Волновая электростанция

Землетрясения

Разрушительный эффект землетрясения является значимым доказательством присутствия переносимой волнами энергии. Шкала Рихтера связана с амплитудой и количеством энергии

Энергетические эффекты основываются на времени и амплитуде. К примеру, чем длиннее ультразвук, тем больше энергии транспортирует. Волны могут быть концентрированными и распределенными. Например, если сфокусировать солнечный свет, то он может поджечь древесину. Чем дальше землетрясение распространилось от источника, тем меньше разрушений. Эти факторы включены в определение интенсивности (I), как мощность на единицу площади:

I = P/A (P –­ мощность, переносимая волной сквозь область A).

Среди новых и уже испытуемых технологий можно выделить следующие наиболее перспективные проекты:

• Волновые аттенюаторы (например, Pelamis Wave Energy – преобразователь волновой энергии в виде змеевидных устройств, наполовину погруженных в воду — см. рис.)
• Волновые генераторы на принципе обратного маятника (Inverted Pendulum, например, bioWAVE, в котором ряд поплавков или лопастей взаимодействует с колеблющейся морской поверхностью (потенциальной энергией) и подводными течениями (кинетической энергией), конвертируя энергию волн в электричество специальным конвертирующим модулем);
• Генераторы с жидким/газообразным рабочим телом (включая SDE Wave Power, использующий гидродинамическую энергию волн для приведения в движение пистонов в гидравлическом моторе или Archimedes Wave Swing-III ряд устройств из множества уловителей волновых колебаний на гибкой мембране, конвертирующих энергию волн в пневматическую энергию посредством сжатия воздуха в каждом устройств).

По материалам компании Branan

Можно ли заработать на микрогенерации?

Для того, чтобы понять, какие суммы можно выручить, продавая вырабатываемую в личном хозяйстве электроэнергию, рассмотрим такой пример. Представим себе загородный дом в Московской области, где проживает семья из трех человек. Дом имеет современное высокоэффективное оборудование, электричество для отопления не используется, но на нем готовят еду. Такой дом будет потреблять около 200 кВтч в месяц, что соответствует энергопотреблению 2400 кВтч в год.

Дом питается от солнечной электростанции. Она спроектирована таким образом, чтобы в самый проблемный для солнечной генерации месяц декабрь дом полностью обеспечивался электричеством за счет солнечных панелей. Дом подключен к электросети, но только для продажи в нее излишков электроэнергии.

В Московской области 1 кв. м современных солнечных панелей при их правильной установке может дать за декабрь 4 кВтч электроэнергии с учетом всевозможных потерь. Значит, необходимо иметь 50 кв. м солнечных панелей. Они вполне могут поместиться на крыше дома, не занимая дорогостоящую подмосковную землю.

Наибольшая генерация достигается в июле, когда за месяц один кв. м. солнечных батарей способен дать 57 кВтч. Соответственно, вся установка даст за месяц 2850 кВтч, из которых излишек в 2650 кВтч можно продать.

За весь год 1 кв. м солнечных батарей вырабатывает 200 кВтч, для 50 кв. м этот показатель составит 10 000 кВтч. То есть в год мы получаем излишек энергии 7600 кВтч. Этот излишек образовался за счет того, что выработка электроэнергии зависит от времени года, но электростанция должна давать достаточное для нужд владельца количество электроэнергии даже зимой.

Масштабы выработки электроэнергии при микрогенерации не настолько значительны, чтобы говорить о каком-то серьезном заработке. Основная цель продажи излишков электроэнергии — обеспечить окупаемость электростанции в разумные сроки

Стоимость рассматриваемой солнечной электростанции с учетом доставки и установки составляет около 500 000 руб. Для простоты расчетов предположим, что тариф 6 руб. за кВтч не меняется на протяжении многих лет. За год солнечная электростанция позволяет экономить электроэнергии на сумму 6 руб./кВтч * 2400 кВтч = 14 400 руб. Если отсутствует возможность продажи излишков электроэнергии, то срок окупаемости составит 500 000 руб. / 14 400 руб. в год = 34,7 года. Заявленный срок службы солнечных электростанций для бытовых применений, как правило, составляет 25 лет, но некоторые элементы электростанции, такие, как аккумуляторы, приходится заменять еще раньше. То есть электростанция себя не окупит, если только не произойдет резкий скачок цен на электроэнергию, который в условиях нашей страны предсказать невозможно.

