Волновые энергетические установки, использующиеся в открытом море

Наиболее распространенными волновыми установками являются поплавковые. Рабочее тело таких установок – поплавок – находится на поверхности моря и совершает вертикальные колебания в соответствии с изменениями уровня воды при ветровом волнении. Вертикальные перемещения поплавка используются для попеременного сжатия газа или жидкости в какой-либо емкости, или они преобразуются во вращательное движение электрического генератора и т.п. Например, буй диаметром 16 м, разработанный в Норвегии, при амплитуде вертикальных перемещений 8 м способен при КПД 80% вырабатывать до 4 млн. кВт×ч в год.

Амплитуда колебаний поплавка может быть существенно (в 10-12 раз) увеличена за счет усовершенствования его конструкции. Для увеличения амплитуды (резонанса) вертикальный цилиндрический поплавок частично (в зависимости от параметров волны и поплавка) заполняется водой или к поплавку подвешивается груз соответствующей массы. Крупномасштабная модель резонансного поплавка (рисунок 8), исследованная в Японии, имела диаметр 2,2 м, высоту 22 м, массу 13,5 т, пропеллерную турбину диаметром 0,8 м. Амплитуда колебаний поплавка достигала 8 м при волнах высотой от 0,5 до 1,5 м.

 

 

Рисунок 8. Резонансный поплавок

3.3.1.«Утка» Солтера

Эффективность поплавковых установок возрастает, если применить эксцентрические поплавки, которые не только раскачиваются на волнах, но и воспринимают давление набегающей волны. Широко известной установкой этого типа является “утка” Солтера. Данная установка разработана Стефаном Солтером, профессором Эдинбургского университета, названная в его честь – «утка Солтера» (техническое название проекта – «Колеблющее крыло»).
Рабочей конструкцией здесь является поплавок («утка»), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики. В проекте шотландца предусматривался монтаж большого количества крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение под силой собственного веса. При этом приводятся в действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводящая в движение турбины, установленные между поплавками и поднятые над поверхностью моря. Вырабатываемая электроэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20‑30 поплавков.
Первые испытания в условиях, близких к морским, были проведены в мае 1977 года на озере Лох-Несс. Пятидесятиметровая гирлянда из двадцатиметровых «уток» общей массой 16 тонн была спущена на воду и испытывалась в течение четырех месяцев при различных волновых условиях. В декабре того же года эта модель, в 1/10 предполагаемой величины океанского преобразователя, была вновь спущена на воду и дала первый ток. В течение трех зимних месяцев модель первой английской волновой электростанции работала с КПД около 50 процентов.
Дальнейшие разработки Солтера были направлены на то, чтобы обеспечить устройству способность противостоять ударам максимальных волн и создать заякоренную гирлянду преобразователей в виде гибкой линии. Нить из «уток» протяженностью несколько километров предполагалось установить в районе с наиболее интенсивным волнением западнее Гебридских островов. Мощность такой станции должна была составить около 100 МВт.
Серьезными недостатками для «уток Солтера» оказались следующие:
• необходимость передачи медленного колебательного движения на привод генератора;
• необходимость снятия мощности с плавающего на значительной глубине устройства большой протяженности;
• необходимость, вследствие высокой чувствительности системы к направлению волн, отслеживать изменение их направления для получения высокого КПД преобразования;
• большие ударные нагрузки от воздействия максимальных волн;
• затруднения при сборке и монтаже из‑за сложности формы «утки».

 

 

Рисунок 9. «Утка Солтера»:

а – схема преобразования энергии волны;

б – вариант конструкции преобразователя;

1 – плавучая платформа;

2 – цилиндрическая опора с размещенными в ней приводами и электрогенераторами;

3 –асимметричный поплавок.

Эффективность данного устройства исследовалась многими авторами, которые подтвердили результаты, полученные С. Солтером (рисунок. 10). Было показано также, что система, состоящая из трех-четырех тел, способна поглотить почти всю энергию случайной волны в широком диапазоне частот. Даже ограничение системы двумя телами сохраняет способность отбора более 95% энергии случайной волны в широком спектре частот. При этом эффективность каждого из тел максимальна в своем диапазоне частот (рисунок 11.)

 

Рисунок 10. Рисунок 11. КПД “утки” Солтера Эффективность системы из двух с одной степенью свободы «уток» Солтера.

 

Шарнирные контуры

Волновой плот Коккерела

Поплавки, находящиеся на поверхности моря, могут совершать не только вертикальные колебания, но и угловые перемещения в соответствии с профилем волны. Рабочее тело таких установок состоит из двух или многих поплавков, соединенных между собой шарнирами в виде поршневых насосов или гофрированных “мехов”. Установки используют изменение формы поверхности моря при ветровом волнении (путем изменения углового положения между поплавками) для привода в действие насосов или “мехов”.

Впервые конструкция волнового плота была запатентована в СССР еще в 1926 г. В 1978 г. в Великобритании проводились испытания опытных моделей океанских электростанций, в основе которых лежит аналогичное решение. Волновой плот Коккерела состоит из шарнирно соединенных секций, перемещение которых относительно друг друга передается насосам с электрогенераторами. Вся конструкция удерживается на месте якорями. Трехсекционный волновой плот Коккерела длиной 100 м, шириной 50 м и высотой 10 м может дать мощность до 2 тыс. кВт.

В СССР модель волнового плота испытывалась в 700-х гг. на Черном море. Она имела длину 12 м, ширину поплавков 0,4 м. На волнах высотой 0,5 м и длиной 10 – 15 м установка развивала мощность 150 кВт.

 

Рисунок 12. Вариант выполнения контурного плота Коккерелла: 1 - колеблющаяся секция; 2 - преобразователь; 3 - тяга; 4 - шарнир.

 

Детальные лабораторные испытания модели плота в масштабе 1/100 показали, что его эффективность составляет около 45 %. Это ниже, чем у «утки» Солтера, но плот привлекает другим достоинством: близость конструкции к традиционным судостроительным.

Рисунок 13. Эффективность двузвенного контура плота
при жесткой стабилизации заднего звена