Μονάδα ηλεκτροπαραγωγής κυμάτων: αρχή λειτουργίας

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 10:23

Τα νερά των ωκεανών κρύβουν αναρίθμητα πλούτη, οι κυριότεροι από τους οποίους, ίσως, είναι απεριόριστες πηγές ενέργειας με τη μορφή θαλάσσιων κυμάτων. Για πρώτη φορά, η χρήση της κινητικής ενέργειας των αξόνων που κυλιούνται στην ξηρά σκεφτόταν τον 18ο αιώνα στο Παρίσι, όπου παρουσιάστηκε το πρώτο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για έναν κυματόμυλο. Τώρα η τεχνολογία έχει προχωρήσει πολύ μπροστά και η πρώτη εμπορική μονάδα ηλεκτροπαραγωγής κυμάτων δημιουργήθηκε με κοινές προσπάθειες επιστημόνων, η οποία άρχισε να λειτουργεί το 2008.

Γιατί είναι ωφέλιμο;

Δεν είναι μυστικό ότι οι φυσικοί πόροι βρίσκονται στα πρόθυρα της εξάντλησης. Τα αποθέματα άνθρακα, πετρελαίου και φυσικού αερίου - οι κύριες πηγές ενέργειας - πλησιάζουν στο τέλος τους. Σύμφωνα με τις πιο αισιόδοξες προβλέψεις των επιστημόνων, τα αποθέματα θα είναι αρκετά για 150-300 χρόνια ζωής. Η πυρηνική ενέργεια επίσης απέτυχε να ανταποκριθεί στις προσδοκίες. Η υψηλή ισχύς και η παραγωγικότητα πληρώνουν το κόστος κατασκευής, λειτουργίας, αλλά τα προβλήματα της διάθεσης των απορριμμάτων και η περιβαλλοντική ζημιά θα τα αναγκάσουν σύντομα να εγκαταλειφθούν. Για αυτούς τους λόγους, οι επιστήμονες αναζητούν νέες εναλλακτικές πηγές ενέργειας. Τώρα ήδηλειτουργούν αιολικοί και ηλιακοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής. Αλλά για όλα τα πλεονεκτήματά τους, έχουν ένα σημαντικό μειονέκτημα - χαμηλή απόδοση. Δεν θα είναι δυνατό να ικανοποιηθούν οι ανάγκες ολόκληρου του πληθυσμού. Επομένως, χρειάζονται νέες λύσεις.

Για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ένας σταθμός ηλεκτροπαραγωγής κυμάτων χρησιμοποιεί την κινητική ενέργεια των κυμάτων. Σύμφωνα με τις πιο συντηρητικές εκτιμήσεις, αυτό το δυναμικό εκτιμάται σε 2 εκατομμύρια MW, το οποίο είναι συγκρίσιμο με 1000 πυρηνικούς σταθμούς που λειτουργούν με πλήρη ισχύ και περίπου 75 kW / m3 ανά μέτρο μετώπου κύματος. Δεν υπάρχει καμία απολύτως επιβλαβής επίδραση στο περιβάλλον.

Γενικό πρόγραμμα εργασίας

Οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής κυμάτων είναι πλωτές κατασκευές που είναι ικανές να μετατρέψουν τη μηχανική ενέργεια της κίνησης των κυμάτων σε ηλεκτρική ενέργεια και να τη μεταδώσουν στον καταναλωτή. Ταυτόχρονα, προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν δύο πηγές:

1. Κινητικά αποθέματα. Οι θαλάσσιοι άξονες περνούν μέσα από έναν σωλήνα μεγάλης διαμέτρου και περιστρέφουν τις λεπίδες, οι οποίες μεταδίδουν δύναμη σε μια ηλεκτρική γεννήτρια. Εφαρμόζεται επίσης η πνευματική αρχή - το νερό, διεισδύοντας σε έναν ειδικό θάλαμο, εκτοπίζει το οξυγόνο από εκεί, το οποίο ανακατευθύνεται μέσω ενός συστήματος καναλιών και περιστρέφει τα πτερύγια του στροβίλου.
2. Ενέργεια κύλισης. Σε αυτή την περίπτωση, η κυματική μονάδα παραγωγής ενέργειας λειτουργεί ως πλωτήρας. Κινούμενος στο διάστημα μαζί με το προφίλ του κύματος, κάνει τον στρόβιλο να περιστρέφεται μέσω ενός πολύπλοκου συστήματος μοχλών.

Διαφορετικές χώρες χρησιμοποιούν τη δική τους τεχνολογία για να μετατρέψουν τη μηχανική κίνηση των κυμάτων σε ηλεκτρική ενέργεια, αλλά η γενικήέχουν το ίδιο σχέδιο δράσης.

