Энэргия и мощность волн

3. Энергия и мощность  волн

Суммарная энергия волн составляет доли процента от энергии ветров. Мощность источника оценивается примерно в 3 ТВт. В Мировом океане участки  с достаточно стабильным по мощности волнением встречаются редко. Выполнение оценок для конкретных районов требует  длительных наблюдений, в целом по океану этих наблюдений еще не достаточно. Можно сказать, что сейчас наиболее изучено Северное море (в нем ведется  интенсивная добыча нефти и газа) и вообще Северная Атлантика. Обычная  волна в достаточно бурном Северном море обладает мощностью около 40 кВт  на метр гребня в течение 30 % времени существования и примерно 10 кВт/м в остальные 70 % времени. Среднегодовой энергетический потенциал волн Западного побережья Великобритании по результатам обработки данных четырех станций, расположенных в 30—40 км от берега, за период 7—14 лет изменяется в пределах 31—44 кВт/м. Однако для точной оценки потенциала волнения кроме усредненных характеристик мощности важны еще спектральные и пространственные (направление прихода) характеристики. Поэтому простые оценки с помощью известного соотношения вида:

где Н — высота волн; и — скорость распространения; L— характерный горизонтальный размер преобразователя, оказываются лишь примерными, пригодными только для решения вопроса с том, стоит ли в принципе заниматься в изучаемом районе преобразованием энергии волн. Кроме того, подобные удельные характеристики не дают полного представления о возможности получения энергии на всей акватории.

Для морей, омывающих берега нашей страны, Г. В. Матушевский методом осреднения элементов волн с учётом обеспеченности по сезонам получены следующие удельные мощности: Берингово—15—44, Баренцево—22—29, Японское —21—31; Охотское—12—20, Каспийское— 7—11, Балтийское — 7—8, Черное — 6—8 кВт/м. Эти оценки позволяют сделать вывод о том, что наиболее удобны для развития волновой энергетики в нашей стране Баренцево и Японское моря. Для различных участков Мирового океана усредненные данные по запасам волновой энергии приведены на рис. 4. Определение потенциальных возможностей океанских ветров и волн невозможно без изучения их сезонной и суточной изменчивости. Нестационарность характера таких природных явлений — одно из серьезных препятствий на пути развития системной энергетики, основанной на этих ресурсах.

5. Устройства для преобразования энергии волн

волна энергия мощность преобразование

Обилие схем преобразователей энергии волн породило несколько  вариантов классификации, в основе которых лежат различные принципы. Можно, выделить два класса преобразователей—  активные и пассивные. К первому относятся все устройства, имеющие перемещающиеся под действием колебаний водных масс элементы, ко второму — устройства, направляющие движение вод с целью концентрации энергии волн. В основу классификации иногда кладут наиболее характерные особенности природы волновых явлений и тогда выделяют три характерных признака:

• подъем волновой поверхности и изменение ее наклона;
• подповерхностное движение частиц жидкости и изменение давления;
• преобразование волн при подходе к естественным или искусственным препятствиям.

При такой классификации  под первый признак попадают различные  типы активных устройств — буев, колеблющихся тел, преобразователей волнового  движения в изменение воздушного давления и т. п. Под второй признак попадают также активные устройства, например поглощающие волновую энергию оболочки и устройства с колеблющимися и вращающимися элементами. Под третью — различные концентраторы энергии пассивного типа. Такая классификация не позволяет выявить всего многообразия принципов и мало отличается от первой.

Наиболее удачным кажется  метод классификации, идущий от природы  волновых явлений, но дающий им большую  детализацию. В соответствии с этой классификацией конструкции волновых преобразователей делятся на использующие следующие физические факторы:

• разность фаз колебаний в пространственно разнесенных точках;
• изменение уровня моря относительно стационарно размещенного тела;
• разность фаз колебаний уровня давления воды в пространственно разнесенных точках;
• периодичность колебаний суммарного давления относительно стабилизированного уровня;
• периодическое изменение наклона волновой поверхности;
• концентрацию волновой энергии по фронту или по глубине;
• скоростной напор жидкости;
• комбинацию эффектов.

