Волновые морские энергоустановки – коммерциализация и разработки

Обзор по состоянию на январь 2002 г.

Обзор подготовил канд. физ.-мат. наук, патентообладатель, организатор и автор проекта “Возобновляющаяся Энергия”, автор ряда изобретений в области поплавковых волновых и ветровых энергоустановок, а также опреснительных установок А.Н.Русецкий,

г. Москва, тел. (095) 124-9020, E-mail: swes-alex@mtu-net.ru

http://ocean-power.narod.ru/index.html

Основные типы известных волновых энергоустановок

  1. OWC (Oscillating Water Column) - Осциллирующая водяная колонна
  2. - наиболее разработанный и распространённый в мире метод.

    Включает частично погружённую в воду бетонную или стальную камеру размером с большую комнату, или зал, с волноприёмным отверстием ниже уровня воды, в которой находится воздух. В верхней части камеры делают отверстие и там устанавливают воздушную турбину, либо делают воздуховоды с клапанами и ставят несколько воздушных турбин. Набегающая волна, входя в камеру, сжимает в ней воздух, затем при спаде волны вода уходит из камеры и воздух разрежается. Это периодическое изменение давления используют для создания воздушного потока и вращения турбины, имеющей привод на электрогенератор.

  3. TAPCHAN – (TAPered CHANnel) technique – Технология Суженого Канала
  4. на берегу устанавливают сужающийся канал со стенками высотой обычно 3-5 метров выше уровня воды. Прибойная волна входит в широкую часть канала и поток воды разгоняется при прохождении в суживающуюся часть и забрасывается наверх, в резервуар (бассейн) выше уровня воды в море. Тем самым создаётся запас потенциальной энергии, которую превращают затем по мере надобности в электроэнергию путём пропускания воды обратно в море через низкоскоростную турбину. Получаемые мощности невысоки и кроме того, применение данного метода ограничивается регионами, где приливы незначительны.

  5. Pendulor – Качающийся, Маятниковый преобразователь
  6. включает прямоугольный ящик, открытый к морю с одной из сторон. Здесь подвешена заслонка, закрывающая это отверстие и набегающие волны вызывают качание заслонки взад-вперёд. Это движение передаётя на гидронасос и генератор. В мире распространены только маломощные, небольшие по размерам подобные устройства.

  7. AWS (Archimedes Wave Swing) – Архимедовый волновой маятник

метод разработан Датчанами в сотрудничестве с фирмой MARETEC - Wave Energy group.

Система включает один или больше погружённых поплавковых устройства: вертикально установленный стакан, дном вниз; внизу, с капюшоном наверху (перевёрнутый вверх дном стакан большего диаметра), который имеет возможность двигаться относительно нижнего стакана вверх-вниз, что он и совершает при волнении. Полости стаканов заполнены воздухом, который при волнении то сжимается, то разрежается. Это и используется для прокачки воздуха через турбину и получения электроэнергии. Диаметр стаканов составляет около 20 м. Поэтому планируется использовать лишь для гигантских океанских волн зыби. Планируется построить такие устройства вблизи побережья Португалии, где крупные волны океанской зыби имеют место практически постоянно.

Страны, в которых интенсивно развивается волновая энергетика

Серьёзные исследования возможности получения полезной энергии от морских волн начались в нескольких странах в 70-е годы.

Основными странами, вовлечёнными в практические разработки морских и океанских волновых энергоустановок, являются Япония, Индия, Китай, Дания, Ирландия, Великобритания, Португалия, Норвегия и США. Усилия разработчиков этих стран совершенно нескоординированы и поэтому на сегодняшний день существует большое разнообразие подходов и технических решений данной идеи. Большинство из них остаются на исследовательско-экспериментальной и теоретической стадии, но некоторые уже продвинулись до опытных демонстрационных образцов установок, а к коммерциализации подошли лишь единицы. В СССР, России и в Украине число патентов и авторских свидетельств на изобретения в даной области сравнимо, а возможно и превышает, число патентов в других вышеуказаных странах вместе взятых, однако до практического использования и даже до демонстрации экспериментальных установок в СНГ никто ещё не продвинулся.

