Moc fali - Wave power

Przetwornik energii Pelamis Wave na miejscu w Europejskim Centrum Energii Morskiej (EMEC), w 2008 r.

Azura na miejscu testowym energii falowej marynarki USA (WETS) na Oahu

AMOG Wave Energy Converter (WEC), działający w południowo-wschodniej Anglii (2019)

Konwerter mWave firmy Bombora Wave Power

Elektrownia Wave wykorzystująca komorę pneumatyczną

Energia fal to przechwytywanie energii fal wiatru w celu wykonania użytecznej pracy – na przykład wytwarzania energii elektrycznej , odsalania wody lub pompowania wody. Maszyna wykorzystująca moc fal to konwerter energii fal (WEC).

Moc fal różni się od mocy pływów , która wychwytuje energię prądu wywołaną przez przyciąganie grawitacyjne Słońca i Księżyca. Fale i pływy różnią się także od prądów oceanicznych, które są powodowane przez inne siły, w tym fale rozbijające się , wiatr , efekt Coriolisa , kable oraz różnice w temperaturze i zasoleniu .

Wytwarzanie energii z fal nie jest szeroko stosowaną komercyjną technologią w porównaniu z innymi uznanymi odnawialnymi źródłami energii, takimi jak energia wiatrowa , wodna i słoneczna . Próbowano jednak wykorzystać to źródło energii od co najmniej 1890 r., głównie ze względu na jego wysoką gęstość mocy. Dla porównania, gęstość mocy paneli fotowoltaicznych wynosi 1 kW/m ² przy szczytowym nasłonecznieniu, a gęstość mocy wiatru 1 kW/m ² przy 12 m/s; średnia roczna gęstość mocy fal np. na wybrzeżu San Francisco wynosi 25 kW/m ² .

W 2000 roku na wybrzeżu Islay w Szkocji zainstalowano pierwsze na świecie komercyjne urządzenie Wave Power, Islay LIMPET, które zostało podłączone do sieci National Grid . W 2008 roku w Portugalii w Parku Fal Aguadoura otwarto pierwszą eksperymentalną farmę fal z wieloma generatorami .

Koncepcje fizyczne

Uproszczona konstrukcja Wave Power Station

Kiedy obiekt podskakuje w górę iw dół na fali w stawie, porusza się w przybliżeniu po trajektorii eliptycznej.

Ruch cząstki w fali oceanicznej.
A = Na głębokiej wodzie. Eliptyczny ruch cząstek płynu gwałtownie maleje wraz ze wzrostem głębokości pod powierzchnią.
B = Na płytkiej wodzie (dno oceanu jest teraz w B). Eliptyczny ruch cząstki płynu spłaszcza się wraz ze zmniejszającą się głębokością.
1 = Kierunek propagacji.
2 = grzbiet fali.
3 = Dolina fali.

Zdjęcie eliptycznych trajektorii cząstek wody pod - postępującą i okresową - powierzchniową falą grawitacyjną w korycie falowym . Warunki falowania to: średnia głębokość wody d = 2,50 ft (0,76 m), wysokość fali H = 0,339 ft (0,103 m), długość fali λ = 6,42 ft (1,96 m), okres T = 1,12 s.

Fale są generowane przez wiatr przelatujący nad powierzchnią morza. Dopóki fale rozchodzą się wolniej niż prędkość wiatru tuż nad falami, energia jest przenoszona z wiatru na fale. Zarówno różnice ciśnień powietrza pomiędzy nawietrzną i zawietrzną stroną grzbietu fali , jak również tarcie o powierzchnię wody przez wiatr, powodujące, że woda przechodzi na naprężenia ścinające powoduje wzrost fal.

Wysokość fali jest określana przez prędkość wiatru, czas, przez jaki wiatr wieje, odległość (odległość, na jaką wiatr wzbudza fale) oraz głębokość i topografię dna morskiego (które mogą skupiać lub rozpraszać energię fal ). Dana prędkość wiatru ma dopasowany praktyczny limit, w którym czas lub odległość nie spowoduje powstania większych fal. Po osiągnięciu tego limitu mówi się, że morze jest „w pełni rozwinięte”.