Классификация позволяет  анализировать возможность использования  тех или иных устройств применительно к конкретным условиям. Например, относительно преобразователей второй группы можно сказать, что если они используют жесткое закрепление на грунте, то в зоне действия приливов неприемлемы. В то же время такое ограничение не распространяется на аналогичные устройства, в которых перемещение поплавка происходит относительно инерционной платформы или динамического якоря. Конструкции, использующие разность фаз колебаний уровня (первая группа), вряд ли могут иметь значительные единичные мощности из-за прочностных характеристик передаточных пространственных механизмов. Устройства третьей группы имеют ограничение по глубинам установки. То же можно сказать о преобразователях предпоследней группы. На них, как и вообще на устройства, размещаемые под поверхностью водоема и на дне, действует еще одно ограничение: быстрое затухание волнового возмущения с глубиной. Для скорости движения частиц жидкости такое затухание, например, происходит по экспоненциальному закону. Кроме того, любые устанавливаемые на дне устройства находятся в какой-то мере под угрозой заноса осадочными материалами.

Большие единичные мощности — необходимое условие крупномасштабной энергетики — позволяют получить либо устройства, концентрирующие волновую энергию по фронту и по глубине, либо объединенные в сети преобразователи, работающие на общую нагрузку. При  таком объединении размещают отдельные блоки или вдоль фронта волн (терминаторы), или поперек фронта (аттенюаторные устройства). В роли и аттенюаторов, и терминаторов могут выступать устройства различных групп.

В настоящее время разрабатываются  варианты преобразователей практически  всех групп. Многие из них реализованы  и испытаны в лабораторных условиях волновых бассейнов, ряд испытан  в условиях моря. Но до сего дня нельзя выделить какое-то одно или даже несколько  устройств, которые были бы приемлемы  для всех случаев, удовлетворяли  бы всем противоречивым требованиям, предъявляемым  потребителями.

5.1 Преобразователи с качающимися элементами

В этом классе преобразователей волновой энергии прежде всего остановимся на знаменитой «солтерской утке», названной так в честь ее создателя, профессора Эдинбургского университета С. Солтера. Техническое название такого преобразователя— колеблющееся крыло. Его основная особенность — чрезвычайно высокая эффективность преобразования энергии волн. Правда, чтобы реализовать эту возможность, приходится достаточно жестко закреплять ось крыла-поплавка. Сделать это можно, установив, например, крыло в теле волнолома. Однако стационарный волнолом — сооружение мелководное, а на мелководье значительная часть энергии волн теряется вследствие трения о дно. Другой недостаток — стационарный волнолом не может отслеживать изменение направления прихода волн, а в зависимости от этого параметра волнения эффективность крыла как преобразователя сильно зависит. Было предложено устанавливать ряд самостоятельно колеблющихся крыльев в теле плота, положение которого и пространстве могло бы изменяться с помощью системы якорных тросов, однако, теоретические расчеты с фиксированным центром вращения в реальном море из-за раскачивания остова в продольном и поперечном направлениях должна также показывать снижение эффективности преобразования.

Основная удача конструктора «утки» — оптимальная форма. Когда  «утка» раскачивается относительно центра вращения, ее носовая часть  практически точно отслеживает  движение набегающей волны. В то же время кормовая поверхность, имеющая цилиндрическую форму, при движении относительно того же центра практически не производит перемещений жидкости и, следовательно, не может образовать волну, уносящую часть воспринятой энергии. Физическую сущность высокой эффективности «утки» поясняет, позволяющий проследить процесс взаимодействия с ней падающей волны. За счет интерференции отраженной неподвижной «уткой» волны и излученной движущейся (правая половина поля) практически гасится волна, распространяющаяся навстречу падающей. Такой же процесс происходит за «уткой», где гашение распространяющейся влево волны происходит в результате взаимодействия дифрагировавшей на «утке» и излученной ею вправо волн.

