В нашей стране интерес к волновым преобразователям возник в 20-30гг. XX века. В 1935г. наш великий соотечественник К.Э. Циолковский опубликовал статью «Волнолом и извлечение энергии из морских волн», в которой описал принципиальные схемы трех типов устройств и в настоящее время относящихся к разряду наиболее перспективных. В них без труда узнаем (рис. 2.1) аналоги будущих устройств разработанных Масудой, Кайзером, Коккереллом. Российский ученый К.Э. Циолковский считал, что первые две системы не оригинальны, но относительно новизны последней - контурного плота - не сомневался.

Рис. 2.1.

описанные К.Э. Циолковским: а,б - пневматические; в - контурный плот.

В 70-х годах прошлого века на Черном море испытывалась модель волнового плота. 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. (рис.2.2)

Рис. 2.2. 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.

В современной России существует множество разработок волновых электростанций, все они реализованы в той или иной степени. Одним из таких проектов является совместная разработка компании ОАО «OceanRusEnergy» и Уральский федеральный университет (УрФУ г. Екатеринбург).

Рис. 2.3.

При создании волнового движения в верхней и нижней точках прохождения волны, маятник совершает возвратно-поступательные движения, аккумулируя потенциальную энергию в пружине. При вращении вала генератора вырабатывается переменный ток. Для создания постоянного тока предусмотрены небольшие выпрямители (например, по схеме Ларионова), что позволяет осуществлять зарядку АКБ (аккумуляторная батарея).

Схема воздействия волны на поплавковый микромодуль волновой микро ЭС (ВГЭС) представлена на рис. 2.4.

волновой электростанция поплавковый микромодуль

Рис. 2.4

При испытаниях модуля ВГЭС имитировалась волновая качка Баренцева моря с периодом колебания волны от 1 до 3,5 секунд, среднегодовой скоростью ветра 7-9 м/с, расчетной гарантированной амплитудой колебаний (высота волны) 20 см и 30 см. Для имитации волн был использован кривошипно-шатунный механизм (КШМ) с продольным движением конечного звена - тяги. КШМ преобразовывал вращение вала двигателя в возвратно-поступательное движение тяги. В качестве привода был выбран асинхронный двигатель мощностью Р=1 кВт и частотой вращения n0 не менее 3000 об/мин. Редуктор был подобран из расчета передаточного отношения Z=25.

Использование в исследовании режимов имитации волн с амплитудой А=20, А=30, и периодом колебаний Т=2, 3, 3.5 с позволило получить необходимые электротехнические значения и характеристики для оценки генерируемой мощности и определить оптимальные и эффективные режимы работы исследуемой поплавковой ВГЭС.

Испытания на стенде проводились в лаборатории волновой энергетики Евроазиатского центра ВИЭ УрФУ. Испытуемый образец ВГЭС представлен на рис. 2.5.

Рис. 2.5.

Пример электротехнических параметров генерирующего модуля при постоянном токе(DC) представлен на графике.

График показателя мощности ВГЭС при амплитуде колебаний 0,2м и периоде 1 с.

Результаты экспериментов с имитацией волн разной амплитуды и периода колебаний волн Т показали, что генерируемая мощность одного модуля ВГЭС составляет 15-60 Вт. Увеличение мощности до уровня, нескольких кВт, решается за счет использования нескольких микромодулей ВГЭС, объединенных в единый кластер (рис.2.6)

Рис. 2.6.

Дальнейшее наращивание мощности ВГЭС до нескольких десятков и сотен кВт может быть реализовано путем сборки большего числа микромодулей в кластеры ВИЭ на базе волновых микромодулей (рис. 2.7).

Рис. 2.7.

Заключение

В случае непосредственного использования электроэнергии, вырабатываемой волновой станцией, для хозяйственных нужд ее нельзя рассматривать как самостоятельный источник. Непостоянство во времени и пространстве, сезонный характер самого ресурса требуют иметь в резерве какой-то дополнительный источник электроэнергии, либо подключать волновую электростанцию к энергосети, позволяющей за счет сторонних источников компенсировать снижение мощности из-за уменьшения волнения, либо, наконец, использовать аккумулирование энергии.

