Лекция 7. Турбинное оборудование ГЭС.

Виды турбин

Гидротурбина, гидравлическая турбина, водяная турбина, ротационный двигатель, преобразующий механическую энергию воды (её энергию положения, давления и скоростную) в энергию вращающегося вала. По принципу действия Гидротурбины делятся на активные и реактивные. Основным рабочим органом Гидротурбины, в котором происходит преобразование энергии, является рабочее колесо. Вода подводится к рабочему колесу в активных Гидротурбинах через сопла, в реактивных — через направляющий аппарат. В активной Гидротурбине (рис. 1) вода перед рабочим колесом и за ним имеет давление, равное атмосферному.

В реактивной Гидротурбине (рис. 2) давление, воды перед рабочим колесом больше атмосферного, а за ним может быть как больше, так и меньше атмосферного давления.

Первая реактивная Гидротурбина была изобретена в 1827 французским инженером Бенуа Фурнероном; эта Гидротурбина имела на рабочем колесе мощность 6 л. с., но из-за плохих энергетических свойств подобные гидротурбины уже не применяются. В 1855 американский инженер Джеймс Френсис изобрёл радиально-осевое рабочее колесо Гидротурбины с неповоротными лопастями, а в 1887 немецкий инженер Финк предложил направляющий аппарат с поворотными лопатками (Радиально-осевая гидротурбина.). В 1889 американский инженер Лестер Аллан Пелтон запатентовал активную — ковшовую гидротурбину, в 1920 австрийский инженер Виктор Каплан получил патент на поворотнолопастную гидротурбину. Радиально-осевые, поворотнолопастные и ковшовые турбины сейчас широко применяются для выработки электрической энергии

Рассмотрим каждый из типов турбины отдельно:

Активные турбины:

В качестве представителя класса активных гидротурбин рассмотрим здесь наиболее распространенную ковшовую турбину с основными элементами конструкции (рис.5.1). Главными составными частями ковшовой турбины являются рабочее колесо, сопло и игла с регулирующим механизмом.

Рис. 5.1. Ковшовая турбина: а - схема установки турбины; б - общий вид рабочего колеса

Вода из верхнего бьефа подводится трубопроводом к рабочему колесу, выполненному в виде диска и закрепленному на валу турбины. Колесо вращается в воздухе. По окружности колеса равномерно расположены ковшеобразные лопасти (ковши). Чтобы максимально преобразовать кинетическую энергию воды в механическую энергию вращения рабочего колеса, ковши выполняют эллиптической формы. На эллиптических частях ковша вода меняет свое направление на 180º и сходит с них с очень малой скоростью.

Формирование струи, придание ей необходимой скорости и преобразование энергии подводимой трубопроводом воды в кинетическую производится с помощью сопла 1, в котором помещается игла 2 для регулирования расхода и мощности турбины. При перемещении иглы изменяется выходное сечение струи и тем самым ее расход. Скорость перемещения иглы ограничена из-за опасности возникновения гидравлического удара. Для исключения появления гидравлического удара закрытие иглы идет медленно, в течение 20-40 с. В случае необходимости быстрого снижения мощности используется отклонитель струи, который за 2-3 с отводит струю от лопаток.

У ковшовых турбин лопасти рабочего колеса испытывают переменную нагрузку. В связи с этим возникают усталостные явления в металле, приводящие к расслаблению крепления. В настоящее время стали применять цельнолитые и сварнолитые рабочие колеса с повышенной надежностью.

Конструктивно ковшовые турбины могут различаться по расположению вала (вертикальные и горизонтальные), по числу сопел и рабочих колес на одном валу.

Ковшовые турбины, диаметр рабочего колеса которых достигает 7,5 м, используются в диапазоне напоров 300-2000 м при расходах порядка 100 м3/с и имеют мощность до 200 МВт. КПД таких турбин составляет 88-91 %.