ЯПОНИЯ:

В мае 1997 г. в Японии был организован координационный цнетр по волновой энергетики Japan Marine Science and Technology Center (JAMSTEC).

В Японии в эти годы сделали и испытали первую в мире крупномасштабную офшорную плавающую установку "Kaimei" в Японском море. Установка включала 9 генераторов на борту, которые были установлены выше волноприёмных камер, открытые ниже уровня воды. Волнение вызывало периодическое сжатие и разрежение воздуха, котоорый прогоняли через воздушные турбины с приводом на генераторы. Подобная идея была впервые воплощена инженером Масуда в 1960-х годах для энергоснабжения морских навигационных буёв.

После успешных испытаний установки "Kaimei" данный метод (OWC) стал весьма популярным и подобные по типу устройства стали делать в других странах. В Японии построили ещё подобную устаеновку "Mighty Whale", которую начали разрабатывать в 1987 г. Кроме того в Японии были сделаны другие по типу крупные волновые установки, вклюая Caisson-type Oscillating Water Column prototype, the Pendulor prototypes, the Constant-Pressure Manifold device, and the Water-Valve Rectifier device.

Ниже приводим их описание:

  1. 1. Caisson-type Oscillating Water Column. Эта установка была разработана в Port and Harbor Research Institute of the Ministry of Transport. Габаритные размеры каждого кессона составляли 20.9 m X 24.3 m X 27.0 m. Рабочая глубина воды составляла 18 м. Каждый кессон имел 4 открытых с фронтальной части отверстия, обращённых к набегающим волнам. Каждое отверстие соответствовало отдельному отсеку камеры, разделённых стенками-перегородками. Поршневое действие осциллирующих водяных колонн (OWC) вызывало движение воздуха через турбины Уэльса ("Wells" turbines - 1.34 m в диаметре, 16 лопастей). Использовали генераторы на 60 кВт каждый. Данный прототип испытывали в Японском море у порта Саката в префектуре Ямагата.

2. "Pendulor" Device

Данный тип установок разработан Muroran Institute of Technology and Cold-Region Port and Harbor Research Center.Подвесная пластина с фронтальными размерами 2.0 m X 6.5 m была усановлена внутри кессона. Движение волн вызывало колебание пластины, связанной штоком с гидронасосом, который приводил во вращение гидротурбину. Испытания проводили около порта Muroran Port острова Hokkaido.

  1. Constant-Pressure Manifold Device
  2. Установка данного типа была разработана компанией Takenaka Komuten Co и действовала с 1988 до 1997 г. недалеко от пляжа Kujukuri beach, Chiba Prefecture. Установка содержала 10 OWC-камер, соединённых через пропускающие в одну сторону клапаны с воздуховодом с постоянным давлением.

    При волнении поток воздуха прогонялся через турбину с приводом на 30 кВт-ный генератор переменного напряжения 200 В, 50 гц.

  3. Water-Valve Rectifier Device
  4. Установка размером порядка 20 м данного типа была разработана компанией Tohoku Power Co, Mitsui Engineering and Shipbuilding Co, и действовала с 1996 г.. недалеко от Haramachi в префектуре Fukushima. Камеры были снабжены водяными клапанами. Воздушный поток вращал турбину с тандеме с генератором на 130 кВт.

  5. Offshore Floating Device "Mighty Whale"

Установка разработана JAMSTEC, при финансовом участии Science and Technology Agency (STA).

This device has been developed by JAMSTEC, under funding from the Science and Technology Agency (STA). Envisioned applications include fish farming and coastal-water aeration. Work on this device has been in progress since 1987, and the final prototype design is based on results from a number of laboratory tests at progressively increasing scales. The prototype tends to resemble a whale in appearance, and is 50 m X 30 m X 12 m in overall dimensions. It is designed to float at a draft of 8 m at even keel, and is to be moored in a water depth of 40 m. The device has three oscillating water column chambers distributed breadth-wise.