Еще одна трудность при создании волновых преобразователей - обеспечение их живучести в случае экстремальных волновых нагрузок, значительно превышающих расчетные режимы эксплуатации. Среднее значение мощности, для Северной Атлантики составляет примерно 50 кВт/м. Во время сильного шторма эта величина может достичь значения 2 МВт/м при высоте волн 15 м. Наблюдавшиеся в этом же районе максимальные волны (так называемые «пятидесятилетние волны») имели высоту до 34 м. Для этого района считается целесообразным разрабатывать устройства, рассчитанные на нормальную работу в диапазоне мощностей 50--150 кВт/м. Таким образом, чтобы противостоять штормам средней силы преобразователи энергии волн должны иметь установленную мощность, значительно превышающую среднюю. Это не спасает их от сильных штормов. Здесь предложено несколько вариантов защиты. Например, в случае такого шторма преобразователь может быть затоплен. Другой вариант -- так рассчитывать преобразователи, чтобы с увеличением волнения выше оптимального их эффективность падала. Однако, в любом случае возникают серьезные трудности при обслуживании, передаче энергии, удержании на якоре. Возникают даже совершенно новые проблемы. Например, срыв с якоря одного из точечных преобразователей может привести к разрушению соседних с ним устройств. Выбрасывание же на берег аварийных устройств может привести к опасности разрушения береговых сооружений.

Трудности создания энергетики на преобразовании энергии волн достаточно велики. Их преодоление потребует еще многих усилий разработчиков и ученых. В настоящее время в мире уже эксплуатируется около 400 автономных навигационных буев, использующих энергию воды. Однако уже в этом столетии прогнозируется возможное получение от океанских волн мощности не менее 10 ГВт (мощность Красноярской ГЭС около 12 ГВт).

Преимущества волновой энергии состоят в том, что она достаточно сильно сконцентрирована, доступна для преобразования и на любой момент времени может прогнозироваться в зависимости от погодных условий. Создаваясь под действием ветра, волны хорошо сохраняют свой энергетический потенциал, распространяясь на значительные расстояния. Например, крупные волны, достигающие побережья Европы, зарождаются во время штормов в центре Атлантики и даже в Карибском море.

Вашему вниманию представляется схема генератора волн Шумана на основе универсального таймера NE 555. Конструкция генератора проста и в особых настройках не нуждается. Особенностью схемы является бифилярная катушка, выполненная печатным способом.

Из страниц Википедии о резонансе Шумана называется явление образования стоячих электромагнитных волн низких и сверхнизких частот между поверхностью Земли и ионосферой .

Это глобальное явление электромагнитного резонанса названо в честь физика Винфрид Отто Шуман, который предсказал это математически в 1952 году. Резонанс Шуман происходит потому, что пространство между поверхностью Земли и ионосферой действует как замкнутый волновод-резонатор для низких и сверхнизких частотволн низких. Считается, что разряды молнии являются первичным естественным источником возбуждения резонанса Шумана. Наиболее чётко наблюдаются пики на частотах примерно 8, 14, 20, 26, 32 Гц. Основная частота резонанса Шумана - 7,83 Гц.

На данный момент в продаже имеется множество устройств генерирующих частоты резонанса Шумана. Считается, что волны Шумана благоприятно влияют на организм человека http://udalov-boris.narod2.ru/volni_shumana_i_mozg/ , а также этот генератор использует народ, как дополнительную «примочку» к своим музыкальным системам, для усиления восприятия музыкального произведения. Как выразился один друг, « помогает легче быть втянутым в музыку», но в этом случае необходимо поэкспериментировать с расположением девайса.

Рис.1 Схема генератора

Настройка частоты выполняется элементами R 1, R 2, C 1. Лучше использовать подстроечный резистор R 2 номиналом 100К. С его помощью выставляется частота 7,83 Гц. Резистор R3- токоограничивающий.

Рис.2 Печатная плата устройства

В нижней правой части Рис.2 разводка схемы питания на стабилитроне 7805.

Рис.3 Общий вид

Рис.4 Устройство в сборе

Энергия волн океанов превосходит по удельной мощности как ветровую, так и . Средняя мощность волн океанов и морей превышает 15 кВт на погонный метр, а при высоте волн в 2 метра, мощность может достигать и все 80 кВт на погонный метр.

При преобразовании энергии волн, эффективность может существенно превышать прочие альтернативные способы, такие как ветряные и солнечные электростанции, достигая коэффициента полезного использования в 85%.

Энергию из морской качки можно получить, преобразовав колебательное движение волн вверх и вниз в электрическую энергию посредством генератора. В простейшем случае генератор должен получать вращательный момент на вал, при этом промежуточных преобразований не должно быть много, а большая часть оборудования должна находиться по возможности на суше.