Скорость потока воды из форсунок зависит от напора и может достигать значительных величин, порядка 500—600 км/ч. Скорость вращения турбины также весьма велика, до 3000 об/мин.

Крупнейшие в мире ковшовые турбины установлены на швейцарской ГЭС Bieudron, их мощность составляет 423 МВт. Эта же ГЭС является мировым рекордсменом по напору на гидроагрегатах, составляющему 1 869 м.

 

Реактивные турбины

Реактивные гидротурбины получили на ГЭС наибольшее распространение вследствие ряда достоинств. Они имеют высокий КПД, обладают относительно большим числом оборотов, могут использоваться для широкой шкалы напоров и мощностей, их конструкция хорошо компонуется со зданием ГЭС.

Конструкция реактивной гидротурбины (рис. 5.2) включает в себя: турбинную (спиральную) камеру 1, статор 2, направляющий аппарат 3, рабочее колесо 4 и отсасывающую трубу 5. Характерные особенности каждой из систем реактивных турбин заключаются, в основном, в особенностях конструкции их рабочих колес.

Рис. 5.2. Схема реактивной гидротурбины

 

Спиральная камера. Вода из верхнего бьефа поступает в турбинную камеру по трубопроводу. В ней происходит формирование осесимметричного потока воды, который затем проходит через направляющий аппарат турбины. При такой форме потока обеспечивается его равномерное распределение по окружности рабочего колеса и более эффективный отбор мощности. Вода, поступающая на рабочее колесо с любого направления, имеет равную скорость и начальную вихревую закрутку. Чаще всего турбинная камера выполняется в виде спирали и имеет название спиральной камеры. На ГЭС с напором, превышающим 50-60 м, применяются стальные спиральные камеры гидротурбины круглого сечения (см рисунок), охватывающие статор почти полностью («полная спираль»). На ГЭС с меньшим напором Спиральные камеры изготовляются из железобетона, угол охвата составляет около 225°, сечение имеет вид тавра. Спиральная камера гидротурбины в отличие от других турбинных камер (например, открытых) позволяют вынести значительную часть механизмов гидротурбины в сухое помещение, что улучшает условия эксплуатации турбины.

Рис. 5.3. Статор турбины: 1, 2 - верхнее и нижнее кольца статора; 3 - колонны

 

Статор турбины (рис. 5.3) служит для передачи нагрузки от вращающихся частей агрегата, осевого усилия воды и конструкций здания электростанции над спиралью на фундамент ГЭС. Обычно статор выполняется в виде двух колец специальной формы, между которыми установлены металлические колонны. Число колонн, их расположение и форма определяются условиями необходимой прочности и обтекания

 

Рис. 5.4. Направляющий аппарат: 1 - регулирующее кольцо; 2, 5 - верхнее и нижнее кольца направляющего аппарата; 3 - рычаги; 4 - серьги; 6 - лопатки

Направляющий аппарат служит для подвода воды к рабочему колесу, регулирования расхода в соответствии с необходимой для генератора мощностью, закрытия доступа воды к рабочему колесу турбины при ее остановке и создания определенного направления (закрутки) потока. Конструкция направляющего аппарата (рис 5.4) состоит, в основном, из двух опорных колец и подвижных лопаток обтекаемой формы, размещенных между этими кольцами. Лопатки с помощью регулирующего кольца могут одновременно поворачиваться вокруг собственных осей на определенный угол, образуя одинаковые просветы величиной а ₀, называемые открытием направляющего аппарата. Число подвижных лопаток зависит от размеров турбины и колеблется от 12 до 32.

На рабочем колесе происходит непосредственное преобразование энергии движущейся воды в механическую энергию вращения колеса. Для реактивных турбин характерны следующие признаки:

1) рабочее колесо располагается полностью в воде. Поток воды отдает энергию одновременно всем лопастям рабочего колеса;

2) перед рабочим колесом только часть энергии воды находится в кинетической форме. Остальная же часть энергии - в потенциальной форме, соответствующей, в основном, разности давлений до и после колеса.

