พลังงานคลื่นใช้ในการผลิตไฟฟ้าอย่างไร?

ไฟฟ้าส่วนใหญ่ที่ขับเคลื่อนโลกอุตสาหกรรมมาจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำ คนแรกออนไลน์ในปี 1896 และขับเคลื่อนโดยน้ำตกไนแองการ่าที่ตกลงมา เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ทันสมัยส่วนใหญ่ขับเคลื่อนด้วยไอน้ำ และเชื้อเพลิงที่เลือกใช้ให้ความร้อนกับน้ำนั้นได้แก่ ขดลวด ปิโตรเลียม และก๊าซธรรมชาติ ซึ่งเรียกว่าเชื้อเพลิงฟอสซิล

ณ ปี 2011 เชื้อเพลิงฟอสซิลจ่ายกระแสไฟฟ้าถึง 82 เปอร์เซ็นต์ของโลก แต่หลักฐานยังคงปรากฏให้เห็นถึงผลกระทบร้ายแรงที่เกิดจากการเผาไหม้ที่มีต่อสิ่งแวดล้อม ในเดือนตุลาคม 2018 นักวิทยาศาสตร์ได้เตือนว่าภาวะโลกร้อนซึ่งการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นปัจจัยสำคัญ กำลังเข้าใกล้จุดเปลี่ยนที่ไม่อาจย้อนกลับได้อย่างรวดเร็ว ผลของคำเตือนดังกล่าวเป็นการเปลี่ยนจากเชื้อเพลิงฟอสซิลและไปสู่แหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น แผงเซลล์แสงอาทิตย์ พลังงานความร้อนใต้พิภพ และกังหันลม

พลังคลื่นเป็นหนึ่งในตัวเลือกบนโต๊ะ มหาสมุทรเป็นตัวแทนของแหล่งพลังงานขนาดใหญ่ที่ไม่ได้ใช้ ตามข้อมูลของสถาบันวิจัยพลังงานไฟฟ้า พลังงานคลื่นที่อาจเกิดขึ้นรอบๆ ชายฝั่งสหรัฐอเมริกา รวมทั้งอะแลสกาอยู่ที่ประมาณ 2,640 เทราวัตต์-ชั่วโมง/ปี เพียงพอสำหรับพลังงาน 2.5 ล้านครัวเรือนตลอดทั้งปี อีกวิธีหนึ่งในการดูก็คือ คลื่นลูกเดียวมีพลังงานเพียงพอที่จะขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้าเป็นระยะทางหลายร้อยไมล์

มีเทคโนโลยีหลักสี่ประการเพื่อควบคุมพลังงานคลื่น บางคนทำงานใกล้ชายฝั่ง บางคนทำงานนอกชายฝั่ง บางคนทำงานในทะเลลึก ตัวแปลงพลังงานคลื่น (WEC) ได้รับการออกแบบให้ยังคงอยู่บนผิวน้ำ แต่จะแตกต่างกันใน in ทิศทางของตัวสะสมต่อการเคลื่อนที่ของคลื่นและวิธีการที่ใช้ในการสร้าง ไฟฟ้า. เครื่องกำเนิดไฟฟ้าคลื่นสี่ประเภท ได้แก่ ตัวดูดซับแบบจุด, เทอร์มิเนเตอร์, อุปกรณ์โอเวอร์ท็อปปิ้งและตัวลดทอน

เชื่อหรือไม่ว่าพลังงานคลื่นเป็นพลังงานแสงอาทิตย์อีกรูปแบบหนึ่ง ดวงอาทิตย์ทำให้ส่วนต่างๆ ของโลกร้อนขึ้นในระดับที่ต่างกัน และความแตกต่างของอุณหภูมิที่เกิดขึ้นจะสร้างลมที่ทำปฏิกิริยากับน้ำทะเลเพื่อสร้างคลื่น รังสีดวงอาทิตย์ยังสร้างความแตกต่างของอุณหภูมิในน้ำด้วย และสิ่งเหล่านี้จะขับกระแสน้ำใต้น้ำ อาจเป็นไปได้ที่จะควบคุมพลังงานของกระแสเหล่านี้ในอนาคต แต่สำหรับตอนนี้ ความสนใจส่วนใหญ่ของอุตสาหกรรมพลังงานมุ่งเน้นไปที่คลื่นพื้นผิว

