Источник: ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ МОРСКИХ ВОЛН Трубецкая О.В., Кондратова Е.В. ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» Факультет энергетики, транспорта и морских технологий Комсомольск на Амуре, 2010 Научный руководитель: к.т.н. С.Д. Чижиумов

Актуальность Стоимость невозобновляемых источников энергии (угля, нефти и газа) растет, а запасы сокращаются. Негативные экологические последствия изменения климата связаны с ростом выбросов углекислого газа при сжигании этих веществ на ТЭС. Проблемы безопасности и утилизации радиоактивных отходов есть на АЭС. Строительство и эксплуатация ГЭС и АЭС сопряжены с большими затратами и рисками. Основной недостаток нетрадиционных возобновляемых источников энергии - низкие плотности энергии. Так, для ветровых, солнечных, геотермальных установок характерны плотности энергии менее 1 к Вт/м 2. Волновая энергия обладает более высокой по сравнению с ветром и солнцем плотностью энергии. Морские волны накапливают в себе энергию ветра. Энергия волн имеет один из самых высоких показателей по практическому коэффициенту полезного действия среди нетрадиционных источников энергии. На Дальнем Востоке целесообразно развивать волновую энергетику в районах, не подключенных к общей электрической сети, а это 70% территории края. Энергетика Камчатской и Сахалинской областей базируется на привозном топливе: более 90% электроэнергии производится на завозном мазуте. В связи с большими транспортными расходами стоимость выработки электроэнергии здесь превышает среднемировой показатель в 5-6 раз.

Цель работы: на основе вычислительных экспериментов определить основные элементы и возможности ВлЭС. Задачи: Выполнить анализ волновых режимов прибрежных акваторий ДВ. Выполнить обзорный анализ проектов и выбрать схему ВлЭС. Создать компьютерные модели и выполнить анализ гидродинамики ВлЭС с различным конструктивным исполнением. На основе гидродинамического анализа обосновать принципиальную схему и определить пути дальнейшей оптимизации ВлЭС. Выполнить экономическое обоснование и разработать план дальнейшей реализации проекта. Цель всего проекта (стратегическая): предложить проект ВлЭС к строительству и внедрению в ДВ регионе. Задачи всего проекта : Создать модели ВлЭС и выполнить экспериментальные исследования в опытовом бассейне КнАГТУ. Определить потребности, места установки ВлЭС. Выявить заказчиков и предприятия для постройки ВлЭС. Разработать технический проект ВлЭС. Цель работы и основные задачи

Практическая значимость 1. Предложен проект экологически чистого обеспечения прибрежных районов ДВ неограниченным во времени возобновляемым источником энергии морских волн, позволяющий отказаться от привозного топлива. 2. Возведение ВлЭС возможно с последовательным наращиванием мощности, без больших начальных затрат. Возможно строительство по единой технологии, как малых, так и больших станций. 3. Простота конструкции ВлЭС позволит строить их на отечественных, в том числе местных и малых предприятиях, решая проблему занятости. Не требуется закупка зарубежного дорогого и сложного оборудования (как в случае с ветроэнергетическими системами). 4. Постепенное наращивание мощностей ВлЭС позволит создать основу для развития эффективной экономики отдалённых регионов ДВ, повышения уровня жизни населения. 5. Комбинированное применение ВлЭС в качестве волноломов, рейдовых причалов и др. морских сооружений позволит улучшить условия прибрежного судоходства, рыболовства, развития разных видов промысла и разведения морских культур. При воздействии цунами ВлЭС может частично или полностью защитить территорию.

Высота волн (в футах) в Тихом океане в конце февраля 2010 г

Среднегодовая мощность волнения (к Вт/м) в разных районах мира Район Средняя высота, м Ср. мощность, к Вт/м Наибольшая высота, м Берингово море Курилы 1, Охотское море 1, Японское море Параметры волнения у побережья ДВ России:

В 1935 г. К. Э. Циолковский опубликовал статью «Волнолом и извлечение энергии из морских волн»*, в которой описал принципиальные схемы трех устройств - аналогов будущих наиболее известных устройств Масуды, Кайзера и Коккерелла. К. Э. Циолковский писал: «Извлекая через посредство машин энергию движения из волн, мы ослабляем их колебания и тем самым отчасти укрощаем. … Эти двигатели могут заменить мол и явиться искусственной гаванью там, где ее нет». * Циолковский К. Э. Собр. соч., т. 4, М., 1964, с В 2001 г. Международное Энергетическое Агенство (IEA) разработало соглашение по океанским энергетическим системам (IEA-OES) с целью создания к 2020 году экономически эффективных и экологически чистых систем использования энергии морских волн и течений, вносящих существенный вклад в удовлетворение энергетических потребностей. В этой программе участвуют: США, Канада, ЕЭС, Великобритания, Германия, Норвегия, Португалия, Дания, Ирландия, Бельгия, Япония, Мексика. Анализ информационных источников