Избыточное давление и разность уровней потока на входе и выходе из рабочего колеса приводят к увеличению его относительной скорости и тем самым к созданию реактивного давления потока на лопасти турбины. Изменение направления потока за счет кривизны лопастей приводит к возникновению активного давления потока;

3) действие потока на лопасти рабочего колеса складывается из реактивного воздействия, возникающего из-за увеличения относительной скорости, и активного давления, возникающего из-за изменения направления потока.

Рассмотрим конструктивные особенности рабочих колес реактивных турбин различных систем.

Для конструкции радиально-осевых турбин (РО) (рис. 5.5) характерно то, что вода при входе на рабочее колесо движется в радиальной плоскости, а после рабочего колеса - в осевом направлении. Рабочее колесо состоит из 9-21 лопастей сложной пространственной формы, неподвижно соединенных с верхним и нижним ободами. Радиально-осевые турбины исполь-зуются при напорах от 30 до 600 м.

Рис. 5.6. Рабочие колеса осевых турбин: а Радиально-освевой; б - пропеллерной; в - поворотно-лопастной; г – двухперовой; д - диагональной турбины

Радиально-осевые турбины (РО) (за рубежом их называют турбинами Френсиса) характерны тем, что вода при входе на рабочее колесо движется в радиальной плоскости, а после рабочего колеса - в осевом направлении, и используются в довольно широком диапазоне напоров от 30 - 40м до 500 - 550м. Такой большой диапазон обеспечивается конструктивными изменениями рабочего колеса и всей турбинной установки.

Рабочее колесо радиально-осевой турбины состоит из ряда лопастей 2 сложной пространственной формы, равномерно распределенных по окружностям ступицы 1 (верх­ний обод) и нижнего обода 3 (рис. 8.6. а и 8.7.). Все три части объединены между собой и представляют одну жесткую конструкцию. Число лопастей может колебаться от 9 для низконапорных до 21 для высоконапорных турбин. (За диаметр рабочего колеса принима­ется максимальный диаметр по входным кромкам лопастей D1).

Пропеллерные турбины (ПР). Рабочее колесо такой турбины располагается в ка­мере ниже направляющего аппарата. Поэтому между направляющим аппаратом и рабочим колесом осуществляется нерабочий поворот потока. На лопасти рабочего колеса поток поступает только в осевом направлении, из-за чего такие турбины называются осевыми.

Число лопастей зависит от напора и может колебаться от трех до восьми (растет с увеличением напора). Лопасти закреплены на втулке под постоянным углом ф = -10°; -5°; 0°; +5°; +10°; +15°; +20°, отсчитываемым от некоторого среднего положения (ф= 0)

Основным достоинством пропеллерных турбин является простота конструкции и сравнительно высокий КПД. Однако турбины имеют существенный недостаток, заклю­чающийся в том, что с изменением нагрузки резко изменяется и КПД. Зона высоких зна­чений КПД наблюдается только в узком диапазоне изменения мощности. Этот недостаток существенно снижает эффективность пропеллерных турбин при использовании их в сис­темах с дефицитом энергии. Однако это несущественно, если основным назначением ГЭС является работа в пиковой части графика нагрузки, т.е. при малом числе часов использо­вания установленной мощности ГЭС. Иногда на крупных ГЭС пропеллерные турбины ус­танавливаются совместно с радиально-осевыми или поворотно-лопастными, которые имеют более растянутый диапазон максимального значения КПД.

Поворотно-лопастные турбины (ПЛ). По конструктивному выполнению пово­ротно-лопастные турбины (за рубежом их называют турбины Каплана) отличаются от пропеллерных только тем, что у них лопасти рабочего колеса в процессе работы могут пово­рачиваться вокруг своих осей, перпендикулярных оси вала (рис. 5.6.,в).

