Viļņu spēkstacija: darbības princips

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 10:35

Okeānu ūdeņi slēpj neskaitāmas bagātības, no kurām galvenā, iespējams, ir neierobežoti enerģijas avoti jūras viļņu veidā. Pirmo reizi par krastā ripojošo šahtu kinētiskās enerģijas izmantošanu tika domāts 18. gadsimtā Parīzē, kur tika iesniegts pirmais viļņu dzirnavu patents. Tagad tehnoloģijas ir kļuvušas tālu uz priekšu, un zinātnieku kopīgiem spēkiem tika izveidota pirmā komerciālā viļņu spēkstacija, kas sāka darboties 2008. gadā.

Kāpēc tas ir izdevīgi?

Nav noslēpums, ka dabas resursi ir uz izsīkuma robežas. Ogļu, naftas un gāzes – galveno enerģijas avotu – rezerves tuvojas beigām. Pēc zinātnieku optimistiskākajām prognozēm, rezerves pietiks 150-300 dzīves gadiem. Arī kodolenerģija neattaisnoja cerības. Liela jauda un produktivitāte atmaksājas būvniecības, ekspluatācijas izmaksas, bet atkritumu izvešanas problēmas un kaitējums videi drīzumā liks no tiem atteikties. Šo iemeslu dēļ zinātnieki meklē jaunus alternatīvus enerģijas avotus. Tagad jaudarbojas vēja un saules elektrostacijas. Bet, neskatoties uz visām priekšrocībām, tiem ir ievērojams trūkums - zema efektivitāte. Visu iedzīvotāju vajadzības apmierināt nebūs iespējams. Tāpēc ir nepieciešami jauni risinājumi.

Elektrības ražošanai viļņu spēkstacija izmanto viļņu kinētisko enerģiju. Pēc konservatīvākajām aplēsēm šis potenciāls tiek lēsts 2 miljonu MW apmērā, kas ir salīdzināms ar 1000 atomelektrostacijām, kas darbojas ar pilnu jaudu, un aptuveni 75 kW/m3 uz vienu viļņu frontes metru. Nav absolūti nekādas kaitīgas ietekmes uz vidi.

Vispārējā darba shēma

Viļņu spēkstacijas ir peldošas konstrukcijas, kas spēj pārveidot viļņu kustības mehānisko enerģiju elektroenerģijā un nodot to patērētājam. Tajā pašā laikā viņi cenšas izmantot divus avotus:

1. Kinētiskās rezerves. Jūras vārpstas iziet cauri liela diametra caurulei un griež asmeņus, kas pārraida spēku uz elektrisko ģeneratoru. Tiek pielietots arī pneimatiskais princips - ūdens, iekļūstot īpašā kamerā, izspiež no turienes skābekli, kas tiek novirzīts pa kanālu sistēmu un rotē turbīnas lāpstiņas.
2. Ritošā enerģija. Šajā gadījumā viļņu spēkstacija darbojas kā pludiņš. Kustoties telpā kopā ar viļņa profilu, tas liek turbīnai griezties caur sarežģītu sviru sistēmu.

Dažādas valstis izmanto savas tehnoloģijas, lai pārveidotu viļņu mehānisko kustību elektroenerģijā, taču vispārējātiem ir viena un tā pati darbības shēma.

Viļņu spēkstaciju trūkumi

Galvenais šķērslis viļņu spēkstaciju plašai ieviešanai ir to izmaksas. Sarežģītās projektēšanas un sarežģītās uzstādīšanas uz jūras ūdeņu virsmas dēļ šādu iekārtu nodošanas ekspluatācijā izmaksas ir augstākas nekā atomelektrostacijas vai termoelektrostacijas būvniecībai.

Turklāt ir virkne citu nepilnību, kas galvenokārt ir saistītas ar sociāli ekonomisko problēmu rašanos. Lieta tāda, ka lielās pludiņu stacijas rada briesmas un traucē kuģošanu un makšķerēšanu – pludiņviļņu spēkstacija var vienkārši izspiest cilvēku no makšķerēšanas vietām. Iespējamas arī vides sekas. Instalāciju izmantošana būtiski nodzēš jūras viļņus, padara tos mazākus un neļauj tiem izlauzties krastā. Tikmēr viļņiem ir svarīga loma gāzu apmaiņas procesā okeānā, attīrot tā virsmu. Tas viss var izraisīt ekoloģiskā līdzsvara maiņu.

Viļņu spēkstaciju pozitīvie aspekti

Viļņu spēkstacijai līdzās trūkumiem ir arī vairākas priekšrocības, kas pozitīvi ietekmē cilvēka darbību:

• instalācijas, pateicoties tam, ka tās apdzēš viļņu enerģiju, var aizsargāt piekrastes būves (piestātnes, ostas) no iznīcināšanas okeāna spēka ietekmē;
• Elektrība tiek ražota ar minimālām izmaksām;
• augsta viļņu enerģija padara vēja parkus ekonomiski dzīvotspējīgākus nekā vēja vai saules elektrostacijas.

Enerģijas rezerves pieder arī sauszemes ūdeņiem, galvenokārt upēm. Staciju būvniecība uz tiltiem, krustojumiem, moliem ir perspektīva šīs elektroenerģijas ražošanas jomas attīstībai.