Μειονεκτήματα των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής κυμάτων

Το κύριο εμπόδιο για την ευρεία εισαγωγή σταθμών ηλεκτροπαραγωγής κυμάτων είναι το κόστος τους. Λόγω του πολύπλοκου σχεδιασμού και της πολύπλοκης εγκατάστασης στην επιφάνεια των θαλάσσιων υδάτων, το κόστος για τη θέση σε λειτουργία τέτοιων εγκαταστάσεων είναι υψηλότερο από ό,τι για την κατασκευή πυρηνικού σταθμού ή θερμοηλεκτρικού σταθμού.

Επιπλέον, υπάρχουν και μια σειρά από άλλες ελλείψεις, οι οποίες συνδέονται κυρίως με την εμφάνιση κοινωνικοοικονομικών προβλημάτων. Το θέμα είναι ότι οι μεγάλοι σταθμοί επίπλευσης δημιουργούν κίνδυνο και παρεμβαίνουν στη ναυσιπλοΐα και την αλιεία - μια μονάδα ηλεκτροπαραγωγής κυμάτων επίπλευσης μπορεί απλά να αναγκάσει ένα άτομο να φύγει από τις περιοχές αλιείας. Υπάρχουν επίσης πιθανές περιβαλλοντικές συνέπειες. Η χρήση εγκαταστάσεων σβήνει σημαντικά τα κύματα της θάλασσας, τα κάνει μικρότερα και τα εμποδίζει να εκραγούν στην ξηρά. Εν τω μεταξύ, τα κύματα παίζουν σημαντικό ρόλο στη διαδικασία ανταλλαγής αερίων στον ωκεανό, καθαρίζοντας την επιφάνειά του. Όλα αυτά μπορούν να οδηγήσουν σε αλλαγή της οικολογικής ισορροπίας.

Θετικές πτυχές των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής κυμάτων

Μαζί με τα μειονεκτήματα, μια μονάδα ηλεκτροπαραγωγής κυμάτων έχει επίσης μια σειρά από πλεονεκτήματα που έχουν θετικό αντίκτυπο στις ανθρώπινες δραστηριότητες:

• εγκαταστάσεις, λόγω του γεγονότος ότι σβήνουν την ενέργεια των κυμάτων, μπορούν να προστατεύσουν τις παράκτιες κατασκευές (προβλήτες, λιμάνια) από την καταστροφή από τη δύναμη του ωκεανού;
• Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται με ελάχιστο κόστος;
• η ισχύς υψηλού κυμάτων καθιστά τα αιολικά πάρκα πιο οικονομικά βιώσιμα από τους αιολικούς ή ηλιακούς σταθμούς.

Ενεργειακά αποθέματα κατέχουν και χερσαία ύδατα, κυρίως ποτάμια. Η κατασκευή σταθμών σε γέφυρες, διαβάσεις, προβλήτες αποτελεί προοπτική για την ανάπτυξη αυτής της περιοχής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.

Προβλήματα προς επίλυση

Το κύριο καθήκον που αντιμετωπίζει τώρα η επιστημονική κοινότητα είναι να βελτιώσει τον σχεδιασμό, ο οποίος θα μειώσει το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής κυμάτων. Η αρχή λειτουργίας θα πρέπει να παραμείνει η ίδια, αλλά θα χρησιμοποιηθούν νέες τεχνολογίες και υλικά για τη δημιουργία εγκαταστάσεων.

Η μέση ισχύς του κύματος είναι 75-85 kW / m - αυτό είναι το εύρος στο οποίο είναι συντονισμένοι οι περισσότεροι σταθμοί. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας, η ισχύς των κυμάτων της θάλασσας αυξάνεται αρκετές φορές και υπάρχει κίνδυνος καταστροφής εγκαταστάσεων. Ήδη περισσότερες από μία λεπίδες ήταν τσαλακωμένες ή λυγισμένες μετά από μια καταιγίδα. Για να λύσουν αυτό το πρόβλημα, οι επιστήμονες μειώνουν τεχνητά την ειδική ισχύ των κυμάτων. Ένα από τα προβλήματα είναι ότι η μαζική χρήση κυματοσταθμών θα οδηγήσει σε κλιματική αλλαγή. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας πραγματοποιείται λόγω της περιστροφής της Γης (έτσι σχηματίζονται τα κύματα). Η ευρεία χρήση σταθμών θα κάνει τον πλανήτη να περιστρέφεται πιο αργά. Ένα άτομο δεν θα νιώσει τη διαφορά, αλλά αυτό θα καταστρέψει μια σειρά από ρεύματα που παίζουν σημαντικό ρόλο στην ανταλλαγή θερμότητας της Γης.

