Хвильова електростанція: принцип роботи

Води Світового океану приховують у собі незліченні багатства, головними з яких, мабуть, є безмежні джерела енергії у вигляді морських хвиль. Вперше про використання кінетичної енергії накатывающихся на берег валів задумалися в 18 столітті в Парижі, де був представлений перший патент на хвильову млин. Зараз технології зробили крок далеко вперед, і спільними зусиллями вчених була створена перша комерційна хвильова електростанція, яка почала експлуатуватися в 2008 році.

Чому це вигідно?

Ні для кого не секрет, що природні багатства знаходяться на межі виснаження. Запаси вугілля, нафти і газу – основних енергетичних джерел – підходять до кінця. За найоптимістичнішими прогнозами вчених, запасів вистачить для 150-300 років життя. Атомна енергетика теж не виправдала очікувань. Велика потужність і продуктивність окупають витрати на будівництво, експлуатацію, але проблеми захоронення відходів і нанесення шкоди навколишньому середовищу скоро змусять відмовитися від них. З цих причин вчені шукають нові альтернативні джерела енергії. Зараз вже діють вітрові та сонячні електростанції. Але при всіх своїх достоїнствах, вони мають істотний недолік – низький ККД. Задовольнити потреби всього населення не вдасться. Тому необхідні нові рішення.


Для вироблення електрики хвильова електростанція використовує кінетичну енергію хвиль. За найскромнішими підрахунками, цей потенціал оцінюється в 2 млн МВт, що дорівнює 1000 працюючих на повну потужність атомних електростанцій, а на один метр фронту хвилі припадає близько 75 кВт/м. При цьому не спостерігається абсолютно ніякого шкідливого впливу на навколишнє середовище.

Загальна схема роботи

Хвильовими електростанціями називають плавучі споруди, які здатні перетворювати механічну енергію руху хвиль в електричну енергію і передавати її споживачеві. При цьому намагаються використовувати два джерела:

Кінетичні запаси. Морські вали проходять через трубу великого діаметру і обертають лопаті, які передають зусилля на електрогенератор. Застосовується і пневматичний принцип – вода, проникаючи в спеціальну камеру, витісняє звідти кисень, який направляється по системі каналів і обертає лопаті турбіни.

Енергія кочення. В цьому випадку хвильова електростанція виступає в ролі поплавця. Переміщаючись у просторі разом з профілем хвилі, вона за допомогою складної системи важелів змушує обертатися турбіну.

Різними країнами використовуються свої власні технології перетворення механічного руху хвиль в електрику, але загальна схема дії у них однакова.

Недоліки хвильових електростанцій

Головною перешкодою на шляху до широкого впровадження хвильових електростанцій є їх вартість. З-за складної конструкції і складної установки на поверхню морських вод витрати на впровадження таких установок в експлуатацію вище, ніж на будівництво АЕС або ТЕС. Крім того, спостерігається і ряд інших недоліків, які в основному пов'язані з появою соціально-економічних проблем. Справа все в тому, що великі поплавкові станції створюють небезпеку і заважають мореплавству і рибальства – поплавкова хвильова електростанція може просто витіснити людини з промислових зон. Можливі екологічні наслідки. Використання установок значно гасить морські вали, робить їх менше і не дає пробитися на берег. Між тим хвилі грають важливу роль в процесі газообміну океану, очищення його поверхні. Все це може призвести до зміщення екологічної рівноваги.

Позитивні сторони хвильових електростанцій

Разом з вадами хвильова електростанція має і ряд переваг, які роблять позитивний вплив і на діяльність людини:

установки, завдяки тому що гасять енергію хвилі, можуть захищати прибережні споруди (причали, порти) від руйнування силою океану;

вироблення електрики відбувається з мінімальними витратами;

висока потужність хвилювання робить ВЕС економічно вигіднішими, ніж вітрові або сонячні електростанції.

Запасами енергії володіють і води суші, головним чином річки. Спорудження станцій на мостах, переправах, причалах є перспективою розвитку цієї галузі вироблення електроенергії.