Ogólnie rzecz biorąc, większe fale są silniejsze, ale moc fali zależy również od prędkości fali , długości fali i gęstości wody .

Ruch oscylacyjny jest największy na powierzchni i zmniejsza się wykładniczo wraz z głębokością. Jednak w przypadku fal stojących ( clapotis ) w pobliżu odbijającego brzegu, energia fal występuje również jako oscylacje ciśnienia na dużych głębokościach, tworząc mikrosejsmy . Te wahania ciśnienia na większej głębokości są zbyt małe, aby były interesujące z punktu widzenia mocy fal.

Fale rozchodzą się po powierzchni oceanu, a energia fal jest również transportowana poziomo z prędkością grupową . Średnia szybkość transportu energii fali przez pionową płaszczyznę o szerokości jednostki, równoległą do grzbietu fali, nazywana jest strumieniem energii fali (lub mocą fali, której nie należy mylić z rzeczywistą mocą generowaną przez urządzenie mocy fal).

Formuła mocy fal

W głębokiej wodzie, gdzie głębokość wody jest większa niż połowa długości fali , strumień energii fali wynosi

{\ Displaystyle P = {\ Frac {\ rho g ^ {2}} {64 \ pi}} H_ {m0} ^ {2} T_ {e} \ około \ lewo (0,5 {\ Frac {\ tekst {kW} }{{\text{m}}^{3}\cdot {\text{s}}}}\right)H_{m0}^{2}\;T_{e},}

z P strumień energii fal na jednostkę długości fali szczytu, H _M0 się znaczną wysokość fali , t _e energii udaru okres , ρ wodzie gęstości i g przyspieszenia siły ciężkości . Z powyższego wzoru wynika, że moc fali jest proporcjonalna do okresu energii fali i kwadratu wysokości fali. Gdy znacząca wysokość fali jest podana w metrach, a okres fali w sekundach, wynikiem jest moc fali w kilowatach (kW) na metr długości czoła fali .

Przykład: Rozważmy umiarkowane fale oceaniczne, w głębokiej wodzie, kilka kilometrów od linii brzegowej, o wysokości fali wynoszącej 3 mi okresie energii fal wynoszącym 8 sekund. Używając wzoru do obliczenia mocy, otrzymujemy

{\ Displaystyle P \ około 0,5 {\ Frac {\ tekst {kW}} {{\ tekst {m}} ^ {3} \ cdot {\ tekst {s}}}} (3 \ cdot {\ tekst {m} })^{2}(8\cdot {\text{s}})\ok 36{\frac {\text{kW}}{\text{m}}},}

co oznacza, że na metr grzbietu fali przypada 36 kilowatów mocy.

Podczas dużych sztormów największe fale na morzu mają około 15 metrów wysokości i trwają około 15 sekund. Zgodnie z powyższym wzorem, takie fale przenoszą około 1,7 MW mocy na każdy metr czoła fali.

Skuteczne urządzenie wykorzystujące fale falowe wychwytuje jak najwięcej strumienia energii fal. W rezultacie fale będą miały mniejszą wysokość w obszarze za urządzeniem wykorzystującym energię fal.

Energia fal i strumień energii fal

W stanie morza średnia (średnia) gęstość energii na jednostkę powierzchni fal grawitacyjnych na powierzchni wody jest proporcjonalna do kwadratu wysokości fali, zgodnie z liniową teorią fal:

{\ Displaystyle E = {\ Frac {1} {16}} \ rho gH_ {m0} ^ {2}}

gdzie E jest średnią gęstość energii fal na jednostkę powierzchni poziomej (J / m ² ), przy czym suma kinetycznej i potencjalnej energii gęstości na jednostkę powierzchni poziomej. Gęstość energii potencjalnej jest równa energii kinetycznej, obie wnoszące połowę do gęstości energii falowej E , jak można się spodziewać na podstawie twierdzenia o ekwipartycji . W falach oceanicznych efekty napięcia powierzchniowego są nieistotne dla fal o długości powyżej kilku decymetrów .