Мощность, отдаваемая рабочим колесом такой турбины, и его КПД, при постоян­ном напоре, зависят как от открытия лопаток направляющего аппарата, так и от угла по­ворота лопастей по отношению к втулке. Изменяя угол установки лопастей при различных открытиях направляющего аппарата, а, следовательно, при различной мощности, можно найти такое положение лопастей, при котором КПД турбины будет иметь наибольшее значение. Конструктивно поворотно-лопастные турбины выполняются таким образом, что лопасти рабочего колеса на ходу турбины могут автоматически поворачиваться на некоторый (оптимальный) угол ф (отсюда название поворотно-лопастные) одновременно с изменением открытия направляющего аппарата. Такое двойное регулирование дает очень большие преимущества, так как обеспечивает автоматическое поддержание высокого зна­чения КПД в широком диапазоне изменения мощности.

Поворотно-лопастные турбины используются в диапазоне напоров от 3 - 5 до 35 -45м. В последнее время, стремясь использовать некоторые преимущества этих турбин перед радиально-осевыми предпринимаются успешные попытки применять их на напоры до 70 - 75м. Наиболее мощная поворотно-лопастная турбина (178МВт) изготовлена в бывшем СССР и установлена на ГЭС Джердан на Дунае.

Двухперовая турбина. Увеличение числа лопастей рабочего колеса поворотно-лопастной турбины по мере повышения используемого напора приводит к возрастанию относительного диаметра втулки (d_вт / D₁) и последующему ухудшению энергетических качеств турбины. Для смягчения этого недостатка применяются спаренные (двухперовые) рабочие лопасти, имеющие общий фланец и общую цапфу, что по­зволяет повысить пропускаемый турбиной расход. Двухперовые турбины не имеют широкого распространения.

Диагональные турбины (ПЛ - Д). Появление этих турбин обусловлено теми же причинами, что и двухперовых, т.е. стремлением обеспечить возможность работы осевых тур­бин двойного регулирования в области напоров, используемых радиально-осевыми тур­бинами.

Отличие диагональных турбин от поворотно-лопастных заключается в конструк­ции рабочего колеса, которая представляет собой конусообразную втулку с расположен­ными на ней под некоторым углом к оси вращения колеса лопастями (число их доходит до 14), могущими поворачиваться вокруг своих осей (рис. 5.6.д). При этом втулка рабочего колеса, несмотря на свои относительно большие размеры по сравнению с втулкой у пово­ротно-лопастных турбин не создает стеснения потока. Благодаря этому за рабочим колесом нет участка с резким расширением сечения, как в осевых турбинах, что в сочетании с другими особенностями диагональных турбин обеспечило им более высокие энергетиче­ские и кавитационные качества. Максимальное значение КПД диагональной турбины на 1,5 - 2,5% выше, чем осевой. Вместе с тем они сложнее по конструкции, чем осевые и радиально-осевые.

Диагональные турбины не имеют широкого распространения в России, они установлены лишь на Бухтарминской и Зейской ГЭС мощностью 75 и 200МВт, соответствен­но. Однако, как показывают исследования, они могут оказаться весьма эффективными в диапазоне напоров от 35 - 40м до 150 - 200м и особенно при больших колебаниях нагрузки.

Отсасывающая труба предназначена для отвода воды из рабочего колеса турбины в нижний бьеф, а также для повышения КПД гидротурбины за счет более полного использования энергии водного потока. Для турбин кинетическая энергия потока за рабочим колесом составляет от 1,5 до 50 % ее входной величины. При отсутствии отсасывающей трубы эта энергия теряется и общий КПД турбины, особенно быстроходной, мал.

 

Лекция 8
Приливные и волновые электростанции.

Помимо рассмотренных ранее электростанций, использующих энергию воды, существуют и другие электростанции, принцип действия которых основан на использовании гидравлической энергии. Это волновые и приливные электростанции. Вот отличии от ГЭС их работа основана на использовании не водного потока рек, а на эксплуатации колебаний водной поверхности морей и океанов.