ในเขื่อนไฟฟ้าพลังน้ำ พลังงานของน้ำที่ตกลงมาจะหมุนกังหันที่สร้างไฟฟ้ากระแสสลับโดยตรง หลักการนี้ใช้เกือบจะไม่เปลี่ยนแปลงในรูปแบบของการสร้างคลื่นบางรูปแบบ แต่ในบางรูปแบบพลังงานของ น้ำขึ้นและลงต้องผ่านตัวกลางอื่นก่อนจึงจะทำการปั่น .ได้ กังหัน. สื่อนี้มักจะเป็นอากาศ อากาศถูกผนึกไว้ในห้องหนึ่ง และการเคลื่อนไหวของคลื่นก็บีบอัดมัน จากนั้นอากาศอัดจะถูกบังคับผ่านรูรับแสงขนาดเล็ก ทำให้เกิดไอพ่นของอากาศที่สามารถทำงานที่จำเป็นได้ ในบางเทคโนโลยี พลังงานของคลื่นจะถูกถ่ายโอนไปยังพลังงานกลโดยลูกสูบไฮดรอลิก ลูกสูบจะขับเคลื่อนกังหันที่ผลิตกระแสไฟฟ้า

พลังคลื่นยังคงอยู่ในขั้นทดลองเป็นส่วนใหญ่ และการออกแบบที่แตกต่างกันหลายร้อยแบบได้รับการจดสิทธิบัตรแล้ว แม้ว่าจะมีการพัฒนาเพียงเศษเสี้ยวของสิ่งเหล่านี้เท่านั้น โครงการหนึ่งที่ให้พลังงานเชิงพาณิชย์ดำเนินการนอกชายฝั่งโปรตุเกสในปี 2551 และ 2552 และรัฐบาลสก็อตแลนด์กำลังเล็งเห็นถึงการพัฒนาโครงการขนาดใหญ่ในน้ำที่ผันผวนของทะเลเหนือ โครงการที่คล้ายกันนี้มีการวางแผนนอกชายฝั่งออสเตรเลีย ปัจจุบันมีเครื่องกำเนิดคลื่นสี่ประเภทหลัก:

ตัวดูดซับจุดเป็นอุปกรณ์ในทะเลลึกเป็นหลัก มันยังคงทอดสมออยู่กับที่และแกว่งไปมาบนคลื่นที่พัดผ่าน ประกอบด้วยทรงกระบอกกลางที่ลอยอย่างอิสระภายในตัวเรือน และเมื่อคลื่นผ่าน กระบอกสูบและตัวเรือนจะเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน การเคลื่อนที่จะขับเคลื่อนอุปกรณ์เหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าหรือลูกสูบไฮดรอลิก ซึ่งสร้างพลังงานที่จำเป็นในการขับเคลื่อนกังหัน เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้ดูดซับพลังงานจึงอาจส่งผลต่อลักษณะของคลื่นที่ไปถึงฝั่ง นี่เป็นเหตุผลหนึ่งว่าทำไมจึงถูกใช้ในสถานที่ที่อยู่ห่างไกลจากชายฝั่ง

คอลัมน์น้ำสั่น (OWC) เป็นตัวดูดซับจุดบางประเภท มันยังดูเหมือนทุ่น แต่แทนที่จะเป็นทรงกระบอกภายในที่ลอยได้อิสระ มันมีเสาน้ำที่ลอยขึ้นและตกลงไปพร้อมกับคลื่น การเคลื่อนที่ของน้ำดันอากาศอัดผ่านรูเพื่อขับเคลื่อนลูกสูบ