При продаже излишков электроэнергии экономия электричества и выручка от продажи суммируются. В общей сложности ежегодно эксплуатация личной электростанции дает ежегодно выигрыш в размере 22 800 + 14 400 = 37 200 руб. Срок окупаемости электростанции уменьшается до 500 000 руб. / 37 200 руб. в год = 13,4 лет. Электростанция окупит себя полностью и во второй половине заявленного срока эксплуатации начнет приносить небольшую прибыль.

Морской змей

Рассказы средневековых мореходов о гигантских морских чудовищах вызывают у нас снисходительную улыбку. Но в XXI веке встречи с гигантскими морскими змеями могут стать вполне обыденными. Целые косяки таких монстров вскоре могут появиться у берегов Шотландии и в Северном море. Несмотря на устрашающий внешний вид, они совершенно безвредны. Более того, пожирая волны, чудовища будут снабжать электричеством прибрежные города. Одно из них было описано более десяти лет назад физиками Ричардом Йеммом, Дэйвом Пайзером и Крисом Ретцлером. Концепция электрического морского змея так понравилась инвесторам, что за это время троица из Эдинбурга сумела собрать более $100 млн для создания промышленного прототипа.

Гигантский 42-метровый буй компании Ocean Power Technologies преобразует энергию волн в электричество посредством линейного генератора, установленного на подвижном штоке поплавка. PowerBuoy 150 оснащается комплексом датчиков, позволяющих в режиме реального времени адаптировать ход штока к силе, высоте и частоте набегающей волны, сохраняя оптимальный режим работы генератора.

Волновой преобразователь Pelamis — это полупогруженная в воду модульная система из четырех 45-метровых герметичных цилиндрических секций, соединенных шарнирами. Более половины массы «змея» занимает балластная вода. Качание секций диаметром по 4,5 м на волнах приводит в движение поршни гидравлических насосов, которые нагнетают рабочую жидкость через компенсирующие аккумуляторы на гидравлические моторы. Моторы вращают электрические генераторы, производя энергию. Секции связаны между собой динамическим силовым кабелем, проходящим внутри шарниров. Напряжение от хвостовой секции 180-метрового туловища «змея» поступает по кабелю на трансформатор, расположенный на дне моря. А оттуда — на наземные сети. Из нескольких 750-киловаттных Pelamis, прикрепленных к дну моря, можно выстраивать большие энергофермы. Плотность группировки весьма высока — для фиксации преобразователей суммарной мощностью 30 МВт требуется не более 1 км² морского дна.

Но у стального Pelamis вскоре может появиться опасный конкурент. Это Anaconda, «выращенная» компанией Checkmate Sea Energy. 200-метровая рептилия с «кожей» из ткани, натуральных смол и каучука, ценой $3 млн способна вырабатывать до 1 МВт электроэнергии, расслабленно качаясь на волнах. Метод генерации электричества, примененный в Anaconda, потрясающе остроумен. Внутри брюха змеи находится эластичный контейнер с морской водой, выполняющей сразу две функции: она служит балластом для оптимального притапливания установки и рабочим телом. Извиваясь под самой поверхностью волны под углом к ее фронту, Anaconda разгоняет воду от головы до хвоста через каскад невозвратно-запорных клапанов. В хвосте «змеи» находятся гидравлический аккумулятор и гидротурбина. В результате растягивания каучуковой «шкуры» возникает нечто вроде пульсации крови в артериях. Мощный поток раскручивает лопатки турбины, отдавая кинетическую энергию генератору. Потерявшая энергию отработанная вода через выпускной клапан и ресивер низкого давления возвращается в контейнер.

