Волновая турбина

Ученический научно-исследовательский проект

Авторы: Дмитрий Краснопевцев, Евгений Журавлев.
Школа № 1273 ЮЗАО, 11 класс, Москва.
Тема работы: Волновая турбина
Научный руководитель: Устюгина Галина Павловна, учитель физики.

ВВЕДЕНИЕ

Современное потребление человеческим сообществом энергии, заключенной в природных невозобновляемых источниках, среди которых нефть и газ, вступает в стадию необходимости активной разработки средств, позволяющих использовать возобновляемые источники энергии. К возобновляемым источникам энергии относятся энергия ветра, солнечная энергия, энергия морских волн и др.

В данной работе мы обратились к проблеме использования энергии морских волн.

В различных странах ведется активный поиск средств экономичного использования этой энергии, главным образом, путем ее преобразования в электрическую энергию. Для этого используются хорошо разработанные средства преобразования с помощью электрических генераторов механического вращательного движения турбин или валов вращения в электрическую энергию. Однако на сегодня наиболее острой является проблема создания эффективного средства преобразования энергии волн в механическую энергию вращения вала генератора. Для решения этой проблемы разработан ряд устройств и способов. Особенностью всех технических решений является их низкая экономическая эффективность.

В 2003-2005 годах исследовательской группе нашей школы 1273 ЮЗАУО г. Москвы при исследовании строения маховых перьев птиц удалось выявить правило U - 0,29. Оказалось, что маховые перья птиц от воробья до журавля обладают одним и тем же значением параметра U. Применение этого правила позволило найти эффективное решение для нескольких технических задач.

В данной работе мы представляем новое применение этого правила для создания эффективной волновой турбины, использующей, например, энергию морских волн.

1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

1.1. Энергопотребление человеческого сообщества [1]

Если с 1750 г. по 1900 г. (за 150 лет) численность населения Земли выросла в 2 раза, то добыча энергетических ресурсов в мире за это время возросла в 10 раз. За следующие 70 лет (с 1900 г. по 1970 г.) численность населения Земли выросла еще в 2 раза, а добыча энергетических ресурсов - в 13 раз, т.е. темпы производства энергии намного превышают темпы роста населения. Сейчас человечество потребляет в год 4×10¹⁷ кДж энергии, что соответствует мощности 4,6×10¹³ кВт/час, а население Земли составляет более 6 млрд. человек.

Люди покрывают свои энергетические потребности за счет нефти на 33%, угля - на 27%, газа - 18%. Эти энергетические ресурсы мы называем невозобновляемыми, так как уже никогда мы их не сможем использовать еще раз. Более того, при нынешних темпах добычи, рентабельных энергетических ресурсов осталось всего на несколько десятков лет: угля - на 100 лет, газа - на 70 лет, нефти - на 50 лет. Возобновляемые энергетические ресурсы (гидроэнергия, ветровая энергия, энергия биомассы и т.д.) составляют в общем балансе энергетических затрат человека всего 18 % (кстати, за год на Землю от Солнца поступает 6-10²⁰ кДж энергии, что на 3 порядка превышает нынешние энергетические затраты человека). Атомная энергетика покрывает 4% всего энергетического бюджета.

Таким образом, в начале XXI столетия на фоне пугающего "демографического взрыва" наблюдается совершенно безобразное разбазаривание чрезвычайно ограниченных энергетических ресурсов Земли.

К "невозобновляемым" энергоресурсам следует отнести нефть, уголь, газ, обогащенный уран. Прежде всего рассмотрим их мировое годовое производство. Для унификации представления переведем все данные в энергетический эквивалент и будем исходить из 100% кпд энергетических установок. Единицей измерения возьмем киловаттчас (квч) за один год. Тогда нефть дает 4.2×10¹³ квч, газ - 2.3×10¹³ квч, уголь - 2.8×10¹³ квч и энергия, высвобождаемая при распаде атомного топлива, 0.3×10¹³ квч. Перечисленные энергоресурсы обеспечивают примерно 90% потребляемой человечеством энергии. Остальное приходится на гидроэнергетику, сжигаемые дрова, другую биомассу и т.д.

Видно, что львиную долю энергетики составляет нефть. Примерно 15% из невозобновляемых энергоресурсов уходит на выработку электроэнергии. Что касается потребления энергии, то в развитых странах оно грубо может быть поделено на три примерно равные части: 1) индустрия - большая доля, 2) транспорт, 3) поддержание жизнедеятельности человека (отопление и освещение зданий, водоснабжение и т.д.)" [2].

1.2. Энергетические ресурсы океана [3]

Сотрудниками океанографического института Скриппса (США) выполнены оценки суммарных и допустимых для переработки мощностей различных океанических источников энергии за пять лет - с 1977 по 1982 г. Соответствующие данные приведены на диаграммах рис.1, на которых отмечены два уровня - суммарный и допускающий преобразование (заштрихован). Более поздние оценки сделаны с учетом целого ряда технологических и экологических факторов. Они, как правило, в части допустимой к использованию энергии оказались ниже.

Рис. 1. Распределение океанских источников энергии по мощности (правые столбцы - по оценкам 1977 г., левые - по оценкам 1982 г.) [3].