Проблеми, які треба вирішити

Основна задача, яка стоїть перед науковим співтовариством зараз, – це вдосконалення конструкції, що дозволить знизити собівартість електроенергії, яку виробляють хвильові електростанції. Принцип роботи повинен залишитися тим же, але застосовуватися для створення установок будуть вже нові технології і матеріали. Середня потужність хвилі становить 75-85 кВт/м – саме на такий діапазон налаштовуються більшість станцій. Однак під час шторму сила морських валів збільшується в кілька разів і створюється небезпека руйнування установок. Вже не одна лопата була зім'ята або погнуті після шторму. Для вирішення цієї проблеми вчені штучними методами знижують питому потужність хвиль. Одна з проблем полягає в тому, що масове використання хвильових станцій призведе до зміни клімату. Генерація електричної енергії здійснюється за рахунок обертання Землі (саме так утворюються хвилі). Повсюдне використання станцій змусить планету обертатися повільніше. Людина не відчує різницю, але це знищить ряд течій, які грають важливу роль у теплообміні Землі.

Перша в світі експериментальна ВЕС

Перша хвильова електростанція з'явилася в 1985 році в Норвегії. Її потужність склала 500 кВт, а сама вона являла собою досвідчений зразок. Її принцип дії заснований на циклічному стиску і розширення середовища:

циліндр з відкритим дном занурений у воду так, щоб його край був нижче улоговини хвилі – самій нижній її точки;

періодично набігаюча вода стискає повітря у внутрішній порожнині;

по досягненні певного тиску відкривається клапан, який дає прохід стиснутого кисню до турбіни.

Така електростанція виробляла 500 кВт енергії, щоб було достатньо для підтвердження дієвості установок, що сприяло їх розвитку.

Перша в світі промислова електростанція

Першою в світі установкою промислового масштабу вважається Oceanlinx в акваторії Порт-Кембл, в Австралії. Вона введена в експлуатацію в 2005 році, але потім була відправлена на реконструкцію і в 2009 році знову запрацювала, з-за чого в регіоні тепер використовуються і припливні та хвильові електростанції. Її принцип дії полягає в наступному:

Хвилі періодично забігають в спеціальні камери, змушуючи стискатися повітря.

По досягненні критичного тиску стиснене повітря через мережу каналів обертає електрогенератор.

Для уловлювання руху і сили хвиль лопаті турбіни змінюють свій кут нахилу.

Потужність установки склала близько 450 кВт, хоча кожна секція станції здатна видавати від 100 кВт до 15 МВт*год електричної енергії.

Перша в світі комерційна ВЕС

Перша хвильова електростанція комерційного призначення заробила в 2008 році в Агусадоре, Португалія. Більш того, вона перша в світі установка, яка безпосередньо використовує механічну енергію хвилі. Проект підготувала англійська компанія Pelamis Wave Power. У конструкції складу входить кілька секцій, які відпускаються і піднімаються разом з профілем хвилі. Секції шарнірно з'єднані з гідравлічною системою і під час руху приводять її у дію. Гідравлічний механізм змушує обертатися ротор генератора, внаслідок чого і виробляється електроенергія. Використовувані в Португалії хвильові електростанції плюси і мінуси мають. Перевага установки полягає у великій потужності – близько 225 МВт, а також в можливості встановлення додаткових секцій. Недолік встановлення системи один – виникає складнощі з передачею електричної енергії по проводах до споживача.

Перша в Росії хвильова електростанція

У Росії перша ВЕС з'явилася в 2014 році в Приморському краї. Розробкою займався колектив учених з Уральського федерального університету і Тихоокеанського океанологічного інституту ДВО РАН. Установка має експериментальний характер. Її особливість у тому, що вона використовує енергію не тільки хвиль, але і припливів/відливів. У Москві передбачається будівництво науково-дослідної лабораторії, яка займеться розробкою і створенням першої вітчизняної поплавкової станції. Можливо, після цього хвильові електростанції в Росії теж будуть мати промислове або комерційне призначення.