Реферативная работа по дисциплине «Общая энергетика»

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего образования
«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Кафедра электротехники и электромеханики
Реферативная работа
по дисциплине
«Общая энергетика»
Волновые электростанции как источник возобновляемой энергии

Руководитель работы,

канд. техн. наук, профессор В. В. Тиунов.
Выполнили студенты Д. А. Денисов
группы ЭС-13бз В. А. Бачев

Пермь 2016

Реферат

Реферативная работа, 23 с, 14 рис.,4 источника
ВОЛНОВАЯ ЭНЕРГЕТИКА, ВОЛНОВАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, СИЛОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ГЕНЕРИРУЕМАЯ МОЩНОСТЬ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ФЕРМА.
В данной работе анализируются общие тенденции развития энергетики на базе ВИЭ (возобновляемые источники энергии) в России и за рубежом. Обсуждаются перспективы развития в нашей стране волновой энергетики, как наиболее эффективного возобновляемого источника энергии. Приводится краткий обзор волновых электростанций уже построенных или находящихся на стадии строительства и проектирования, рассматриваются основные типы, технические характеристики и преимущества волновых электростанций.
Работа внедрена в учебный процесс Пермского национального исследовательского политехнического университета.
Введение

Около 80 % суммарного мирового потребления энергии сегодня пока еще обеспечивается за счет ископаемых органических ресурсов: нефти, угля и природного газа. В производстве наиболее ценного вида энергии - электрической - уголь, газ и нефть также являются превалирующими первичными источниками энергии (более 65 %), хотя значительный вклад в этот сектор энергетики вносят традиционные гидравлические и атомные электростанции (в сумме более 30 %). Известные сценарии развития человечества предсказывают существенное изменение топливно-энергетического баланса планеты уже в ближайшие десятилетия с неизбежным сокращением долей потребления нефти, газа и угля как по причине постепенного истощения их ограниченных дешевых запасов, так и по экологическим причинам (эмиссия СО2 и другие вредные воздействия традиционной энергетики на окружающую среду). Все эти сценарии указывают на необходимость широкого освоения экологически чистых возобновляемых источников энергии (ВИЭ) уже в ближайшее время. Ресурсы ВИЭ во много раз превосходят сегодняшний и прогнозируемый на обозримый период времени уровень энергопотребления. Использование ВИЭ, как правило, не оказывает серьезного негативного воздействия на окружающую среду, в большинстве своем они являются экологически чистыми и повсеместно доступными источниками энергии. В отличие от ископаемых (в том числе ядерных) видов топлива, ресурсы ВИЭ более-менее равномерно распределены по территории земного шара, не находятся в монопольном владении ограниченного числа стран. Поэтому рассматриваются как источники энергии, использование которых способствует повышению энергетической безопасности многих стран, снижению зависимости от импорта энергетических ресурсов и соответственно укреплению политической стабильности в мире.

Первый серьезный всплеск интереса к ВИЭ в мире возник как результат так называемого «Мирового энергетического кризиса», разразившегося в середине 70-х годов прошлого столетия. Была начата разработка крупных национальных и международных программ исследований, разработок и практического освоения ВИЭ. Затем к концу 80-х годов интерес к ВИЭ несколько угас в связи со снижением цен на нефть на мировом рынке. Однако в 90-х годах и особенно в начале нового века в связи с новым резким ростом нефтяных цен и ростом озабоченности изменением климата усилия большинства ведущих стран мира в области ВИЭ были многократно усилены. В результате активных исследований и разработок и реализации крупных демонстрационных проектов было обеспечено существенное снижение стоимости энергии, получаемой от альтернативных источников, повышение конкурентоспособности многих энергетических технологий использования ВИЭ и наметился заметный рост их вклада в энергобалансы стран и регионов.
Одним из наиболее перспективных направлений использования ВИЭ является применение ВГЭС (волновые гидроэлектростанции). Разработки в данном направлении ведутся во многих странах мира, в том числе и России. В работе рассмотрены основные типы ВГЭС, разработанные и применяемые на сегодняшний день.
1. Принцип действия и разновидности ВГЭС

Волновая гидроэлектростанция (ВГЭС) - это тип гидроэнергетических установок, получающих электричество из кинетической энергии морских волн.