Первоначально Солтером был создан макет достаточно узкополосного по частоте устройства. В волновом бассейне оно поглощало до 90 % падающей энергии. Более поздние эксперименты и расчеты показали возможность создать за счет рационального управления распределения масс в поплавке конструкцию, обеспечивающую КПД не хуже 80 % при ширине полосы частот более 50%. Кроме того, было показано, что для условий Северной Атлантики могут быть созданы достаточно эффективные преобразователи диаметром 10—15 м.

Первые испытания в  условиях, близких к морским, были проведены в мае 1977 г. на оз. Лох-Несс. 50-метровая гирлянда из 20-метровых «уток» общей массой 16 т была спущена  на воду и испытывалась и исследовалась  в течение 4 месяцев при различных  волновых условиях (пережила даже сильный  шторм). Изучались механические характеристики, швартовочные нагрузки. В декабре  того же года эта модель в 1/10 будущей  величины океанского преобразователя  была вновь спущена на воду и дала первый ток. В течение 3 месяцев одного из самых суровых зимних периодов модель первой английской волновой электростанции работала с КПД около 50%.

Несмотря на относительную  простоту системы и высокую эффективность  преобразования существуют серьезные  препятствия на пути ее внедрения:

- система оказалась настолько  чувствительна к направлению  волн, что для получения сравнительно  высокого КПД преобразования  необходимо отслеживать изменение  направления;

- достаточно сложна и ненадежна гидромашина, приводимая в действие поплавком;

- сложность формы поверхности  «утки» создает затруднения при  ее сборке и монтаже;

- специфика распределения  массы создает трудности при  установке и перевозке преобразователей;

- сборка нескольких преобразователей  в протяженную конструкцию может  привести к усложнению постановки  и удержания на якоре;

- при сборке возникают  проблемы надежного уплотнения  кольцевого зазора большого диаметра.

Другой вариант достаточно эффективного волнового преобразователя  с качающимся элементом — контурный  плот Коккерелла (У. Коккерелл известен как один из удачливых изобретателей судна на воздушной подушке).

7

Его модель также в 1/10 величины испытывалась в том же году в проливе  Солент вблизи г. Саутгемптона. Контурный плот — многозвенная система из шарнирно соединенных секций. Как и «утка», он устанавливается перпендикулярно к фронту волны и отслеживает ее профиль. К настоящему времени разработано несколько модификаций плота. В более ранних публикациях говорится о плотах из четырех-пяти секций длиной примерно 1/4 каждая. В более поздних— о трехзвенном и даже о двухзвенном плоте с секциями различного размера: головная, установленная мористее, воспринимает основную энергию волны и примерно в два раза короче кормовой. Вероятно, последняя конструкция более широкополосная, если иметь в виду волну не конкретной длины, а спектр длин волн.

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). Изготовление таких плотов не требует создания новых промышленных предприятий и позволит поднять занятость в судостроительной промышленности.

Была начата разработка проекта  волновой электростанции на базе преобразователя  типа плота. В качестве места для  ее размещения было выбрано западное побережье Гебридских островов, где  имеется подходящий участок морского дна протяженностью около 150 км вдоль береговой линии с глубинами около 50 м. Скальный грунт позволяет в качестве якорей использовать забуренные в него сваи с высокой горизонтальной и вертикальной удерживающей способностью. Для удержания плотов разрабатывались специальные тросы, усиленные эластичными полимерами, с допустимым удлинением до 30%. Последняя величина определена из расчета давать плотам возможность перемещаться при шторме на расстояние до 30 м от первоначального положения.

Предполагалось, что такая  станция будет состоять из 1500 плотов шириной 50 и длиной 100 м, установленных  на расстоянии 50 м друг от друга. В  качестве материала для корпусов был выбран армированный железобетон, обладающий стойкостью по отношению  к циклическим нагрузкам и  коррозии. Расчетная долговечность  корпусов из бетона по аналогии с долговечностью железобетонных платформ Северного  моря принималась равной 25 годам. За этот период преобразователи должны выдержать примерно 108 циклов волнового нагружения различной интенсивности. Предполагалось, что масса корпуса одного сооружения составит 13 500 т, мощность генератора — примерно 2000 кВт. Для нормального темпа ввода такой станции в эксплуатацию необходимо было бы выпускать в год не менее 60 плотов. Сейчас работы над проектом прекращены: он признан неэффективным.