Приливные электростанции

Периодические изменения уровня воды в морях и океанах, называемые приливами и отливами, происходят под действием сил притяжения в космической системе Земля — Луна — Солнце. Смена приливов и отливов наблюдается на большинстве морских побережий 4 раза в сутки. При этом амплитуда колебаний уровня моря достигает максимума (сизигия) при расположении Земли, Луны и Солнца на одной прямой, а минимума (квадратуры)—при их расположении в вершинах треугольника, образуемого этими космическими телами.

Наибольшая амплитуда колебаний этих уровней, т. е. разность их максимального значения при приливах к минимального при отливах, составляет в открытом океане около 2 м. У побережий, в узких проливах, заливах и устьях рек эта амплитуда возрастает, достигая наибольшего значения до 19,6 м в заливе Фанди на атлантическом побережье Канады. В Советском Союзе максимальные амплитуды приливов наблюдаются на побережье Охотского моря до 11 м, в Мезенском заливе—10 м и на Кольском побережье —до 7,4 м.

Station	Мощность, МВт	Выработка, млн. кВт.ч	Другое	Страна	Год ввода
(Сихвинская ПЭС) Sihwa Lake Tidal Power Station		550 (2165)	12,7 км	South Korea
ПЭС «Ля Ранс» (Rance Tidal Power Station)		600 (2500)	0,8 км	France
ПЭС Аннаполис (Annapolis Royal Generating Station)		50 (2500)	19 метров перепад	Canada
Jiangxia Tidal Power Station	3.2			China
Кислогубская ПЭС	1.7			Russia
Uldolmok Tidal Power Station	1.5			South Korea
Strangford Lough SeaGen	1.2			United Kingdom

 

Так же, многие страны сейчас ведут проекты создания ПЭС значительно более высокой мощности. Самые крупные из них: Skerries Tidal Farm (Скерриз, Англия) мощностью 10,5 ГВт, Мезенская ПЭС мощностью 8 ГВт и Dalupiri Blue Energy Project мощностью 2200 МВт на Филлипинах.

Помимо этого, одно время существовал проект строительства ПЭС в Пенжинской губе Охотского моря. Это станция могла бы быть крупнейшей в мире. Площадь ее бассейна составляет 20530 км², а перепад уровней воды от 9 до 13 метров. Это соответствует 360−530 км³ воды, что в 20−30 раз превышает расход воды в устье крупнейшей реки Земли Амазонки.

Однако процесс создания ПЭС достаточно трудоемкий, хотя у ПЭС есть и ряд преимуществ перед традиционными ГЭС: достаточно низкая себестоимость электроэнергии (например, себестоимость одного кВт⋅ч ПЭС «Ля Ранс» приблизительно в 1,5 раза ниже обычной стоимости кВт·ч, произведенного на АЭС Франции (1,8 ¢⁄кВт·ч против 2,5)) и высокая степень прогнозируемости величины выдаваемой в сеть мощности.

Принцип работы ПЭС.

Графики изменения рассматриваемых уровней воды, называемые мареограммами, для суток имеют синусоидальный характер. Чередование максимальных и минимальных уровней моря происходит через каждые 6 ч 12 мни. Амплитуда суточных колебаний уровня моря не остается постоянной, а изменяется по дням, как это показано на рисунке, а также существенно зависит от времени года. Лунный месяц составляет 29.53 сут, что соответствует продолжительности времени между двумя полнолуниями или новолуниями.

Рассматриваемый подъем и спад уровнен сопровождаются изменениями течения и расхода воды от моря к побережью и обратно, что определяет гидравлическую энергию приливов и отливов.

Таким образом, преобразование энергии отливов и приливов в электрическую возможно путем строительства приливных электростанций (ПЭС).

Схема работы ПЭС заключается в следующем:

1. Суженный створ пролива или устья реки перегораживается путем сооружения дамбы, включающей в себя здания станции и плотины. При этом образуется бассейн, куда во время прилива вода поступает из моря, а при отливе — обратно.