В 2008 году британцы обнародовали свою концепцию, а уже через год построили восьмиметровый прототип морской змеи. Испытания машины в волновом бассейне технопарка Госпорт показали феноменальные результаты — крохотная Anaconda выжимала из волн практически всю энергию! Кроме того, благодаря своей эластичности она легко выдерживала экстремальные волны и была абсолютно не подвержена коррозии. По замыслу разработчиков, выводок из 50 и более «анаконд» сможет обеспечить электричеством городок среднего размера. Инвесторы воодушевлены таким началом и намерены вывести установку на рынок уже в 2014 году. Стоимость киловатта «змеиного» электричества обещает стать самой низкой на рынке — порядка 14 центов. Не в последнюю очередь за счет высочайшей надежности, мизерных затрат на обслуживание и способности эффективно работать на весьма слабой волне энергоемкостью всего около 25 кВт на метр фронта.

Статья «Cерфинг на тераватт» опубликована в журнале «Популярная механика»
(№5, Май 2011).

Среди новых перспективных разработок выделяются:

Летающие ветряные турбины:

Makani Airborne Wind Turbine — на 90% легче традиционных турбин, запускается с использованием электрического двигателя, способна генерировать электричество на низких скоростях ветра;

Altaeros Airborne Wind Turbine — использует наполненную гелием оболочку для подъема на большие высоты;

Magenn Air Rotor System (M.A.R.S.) — MARS улавливает энергию ветра на высоте от 200 до 300 метров, а также струйные потоки воздуха, возникающие практически на любой высоте;

Генерация на ветрах низких скоростей

Wind Harvester — новая модель ветрогенератора основывается на возвратно-поступательном движении с использованием горизонтальных аэродинамических поверхностей;

Ветряная линза

Ветряная линза (Япония, университет Кюсю) — направленное внутрь изогнутое кольцо, располагающееся по периметру окружности, описываемой лопастями турбины при вращении. Увеличивает мощность ветряной турбины втрое при одновременном уменьшении уровня шума, имеет наибольший потенциал использования в открытом море;

Ветряные турбины с вертикальной осью

Windspire — вертикальная турбина высотой около 10 метров и шириной

около полутора метров, применима к использованию в городских

условиях (Рисунок 4).

Наиболее перспективными технологиями в ветроэнергетике станут те, что

позволят снизить зависимость их эффективности от размеров турбин,

как, например, Wind Harvester или Windspire.

Makani Airborne Wind Turbine

 Altaeros Airborne Wind Turbine

Технические аспекты присоединения

Внесенные в Госдуму поправки к закону «Об энергетике» упрощают подключение объектов микрогенерации к электросети с целью продажи излишков электроэнергии. Для них отменяется согласование с Ростехнадзором, но это не означает, что вам не придется согласовывать продажу энергии со своей сбытовой организацией. Конкретные технические детали подключения в законопроекте не прописаны, для них придется создавать множество подзаконных актов.

Технически в передаче электроэнергии от клиента в сеть ничего сложного нет. В импортных моделях солнечных электростанций такая функция, как правило, есть, и пока российским пользователям ее приходится отключать. Используется инвертор, частота которого подстраивается под частоту напряжения в сети, чтобы обеспечить полную синхронность

Важно, чтобы инвертор давал чистую синусоиду, а не ее аппроксимацию. Для того, чтобы не было перекоса фаз, рекомендуется трехфазное подключение к сети

Не исключено, что наличие в доме трехфазного подключения (а для современных индивидуальных построек это вполне обычное дело) будет указываться сбытовыми компаниями в качестве обязательного условия для разрешения клиенту продажи излишков электроэнергии.

Также придется поменять счетчики электроэнергии. Большинство существующих моделей электрических счетчиков одинаково учитывают как принимаемую из сети энергию, так и поставляемую в нее. Кстати, это приводит к курьезным случаям, когда для обеспечения резервного питания владелец солнечной электростанции подключает ее к сети, забыв отключить функцию передачи в сеть излишков электроэнергии. В итоге счетчик начинает крутиться с удвоенной скоростью.

На первых порах из-за небольшого числа объектов микрогенерации и малой мощности, отдаваемой ими в сеть, никаких изменений в системы управления электросетями вносить не придется. В более отдаленной перспективе (вторая половина 2020-х годов) бурное развитие микрогенерации будет сопровождаться тотальной цифровизацией электрических сетей, что полностью решает проблему управления распределенной генерацией.