В основе работы различных волновых установок лежит использование или скорости жидкости, или изменений угла наклона волновой поверхности, или изменений гидростатического и полного гидродинамического давления волн.
Независимо от типа все волновые установки состоят из трех основных частей: рабочего тела, силового преобразователя, системы крепления. Функциональное назначение каждой из частей состоит в следующем:
Рабочее тело находится в непосредственном контакте с водой, совершает под действием волн те или иные движения или изменяет тем или иным образом условия движения волны. В качестве рабочего тела выступают поплавки, водяные колеса или турбины, волноотбойные устройства, набережные стенки и другие сооружения. Рабочее тело преобразует энергию воды в какой-либо другой вид энергии, более удобный для дальнейшего преобразования.
Силовой преобразователь предназначен для преобразования энергии, запасенной рабочим телом (механической энергии движения рабочего тела, перепада уровней в бассейнах, давления воздуха или масла), в энергию, пригодную для передачи на расстояние или для непосредственного использования. В качестве силовых преобразователей выступают многочисленные гидравлические, как правило, поршневые насосы, зубчатые, цепные, тросовые передачи, гидравлические турбины и водяные колеса, воздушные турбины, другие известные или специально усовершенствованные устройства.
Система крепления удерживает на месте волновую установку. Если установка располагается на берегу, то в качестве системы крепления выступает сама конструкция установки. Волновые установки, размещаемые в акваториях, крепятся с помощью монолитных, столбчатых или рамных опор, цепей или тросов, прикрепляемых ко дну с помощью жестких конструкций или якорей. Гибкими связями установка может быть соединена и с транспортирующим ее судном. Имеются предложения, в соответствии с которыми плавучая волновая установка не имеет креплений и находится в дрейфе, а запасенная аккумулированная энергия снимается с установки через достаточно длительные промежутки времени.
Различают следующие основные типы волновых энергетических установок:
Поплавковые волновые электростанции.
Волновой преобразователь типа «Утка Солтера»
Шарнирные контурные преобразователи
Переливные преобразователи
Турбина Уэлса
Клиновидные канальные системы
Система «Wavegen»
В основе работы поплавковой волновой электростанции (рис.1.1) различные механические преобразователи, электрогенератор и накопитель энергии, размещенные внутри герметичной капсулы - поплавка. Капсула - поплавок имеет форму цилиндра. Механический преобразователь энергии волн состоит из колебательной системы и механического привода, раскручивающего электрогенератор.
Служат для энергообеспечения прибрежных и островных поселений, аварийных систем жизнеобеспечения, метеорологических систем радиомаяков, глобальных и региональных систем навигации и связи и др.
Мощные поплавковые волновые электростанции, представляющие собой плавучие заводы, обеспечивают переработку морепродуктов, химическое производство, электролизное производство, переработку флоры и фауны морей в продукты питания и в сырье для технических нужд и т.п.
Мощности маломощных поплавковых волновых электростанций достигают десятка кВт, мощных модульных (проекты) - до десятков МВт.
В настоящее время волновые энергетические установки такого типа используются преимущественно для энергопитания автономных буев, маяков, научных приборов. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас.



Рис. 1.1. Поплавковая волновая электростанция.

Волновой преобразователь «Утка Солтера» (рис. 1.2) представляет собой поплавковый преобразователь волновой энергии, рабочей конструкцией которого является поплавок («утка»), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики. Мощность электростанций с таким преобразователем достигает 1 МВт. Разработан проект более мощной установки типа «Утка Солтера» из 20-30 поплавков диаметром 15 м, укрепленных на валу, длиной 1200 м. Предполагаемая мощность установки 45 МВт.

Рис. 1.2. Волновой преобразователь типа «Утка Солтера»

Рассмотренные выше поплавковые устройства являются точечными абсорберами, поскольку взаимодействуют с относительно небольшой площадью поверхности моря (океана). Для выработки большей мощности необходимо использовать одновременно несколько подобных устройств. Решение, предложенное шотландской фирмой «Pelamis Wave Power»(Великобритания), хотя и использует, как и вышеупомянутые устройства, поплавковую систему, но обеспечивает возможность съема энергии с достаточно большой площади водной поверхности.