2. Разность уровней воды в море и бассейне обеспечивает работу гидротурбин. При выравнивании уровней воды в бассейне и море и сокращении напора ниже минимально необходимого для работы турбин значения они останавливаются до следующего восстановления напора во время прилива или отлива.

Для определения потенциальной мощности Nп, кВт, и годовой выработки энергии Эп, кВт.ч, отдельных створов, в которых возможно сооружение ПЭС, рекомендуются следующие формулы:

где А — среднегодовая амплитуда прилива, м; F— площадь бассейна, км2.

Технический потенциал ПЭС оценивается в 33% потенциальной энергии, так как значительная ее часть не может быть использована вследствие снижения напора и других потерь энергии.

Схемы и режимы работы ПЭС.

1. Однобассейновая схема

1.1. Одностороннего действия

1.2. Двустороннего действия

2. Многобассейновая схема.

 

В однобассейновых схемах бассейн отгорожен от моря зданием ПЭС, воспринимающим напор, и плотиной (рисунок). Режим, или цикл, ПЭС одностороннего действия заключается в следующем. После заполнения во время прилива бассейна, куда вода поступает через специальные отверстия в здании ПЭС, эти отверстия закрываются затворами. Через некоторое время, когда уровень моря снижается в результате начавшегося отлива, начинают работать турбины, пропуская воду в море из бассейна и срабатывая его вместимость. Когда напор становится ниже минимального, при котором могут работать турбины, они отключаются и после достижения необходимого напора для работы турбин цикл повторяется.

Эта схема проста, не требует глубокой сработки резервуара, что важно при наличии мелководных бассейнов, по которым осуществляется судоходство, но степень использования потенциальной энергии оценивается всего лишь в 22%.

При режиме двустороннего действия турбин компоновка сооружений аналогична предыдущей схеме, а цикл работы следующий (рисунок). После начала прилива затворы отключают бассейн от моря, в результате чего между обеими акваториями образуется перепад, достаточный для работы турбин, последние включаются и наполняют бассейн. После начала отлива, когда перепад уровней и напор турбин снова становятся недостаточным для их работы, турбины отключаются и открываются водопроводящие отверстия для наполнения бассейна. Это продолжается до момента выравнивания уровней в море и бассейне, после чего закрываются отверстия, и станция отключается до образования требуемого перепада для работы турбин при опорожнении бассейна. Далее цикл повторяется.

 

Использование двусторонней схемы увеличивает степень использования потенциальной энергии до 34 %. Чтобы еще сильнее увеличить эту степень, можно установить турбины. Способные работать на малых напорах.

Периодическое несовпадение во времени прохождения максимума нагрузки и выработки энергии ПЭС с однобассейновой схемой затрудняет использование приливной энергии. Поэтому предложены схемы ПЭС с двумя и тремя бассейнами, которые дают возможность получать энергию непрерывно с небольшими колебаниями мощности в течение суток.

Рассмотрим двухбассейновую схему:

1. – ПЭС

2. – разделительная плотина

3. – водопропускная плотина

4. – глухая плотина

Работа ПЭС осуществляется следующим образом (рисунок). В момент а верхний бассейн заполнен до наибольшего уровня прилива и отключен от моря путем закрытия водопропускных отверстий в глухой плотине. Вода через ПЭС срабатывается в нижний бассейн, который также отключен от моря затворами в водопропускной плотине. В момент b, когда поднявшийся уровень нижнего бассейна выравнивается с уровнем моря, отверстия в водопропускной плотине открываются, уровень нижнего бассейна следует за снижающимся уровнем отлива и ПЭС работает на разности уровней между верхним бассейном и морем. При минимальном уровне отлива в момент с нижний бассейн снова отключается от моря и наполняется из верхнего до момента d. К тому времени, когда уровень верхнего бассейна срабатывается до уровня моря, водопропускающие отверстия в глухой плотине открываются и работа ПЭС идет на транзитной воде из моря через верхний в нижний бассейн до момента а, откуда цикл повторяется снова.