Gdy fale się rozchodzą, ich energia jest transportowana. Prędkość transportu energii to prędkość grupowa . W efekcie strumień energii fali , przez płaszczyznę pionową o jednostkowej szerokości, prostopadłą do kierunku propagacji fali, jest równy:

P=E\,c_{g},

z c _g prędkość grupowa (m/s). Ze względu na zależność dyspersji fal wodnych pod działaniem grawitacji, prędkość grupowa zależy od długości fali λ lub równoważnie od okresu fali T . Ponadto zależność dyspersji jest funkcją głębokości wody h . W rezultacie prędkość grupowa zachowuje się inaczej w granicach wód głębokich i płytkich oraz na głębokościach pośrednich:

Własności fal grawitacyjnych na powierzchni wody głębokiej, płytkiej i na głębokości pośredniej, zgodnie z teorią fal liniowych
Ilość	symbol	jednostki	głęboka woda ( h > 1 ⁄ 2 λ )	płytka woda ( h < 0,05 λ )	głębokość pośrednia (wszystkie λ i h )
prędkość fazowa	${\ Displaystyle C_ {p} = {\ Frac {\ Lambda} {T}} = {\ Frac {\ Omega} {k}}}$	SM	${\ Displaystyle {\ Frac {g} {2 \ pi}} T}$	${\sqrt {gh}}$	${\ Displaystyle {\ sqrt {{\ Frac {g \ lambda} {2 \ pi}} \ tanh \ lewo ({\ Frac {2 \ pi h} {\ lambda}} \ prawej)}}}$
prędkość grupowa	${\ Displaystyle c_ {g} = c_ {p} ^ {2} {\ Frac {\ częściowy \ lewo (\ lambda / c_ {p} \ prawo)} {\ częściowy \ lambda}} = {\ Frac {\ częściowy \omega }{\częściowe k}}}$	SM	${\ Displaystyle {\ Frac {g} {4 \ pi}} T}$	${\sqrt {gh}}$	${\ Displaystyle {\ Frac {1} {2}} c_ {p} \ lewo (1 + {\ Frac {4 \ pi h} {\ lambda}} {\ Frac {1} {\ sinh \ lewo ({\ szczelina {4\pi h}{\lambda }}\prawo)}}\prawo)}$
stosunek	${\ Displaystyle {\ Frac {c_ {g}} {c_ {p}}}}$	–	${\frac {1}{2}}$	${\ Displaystyle 1}$	${\ Displaystyle {\ Frac {1} {2}} \ lewo (1 + {\ Frac {4 \ pi h} {\ lambda}} {\ Frac {1} {\ sinh \ lewo ({\ Frac {4 \ pi h}{\lambda }}\prawo)}}\prawo)}$
długość fali	${\ Displaystyle \ lambda}$	m	${\ Displaystyle {\ Frac {g} {2 \ pi}} T ^ {2}}$	$T{\sqrt {gh}}$	dla danego okresu T rozwiązanie: ${\ Displaystyle \ lewo ({\ Frac {2 \ pi} {T}} \ prawej) ^ {2} = {\ Frac {2 \ pi g} {\ Lambda}} \ Tanh \ lewo ({\ Frac {2 \pi h}{\lambda }}\prawo)}$
ogólny
gęstość energii fali	${\ Displaystyle E}$	J / m ²	${\ Displaystyle {\ Frac {1} {16}} \ rho gH_ {m0} ^ {2}}$
strumień energii fal	$P$	W / m	$E\;c_{g}$
częstotliwość kątowa	${\ Displaystyle \ omega}$	rad / s	${\ Displaystyle {\ Frac {2 \ pi} {T}}}$
numer fali	$k$	rad / m	${\ Displaystyle {\ Frac {2 \ pi} {\ lambda}}}$

Charakterystyka i możliwości głębinowe

Deepwater odpowiada głębokości wody większej niż połowa długości fali, co jest powszechną sytuacją w morzach i oceanach. W głębokiej wodzie fale o dłuższym okresie rozchodzą się szybciej i szybciej transportują swoją energię. Prędkość grup głębinowych jest o połowę mniejsza od prędkości fazowej . W płytkiej wodzie , dla fal o długości większej niż około dwudziestokrotność głębokości wody, jak to często spotyka się w pobliżu wybrzeża, prędkość grupowa jest równa prędkości fazowej.