Atrisināmās problēmas

Pagaidām galvenais zinātnieku aprindu uzdevums ir uzlabot dizainu, kas samazinās viļņu spēkstaciju saražotās elektroenerģijas izmaksas. Darbības principam jāpaliek nemainīgam, taču instalāciju izveidei tiks izmantotas jaunas tehnoloģijas un materiāli.

Viļņa vidējā jauda ir 75–85 kW/m - tas ir diapazons, uz kuru tiek noregulēts lielākā daļa staciju. Taču vētras laikā jūras viļņu stiprums palielinās vairākas reizes un pastāv instalāciju iznīcināšanas draudi. Jau vairāk nekā viens asmens bija saburzīts vai saliekts pēc vētras. Lai atrisinātu šo problēmu, zinātnieki mākslīgi samazina viļņu īpatnējo jaudu. Viena no problēmām ir tā, ka masveida viļņu staciju izmantošana izraisīs klimata pārmaiņas. Elektriskās enerģijas ģenerēšana notiek Zemes rotācijas dēļ (tādā veidā veidojas viļņi). Plašā staciju izmantošana izraisīs planētas lēnāku rotāciju. Cilvēks nejutīs atšķirību, taču tas iznīcinās vairākas straumes, kurām ir svarīga loma Zemes siltuma apmaiņā.

Pasaulē pirmā eksperimentālā WPP

Pirmā viļņu spēkstacija parādījās 1985. gadā Norvēģijā. Tā jauda bija 500 kW, un viņa patibija prototips. Tās darbības princips ir balstīts uz vides ciklisku saspiešanu un paplašināšanu:

• cilindrs ar atvērtu dibenu ir iegremdēts ūdenī tā, lai tā mala būtu zem viļņa dobuma - tā zemākā punkta;
• periodiski tekošs ūdens saspiež gaisu iekšējā dobumā;
• kad tiek sasniegts noteikts spiediens, atveras vārsts, kas ļauj saspiestajam skābeklim nokļūt turbīnā.

Šī elektrostacija saražoja 500 kW enerģijas, kas bija pietiekami, lai apstiprinātu iekārtu efektivitāti, kas veicināja to attīstību.

Pasaulē pirmā rūpnieciskā spēkstacija

Pasaulē pirmā rūpnieciskā mēroga iekārta ir Oceanlinx piekrastes osta Portkemble, Austrālijā. Tā nodota ekspluatācijā 2005. gadā, bet pēc tam nosūtīta rekonstrukcijai un darbu atsāka 2009. gadā, tāpēc šobrīd reģionā tiek izmantotas gan paisuma, gan viļņu spēkstacijas. Tās darbības princips ir šāds:

1. Viļņi periodiski ieplūst īpašās kamerās, izraisot gaisa saspiešanu.
2. Kad tiek sasniegts kritiskais spiediens, saspiestais gaiss rotē elektrisko ģeneratoru pa kanālu tīklu.
3. Lai fiksētu viļņu kustību un spēku, turbīnas lāpstiņas maina savu slīpuma leņķi.

Instalācijas jauda bija aptuveni 450 kW, lai gan katra stacijas sekcija spēj piegādāt no 100 kWh līdz 1,5 MWh elektroenerģijas.

Pasaulē pirmais komerciālais vēja parks

Pirmā komerciālā viļņu spēkstacijaIecelšana amatā nopelnīta 2008. gadā Agusadorā, Portugālē. Turklāt tā ir pirmā iekārta pasaulē, kas tieši izmanto viļņa mehānisko enerģiju. Projektu sagatavoja angļu uzņēmums Pelamis Wave Power.

Struktūra ietver vairākas sadaļas, kuras tiek atbrīvotas un paceļas kopā ar viļņa profilu. Sekcijas ir piestiprinātas pie hidrauliskās sistēmas un iedarbina to kustības laikā. Hidrauliskais mehānisms liek ģeneratora rotoram griezties, kā rezultātā rodas elektrība. Portugālē izmantotajām viļņu spēkstacijām ir plusi un mīnusi. Instalācijas priekšrocība ir tās lielā jauda - aptuveni 2,25 MW, kā arī iespēja uzstādīt papildu sadaļas. Sistēmas uzstādīšanai ir tikai viens trūkums - rodas grūtības ar elektroenerģijas pārvadi pa vadiem patērētājam.

Pirmā viļņa spēkstacija Krievijā

Krievijā pirmais vēja parks parādījās 2014. gadā Primorskas apgabalā. Izstrādi veica zinātnieku komanda no Urālu Federālās universitātes un Krievijas Zinātņu akadēmijas Tālo Austrumu filiāles Klusā okeāna okeanoloģijas institūta. Instalācija ir eksperimentāla. Tā īpatnība ir tā, ka tā izmanto ne tikai viļņu, bet arī plūdmaiņu enerģiju.

Maskavā plānots būvēt pētniecības laboratoriju, kas izstrādās un izveidos pirmo pašmāju peldošo staciju. Varbūt pēc tam viļņu spēkstacijām Krievijā būs arī rūpniecisks vai komerciāls mērķis.