Двухбассейновая схема хотя и выравнивает суточную выработку энергии, но не может, как и любая другая схема, выравнивать внутримесячную неравномерность-работы ПЭС, определяемую суточными колебаниями уровней приливов и отливов. Несмотря на преимущества, в том числе и на то, что равномерная выработка энергии ПЭС не только экономит топливо, но и вытесняет мощность других станций, многобассейновые схемы имеют и ряд недостатков, в том числе более высокую строительную стоимость, чем однобассейновые схемы.

Для ПЭС с однобассейновымн схемами ведутся поиски возможностей компенсирования неравномерности их работы как в суточном, так и в месячном разрезе. В качестве таких компенсаторов рассматриваются другие электростанции и, в частности, гидроаккумулирующие станции, расположенные в районе действия ПЭС. При этом ночная выработка ПЭС явится источником заряда ГАЭС.

Волновые электростанции

Установка, расположенная в водной среде, целью которой является получение электричества из кинетической энергии волн.

Волновые электростанции являются одними из самых чистых, безотходных и безопасных источников электроэнергии. На сегодняшний день, данный вид энергии используется весьма мало, не более 1% от всего производимого электричества в мире. Хотя подсчитано, что за счет энергии океанских волн возможно получение до 10 млрд. кВт. электроэнергии.

Принцип работы заключается в следующем:

Для производства электроэнергии используются две основные характеристики волн: кинетической энергия и энергии поверхностного качения. Именно эти факторы и пытаются использовать при строительстве волновых электростанций.

Для использования кинетической энергии волн на их пути ставится труба очень большого диаметра. Поступающие в нее волны вращают лопасти турбины, которая и приводит в движение генератор. В другом случае, поступающая вода выталкивает из замкнутого пространства трубы, находящийся там воздух. Далее выработка энергии происходит по обычному принципу. Выходящий воздух вращает лопасти турбины. Наиболее совершенные волновые электростанции для выработки электроэнергии применяют оба этих способа.

При использовании энергии волнового качения, электроэнергия вырабатывается посредством расположенных на поверхности воды поплавков. Качая их, волны приводят в движение систему поплавок-генератор, что приводит в конечном итоге к выработке энергии.

В большинстве проектов волновых электростанций предполагается использовать двухступенчатую схему преобразования. На первом этапе осуществляется передача энергии от волны к телу-поглотителю и решается задача концентрирования волновой энергии. На втором этапе поглощенная энергия преобразуется в вид, удобный для потребления.

Существует три основных типа проектов по извлечению волновой энергии:

1. В первом используется метод повышения концентрации волновой энергии и превращения ее в потенциальную энергию воды.

2. Во втором – тело с несколькими степенями свободы находится у поверхности воды. Волновые силы, действующие на тело, передают ему часть волновой энергии. Основным недостатком такого проекта является уязвимость тела, находящегося под действием волн.

3. В третьем типе проектов, система, поглощающая энергию, находится под водой. Передача волновой энергии происходит под действием волнового давления или скорости.

В ряде волновых установок для повышения эффективности плотность волновой энергии искусственно повышается. Изменяя рельеф дна в прибрежной зоне, можно сконцентрировать морские волны по­добно линзе, фокусирующей световые волны. Если сфокусировать волны с побережья длиной в несколько километров на фронте в 500 м, то высота волны может достигнуть 30 м. Попадая в специальные сооружения, вода поднимается на высоту в 100 м. Энергия поднятой воды может быть использована для работы гидроэлектростанции, распо­ложенной на уровне океана. Волновая электростанция подобного типа используется для обеспечения электроэнергией острова Маврикий, не имеющего традиционных источников энергии.

Ряд устройств по преобразованию волновой энергии использует различные свойства волновых движений: периодические изменения уровня водной поверхности, волнового давления или волновой скорости. Процент использования волновой энергии достигает 40 %. Электроэнергия передается на берег по кабелю. В Японии создан промышленный образец такой системы, имеющей 9 турбин общей мощностью в 2 МВт.