Аналогом системы С. Солтера является преобразователь типа «моллюск». Длинная горизонтальная ось «утки» заменена в «моллюске» прямоугольной секцией, в которой под действием волн колеблются вертикально установленные пластины, сжимающие гибкий рукав, заполненный воздухом. Сжатый воздух приводит в движение турбину, размещенную внутри конструкции. КПД преобразования таких вращающихся пластин определен теоретически и составляет 50 %. Именно этот тип преобразователя выдвинули сейчас на одно из первых мест.

Если «утка» и плот относятся  к преобразователям, использующим изменение  наклона волновой поверхности, то преобразователь  типа «бристольский цилиндр» — скорее к группе устройств, работающих под  действием скоростного напора в  волне. В этом преобразователе цилиндрическое тело, имеющее среднюю плотность 0,6—0,8 т/м3, колеблется в волне, совершая движение по эллиптической траектории и приводя в действие гидравлические насосы. Одно из преимуществ идеи «бристольского цилиндра» то, что после настройки  на оптимальную частоту он не отражает энергию других частот, а дает ей возможность распространяться далее, где ее могут поглотить другие преобразователи, например цилиндры с  другой частотой.

Из других преобразователей с качающимся элементом (элементами) необходимо отметить различные варианты аттенюаторов типа «гибкий рукав», устанавливаемых таким образом, чтобы энергия волны передавалась к упругим элементам устройств  по мере прохождения волны. Одним  из наиболее известных устройств  этого типа является «гибкий рукав», разработанный профессором Ланкастерского университета М. Д. Френчем. В этом рукаве энергия накапливается вдоль него за счет деформации гибких резиновых секций, последовательно перекачивающих воздух в турбину, размещенную в центре. Такие устройства могут оказаться наиболее широкополосными, причем полоса рабочих частот увеличивается с увеличением длины, если только в конструкцию не заложено каких-либо ограничений движения.

Отечественная конструкция  такого типа разработана, например И. И. Пятницким. Она представляет собой  гибкий металлический рукав из отдельных  секций, выполненных из сильфонов, наполовину заполненных трансформаторным маслом, со встроенными турбинами, подключенными  к электрогенераторам. При изменении положения гибких секций масло перетекает из верхних в нижние, приводя в движение турбины.

5.2 Точечные преобразователи

Для того чтобы считать  устройство точечным преобразователем, вовсе не важно, какой принцип  лежит в основе его работы. Достаточно, чтобы длина и ширина устройства были значительно меньше длины волны  и чтобы эффективность работы его либо принципиально не зависела от направления движения волн, либо устройство могло самостоятельно отслеживать  изменение этого направления  и переориентироваться в пространстве. Особенный интерес к точечным преобразователям связан с тем, что они не только могут обладать достаточно высокими КПД преобразования, использоваться как в одиночку, так и совместно, образуя целые энергосистемы, но и с тем, что они собирают энергию с участка фронта волны, превышающего их линейные размеры и могут применяться в качестве волнозащитных устройств.

Чтобы точечный преобразователь  был достаточно эффективным, движение его поглощающего элемента должно быть согласовано с движением водной поверхности. Этот элемент должен быть непременно подключен к демпфирующей системе, извлекающей полезную мощность, а механические характеристики устройства должны перестраиваться при изменении волновых условий.

В общем случае для системы  типа точечного цилиндрического  буя уравнение движения может  быть записано в виде:

где а — присоединенная масса жидкости, кг; D — диаметр; F (t) — сила, создаваемая волнами; g — гравитационная постоянная; т — масса; Ье — потери энергии на преобразование в полезную; br - потери на отражение; 6ν —потери на вязкое трение; Ьс — потери на тепло, выделяющееся в электрической цепи; — перемещение в волне, скорость и ускорение соответственно; ρ — плотность морской воды. В этом выражении коэффициенты, описывающие различные потери энергии, являются функциями частоты колебаний.