Первый промышленный вариант волновой электростанции, построенный шотландской компанией Pelamis Wave Power, был запущен в эксплуатацию в 2008 году в 5 километрах от берега в городе Повуа-ди-Варзин, в районе Агусадора в Португалии. Электростанция называется Pelamis P-750. Она состоит из трех одинаковых конвертеров, качающихся на волнах Атлантического океана, и вырабатывающих вместе 2,25 МВт электрической энергии. Каждый конвертер состоит из четырех секций.

Конвертеры имеют длину по 120 метров, диаметр 3,5 метра, а весят по 750 тонн. Эти конструкции змеевидной формы похожи на плавающие составы из четырех вагонов, или на морских змей, как их называют местные жители.

Каждая секция содержит гидравлический мотор и генератор. Гидравлические моторы приводятся в движение маслом, которое двигают поршни, управляемые, в свою очередь, движением стыков конструкций на волнах вверх и вниз. В стыках расположены специальные силовые модули, разработанные так, чтобы поршни работали наиболее эффективно.

Гидравлические моторы вращают генераторы, которые в свою очередь вырабатывают электричество. Электроэнергия подается на берег через силовые кабели. Этой энергии достаточно для обеспечения 1600 домов прибрежного городка Повуа-ди-Варзин.

В 2009 году у берегов Оркнейских островов, в северной части Шотландии, было запущено еще одно уникальное сооружение, вырабатывающее энергию благодаря волнам Северного моря. Это разработанный и построенный эдинбургской компанией Aquamarine Power, генератор «Oyster», что в переводе означает «Устрица».

Проект представляет собой большой поплавок-насос, который раскачивается волнами вперед и назад, и приводит, таким образом, в движение двухсторонний насос, расположенный на дне, на глубине около 16 метров.

Особенность конструкции в том, что вся электрическая часть устройства вынесена на берег, а связь между этими двумя частями – поплавком-насосом и береговой электростанцией - осуществляется через трубу, по которой морская вода под давлением устремляется к гидроэлектрогенератору.

Эта станция питает электроэнергией несколько сотен домов, а максимальная мощность, которую может развить система, составляет 600 кВт.

В Aquamarine Power уверены, что проект «Oyster» является лишь первым шагом. В компании подумывают о создании парка из 20 таких агрегатов, которые могли бы вырабатывать мегаватты электроэнергии для обеспечения 9000 частных домов. Еще одним вариантом может быть постройка комплекса из нескольких поплавков-насосов, работающих на одну мощную береговую гидроэлектрическую турбину.

В том же 2009 году в Великобритании, у побережья Корнуолла, началось строительство комплекса волновых генераторов Wave Hub, которые соединяются с берегом при помощи силового кабеля. Комплекс генераторов марки PowerBuoy, американской компании Ocean Power Technologies, работает за счет вертикального перемещения поплавков, которые скользят по колоннам, заякоренным у дна. Глубина, где установлены колонны, составляет 50 метров, а общая мощность системы из 400 буев составит в итоге 50 МВт.

Это крупнейшая волновая электростанция в мире, и ее строительство должно длиться по плану в течение 5 лет. Буи расположены в море начиная с расстояния 16 километров от берега, где расположен городок Хейли, и дальше, на протяжении 1800 метров, должны размещаться в общей сложности 400 таких буев. Проект постоянно (до сих пор) развивается, а данные о технических характеристиках везде разнятся. По последним неофициальным данным, достигнута максимальная мощность в 20 МВт.

Буи устроены следующим образом. Колонна содержит внутри генератор, который за счет системы поршней приводится в движение, и вырабатывает электричество, когда буй колеблется на волнах. от каждого буя передается по проводам на подводную подстанцию, от которой силовой кабель передает электроэнергию на сушу.

Энергия волн – энергия, которую волны переносят по поверхности воды. Это неисчерпаемый источник, пригодный для получения электричества. Для преобразования энергии волны в электроэнергию сооружают электростанции волновые. Их монтируют непосредственно в воду.

В перспективе волновая генерация может за год выдать 4 ТВт в прибрежных зонах и до нескольких десятков ТВт в открытом море.

Природа явления

Волнообразование – есть результат воздействия солнечных лучей. Солнце нагревает воздушные массы, из-за чего они перемещаются в пространстве. В процессе перетекания воздух соприкасается с поверхностью океана, инициируя возникновение волны.

Энергоемкость конкретного волнового вала определяется:

• силой ветров;
• продолжительностью порывов;
• шириной воздушного фронта.