Шарнирный контурный преобразователь «Pelamis» (рис. 1.3), номинальной мощностью 750 кВт, созданный и находящийся на испытаниях в Европейском центре морской энергетики (European Marine Energy Centre) в Оркни (графство Шотландии), состоит из четырех плавающих на поверхности стальных цилиндрических сосудов диаметром 4,63 м, последовательно соединенных шарнирами. Общая длина системы, похожей на змею, составляет 150 м. Сила, действующая на соединяющие сосуды шарниры при их относительном перемещении на волне, передается на поршни силовых цилиндров, сжимающие масло в буферной емкости-аккумуляторе, которое из нее направляется в гидравлические моторы, соединенные с шестью электрогенераторами мощностью по 125 кВт. Система заякорена в трех точках так, что установка «Pelamis» может самостоятельно выстраиваться перпендикулярно движущемуся волновому фронту и двигаться в резонансе с волной.
Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии. Считается, что эффективно волновые станции могут работать при использовании мощности около 80 кВт/м. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока в 2-3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости.



Рис 1.3. Шарнирный контурный преобразователь.

Переливные преобразователи (рис. 1.4) датской компании «Wave Dragon ApS» являются примером реализации простейшего принципа преобразования волновой энергии. Они состоят из большого плавающего резервуара или бассейна, приподнятого на несколько метров над уровнем моря. Волны, концентрируемые двумя отражающими экранами, накатываются на наклонную плоскость, и вода переливается в бассейн. Из бассейна она через несколько осевых поворотно-лопастных водяных турбин Каплана сливается в море, обеспечивая выработку электроэнергии. Одним из достоинств такой волновой энергоустановки является отсутствие движущихся частей, кроме турбин и генераторов.

Создатели уверены, что установка будет выдерживать большие напоры ветра (благодаря ее низкой посадке в воде) и большие волны, которые просто будут проходить над сооружением. Прототип такой установки шириной 57 м с расчетной мощностью 20 кВт работает с марта 2003 г. Разработчики вполне оптимистичны относительно эксплуатационных показателей этой установки. Однако у нее существует один очевидный недостаток высокая материалоемкость, т.е. отношение массы установки к установленной мощности. Установка, рассчитанная на электрическую мощность 4 МВт, ориентировочно должна иметь ширину 300 м и весить более 30 000 т!

Рис. 1.4. Переливный преобразователь.

В «Турбине Уэллса» ротор обладает выпрямляющим действием, сохраняя неизменным направление своего вращения при смене направления воздушного потока, следовательно, поддерживается неизменным и направление вращения генератора. Турбина нашла широкое применение в различных волновых энергетических установках, таких как «Каймей» (Япония), «Моллюск» (Великобритания) и др.

Клиновидные канальные системы (рис. 1.5) могут фокусировать относительно большие волновые фронты в гораздо меньшую по размерам апертуру энергетического преобразователя. Оригинальная волновая энергоустановка была разработана норвежской компанией «Norwave». Система была продемонстрирована в фиорде Тофтесталлен близ Бергена (Норвегия). Узкий наклонный клиновидный бетонный канал с высокими стенками соединяет океан с заливом, отделенным от моря плотиной. Волны, проникая в канал, движутся по нему с нарастанием по высоте; достигшая конца канала вода выливается в образовавшийся водный резервуар. Уровень воды в резервуаре по отношению к уровню воды в море повышается. Разность уровней воды используется в гидротурбине, генерирующей электрическую энергию. Основная техническая задача - заставить волну идти в канал, который должен быть построен так, чтобы выдерживать значительные штормы. Генерирующим оборудованием в установке является обычная низконапорная гидротурбина, которая должна надежно работать на соленой морской воде. Норвежский прототип обладает скромными размерами: электрогенератор имеет мощность 350 кВт, площадь поверхности отделенного от моря резервуара 5 500 м,2 расчетный уровень воды в нем всего на 3 м выше, чем в море. Построенная плотина имеет ширину 60 м, а ширина бетонного канала со стороны моря 3 м, а на противоположном конце 20 см. Длина канала 80 м, его глубина - 7м. Система рассчитана на средний расход воды 14 м3 /с. Соответствующая располагаемая гидравлическая мощность составляет немногим более 400 кВт, что достаточно для работы турбины мощностью 350 кВт.
Существенным недостатком рассмотренной системы является то, что количество благоприятных мест со стабильным волновым режимом и возможностью создания отдельных береговых водных резервуаров с малой подземной фильтрацией воды весьма ограниченно. Высота морского прилива в таких местах должна быть небольшой (до 1 м).



Рис. 1.5. Клиновидная канальная система.