Преимущества и недостатки волновой энергетики

Существует проблема, связанная с тем, что при создании волновых электростанций штормовые волны гнут и сминают даже стальные лопасти водяных турбин. Поэтому приходится применять методы искусственного снижения мощности, отбираемой от волн.

Преимущества

• Волновые электростанции могут выполнять роль волногасителей, защищая порты, гавани и берега от разрушения.
• Маломощные волновые электрогенераторы некоторых типов могут устанавливаться на стенках причалов, опорах мостов, уменьшая воздействие волн на них.
• Поскольку удельная мощность волнения на 1-2 порядка превышает удельную мощность ветра, волновая энергетика может оказаться более выгодной, чем ветровая.

Недостатки

С точки зрения социально-экономических проблем, волновая энергетика (а точнее некоторые типы генераторов) может привести к вытеснению рыбаков из продуктивных рыбопромышленных районов и может представлять опасность для безопасного плавания.

Генераторы с кривой пилообразного напряжения

В некоторых устройствах, например в электронных осциллографах, необходимо иметь напряжение, кривая которого имеет пилообразную форму (рис. 13-53).

Рис. 13-53. Кривая пилообразного напряжения.

Кривая должна иметь нарастающую часть возможно близкой к прямой линии, возможно большую крутизну спадающей части и возможность широкого регулирования длительности периода зуба или соответственно частоты пилообразного напряжения.

Одна из возможных схем генератора с пилообразным напряжением дана на рис. 13-54.

Рис. 13-54. Схема генератора пилообразного напряжения.

После включения постоянного напряжения на входные зажимы генератора конденсатор С будет заряжаться через сопротивления R и R ‘. При этом напряжение на зажимах конденсатора и на цепи лампы-увеличивается по кривой Оаб до величины зажигания тиратрона (точка б кривой рис. 13-53). С этого момента конденсатор быстро разряжается через тиратрон, так как при зажигании тиратрона его сопротивление уменьшается до незначительной величины и сопротивление цепи тиратрона становится во много раз меньше сопротивлений R и R ‘.Разряд конденсатора и уменьшение напряжения на его зажимах происходит очень быстро и продолжается до тех пор, пока тиратрон не погаснет (точка а’ кривой рис. 13-53). После этого конденсатор снова начнет заряжаться, а напряжение на его зажимах увеличиваться (кривая а б’) и т. д.

Из изложенного следует, что напряжение U_вых на выходных зажимах генератора будет изменяться пилообразно (кривая а, б, а’, б‘, а», б»» и т. д.).

Изменяя потенциал сетки тиратрона,можно регулировать напряжение зажигания тиратрона, а следовательно, и величину пилообразного напряжения. Частоту пилообразного напряжения регулируют изменением сопротивления R’ и изменением емкости конденсатора С.

Так как процесс ионизации и деионизации в тиратроне требует некоторого времени, то генераторы на тиратронах применяютcя для получения пилообразного напряжения частотой не выше 50 кгц. Для получения напряжения более высокой частоты применяют генераторы на электронных лампах.

Энергия и частота

Если смотреть с позиции классической волновой теории, то энергия не основывается на частоте волны. Но в микроскопическом мире этого правила не придерживаются. Эйнштейн объяснял фотоэлектрический эффект так: фотон транспортирует определенный энергетический запас, пропорциональный частоте света. Можно увеличить количество фотонов, если повысить интенсивность пучка, а энергия отдельных фотонов в нем вычисляется по частоте пучка.

История

• 1799 год. Первая заявка на патент волновой мельницы. Заявка подана в Париже, Франция.
• 1880 — 1900 год. Многочисленные попытки использовать энергию волн для получения электричества.
• 1973 год. Увеличение интереса к волновой энергии после нефтяного кризиса.
• 2008 год. Первая волновая электростанция вошла в коммерческую эксплуатацию.