Максимальное значение энергоемкости одной волны достигает 100 кВт на 1 м. Данный показатель существенно понижается на мелководье, что объясняется трением о дно водоема.

Принцип действия классической волновой электростанции

Осциллирующая водяная колонна с воздушной турбиной Уэллса являет собой классический, наиболее проработанный вид волновой электростанции. Аналогичное оборудование успешно функционирует как в море, так и в прибрежной зоне.

Принцип работы одинаков и для стационарных, и для плавучих моделей. Волной в, наполовину погруженной в воду, камере поднимается уровень воды. Благодаря заполнению внутреннего объема агрегата водой, воздух, находящийся внутри, под давлением выдавливается из сосуда. Образовавшиеся воздушные потоки пропускаются через лопасти реверсивной турбины низкого давления Уэллса. Когда возникает откат воды, воздух возвращается в камеру, минуя все те же турбинные лопатки. Уэллс добился сохранения направления вращения вала турбины вне зависимости от направления движения волны, что обеспечивает непрерывность передачи крутящего момента на вал генератора.

Турбина Алана Артура Уэллса избавлена от сложных механизмов измерения шага, а также систем клапанов. Агрегат имеет симметричное сечение и сравнительно большой угол атаки лопастей. В целом механизм характеризуется:

• малым отношением скорости вращения к скорости потока воздуха;
• высоким коэффициентом лобового сопротивления;
• периодическими провалами мощности;
• КПД на уровне 40-70%;
• шумностью – издаваемые им, звуки сопоставимы со звучанием огромного органа.

Совершенствование классической модели

Принцип действия подобных агрегатов сохраняется неизменным. Конструкторы пытаются изменить архитектуру камеры, чтобы добиться максимального сжатия воздушной массы внутри нее. Усовершенствованная модель камеры позволяет изменять ее объем и геометрию в зависимости от состояния акватории.

Эффективность этой идеи доказали и теоретически, и практически. В итоге удалось избавиться от перепадов мощности станции, обусловленных падением высоты волны, и защитить оборудование от чрезмерных нагрузок и разрушения во время штормов.

Такая станция с «дышащей» камерой функционирует в Атлантике у португальских берегов. Ее мощности в 750 кВт достаточно для обеспечения электричеством около 1000 семей. Там планируется создать огромный прибрежный генерирующий каскад.

В перспективе плавучие волновые станции этого типа будут строить там, где функционируют ветровые фермы, используя единую якорную систему для электростанций обоих видов.

Буй-генератор

Ocean Power Technologies (OPT) – инжиниринговая компания из Шотландии – представила PowerBuoy PB150. Это огромный буй длиной 42 м, удерживаемый одиннадцатиметровым поплавком и якорной системой. Мощность одной станции 150 кВт.

Агрегат способен преобразовывать в электроэнергию вертикальные колебания. Погруженная часть буя-генератора зафиксирована на дне якорной системой. Поплавок перемещается по вертикали в унисон колебанию морских вод — он закреплен на подвижном штоке. Шток – часть линейного генератора, который во время прохождения обмотки статора вырабатывает электричество.

Конструкция оснащена системой датчиков, благодаря которой можно вручную адаптировать ход штока согласно силе, высоте и частоте волн, добиваясь наиболее рационального режима работы оборудования. Во избежание аварий в периоды сильных штормов шток поплавка блокируется автоматически.

К месту дислокации агрегат доставляют буксиры. Несколько подобных буев, установленные рядом, использующие общую якорную систему и единый силовой контур, образуют волновую ферму. Для установки системы мощностью 10МВт необходимо 0,125 квадратных км водной поверхности. Первый такой буй разместили в 33 морских милях от Инвергордона (Шотландия). Анализ среды вблизи функционирующего генератора показал, что он экологически нейтрален.

Преимущества и недостатки

Преимущества волновой энергетики:

• волновая электростанция способна заменить волногасители, защищающие береговую линию и прибрежные сооружения от разрушения;
• волновые электрогенераторы малой мощности можно монтировать непосредственно на мостовых опорах, причалах, принимая мощность волн;
• удельная мощность волнения волн выше удельной мощности ветров на 1-2 порядка, соответственно волновая энергетика может оказаться выгоднее, нежели ветряная.

Недостатки:

• штормовая волна способна смять лопасти водяных турбин. Проблема решается методами искусственного уменьшения мощности, заключенной в волнах;
• некоторые типы генераторов представляют реальную угрозу для безопасности мореплавания;
• в местах установки отдельных видов агрегатов промышленное рыболовство становится невозможным.

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.