Το πρώτο πειραματικό WPP στον κόσμο

Η πρώτη μονάδα ηλεκτροπαραγωγής κυμάτων εμφανίστηκε το 1985 στη Νορβηγία. Η ισχύς του ήταν 500 kW, και η ίδιαήταν ένα πρωτότυπο. Η αρχή λειτουργίας του βασίζεται στην κυκλική συμπίεση και διαστολή του μέσου:

• ένας κύλινδρος με ανοιχτό πυθμένα βυθίζεται σε νερό έτσι ώστε η άκρη του να βρίσκεται κάτω από την κοιλότητα του κύματος - το χαμηλότερο σημείο του;
• περιοδικά τρεχούμενο νερό συμπιέζει τον αέρα στην εσωτερική κοιλότητα.
• όταν επιτευχθεί μια ορισμένη πίεση, ανοίγει μια βαλβίδα, η οποία επιτρέπει στο συμπιεσμένο οξυγόνο να περάσει στον στρόβιλο.

Αυτή η μονάδα παραγωγής ενέργειας παρήγαγε 500 kW ενέργειας, η οποία ήταν αρκετή για να επιβεβαιώσει την αποτελεσματικότητα των εγκαταστάσεων, η οποία συνέβαλε στην ανάπτυξή τους.

Η πρώτη βιομηχανική μονάδα παραγωγής ενέργειας στον κόσμο

Η πρώτη εγκατάσταση βιομηχανικής κλίμακας στον κόσμο είναι το υπεράκτιο Port Kemble του Oceanlinx, στην Αυστραλία. Τέθηκε σε λειτουργία το 2005, αλλά στη συνέχεια στάλθηκε για ανακατασκευή και άρχισε να λειτουργεί ξανά το 2009, γι' αυτό και οι παλιρροϊκοί και οι κυματικός σταθμοί χρησιμοποιούνται πλέον στην περιοχή. Η αρχή λειτουργίας του είναι η εξής:

1. Κύματα τρέχουν περιοδικά σε ειδικούς θαλάμους, προκαλώντας τη συμπίεση του αέρα.
2. Όταν επιτευχθεί η κρίσιμη πίεση, ο πεπιεσμένος αέρας περιστρέφει την ηλεκτρική γεννήτρια μέσω ενός δικτύου καναλιών.
3. Για να καταγράψουν την κίνηση και τη δύναμη των κυμάτων, τα πτερύγια του στροβίλου αλλάζουν τη γωνία κλίσης τους.

Η χωρητικότητα της εγκατάστασης ήταν περίπου 450 kW, αν και κάθε τμήμα του σταθμού μπορεί να αποδίδει από 100 kWh έως 1,5 MWh ηλεκτρικής ενέργειας.

Το πρώτο εμπορικό αιολικό πάρκο στον κόσμο

Η πρώτη εμπορική μονάδα ηλεκτροπαραγωγής κυμάτωνΤο ραντεβού κέρδισε το 2008 στο Agusador της Πορτογαλίας. Επιπλέον, είναι η πρώτη εγκατάσταση στον κόσμο που χρησιμοποιεί άμεσα τη μηχανική ενέργεια του κύματος. Το έργο εκπονήθηκε από την αγγλική εταιρεία Pelamis Wave Power.

Η δομή περιλαμβάνει πολλά τμήματα που απελευθερώνονται και ανεβαίνουν μαζί με το προφίλ κύματος. Τα τμήματα αρθρώνονται στο υδραυλικό σύστημα και το ενεργοποιούν κατά την κίνηση. Ο υδραυλικός μηχανισμός προκαλεί την περιστροφή του ρότορα της γεννήτριας, λόγω της οποίας παράγεται ηλεκτρική ενέργεια. Οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής κυμάτων που χρησιμοποιούνται στην Πορτογαλία έχουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Το πλεονέκτημα της εγκατάστασης είναι η υψηλή ισχύς της - περίπου 2,25 MW, καθώς και η δυνατότητα εγκατάστασης πρόσθετων τμημάτων. Υπάρχει μόνο ένα μειονέκτημα στην εγκατάσταση του συστήματος - υπάρχουν δυσκολίες με τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας μέσω καλωδίων στον καταναλωτή.

Ο πρώτος σταθμός ηλεκτροπαραγωγής κυμάτων στη Ρωσία

Στη Ρωσία, το πρώτο αιολικό πάρκο εμφανίστηκε το 2014 στην επικράτεια Primorsky. Η ανάπτυξη πραγματοποιήθηκε από μια ομάδα επιστημόνων από το Ομοσπονδιακό Πανεπιστήμιο Ural και το Ωκεανολογικό Ινστιτούτο Ειρηνικού του κλάδου της Άπω Ανατολής της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών. Η εγκατάσταση είναι πειραματική. Η ιδιαιτερότητά του είναι ότι χρησιμοποιεί την ενέργεια όχι μόνο των κυμάτων, αλλά και της παλίρροιας.

Στη Μόσχα, σχεδιάζεται η κατασκευή ενός ερευνητικού εργαστηρίου που θα αναπτύξει και θα δημιουργήσει τον πρώτο εγχώριο πλωτό σταθμό. Ίσως, μετά από αυτό, οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής κυμάτων στη Ρωσία να έχουν επίσης βιομηχανικό ή εμπορικό σκοπό.