Первая волновая электростанция

Первая волновая электростанция расположена в районе Агусадора, Португалия, на расстоянии 5 километров от берега. Была официально открыта 23 сентября 2008 года португальским министром экономики. Мощность данной электростанции составляет 2,25 МВт, этого хватает для обеспечения электроэнергией примерно 1600 домов. Первоначально предполагалось, что станция войдёт в эксплуатацию в 2006 году, но развёртывание электростанции произошло на 2 года позже планируемого срока. Проект электростанции принадлежит шотландской компании Pelamis Wave Power, которая в 2005 году заключила контракт с португальской энергетической компанией Enersis на строительство волновой электростанции в Португалии. Стоимость контракта составила 8 миллионов евро.

Параметры электростанции

Электростанция состоит из 3-х устройств под названием Pelamis P-750 (англ.)русск.. Это большие плавающие объекты змеевидного типа, размер каждого:

• длина 120 метров,
• диаметр 3,5 метра,
• вес 750 тонн.

Мощность одного такого конвертера составляет 750 КВт.
Удельные характеристики: мощность 1 кВт/тонну и 650 Вт на м³ конструкции. В электричество превращается примерно 1% энергии волнения. [источник не указан 2933 дня]

Устройство и принцип действия

Pelamis P-750 состоит из секций, между секциями закреплены гидравлические поршни. Внутри каждой секции также есть гидравлические двигатели и электрогенераторы. Под воздействием волн конвертеры качаются на поверхности воды, и это заставляет их изгибаться, за что конструкции стали называть «морскими змеями» («sea-snake»). Движение этих соединений приводит в работу гидравлические поршни, которые, в свою очередь, приводят в движение масло. Масло проходит через гидравлические двигатели. Эти гидравлические двигатели приводят в движение электрические генераторы, которые производят электроэнергию.

Перспективы

В дальнейшем планируется добавить к трём существующем конвертерам ещё 25, что увеличит мощность электростанции с 2,25 МВт до 21 МВт. Такой мощности хватит для обеспечения электроэнергией 15 000 домов и снизит выбросы углекислого газа на 60 000 тонн в год.

Через два месяца на электростанции возникли неполадки, в результате она была демонтирована.

Российские разработки

На территории Москвы может быть начато строительства производственного научно-исследовательского предприятия, которое будет разрабатывать модуль поплавковой волновой электростанции. Инвестор планирует строительство опытно-промышленного предприятия, включающего в себя производственную научно-исследовательскую лабораторию.

Учёные УрФУ разработали мобильную волновую электростанцию. В 2014 г. её испытания начались в бухте Витязь на Морской экспериментальной станции «Мыс Шульца» Тихоокеанского океанологического института им В.И. Ильчева ДВО РАН, расположенной на полуострове Гамова (Приморье).

Волновой резонанс, генерируемый многослойной катушкой

Мастер снял видеоролик о волновом резонансе многослойной катушки, которая будет использоваться в резонансном трансформаторе для получения свободной энергии. Катушка моталась из расчёта рабочей частоты 288 кгц.

Длина волны 1041,6 м. 1 четверть, соответственно, 260 м. Это уложилось в 1385 витков. Намотал секциями по 462 витка.

Проверка будет проводиться датчиками напряжения и магнитного поля. В схеме опыта 2 датчика: датчик тока на земляном конце. И второй на горячем конце. На осциллографе верхний луч на горячем, нижний на холодном. Аккумулятор, узел коммутации. Включаем. Только потребление порядка 3 ампер. На фото сигналы датчика.

При такой противофазе сигналов только горячего и холодного концов появился волновой резонанс на частоте 154 килогерц.

Высокое напряжение внутри катушки. Что же образовалась внутри? Датчик напряжения на расстоянии 10 и 12 сантиметров мощно светится. Это происходит именно на 3 секции.

В результате сложения волн здесь образовался узел. Теперь смотрим датчик магнитного поля. Он должен светиться по всей катушке при волновом резонансе. Это так и есть.