Prototype construction is in steel and structural design is in accordance with NK (Japan Classification Society) Part P regulations for special-purpose floating platforms. The device has been in construction at the Ishikawajima Harima Heavy Industries (IHI) Aioi Shipyard in Hyogo Prefecture. A 1.7 m diameter, Aluminum-alloy, biplane (i.e. with tandem rotors), self-reciprocating Wells turbine is provided for each chamber. Each rotor has 8 camberless blades with the NACA 0021 profile. Four induction generators are used on board. Two of the four generators are rated at 30 kW, one at 50 kW, and one at 10 kW. A 7.5 kW air compressor is also provided. The total rated capacity is 110 kW, and automatically controlled switching circuitry selects the appropriate combination of generators at any given time.

ДАНИЯ:

Датская программа волновой энергетики является результатом политического соглашения в Датском Парламенте в 1966 г. Программа рассчитана на 4 года с бюджетом 40 миллионов Датских Крон. Целью программы является анализ и экспертиза возможных технологий получения энергии от волн с перспективой разработки Мегаваттных и Гигаваттных волновых энергоустановок. Во главе Программы стоит Датское Агентство Энергетики в сотрудничестве с Датской Ассоциацией Волновой Энергетики (DWEA). Данная ассоциация насчитывает около 120 членов.

 

WavePlane International A/S

A full-scale Waveplane would be 25m wide and would generate up to 4 MW. In average 1.5 m-high seas, more than 2,000 tonnes of water would pass through the machine every minute. It is claimed that, in series production, such a machine would cost £315,000- £410,000 and, if moored in a favourable site off the British coast, could generate about 7 GWh a year at an average cost of around 1.75 p/kWh. A 1/3-scale version capable of producing 600-800 kW is planned for November 1998.

Normally, the Waveplane will float on the surface, adjusting its pitch automatically to suit the wave conditions. In extreme weather, it will submerge itself using its seabed tether. Because it is such an efficient absorber of wave energy, it could double as a protective breakwater.

Further information on this device is available on Danish WaveEnergy's web site at http://www.waveenergy.dk.

ШВЕЦИЯ:

Sea Power International AB (publ.) – Интересы и рынок предполагаемого сбыта ВЭУ данной фирмы – Мальдивские Острова (Около Индии)

США:

OWECo (Ocean Wave Energy Company)

- одна из первых в мире компаний, начавшая разработки волновых энергоустановок – в виде навигационных буёв с автономным энергообеспечением от волн. Принцип работы – преобразование колебаний на волнах поплавков в движение воды в канале с помощью поршня с приводом гидротурбинки.

374's Electric Power Corporation

Renewable Energy Conversion Innovations

109 Main Street

Brockton Massachusetts 02301-4010

Phone: (508) 559-0999

Fax : (508) 559-1058

Email : Inquiries@374electric.com

1-6-ти Мегаваттная установка этой фирмы будет стоить 10-40 миллионов $US.

www.owec.com , www.owec.net , and www.owec.org . Your correspondence is encouraged or call 401-253-4488 (USA).

 

Великобритания:

Wavegen 50 Seafield Road, Longman Industrial Estate, Inverness IV1 1LZ, UK Telephone: +44 (0)1463 238094 Fax: +44 (0)1463 238096

Where to find us

E-Mail: enquiries@wavegen.co.uk

Wavegen

As world leaders of commercial wave powered electrical generation technology, Wavegen has pioneered the research, development and manufacture of several innovative marine power systems. Established in 1992, by Professor Alan Wells FRS inventor of the Wells Turbine, Wavegen has developed a range of energy modules for clients to exploit the unlimited wave energy resources in the shoreline, near shore and offshore environments.

Product types: ocean energy systems, ocean energy system components, wave powered electrical generation equipment, marine power systems.