В процессе анализа информационных источников были рассмотрены около двух десятков реализованных и перспективных проектов. Осциллирующий водный столб (с воздушной турбиной) Качающиеся тела (с гидротурбинами) Концентраторы энергии (с низконапорными гидротурбинами) стационарные конструкции плавающие ( Masuda, Mighty Wale, Ocean Energy, Sperboy ) погруженные плавающие стационарные конструкции плавающие (Wave Dragon, выпрямитель Рассела, …) отдельные (Pico, LIMPET, ISLAY) в волноломах (Sakata, Mutriku) вертик. качка (AquaBuoy, PowerBuoy, WaveBob, Point Absorber) поворачивающиеся (Salters duck, Cockerels raft, Русецкий, …) вертик. качка (AWS) поворачивающиеся ( WaveRoller, Dyster ) береговые (TAPCHAN) в волноломах (SSG)

Некоторые результаты анализа информационных источников Встречается предвзятое мнение об экономической неэффективности ВлЭС на основе ряда примеров неудачного опыта их создания и эксплуатации. Причиной неудачных проектов является их внедрение без тщательного анализа эффективности и без расчётной оптимизации систем: Осциллирующий водяной столб не может обеспечить высокий к.п.д., так как большая часть полезной работы теряется при сжатии воздуха. При этом практически не используется работа гидродинамических сил; Известные концентраторы волновой энергии выполнены нерационально. TAPCHAN требует больших затрат на постройку. Выпрямитель Рассела (в том виде, как он описан в работах) недостаточно проработан – размеры его элементов необходимо оптимизировать; Точечные поплавковые преобразователи имеют высокий к.п.д., но маломощны, так как они не «собирают» рассеянную по большой площади энергию волн. К тому же их подвижные элементы и якорные системы недостаточно надёжны при воздействии штормовых волн. Следовательно, основная задача при создании эффективных ВлЭС состоит в оптимизации их параметров с учётом реальных условий на месте эксплуатации. Для этого необходим их анализ на основе физических и компьютерных экспериментов.

Варианты конструкций ВлЭС Простой тип ВлЭС с низконапорными гидротурбинами

Варианты конструкций ВлЭС ВлЭС с двумя типами преобразователей энергии

Проблема накопления энергии Гидроаккумулирующая электростанция

Граничные условия: x = -80 м – (условный волнопродуктор); x = 120 м – условие отсутствия движения; y = 0 м; y = 1 м – условия симметрии; z = 0 м – твёрдое дно Анализ гидродинамики Расчётная сетка компьютерной модели: Жидкость невязкая, несжимаемая. Влиянием воздуха пренебрегается. Расчётная модель:

Анализ гидродинамики вариант 1:

Анализ гидродинамики вариант 2:

Анализ гидродинамики вариант 3:

Анализ гидродинамики вариант 4:

Скорости течения в подводном канале вариант 1: вариант 2: вариант 3: при высоте канала 0.7 м при высоте канала 0.4 м вариант 4:

Оценка мощности гидротурбин на единицу длины фронта (до проведения оптимизации и без учёта мощности от ударов волн): Технико-экономическое обоснование

Пути повышения эффективности системы: дополнительный отбор мощности от ударов волн; оптимизация параметров; выбор оптимальных мест установки (в зоне прибоя); применение генераторов, работающих в условиях переменного потока; аккумулирование энергии. Технико-экономическое обоснование При КПД, равном 50%, мощность ВлЭС в прибрежной зоне длиной 10 км составит 150 МВт (выработка энергии в среднем 1,4 млрд к Вт·ч в год) – это существующая энергетика всей Камчатки. В результате может быть достигнут КПД ВлЭС более 50%.

Технико-экономическое обоснование Срок окупаемости ВлЭС, исходя из среднемировой цены на энергию ($0,1/к Вт·ч), составляет 8 месяцев.

Эффективность ВлЭС в сравнении с другими энергосистемами

Социальная значимость проекта Развитие экологически чистых малых и средних энергосистем, ориентированных на социальное обустройство населения, Снижение цен на энергию, Защита от штормовых волн и цунами, Попутное развитие прибрежного судоходства и местных промыслов. Практическая реализация проекта позволит отказаться от привозного топлива для отдалённых прибрежных районов ДВ и приведёт к качественному улучшению уровня жизни населения. Строительство ВлЭС возможно с последовательным наращиванием мощности, без больших начальных затрат. Простота конструкции ВлЭС позволит строить их на отечественных предприятиях, без закупки зарубежного дорогого оборудования, решая проблему занятости.

Заключение Научная новизна и основные результаты: - выполнен анализ существующих проектов и действующих ВлЭС, выявлены проблемы их внедрения и предложен новый проект ВлЭС; - для оптимизации параметров ВлЭС разработаны численные модели анализа гидродинамики и проработаны вопросы компьютерного моделирования; - произведены компьютерные расчёты, позволившие выявить особенности гидродинамики ВлЭС; - проработаны варианты принципиальной схемы и намечены пути их дальнейшей оптимизации; - выполнено технико-экономическое обоснование проекта и доказана эффективность ВлЭС. Предложен план реализации проекта.

Источники 1. Волшаник В.В., Зубарев В.В., Франкфурт М.О. Использование энергии ветра, океанских волн и течений. – Итоги науки и техники. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. – М.: ВИНИТИ, Коробков В.А. Преобразование энергии океана. – Л.: Судостроение, 1986, 279 с. 3. Лабейш В.Г. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учеб. пособие. - СПб.: СЗТУ с. 4. Росс Д. Энергия волн. - Ленинград : Гидрометеоиздат, с. 5. Циолковский К. Э. Собр. соч., т. 4, М., 1964, с htm html htm php Global Analysis Wave Map