На узле при расстоянии 1,5 – 2 см максимально яркость свечения. То есть катушку съёма надо ставить на этом расстоянии. Таким образом можно с помощью датчика определять радиус магнитного поля на разных участках катушки.
Обмотка нагревается, буквально за несколько минут 3 секции становится горячей.
Если выбирать частоту от резонансной в другую сторону, смотрим, что на катушке. Датчик не светится. То есть падающая и отраженная волна здесь не складываются. Резонанса при этой частоте нет. Если вращать новое регулятор частоты, чтобы сигналы датчиков находились в противофазе, загорается лампа, появляется зебра и снова такое поле напряженности.
Чтобы работать с этой намоткой, инженер изготовил катушку съема здесь пока 40 м.

Сильно отличается частота волнового резонанса от теоретической. По идее должно быть около 1 Мгца, но из-за того, что такой многослойный пирог, частота получилось совсем другая – 154 килогерц.

Другие видео автора:
https://www.youtube.com/channel/UCS01B9OLC57Ipp8XUTPmbEA/videos?disable_polymer=1

Термины

• Ультразвук – звук с частотой, превышающей верхнюю границу человеческого слуха (20 кГц).
• Восстановление силы – если система отошла от равновесия, то восстанавливающая сила постарается вернуть баланс. Это функция положения массы или частички. Она всегда направлена назад к сбалансированному состоянию системы. В качестве примера послужит действие пружины. В идеале, она влияет силой пропорционально к величине деформации от сбалансированной длины. Притяжение к большей длине заставляет пружину оказывать силу, которая возвращает ее в равновесие.
• Фотоэлектрические эффекты – электроны выходят из вещества из-за поглощения энергии от электромагнитных лучей.

Все волны транспортируют энергию. Это можно просмотреть на нескольких примерах:

• ультразвук используют для глубокой термообработки мышечных штаммов.
• лазерный луч сжигает злокачественные ткани.
• водные волны разрушают пляжи.
• землетрясения уничтожают целые города.

Количество энергии основывается на амплитуде. Чем больше показатель землетрясения, тем сильнее смещается грунт. Громкие звуки обладают более высокими амплитудами и создаются вибрационным источником. Крупные волны размывают берег сильнее.

Чем серьезнее смещение х, тем больше силы понадобится (F = -kх) для его создания. Работа связана с силой, умноженной на дистанцию, поэтому энергия связана с амплитудой. Если быть точнее, то энергия выступает прямой пропорциональностью квадрату амплитуды, так как:

Типы фотоэлектрических элементов

Твердотельные

Солнечная электростанция установленной мощностью 200Вт на основе батарей поликристаллических элементов

В настоящее время принято различать три поколения ФЭП:

• Кристаллические (первое поколение):
  • монокристаллические кремниевые;
  • поликристаллические (мультикристаллические) кремниевые;
  • технологии выращивания тонкостенных заготовок: EFG (Edge defined film-fed crystal growth technique), S-web (Siemens), тонкослойный поликремний (Apex).
• Тонкоплёночные (второе поколение):
  • кремниевые: аморфные, микрокристаллические, нанокристаллические, CSG (crystalline silicon on glass);
  • на основе теллурида кадмия (CdTe);
  • на основе селенида меди-индия-(галлия) (CI(G)S);
• ФЭП третьего поколения:
  • фотосенсибилизированные красителем (dye-sensitized solar cell, DSC);
  • органические (полимерные) ФЭП (OPV);
  • неорганические ФЭП (CTZSS);
• ФЭП на основе каскадных структур.

В 2005 году на тонкоплёночные фотоэлементы приходилось 6 % рынка. В 2006 году тонкоплёночные фотоэлементы занимали 7 % долю рынка. В 2007 году доля тонкоплёночных технологий увеличилась до 8 %. В 2009 году доля тонкоплёночных фотоэлементов выросла до 16,8 %.

За период с 1999 года по 2006 год поставки тонкоплёночных фотоэлементов росли ежегодно в среднем на 80 %.

Наноантенны

В последнее время наметился прогресс в создании ФЭП на основе наноантенн, напрямую преобразующих электромагнитную энергию светового излучения в электрический ток. Перспективность наноантенн обусловлена их высоким теоретическим КПД (до 85 %) и потенциально более низкой стоимостью.