เทอร์มิเนเตอร์สามารถตั้งอยู่บนชายฝั่งหรือใกล้แนวชายฝั่ง โดยพื้นฐานแล้วพวกมันเป็นท่อยาว และเมื่อนำไปใช้นอกชายฝั่ง พวกมันจะดักจับน้ำผ่านช่องเปิดของท่าเรือใต้ผิวดิน ท่อถูกยึดไว้เพื่อขยายในทิศทางของการเคลื่อนที่ของคลื่น และการขึ้นและลงของพื้นผิวมหาสมุทรจะผลักคอลัมน์ของอากาศที่จับได้ผ่านช่องเล็กๆ เพื่อขับเคลื่อนกังหัน เมื่ออยู่บนฝั่ง คลื่นที่ซัดเข้าหาชายหาดเป็นตัวขับเคลื่อนกระบวนการ ดังนั้นช่องเปิดจึงอยู่ที่ปลายท่อ เทอร์มิเนเตอร์แต่ละตัวสามารถสร้างพลังงานได้ตั้งแต่ 500 กิโลวัตต์ถึง 2 เมกะวัตต์ ขึ้นอยู่กับสภาพคลื่น เพียงพอสำหรับพื้นที่ใกล้เคียงทั้งหมด

เช่นเดียวกับเทอร์มิเนเตอร์ ตัวลดทอนคือท่อยาวที่ตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของคลื่น พวกเขาจะทอดสมออยู่ที่ปลายด้านหนึ่งและสร้างขึ้นในส่วนที่เคลื่อนที่สัมพันธ์กันเมื่อคลื่นผ่าน การเคลื่อนไหวขับเคลื่อนลูกสูบไฮดรอลิกหรืออุปกรณ์กลไกอื่นๆ ที่ตั้งอยู่ในแต่ละส่วน และพลังงานจะขับเคลื่อนกังหันซึ่งจะผลิตกระแสไฟฟ้า

อุปกรณ์โอเวอร์ท็อปปิ้งนั้นยาวและยืดในแนวตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น พวกมันก่อตัวเป็นแนวกั้น คล้ายกับเขื่อนหรือเขื่อนที่กักเก็บน้ำ ระดับน้ำจะเพิ่มขึ้นตามแต่ละคลื่นที่ผ่านไป และเมื่อมันตกลงมาอีกครั้ง มันจะขับกังหันที่ผลิตกระแสไฟฟ้า การดำเนินการโดยรวมจะเหมือนกับที่ใช้ในเขื่อนไฟฟ้าพลังน้ำโดยประมาณ เทอร์ไบน์และอุปกรณ์ส่งกำลังมักตั้งอยู่ในแท่นนอกชายฝั่ง นอกจากนี้ยังสามารถสร้างอุปกรณ์บนบกเพื่อจับพลังงานของคลื่นที่ซัดเข้าหาชายหาด

แม้จะมีสัญญาที่ชัดเจนของพลังงานคลื่น แต่การพัฒนาก็ยังล้าหลังกว่าพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม การติดตั้งเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ยังคงเป็นเรื่องของอนาคต ผู้เชี่ยวชาญด้านพลังงานบางคนเปรียบเทียบสถานะของคลื่นไฟฟ้ากับแสงอาทิตย์และพลังงานลมเมื่อ 30 ปีที่แล้ว สาเหตุส่วนหนึ่งมาจากธรรมชาติของคลื่นทะเล พวกเขาไม่สม่ำเสมอและคาดเดาไม่ได้ ความสูงของคลื่นและระยะเวลาของคลื่น ซึ่งเป็นช่องว่างระหว่างคลื่น อาจแตกต่างกันไปในแต่ละวัน หรือแม้แต่ชั่วโมงต่อชั่วโมง

ปัญหาอีกประการหนึ่งคือการส่งกำลัง พลังงานคลื่นไม่สามารถตอบสนองวัตถุประสงค์ใด ๆ ได้จนกว่าจะถูกส่งไปยังฝั่ง WECs ส่วนใหญ่รวมหม้อแปลงเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าเพื่อการส่งสัญญาณที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นตามสายไฟใต้น้ำ สายไฟเหล่านี้มักจะวางอยู่บนพื้นทะเล และการติดตั้งเหล่านี้จะเพิ่มค่าใช้จ่ายให้กับสถานีผลิตไฟฟ้าจากคลื่นอย่างมีนัยสำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อสถานีตั้งอยู่ไกลจากชายฝั่ง นอกจากนี้ยังมีการสูญเสียพลังงานจำนวนหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้า