Historia

Pierwszy znany patent na wykorzystanie energii z fal oceanicznych pochodzi z 1799 roku i został złożony w Paryżu przez Girarda i jego syna. Wczesnym zastosowaniem energii fal było urządzenie skonstruowane około 1910 roku przez Bochaux-Praceique do oświetlenia i zasilania jego domu w Royan , niedaleko Bordeaux we Francji. Wydaje się, że było to pierwsze urządzenie wykorzystujące energię falową z oscylującą kolumną wodną. Od 1855 do 1973 w samej Wielkiej Brytanii zgłoszono już 340 patentów.

Współczesne naukowe poszukiwania energii fal zostały zapoczątkowane przez eksperymenty Yoshio Masudy w latach 40. XX wieku. Przetestował różne koncepcje urządzeń wykorzystujących energię fal na morzu, z kilkoma setkami jednostek używanych do zasilania świateł nawigacyjnych. Wśród nich znalazła się koncepcja wydobywania mocy z ruchu kątowego na połączeniach tratwy przegubowej, którą zaproponował w latach 50. Masuda.

Ponowne zainteresowanie energią fal było motywowane kryzysem naftowym w 1973 roku . Wielu badaczy uniwersyteckich ponownie zbadało potencjał generowania energii z fal oceanicznych, wśród których byli w szczególności Stephen Salter z Uniwersytetu w Edynburgu i Johannes Falnes z Norweskiego Instytutu Technologii (później połączonego z Norweskim Uniwersytetem Nauki i Technologii ), Michael E. McCormick z US Naval Academy , David Evans z Bristol University , Michael French z University of Lancaster , Nick Newman i CC Mei z MIT .

Wynalazek Stephena Saltera z 1974 roku stał się znany jako kaczka Saltera lub kiwająca się kaczka , choć oficjalnie nazywano go kaczką po Edynburgu. W testach kontrolowanych na małą skalę zakrzywiony, przypominający krzywkę korpus kaczki może zatrzymać 90% ruchu fal i może przetworzyć 90% tego na energię elektryczną, co daje 81% wydajności.

W latach 80., gdy cena ropy spadła, finansowanie energii fal zostało drastycznie ograniczone. Niemniej jednak kilka prototypów pierwszej generacji zostało przetestowanych na morzu. Ostatnio, w związku ze zmianami klimatycznymi, na całym świecie ponownie rośnie zainteresowanie energią odnawialną, w tym energią fal.

Pierwszy na świecie ośrodek testowania energii morskiej powstał w 2003 r., aby zapoczątkować rozwój przemysłu energii fal i pływów w Wielkiej Brytanii. Europejskie Centrum Energii Morskiej (EMEC) z siedzibą na Orkadach w Szkocji wsparło wdrożenie większej liczby urządzeń wykorzystujących energię fal i pływów niż w jakimkolwiek innym miejscu na świecie. EMEC zapewnia różnorodne stanowiska testowe w rzeczywistych warunkach morskich. Jego połączone z siecią miejsce testowania fal znajduje się w Billia Croo, na zachodnim krańcu kontynentalnych Orkadów, i jest narażone na działanie pełnego działania Oceanu Atlantyckiego z morzami o wysokości do 19 metrów odnotowanymi w tym miejscu. Deweloperzy Wave Energy testujący obecnie w centrum to Aquamarine Power , Pelamis Wave Power i ScottishPower Renewables .

