Преобразуватели на енергията от морските вълни

Технологиите за добив на енергия от морските вълни все още са в начален етап на развитието си, но много енергийни компании по целия свят инвестират в тяхното усъвършенстване.

Като основни причини инвеститорите посочват огромните мащаби на ВЕИ ресурса и прогнозируемия капацитет за производство на екологично чиста енергия, които му осигуряват предимство пред по-популярните в момента нисковъглеродни източници - слънцето и вятъра.

Като фактори за забавеното развитие на сектора специалистите изтъкват трудностите при инсталацията на съоръженията в открито море, повишените изисквания към устойчивост на солената морска вода и неблагоприятни климатични условия, сложната поддръжка и скъпия транспорт на генерираната енергия.

Видове преобразуватели

Преобразувателите на енергия от морските вълни биват различни видове и се класифицират спрямо множество критерии.

Според разположението си спрямо брега се разделят на построени на самият бряг; близо до брега (на дълбочина 10-20 м); отдалечени от брега; разположени в зони с морски течения.

Според ориентацията им спрямо вълновия фронт биват атенуатори (разполагат се на регулируем ъгъл спрямо фронта на вълната и я “обработват” при преминаването й), терминатори или точкови абсорбатори (преобразувателят има различна форма и приема енергия при различни посоки на вълната).

Най-често проектираните преобразуватели са терминаторите. Тяхното протежение е успоредно ориентирано на вълновия фронт, като по този начин представляват бариера и трябва да бъдат стабилно конструирани.

Терминаторите образуват редица от много единични модули, от които се очаква висок добив на енергия. Подходящи са за относително спокойни води.

В зависимост от технологията преобразувателите се разделят на осцилиращи преобразуватели, използващи разликите в нивата на водите или използващи хидростатичния натиск.

Осцилиращите преобразуватели са свързани с брега, което прави поставянето и поддържането им безпроблемно. Не е необходимо закотвяне на съоръжението на големи дълбочини или транспорт на енергията до брега. От друга страна, близо до брега енергията на морската вълна е по-слаба и те генерират по-малко електроенергия.

Технологията на преобразувателите, използващи разликите в нивата на водите, изисква построяването на канал или басейн, в който водата се влива и натрупаната кинетична енергия във вълната води до издигането й над морското равнище. При изпускане на водата се задвижва водна турбина и чрез генератор се произвежда електроенергия.

Друг възможен вариант за произвеждане на енергия от вълните е използването на хидростатичния натиск. Чрез издигане на водната повърхност се усилва хидростатичният натиск в една точка под повърхността на водата. Съответно, тя потъва при вълнова вдлъбнатина.

Построените на самия бряг преобразуватели на енергия от вълните са подходящи при големи вълни и приливно-отливни зони. Предимството им се състои в безпроблемното им изграждане и поддържане, в опростеното енергийно транспортиране и възможността за комбинация с противоерозийните съоръжения.

Основен недостатък на този вид вълнови конвертори е, че те работят с намалена енергия на вълната.

Освен турбини в бреговите технологии се прилагат и хидравлични помпи, най-често възвратно-постъпателни. Налягането, получено след помпите, се отдава в хидромотори, които завъртат електрогенераторите на централите.

Хидропомпите се монтират както на брегови, така и на офшорни вълнови електростанции.Според принципа си на действие преобразувателите биват активни и пасивни.

Под активен преобразувател на енергията на вълните се разбира система, която чрез подходящи конструктивни решения превръща движенията на вълните в транслационни, респективно ротационни движения или предизвиква движения на флуиди. Тези движения по-късно се използват от генератори с въздушни или водни турбини.

Основна особеност на този вид конвертори е съществуването на тяло, което да изпълнява движение спрямо водата, като то трябва да бъде свързано по някакъв начин с дъното.

Пасивните преобразуватели на енергията на морските вълни са неподвижни спрямо водата, т. е. структурата им не извършва никакви движения. Те не изискват активни части за трансформация на вълновата енергия, независимо от движението.

Въздушното налягане, предизвикано от движението на вълните, задвижва турбина, а оттам генератор и по този начин се произвежда електрическа енергия. Пасивните конструкции трябва да съответстват на определени нормативни стандарти и не могат да се разполагат на места, където съществува вероятност от сблъсък с морски съдове.

Изборът на най-подходяща технология за преобразуване на енергията на морските вълни изисква

оценка на енергийните запаси

на ветровото вълнение по дадено крайбрежие. Анализите включват средностатистически данни за вятъра (разпределение, посока, скорост и сезонна продължителност); информация за особеностите на морските вълни в региона; резултати от математическо описание на вълновите процеси на база на линейната теория на вълната, които дават яснота за количеството енергия и за натоварването на преобразувателите.

При описание на особеностите на морските вълни в региона се конкретизира типът вълни според формата и начина на пренасяната маса: вълни със значително придвижване на маси по посока на разпространението (транслаторни вълни) или осцилаторни вълни, при които няма или почти няма придвижване на маси, водните частици се движат в затворени или почти затворени орбити.

Към тях спадат породените от вятъра вълни, както и генерираните от движението на морско технически обекти по повърхността. Основен интерес представляват породените от вятъра вълни.

Ако движението на съседните повърхностни участъци е фазодефазирано, то се наблюдават вълнови хребети и падини, които се движат с т. нар. фазова скорост в напредващата посока. Ако не се променя вълновият контур по време на процеса на разгъване, то вълната се нарича стационарна.

