Основная часть электроэнергии, которая используется в промышленном мире, вырабатывается индукционными генераторами. Первый появился в сети в 1896 году и питался от падающего каскада воды - Ниагарского водопада. Однако большинство современных индукционных генераторов имеют паровой привод, и в качестве топлива для нагрева воды уже давно используются змеевики, нефть и природный газ - так называемое ископаемое топливо.
По состоянию на 2011 год на ископаемое топливо приходилось 82% мировой электроэнергии, но продолжает расти количество свидетельств разрушительного воздействия побочных продуктов сгорания на окружающую среду. По состоянию на октябрь 2018 года ученые предупреждали, что глобальное потепление, основной причиной которого является сжигание ископаемого топлива, быстро приближается к необратимой критической точке. Результатом таких предупреждений является переход от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии, таким как фотоэлектрические панели, геотермальная энергия и ветряные турбины.
Мощность волны - один из вариантов, представленных в таблице. Океаны представляют собой огромный резервуар неиспользованной энергии. По данным Исследовательского института электроэнергетики, потенциальная энергия волн вокруг прибрежных Соединенных Штатов, включая Аляску, составляет около 2640 тераватт-часов в год. Этого достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией 2,5 миллиона домохозяйств в течение всего года. Другой способ взглянуть на это состоит в том, что одной волны достаточно энергии, чтобы привести электромобиль в движение на сотни миль.
Существуют четыре основных технологии использования энергии волн. Кто-то работает у берега, кто-то на море, а кто-то в глубоком море. Преобразователи волновой энергии (WEC) предназначены для того, чтобы оставаться на поверхности воды, но они отличаются ориентации коллекторов на движение волн и в методах, используемых для генерации электричество. Четыре типа волновых генераторов электричества - это точечные поглотители, ограничители, защитные устройства и аттенюаторы.
Откуда берется волновая энергия?
Вы не поверите, но энергия волн - это еще одна форма солнечной энергии. Солнце нагревает разные части земного шара в разной степени, и возникающая в результате разница температур создает ветры, которые взаимодействуют с океанской водой, создавая волны. Солнечное излучение также создает разницу температур в самой воде, и это вызывает подводные течения. Возможно, в будущем удастся использовать энергию этих токов, но на данный момент основное внимание энергетической отрасли сосредоточено на поверхностных волнах.
Стратегии преобразования волновой энергии
В плотине гидроэлектростанции энергия падающей воды напрямую вращает турбины, вырабатывающие электричество переменного тока. Этот принцип используется почти без изменений в некоторых формах генерации волн, но в других энергия поднимающаяся и падающая вода должна пройти через другую среду, прежде чем она сможет выполнять работу по вращению турбина. Этой средой часто бывает воздух. Воздух запечатан в камере, и движение волн сжимает ее. Затем сжатый воздух пропускается через небольшое отверстие, создавая воздушную струю, которая может выполнять необходимую работу. В некоторых технологиях энергия волн передается механической энергией с помощью гидравлических поршней. Поршни, в свою очередь, приводят в действие турбины, вырабатывающие электричество.
Мощность волн все еще находится в значительной степени в экспериментальной фазе, и были запатентованы сотни различных конструкций, хотя фактически разработана лишь часть из них. Тот, который поставлял коммерческую электроэнергию, работал у побережья Португалии в 2008 и 2009 годах, и правительство Шотландии наблюдает за развитием большого проекта гостиницы в неспокойной воде Северного моря. Аналогичный проект планируется у берегов Австралии. В настоящее время существует четыре основных типа генераторов волн:
1 - Точечные поглотители напоминают буи
Точечный поглотитель - это в первую очередь глубоководное устройство. Он остается закрепленным на месте и качается вверх и вниз на проходящих волнах. Он состоит из центрального цилиндра, который свободно плавает внутри корпуса, и по мере прохождения волны цилиндр и корпус перемещаются относительно друг друга. Движение приводит в действие устройство электромагнитной индукции или гидравлический поршень, который создает энергию, необходимую для приведения в действие турбины. Поскольку эти устройства поглощают энергию, они могут влиять на характеристики волн, достигающих берега. Это одна из причин, почему они используются в удаленных от берега местах.
Колеблющийся водяной столб (OWC) - это особый тип точечного поглотителя. Он тоже похож на буй, но вместо свободно плавающего внутреннего цилиндра у него есть столб воды, который поднимается и опускается вместе с волнами. Движение воды проталкивает сжатый воздух через отверстие для приведения в движение поршня.
2 - Терминаторы генерируют волновое электричество из сжатого воздуха
Терминаторы могут располагаться на берегу или недалеко от береговой линии. В основном они представляют собой длинные трубы, и при развертывании на море они захватывают воду через отверстия в подземных портах. Трубки закреплены на якоре и проходят в направлении движения волн, а подъем и падение поверхности океана выталкивают столб захваченного воздуха через небольшое отверстие для привода турбины. При расположении на берегу волны, обрушивающиеся на пляж, приводят в движение процесс, поэтому отверстия расположены на концах труб. Каждый терминатор может генерировать мощность в диапазоне от 500 киловатт до 2 мегаватт, в зависимости от волновых условий. Этой мощности хватит на весь район.
3 - Аттенюаторы - это многосегментные преобразователи энергии волны
Подобно терминаторам, аттенюаторы представляют собой длинные трубки, развернутые перпендикулярно движению волны. Они закреплены на одном конце и состоят из сегментов, которые перемещаются относительно друг друга по мере прохождения волны. Движение приводит в движение гидравлический поршень или другое механическое устройство, расположенное в каждом сегменте, а энергия приводит в движение турбину, которая, в свою очередь, производит электричество.
4 - Перекрывающие устройства похожи на мини-плотины гидроэлектростанций
Устройства перекрытия имеют большую длину и проходят перпендикулярно направлению движения волны. Они образуют барьер, похожий на дамбу или дамбу, собирающий воду. Уровень воды поднимается с каждой проходящей волной, и когда он снова падает, она приводит в движение турбины, вырабатывающие электричество. Общее действие примерно такое же, как у плотин гидроэлектростанций. Турбины и трансмиссионное оборудование часто размещаются на морских платформах. На берегу также могут быть сооружены надувные устройства для улавливания энергии волн, обрушивающихся на пляж.
Проблемы с генерацией волновой энергии
Несмотря на очевидные перспективы использования энергии волн, ее развитие сильно отстает от солнечной и ветровой энергии. За крупномасштабными коммерческими установками все еще остается будущее. Некоторые эксперты в области энергетики сравнивают состояние волнового электричества с состоянием солнечного и ветрового электричества 30 лет назад. Частично причина этого кроется в природе океанских волн. Они нерегулярны и непредсказуемы. Высота волн и их период, то есть промежуток между ними, могут меняться от дня к дню или даже от часа к часу.
Еще одна проблема - передача энергии. Волновая энергия не может служить никакой цели, пока не будет передана на берег. Большинство WEC содержат трансформаторы для повышения напряжения для более эффективной передачи по подводным линиям электропередачи. Эти линии электропередач обычно проходят на морском дне, и их установка значительно увеличивает стоимость волновой электростанции, особенно когда станция расположена далеко от берега. Более того, существует определенная величина потерь мощности, связанных с любой передачей электроэнергии.