1.3. Опыты утилизации энергии морских волн

"Утка Солтера" [3,4]

Разработка профессора Эдинбургского университета Стефана Солтера, известная под названием "утка Солтера", представляет собой (рис.2) преобразователь волновой энергии. Техническое название такого преобразователя - колеблющееся крыло. Форма преобразователя обеспечивает максимальное извлечение мощности. Рабочей конструкцией является поплавок ("утка"), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики.

Рис.2 «Утка Солтера»: а – схема преобразования энергии волны;
б – вариант конструкции преобразователя;
1 – плавучая платформа; 2 – цилиндрическая опора с размещенными в ней приводами и электрогенираторами; 3 – ассиметричный поплавок.

В проекте предусматривается монтаж большого количества крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение силой собственного веса. При этом приводятся в действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводящая в движение турбины, установленные между поплавками и поднятые над поверхностью моря. Вырабатываемая электроэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20-30 поплавков.

Первоначально Солтером был создан макет достаточно узкополосного по частоте устройства. В волновом бассейне оно поглощало до 90 % падающей энергии. Первые испытания в условиях, близких к морским, были проведены в мае 1977 г. на оз. Лох-Несс. 50-метровая гирлянда из 20-метровых «уток» общей массой 16 т была спущена на воду и испытывалась в течение 4 месяцев при различных волновых условиях. В декабре того же года эта модель в 1/10 будущей величины океанского преобразователя была вновь спущена на воду и дала первый ток. В течение 3 мес одного из самых суровых зимних периодов модель первой английской волновой электростанции работала с КПД около 50 %.

Дальнейшие разработки Солтера направлены на то, чтобы обеспечить утке способность противостоять ударам максимальных волн и создать заякоренную гирлянду преобразователей в виде достаточно гибкой линии. Нить из уток протяженностью несколько километров предполагается установить в районе с наиболее интенсивным волнением западнее Гебридских островов. Мощность всей станции будет примерно 100 МВт.

Наиболее серьезными недостатками для «уток Солтера» оказались следующие:
— необходимость передачи медленного колебательного движения на привод генератора;
—необходимость снятия мощности с плавающего на значительной глубине устройства большой протяженности;
—вследствие высокой чувствительности системы к направлению волн необходимость отслеживать изменение их направления для получения высокого КПД преобразования;
—затруднения при сборке и монтаже из-за сложность формы поверхности «утки».

Волновой плот Коккерела [3,4]

Другой вариант волнового преобразователя с качающимся элементом -контурный плот Коккерелла. Его модель также в 1/10 величины испытывалась в том же, что и «утка Солтера», году в проливе Солент вблизи г. Саутгемптона. Контурный плот - многозвенная система из шарнирно соединенных секций (рис. 12.3.1.3). Как и «утка», он устанавливается перпендикулярно к фронту волны и отслеживает ее профиль.

Рис.3 Вариант выполнения контурного плота Коккерелла: 1 - колеблющаяся секция; 2 - преобразователь; 3 - тяга; 4 - шарнир.

Качающиеся змеи португалии [5]

Первая в своём роде в мире, а оттого довольно необычная электростанция с 2006 года будет качаться на волнах в 5 километрах от северного побережья Португалии. Гигантские красные машины, прозванные "морскими змеями" ("sea-snake"), обеспечат энергией волн дома португальцев. Идея этой волновой электростанции принадлежит шотландским специалистам из основанной в январе 1998 года в Эдинбурге фирмы "Океанское энергоснабжение" (Ocean Power Delivery — OPD).

Собственно, для реализации концепции "волновой фермы" (Wave Farm) фирма и создавалась. В марте 2002 года OPD получила финансирование: 9,8 миллиона евро в качестве инвестиций выделили международный консорциум компаний во главе с норвежским гигантом Hydro и швейцарцы из группы SAM. В июне 2004-го OPD выделили ещё 10 миллионов евро, и с тех пор она уверенно стоит на ногах (источники финансирования и имена инвесторов мы решили указать потому, что без денег реализация этого проекта была б, как вы понимаете, невозможной). Был заключён контракт на строительство первой коммерческой электростанции. Заказ стоимостью 8 миллионов евро был получен от португальской энергетической компании Enersis. Согласно договору, неподалёку от города Повоа-ди-Варзим (Povoa de Varzim) в начале следующего года в водах Атлантического океана появятся 3 преобразователя энергии волн (это начальная фаза), а к концу 2006-го у побережья Португалии будет плавать 30 таких машин.

Эти конвертеры называются Pelamis P-750. Каждый из них размером с небольшой железнодорожный состав: 120 метров длиной и 3,5 метра в диаметре. С полной загрузкой вес этой штуковины 750 тонн.

Рис. 4. Полномасштабный опытный образец Pelamis P-750 в действии (фото с сайта hydro.com).

Pelamis — это полузатопленная структура, состоящая из четырех цилиндрических секций, связанных шарнирными соединениями.

Волны заставляют изгибаться эту плавающую "змею", за счёт чего внутри, в местах соединения соседних секций, перемещаются гидравлические поршни, прокачивающие масло через гидравлические двигатели, в свою очередь, вращающие электрогенераторы.

Произведённое одной «змеёй» электричество направляется в кабель, опускающийся с поплавка на дно. Несколько таких "змей" могут быть электрически соединены непосредственно на месте их расположения. И тогда уже по одному кабелю вся суммарная мощность будет подаваться на берег.