Ако амплитудата може да се опише чрез синусова или косинусова функция, то се говори за хармонична напредваща вълна. Ако движението на съседните повърхностни частици е дефазирано, екстремалните стойности и лежащите между тях възли на вълновия контур остават неподвижни. При такива стоящи вълни водните частици се колебаят по права траектория нагоре-надолу.

Безспорно база за оценка на ресурсите на морските вълни се явяват и основните характеристики и особеностите на съответния морски басейн. В условията на България единственият такъв е Черно море.

Черно море покрива, без Азовско море, площ от 420 000 км2. Максималната и средната му дълбочина са съответно 2245 м и 1240 м, най-голямата ширина и дължина - съответно 610 км и 1167 км. Поради обилния приток на речни води, морската вода на Черно море е по-слабо солена (17,3 на хиляда), отколкото в Средиземно море и в световния океан, които имат соленост около 36 на хиляда.

Вливащите се в него реки Дунав, Днепър, Днестър, Дон и Кубан (чрез Азовско море) и други осигуряват средногодишно около 360 км3 сладка вода. Освен солеността на морската вода, имаща значение при изграждането на технически съоръжения, друга особеност е относително високото съдържание на сероводород - 10 мг/л при дълбочини под 150-200 м.

Значението на този факт, макар и неединичен в рамките на световния океан (аналогии има край бреговете на Канада, Венецуела и др.), се подсилва особено от наблюдаващата се тенденция в последните години за "издигане" нивото на сероводорода, т. е. на по-малка дълбочина.

Едновременно с това трябва да се отчитат макар и неголемите концентрации на метали, които се съдържат във водните басейни на световния океан.

Поради малките му размери в Черно море се образуват незначителни приливи и отливи (3 - 8 cm). При буря ветровете предизвикват значително по-големи колебания на морското равнище (10 - 20 cm).

Обикновено скоростта на вятъра по време на щорма не е постоянна - нарастваща и намаляваща (след максималната си стойност) с флуктуационни изменения във времето и посоката. При оценката трябва да се отчитат най-подходящите за дадените условия модели за описание и енергиен ресурс на вълните, както и непостоянството на щурмовите условия.

Определяща се явява, в крайна сметка, нормираната на един линеен метър от вълновия формат мощност на морските вълни в дълбоководните зони. По експертни данни стойността на този показател в участъците от крайбрежието на САЩ и Япония е около 40 kW/m, по западното крайбрежие на Англия - до 60 kW/m, а за черноморското крайбрежие (България) - до 1215 kW/m.

В България има над 10 метеорологични станции, като от тези разположени по черноморското крайбрежие станция Калиакра дава най-добра информация за ветровите ресурси в открито море, тъй като нос Калиакра е най-вдадената в морето точка на наша територия. Срочните наблюдения се извършват през три часа.

Иновативни разработки

Научни институти и частни компании по целия свят се стремят да усъвършенстват технологиите за извличане на енергия от морските вълни като един перспективен ВЕИ източник. Усилията им се подкрепят и от нормативната рамка в областта, която предвижда като цел за страните от ЕС 3.6 GW енергия от морските вълни към 2020 г. и 188 GW - към 2050 г.

Сред традиционните иноватори са учените от Института Фраунхофер, които предлагат концепция за система, инсталирана на борда на кораб. Тя се състои от шамандури, прикрепени с шарнирни механизми към стените на 50-метров кораб, чието движение по вълните задвижва мотовилков механизъм и механичната енергия се преобразува в електрическа.

Генерираната енергия се акумулира в клетките за съхранение на борда на кораба, които имат капацитет 20 мегаватчаса. Тъй като корабната инсталация е мобилна, при приближаване на буря шамандурите се изваждат от водата и корабът се закотвя в близост до брега. Системата не изисква кабели и може да се премества на места, където има достатъчно вълни.

Австралийска компания предлага система, която събира енергия, като имитира движенията на морските водорасли келп (сборно название на група от няколко вида големи кафяви морски водорасли, които растат по дъното на океана). Характерно за тях е, че те непрекъснато се движат под въздействието на морските вълни и течения. Системата наподобява комплект от три свързани големи шамандури с височина от 25 метра, които са прикрепени към платформа за дъното.

В основата на конструкцията е разположена подвижна ос, която позволява на шамандурите да се накланят напред-назад под въздействието на вълните. Генерираната по този начин кинетична енергия се преобразува в електричество с помощта на генератор и след това се пренася по кабел към брега. В случай на тайфун или цунами шамадурите се пълнят с вода и цялата конструкция ляга на дъното, което я предпазва от разрушаване.

Специалисти от британска компания наскоро представиха прототип на друго подводно съоръжение. То представлява дълга каучукова тръба, пълна с вода, затворена в двата си края. При успешни резултати от изпитанията на прототипа, компанията възнамерява да създаде модул с дължина около 200 метра и диаметър 7, който ще генерира 1 мегават електроенергия на стойност от около 18 стотинки на kWh.

Съоръжението, изработено от каучук, в единия си край е прикрепено към дъното, а другият плува хоризонтално точно под повърхността на водата. Когато насрещните вълни достигат челно тръбата, се образува деформация, която се движи по протежението й със същата скорост, с която се движат вълните.

Деформацията става все по-голяма с приближаването към турбината и я задвижва с максимална мощност.