Система «Wavegen» (рис. 1.6) была реализована шотландской компанией «Wavegen» и подготовлена к испытаниям в ноябре 2000 г. Она носит название «LIMPET» (Land lsland Marine Powered Energy Transformed) и является не коммерческим проектом, а только объектом опытно-конструкторских и исследовательских работ. Эта установка - результат масштабирования прототипа мощностью 75 кВт, который работал с 1991 по 1999 г. «LIМРЕТ» установлена на о. Айлей (Великобритания) и имеет мощность 500 кВт. Эта мощность вырабатывается колеблющимся под действием волн столбом воды.

Один конец наклонной бетонной конструкции, имеющей вид трубы, открыт в море. Волны приводят к подъему воды в трубе и изменению давления воздуха внутри трубы. В результате движущийся в разных направлениях поток воздуха приводит в движение воздушную «Турбину Уэлса», расположенную над осциллирующим водным столбом. Основной особенностью этой турбины является то, что и прямой, и обратный потоки воздуха приводят турбину в одностороннее вращательное движение. Вход для воды представляет собой шесть шестиметровых прямоугольных каналов, противоположные концы которых соединены с входным отверстием турбины. Установка имеет две воздушные «Турбины Уэлса» диаметром 2,6 м каждая. В зависимости от интенсивности волн турбины вращаются с частотой от 700 до 1500 об/мин. Энергоустановка снабжена электрическим преобразователем, обеспечивающим выдачу в местную электрическую сеть электроэнергии со стабильными напряжением и частотой независимо от частоты вращения турбин. Наряду с другими достоинствами «LIMPET» оказывает минимальное воздействие, как на ландшафт, так и на фауну и флору. Разработчики системы ведут проектирование туннеля в береговом откосе на Фарерских островах (Дания) с целью создания энергоустановки проектной мощностью 100 МВт.



Рис. 1.5. Система «Wavegen».

. Развитие волновой энергетики в России

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. Варианты преобразователей энергии волн,
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).
Разрабатываемый образец волновой энергоустановки поплавкового типа представляет собой закрытую металлическую капсулу отрицательной плавучести для испытаний в имитирующих морское волнение условиях. Корпус ВГЭС (волновая гидроэлектростанция) выполнен из стального трубного проката диаметром 180мм, внутри которого подпружинен маятник. Внутри корпуса маятника закреплен небольшой трехобмоточный генератор переменного тока. На приводном валу генератора расположено зубчатое колесо, которое перемещается в зацеплении с рейкой, продольно закрепленной внутри корпуса волнового генератора. Волновая электрогенерирующая установка состоит из вертикально расположенного цилиндрического корпуса с размещенным в нем механическим преобразователем энергии морских волн. Последний включает в себя пружину с грузилом, винтовую пару, муфты, переходник, паразитную шестерню, генератор. Конструкция имеет встроенный мультипликатор, при этом вращение генератору передается от винтовой пары через муфты, шестерни и мультипликатор, а муфты выполнены шестеренчатыми обгонными. Особенностью цилиндрического корпуса ВГЭС является то, что он содержит в себе два блока, разделённых перегородкой: разгонный, включающий винтовую пару, пружину и грузило (рис.2.3) и генерирующий, включающий шестеренчатые обгонные муфты, переходник, паразитную шестерню, мультипликатор и генератор.



Рис. 2.3.Вид расположения элементов конструкции блока ВГЭС

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 Схема воздействия волны на микромодуль ВГЭС

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. Общий вид исследовательского образца ВГЭС в лаборатории УрФУ

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. Схема кластера ВГЭС из 4-х микромодулей.

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. Схема энергетической фермы на базе волновых микромодулей

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.
Список использованных источников

Елисеев А.В., Велькин В.И., Щеклеин С.Е., Разработка исследовательского волнового буя для мониторинга акватории мира.//Сб. трудов Всероссийской НПК «Развитие Арктики и приполярных регионов», Екатеринбург, УрФУ, 2014. С.211-216.

Казанцев В.П. Общая энергетика. Издательство Пермского государственного технического университета 2009. С.223-225.
Коробков В.А. Преобразование энергии океана. СПб.: Издательство «Судостроение», 1986. С.132-160.
Роза А. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы: учебное пособие А. да Роза; пер. с англ. под редакцией ел. Малышенко, О.С. Попеля. Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект»; М.: Издательский дом МЭИ; 2010. С.677-688.