Рис. 8

Точечные преобразователи  являются устройствами, имеющими характерные  рабочие частоты. Если такое устройство рассчитано для работы при определенной доминирующей частоте волн, то эффективность его падает при изменении волновых условий. При настройке в резонанс с падающей волной, наоборот, происходит увеличение волновой энергии, выделяющейся на преобразователе. Такая настройка производится за счет изменения механических (воздействие на величину br) и электрических характеристик bс. В первом случае для устройств, колеблющихся вдоль вертикальной оси (различного вида буи), рекомендуют изменение массы за счет заполнения балластных цистерн, а для устройств с вращающимися элементами («утка», плот) — моментов инерции путем изменения распределения масс. В последнем случае может, кроме того, быть изменено передаточное число привода электрогенератора, индуктивность, емкость и сопротивление электрических цепей генераторов.

Наиболее уязвимый элемент  преобразователя — захват, который  должен выдерживать в среднем  до 6∙106 срабатываний в год. Но без  управления движением мощность, поглощаемая  буем, снижается примерно в 5 раз. Поэтому  авторы устройства считают, что имеет  смысл преодолеть технические трудности  и создать долгоживущий захват.

Испытания преобразователя  были выполнены на модели в масштабе 1: 10 на нерегулярных волнах. Испытания  дали довольно хорошие результаты, хотя из-за несовершенства системы  управления в некоторых случаях  фазы колебаний буя и волн несколько  отличались. В настоящее время разрабатывается полноразмерная модель буя и проектируется воздушная турбина, рассчитанная на вращение с частотой вращения 50 с-1 и непосредственно связанная с асинхронным трехфазным электрогенератором установленной мощностью 400 кВт.

В случае сильного шторма достаточно отключить автоматику захвата этого  преобразователя, чтобы, снизив его  эффективность, предохранить от разрушения.

Несмотря на достоинства, описанная выше система не свободна от недостатков. Наиболее серьезные  из них — наличие «мертвого» достаточно массивного якоря, сложного узла универсального шарнира, работающего под водой в условиях знакопеременных нагрузок, наличие прочной штанги, которая должна выдерживать значительные напряжения при верхнем положении буя. Вообще, и это отмечают многие исследователи, якорные устройства плавучих волновых преобразователей — элемент, надежность работы которого зачастую определяет саму возможность применения некоторых из них. В этой связи большое значение приобретают поиски технических решений, позволяющих упростить якорные устройства, снизить их массу и требуемую прочность тросов.

К таким решениям относятся  конструкции самопозиционирующихся преобразователей, снабженные заглубленными платформами, относительно которых происходит перемещение плавучих буев, либо даже динамическими якорями и не требующие значительных усилий для удержания.

К достоинствам систем с  динамическим удержанием относится  возможность использовать их в условиях действия приливов и длиннопериодных волн зыби. В этом случае они как бы выполняют роль низкочастотных фильтров, не реагирующих на медленное изменение возбуждающей колебания силы.

Динамическое удержание  можно обеспечить как за счет использования  инерционной массы платформы, так  и за счет применения динамического  якоря, представляющего собой достаточно жесткий плоский элемент, сопротивление  которого при ускорении в воде возрастает за счет присоединенной массы. Этот эффект исследований учтен авторами цитировавшейся выше статьи. На его использовании строится ряд отечественных разработок.

Интересная особенность  систем с динамическими якорями  — снижение их поглощающей энергию  способности начиная с некоторой  величины длины волны за счет того, что с ростом ее в движение начинают вовлекаться все более заглубленные слои жидкости. Динамические устройства хорошо зарекомендовали себя как  защитные элементы якорных систем океанских буев, предохраняя якорные тросы и цепи от динамических нагрузок и тем самым повышая их живучесть.