Nowoczesna technologia

Falowe urządzenia energetyczne są generalnie klasyfikowane według metody wykorzystywanej do wychwytywania lub wykorzystywania energii fal, lokalizacji i systemu odbioru mocy . Lokalizacje to linia brzegowa, przybrzeżna i morska. Rodzaje przystawek odbioru mocy obejmują: siłownik hydrauliczny , elastomerową pompę przewodową , pompę na brzeg, turbinę hydroelektryczną , turbinę powietrzną i liniowy generator elektryczny . Oceniając energię fal jako rodzaj technologii, ważne jest rozróżnienie między czterema najbardziej powszechnymi podejściami: punktowe boje absorbera, tłumiki powierzchniowe, oscylujące słupy wody i urządzenia nadtopowe.

Ogólne koncepcje dotyczące energii fal: 1. Absorber punktowy, 2. Tłumik, 3. Przetwornik przepięć fali oscylacyjnej, 4. Oscylacyjny słup wody, 5. Urządzenie przeładunkowe, 6. Zanurzona różnica ciśnień, 7. Przetworniki pływające w powietrzu.

Boja absorbera punktowego

To urządzenie unosi się na powierzchni wody , utrzymywane w miejscu przez kable połączone z dnem morskim. Pochłaniacz punktowy jest zdefiniowany jako mający szerokość urządzenia znacznie mniejszą niż przychodząca długość fali λ. Dobry pochłaniacz punktowy ma te same cechy, co dobry generator fal. Energia fal jest pochłaniana przez promieniowanie fali z destrukcyjną ingerencją w nadchodzące fale. Boje wykorzystują wzrost i spadek fal do generowania energii elektrycznej na różne sposoby, w tym bezpośrednio przez generatory liniowe lub przez generatory napędzane mechanicznymi konwerterami liniowo-obrotowymi lub pompami hydraulicznymi. Pola elektromagnetyczne generowane przez kable transmisyjne oraz akustyka tych urządzeń mogą stanowić problem dla organizmów morskich. Obecność boi może mieć wpływ na ryby, ssaki morskie i ptaki jako potencjalne niewielkie ryzyko kolizji i miejsca odpoczynku. Istnieje również możliwość zaplątania się w cumy. Energia usunięta z fal może również wpływać na linię brzegową, co skutkuje zaleceniem, aby miejsca znajdowały się w znacznej odległości od brzegu.

Tłumik powierzchniowy

Urządzenia te działają podobnie do wspomnianych wcześniej bojów z absorberami punktowymi, z wieloma połączonymi ze sobą segmentami pływającymi i są zorientowane prostopadle do nadchodzących fal. Pęcznienia tworzą ruch zginający, który napędza pompy hydrauliczne do wytwarzania energii elektrycznej. Skutki środowiskowe są podobne do boi z absorberem punktowym, z dodatkową obawą, że organizmy mogą zostać ściśnięte w stawach.

Przetwornik przepięć fali oscylacyjnej

Urządzenia te zazwyczaj mają jeden koniec przymocowany do konstrukcji lub dna morskiego, podczas gdy drugi koniec może się swobodnie poruszać. Energia jest pobierana ze względnego ruchu ciała w porównaniu do punktu stałego. Przetworniki fal oscylacyjnych często występują w postaci pływaków, klapek lub membran. Problemy środowiskowe obejmują niewielkie ryzyko kolizji, sztuczne refowanie w pobliżu stałego punktu, oddziaływanie siły elektromotorycznej z kabli podmorskich oraz usuwanie energii mające wpływ na transport osadów. Niektóre z tych projektów zawierają odbłyśniki paraboliczne jako sposób na zwiększenie energii fal w punkcie przechwytywania. Te systemy przechwytywania wykorzystują ruch wznoszący się i opadający fal do przechwytywania energii. Po wychwyceniu energii fal w źródle fal, energia musi być doprowadzona do punktu wykorzystania lub do połączenia z siecią elektryczną za pomocą kabli zasilających .