ШОТЛАНДИЯ:

Небольшие береговые экспериментальные установки по типу OWC начали делать и испытавать в 1991 г. в университете г. Белфаста.

В августе 1995 г. фирмой Applied Research and Technology была создана ВЭУ Osprey I, по типу OWC, с максимальной мощностью 2 МВт с сдвоенной турбиной Уэльса. Стоимость проекта составила около 4 миллионов фунтов стерлингов. Это была первая коммерческая ВЭУ. Разрушена штормом.

В 1999 г. начаи строить ВЭУ Osprey II.

ПОРТУГАЛИЯ:

Крупный проект 0,5 Мегаваттной береговой ВЭУ по типу OWC на острове Pico (Азорские Острова), вложены и освоены уже несколько миллионов долларов. Размеры бетонной компрессионной камеры составляют 12х12 м, а воздуховод для воздушной турбины Уэльса имеет диаметр 2,3 м.

В Китае построены небольшие ВЭУ по типу OWC мощностью по 3 кВт.

В Индии построена ВЭУ на 150 кВт также по типу многорезонансных OWC с турбиной Уэльса около острова Тривандрум (1997 г. поданным профессора Raju and Ravindran, от которых мне был сделан запрос о моих разработках.

 

Политические и экономические аспекты

По теме использования энергии волн были проведены несколько международных конференций по Волновой Энергетике – в 1993 г. в Эдинбурге, в 1995 г. в Лиссабоне и в 1998 г. в Патрасе. Европейская Комиссия начала свою активность в данном вопросе в 1991 г. и в 1993 г. отобрала для практического осуществления два крупных проекта постройки мегаваттных пилотных установок по типу OWC на Озорских Островах (Португалия) и в Шотландии неподалёку от Даунрея (проект OSPREY).

Правительство Ирландии выделило на развитие Волновой энергетики 1 миллион фунтов стерлингов. Британское правительство также планирует финансировать данное направление ( по данным 1998 г.). Побережье Ирландии и Великобритании обладает особенно впечатляющими энергоруесурсами за счет морских волн.

По оценке (Lewis et al 1995) общий энергоресурс в Европе составляет порядка 1000 ТВт*час/год, причём 75% его приходится на Северо-Западное побережье, и 23,5% на Средиземноморье.

Мировые ресурсы волн как носителя энергии только на побережье составляют по разным оценкам 1700-43800 ТВт*час/год при суммарной мощности 200-5000 Гигаватт.

Из статьи Темеева А.А. о перспективах разработок поплавковых волновых энергоустановок (ПВЭУ).

Темеев Александр Архипович – профессор МосковскогоЭнергетического института, рук. фирмы “Прикладные Технологии”, получил грант от Европейской Комиссии на разработку ПВЭУ.

тел. 125-25-25 (д).

158- 40-98

.... Плавучие заводы:

1.Переработка морепродуктов

2.Химическое производство

3.Электролизное производство.

Переработка флоры и фауны морей в продукты питания и в сырье для технических нужд.

Переработка минерального сырья и полезных ископаемых с целью извлечения химически чистых веществ и соединений для промышленного использования.

Производство водорода и кислорода на основе электролиза воды; развитие на этой базе водородной энергетики с использованием экологически чистых тепловых машин и электрохимических генераторов.

Чрезвычайно широк круг возможных применений ПВЭС (см. таблицу). Так ПВЭС различной мощности могут быть использованы для энергообеспечения прибрежных и островных поселений. В качестве основных или аварийных энергоблоков ПВЭС могут быть также использованы для электроснабжения морских судов. Одномодульные ПВЭС уже сейчас используются в качестве источников питания для световых и радиомаяков. На базе маломощных ПВЭС возможно создание метеосистем, глобальных и региональных систем связи и навигации, систем телекоммуникации, а также аппаратуры аварийного индивидуального жизнеобеспечения и для других применений.