Основные типы ВлЭС:

1. Поплавковые установки

Основной рабочий орган таких установок находится на поверхности моря и совершает вертикальные колебания согласно изменяющемуся в фиксированной точке уровню моря под воздействием ветровых волн. Вертикальные перемещения поплавка с помощью различных приспособлений переводятся во вращательное движение вала генератора.

2. Плот Кокерелля

(1 - колеблющаяся секция; 2 - преобразователь; 3 - тяга; 4 - шарнир.)

Плот Кокерелля представляет собой плавающую по поверхности воды конструкцию, состоящую из трех шарнирно связанных между собой понтонов, при волнении принимающих очертания поверхности моря. Передний понтон 1 свободно движется вверх и вниз, подчиняясь колебаниям волн. Движения второго понтона 2 более ограничены, ибо поверхность воды под ним становится более пологой после того, как большую часть энергии волны перехватит первый понтон. Третий понтон 3 в цепочке вдвое длиннее первых двух и относительно устойчивее. Таким образом, работа плота в целом основана на относительных поворотах смежных понтонов.

Каждое шарнирное крепление через два длинных шатуна и специальные рычаги соединено с поршнями гидравлических цилиндров. Движение плота заставляет поршни двигаться вперед и назад, перекачивая жидкость в изолированной замкнутой системе. Жидкость перекачивается через четыре патрубка и под низким давлением поступает из резервуара под поршень, а под высоким давлением подается с рабочей стороны поршня в трубу и далее в турбину, вал которой соединен с валом генератора. Вся конструкция плота закрепляется якорями. В случае очень длинных волн энергия на подобных ВлЭС не вырабатывается, ибо тогда все три понтона представляют собой единый поплавок и приводы в шарнирных сцеплениях неподвижны.

эффективность составляет около 45 %

3. Качающаяся «утка» Солтера

Утка Солтера»: а – схема преобразования энергии волны;

б – вариант конструкции преобразователя;

1 – плавучая платформа; 2 – цилиндрическая опора с размещенными в ней приводами и электрогенираторами; 3 – ассиметричный поплавок.

Разработка профессора Эдинбургского университета Стефана Солтера, известная под названием "утка Солтера", представляет собой (рис) преобразователь волновой энергии. Техническое название такого преобразователя - колеблющееся крыло. Форма преобразователя обеспечивает максимальное извлечение мощности. Рабочей конструкцией является поплавок ("утка"), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики.

В волновом бассейне оно поглощало до 90 % падающей энергии.

В проекте предусматривается монтаж большого количества крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение силой собственного веса. При этом приводятся в действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводящая в движение турбины, установленные между поплавками и поднятые над поверхностью моря. Вырабатываемая электроэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20-30 поплавков.

Нить из уток протяженностью несколько километров предполагается установить в районе с наиболее интенсивным волнением западнее Гебридских островов. Мощность всей станции будет примерно 100 МВт.

Наиболее серьезными недостатками для «уток Солтера» оказались следующие:

— необходимость передачи медленного колебательного движения на привод генератора;

—необходимость снятия мощности с плавающего на значительной глубине устройства большой протяженности;

—вследствие высокой чувствительности системы к направлению волн необходимость отслеживать изменение их направления для получения высокого КПД преобразования;

—затруднения при сборке и монтаже из-за сложности формы поверхности «утки».

4. Первая волновая электростанция расположена в районе Агусадора, Португалия, на расстоянии 5 километров от берега. Она была запущена в 2008 году. Мощность данной электростанции составляет 2,25 МВт. Стоимость контракта составила 8 миллионов евро, т.е. удельная стоимость составляет порядка 4 тыс $/кВт. В электричество превращается примерно 1% энергии волнения. В дальнейшем планируется добавить к трём существующем конвертерам ещё 25, что увеличит мощность электростанции с 2,25 МВт до 21 МВт.