

Для определения мощности A/t определим время поворота поплавка на угол от 0 o до 180 o . Из уравнения T-T o =A после подстановки получаем

так как при 0 = 0 0 = 0, а

то после подстановки получим равенство


отсюда

Так как = , то уравнение мощностей будет

Рассмотрим пример расчета мощности волновой электростанции, выполненной согласно фиг. 1, 2, и 3: 3 понтона с 20 эстакадами и валами. На каждом валу 20 поплавков из алюминиевого сплава Д16Т ( = 2,7) . Размеры поплавков: R = 1 м; l = 1 м
При толщине листа 5 мм вес поплавка P = mg = 70 кг. Сначала произведем расчет мощности для одного поплавка. При этом примем удельную плотность морской воды равной 1025 кг/м 3 (исходя из средней условной плотности T = 25). Исходя из уравнения (2), получим


При этом

а

При темпе волнообразования в среднем 5,5 с мощность поплавка равна
N = 60,66:5,5 = 11 кВт. Примем итоговый КПД волновой электростанции с учетом КПД приводов и всех сил трения, в т.ч. воды, равным 0,6, тогда мощность волновой электростанции из 400 поплавков составит
N с = 11 400 0,6=2640 кВт,
При этом волновая электростанция будет занимать площадь . Съем мощности с 1 м 2 составит 2640:800=3,3 кВт/м 2 (сравните со съемом мощности в прототипе в 1,39 кВт или с волновыми электростанциями при использовании только воздушных турбин, где съем мощности равен 1 кВт/м 2). При этом следует отметить, что при большей высоте волны (свыше оси X) увеличивается выталкивающая сила и достигает суммарно максимального значения, когда поплавок будет затоплен от исходного нижнего положения на высоту 2R. В этом случае на поплавок воздействует выталкивающая сила в течение поворота поплавка не на 180 o , а на угол 270 o . При этом с момента поворота поплавка на угол 90 o (от исходного положения) на поплавок будет воздействовать неуравновешанная выталкивающая сила, равная весу воды, вытесненной в объеме всего поплавка (т.е. в 2 раза больше). Соответственно и создаваемая мощность волновой электростанции будет значительно выше приведенной в расчетах. Годовая выработка W электроэнергии, при условии работы волновой электростанции, например, 2/3 от годового фонда времени (в остальное время затишье или отсутствие волн необходимой высоты) и без учета волн большей высоты, чем высота затопляемой части поплавка на величину объемного выступа (данные о времени работы волновой электростанции необходимо взять конкретно из статистических данных метеонаблюдений для конкретной местности) составит 15417600 кВт/час = (2/3 264024365) При цене 1 кВт/часа 100 руб. доход от электростанции будет равен 1541,76 млн. руб. в год. При среднем потреблении 30 кВтчас в месяц на одного жителя волновая электростанция обеспечит энергопотребление населенного пункта с количеством жителей 15417600: (3012)= 42826 чел., т.е. целого городка (не считая промышленное потребление). Связанные в единую энергетическую сеть волновые электростанции позволят существенно сократить выработку электроэнергии, осуществляемую за счет сжигания топливных ресурсов. Исходя из данных многолетних метеонаблюдений за прибрежными волнами конкретных местностей могут быть построены волновые электростанции с различными по размерам и количеству поплавками. При этом должна быть проведена унификация и установлен оптимальный размерный ряд электростанций (что позволяет уменьшить затраты на их изготовлении). Станции могут быть установлены на разных расстояниях от побережья. Учитывая простоту волновой электростанции, затраты на создание их окупятся в течение года. Так, например, представленная волновая электростанция будет иметь такую укрупненную калькуляцию работ на изготовление (в ценах начала 1997 года);
3 понтона диаметром 3м, длиной 15-18 м 10 млн х 3 = 30 млн.,
20 эстакад с опорами под вал - 5 млн х 20 = 100 млн.,
20 валов - 5,5 х 20 = 110 млн.,
400 поплавков из алюм. сплава (суммарный вес 30 т) с обгонными муфтами - 0,25 х 400 = 100 млн.,
5 редукторов - 25х5 = 125 млн.,
5 генераторов - 30х5 = 150 млн.,
5 зубчатых передач 5х5 = 25 млн.,
Электрооборудование (шкафы, провода и т.д.) - 20 млн.,
Монтаж станции - 150 млн.,
Итого: 810 млн. рублей. Сравнивая с годовым доходом 1541,76 млн. рублей, можно уверенно сказать, что при данной калькуляции затрат станция окупит капитальные затраты в течение года. Таким образом, предлагаемая волновая электростанция позволяет более эффективно превращать кинетическую энергию поднимающейся волны в потенциальную энергию выталкивающей силы, действующей на поплавки, за счет удержания поплавков в крайней нижнем положении до их полного погружения в воду и мгновенного полного преобразования этой потенциальной энергии в кинематическую энергию, причем непосредственно во вращательное движение поплавков. Съем мощности с 1 м 2 воды увеличивается в 2-3 раза, упрощается конструкция волновой электростанции за счет использования кинематически простых элементов, не требующих высокой точности, и применения обычных, освоенных в машиностроении деталей и покупных изделий (зубчатых передач, валов, обгонных и соединительных муфт, редукторов, генераторов). Огромные морские просторы обеспечивают возможность строительства большого количества таких волновых электростанций и сократить количество теплоэлектростанций, сжигающих топливные ресурсы. Улучшается экологическое состояние в местах выработки электроэнергии окружающей среды. Высокая окупаемость капитальных затрат (в течение 1-2 лет) делает эффективным использование финансовых ресурсов при строительстве предлагаемой волновой электростанции.