Мощные многомодульные связки ПВЭС могут служить хорошей энергетической базой для создания экологически чистых объектов перерабатывающей промышленности морского и прибрежного базирования. На таких объектах можно было бы осуществлять переработку морепродуктов; опреснять воду; организовать химическое производство на основе электролиза морской воды, а на основе электросинтеза получать мономеры и полимеры. В процессе электролиза морской воды помимо получения водорода и кислорода возможно производство озона, тяжелой воды, хлора, щелочей, различных солей, кисло и окислителей, многих других веществ и соединений для промышленного использования. Энергопромышленные комплексы на базе многомодульных ПВЭС явятся хорошей предпосылкой для развития возможностей и других областей экономики.

Энергия, вырабатываемая ПВЭС, может быть не только использована непосредственно объектами переработки или производства, но и накоплена с помощью различных аккумулирующих устройств для последующего использования.


Особенно перспективно использование мощных многомодульных ПВЭС для масштабного электролизного производства водорода, кислорода и озона. Использование ПВЭС, электролизеров и морской воды для производства водорода намного предпочтительнее основного процесса, используемого в настоящее время и основанного на конверсии углеводородов или нефтепродуктов. Тем более, что запасы этих ископаемых ресурсов сокращаются.

Возможно именно последнее обстоятельство определит нишу ПВЭС как незаменимого звена в проблеме становления экологически безопасной водородной энергетики на Земле.

СВЯЗЬ С ДРУГИМИ ПРОЕКТАМИ

Проект разработки поплавковых волновых энергоустановок в первую очередь тесно связан с очень важными и глобальными проектами

водородной энергетики и

проектами в области накопителей энергии.

Из печати:

Через 20 лет все автомобилисты забудут про бензин. На закончившейся в Лондоне конференции, посвященной путям развития автомобильных двигателей, автопроизводители и эксперты в области энергетики пришли к общему мнению: топливом будущего станет водород. Причина прежде всего заключается в том, что выхлопные газы двигателей, работающих на водороде, абсолютно безвредны, так как состоят только из воды и пара.

из статьи Студённикова в Интернете:

изобретено и патентуется по системе РСТ (международная заявка RU98/00190 от 07.10.97 г.) простое высокопроизводительное устройство для разложения воды и производства из нее беспрецедентно дешевого водорода методом гравитационного электролиза раствора электролита, получившее название “электроводородный генератор (ЭВГ)”.

Он приводится в действие механическим приводом и работает при обычной температуре в режиме теплового насоса, поглощая через свой теплообменник необходимое при этом тепло из окружающей среды или утилизируя теплопотери промышленных или транспортных энергоустановок. В процессе разложения воды подведенная к приводу ЭВГ избыточная механическая энергия может быть на 80 % преобразована в электроэнергию, которая затем используется любым потребителем на нужды полезной внешней нагрузки. При этом на каждую единицу затраченный мощности привода генератором в зависимости от заданного режима работы поглощается от 20 до 88 энергетических единиц низкопотенциального тепла, что собственно и компенсирует отрицательный термический эффект химической реакции разложения воды.

Один кубический метр условного рабочего объема генератора, работающего в оптимальном режиме с КПД 86-98 %, способен за секунду произвести 3,5 м 3 водорода и одновременно около 2,2 МДж постоянного электрического тока. Единичная тепловая мощность ЭВГ в зависимости от решаемой технической задачи может варьироваться от нескольких десятков ватт до 1000 МВт. Расчетный удельный расход энергии на производство газообразного водорода составляет 14,42 МДж?м-3.

Стоимость его производства (0,0038 $/ м3) становится в 1,5-2 раза ниже суммарной стоимости добычи и транспортировки природного газа. Широкий диапазон регулирования и неординарные удельные показатели процесса позволяют с гарантированным успехом применить изобретение в большой и малой энергетике, на всех видах транспорта, в сельском и коммунальном хозяйствах, в химической, цементной, целюлозно-бумажной, холодильной, атомной и космической промышленности, цветной и черной металлургии, при опреснении морской воды, проведении сварочных работ и т. д..

 

 

 

 

Используются технологии uCoz