Oscylująca kolumna wody

Urządzenia z oscylacyjnymi kolumnami wody mogą być umieszczone na lądzie lub w głębszych wodach morskich. Dzięki komorze powietrznej zintegrowanej z urządzeniem, sprężone powietrze pęcznieje w komorach, wtłaczając powietrze przez turbinę powietrzną do wytwarzania energii elektrycznej . Podczas przepychania przez turbiny powietrza wytwarzany jest znaczny hałas, co może mieć wpływ na ptaki i inne organizmy morskie w pobliżu urządzenia. Istnieje również obawa, że organizmy morskie zostaną uwięzione lub zaplątane w komorach powietrznych.

Urządzenie przewyższające

Urządzenia przewyższające to długie konstrukcje, które wykorzystują prędkość fal do wypełnienia zbiornika do wyższego poziomu wody niż otaczający go ocean. Energia potencjalna na wysokości zbiornika jest następnie wychwytywana przez turbiny niskoobrotowe. Urządzenia mogą być na lądzie lub pływające na morzu. Urządzenia pływające będą budzić obawy środowiskowe dotyczące systemu cumowania oddziałującego na organizmy bentosowe , organizmów zaplątujących się lub oddziaływania siły elektromotorycznej wytwarzanej przez kable podmorskie . Istnieją również pewne obawy dotyczące niskiego poziomu hałasu turbin i usuwania energii fal wpływających na siedlisko w pobliżu.

Zanurzona różnica ciśnień

Zanurzone przetworniki oparte na różnicy ciśnień są stosunkowo nowszą technologią wykorzystującą elastyczne (zwykle wzmocnione gumą) membrany do ekstrakcji energii fal. Przetwornice te wykorzystują różnicę ciśnień w różnych miejscach poniżej fali do wytworzenia różnicy ciśnień w zamkniętym układzie płynu do przystawki odbioru mocy. Ta różnica ciśnień jest zwykle wykorzystywana do wytwarzania przepływu, który napędza turbinę i generator elektryczny. Zanurzone przetworniki różnicy ciśnień często wykorzystują elastyczne membrany jako powierzchnię roboczą między oceanem a systemem odbioru mocy. Membrany mają tę przewagę nad sztywnymi strukturami, że są podatne i mają niewielką masę, co może powodować bardziej bezpośrednie sprzężenie z energią fali. Ich podatny charakter pozwala również na duże zmiany w geometrii powierzchni roboczej, co można wykorzystać do dostrojenia odpowiedzi przetwornicy do określonych warunków falowych oraz do ochrony przed nadmiernymi obciążeniami w ekstremalnych warunkach.

Zanurzony konwerter może być umieszczony na dnie morskim lub w toni wodnej. W obu przypadkach konwerter jest chroniony przed uderzeniami wody, które mogą wystąpić na wolnej powierzchni . Obciążenia falowe zmniejszają się również nieliniowo proporcjonalnie do odległości pod wolną powierzchnią. Oznacza to, że optymalizując głębokość zanurzenia takiego przetwornika, można znaleźć kompromis między ochroną przed ekstremalnymi obciążeniami a dostępem do energii fal. Zanurzone WEC mają również potencjał, aby zmniejszyć wpływ na udogodnienia i nawigację morską, ponieważ nie znajdują się na powierzchni.

Pływające konwertery w powietrzu

Rozpoznana potrzeba zwiększonej niezawodności w technologii konwerterów energii fal zrodziła tę grupę koncepcji. Przetwornice pływające w powietrzu oferują potencjalnie zwiększoną niezawodność elementów maszyn, ponieważ znajdują się nad wodą morską, co zapewnia łatwą inspekcję i konserwację. Przykłady różnych koncepcji pływających w powietrzu konwerterów pokazano na 7 rysunku. 7a) systemy wydobycia energii typu tłumienie walcowe z turbinami w przedziałach zawierających wodę słodką zalewaną; 7b) układy wahadłowe o osi poziomej; 7c) układy wahadłowe o osi pionowej.

Skutki środowiskowe

Wspólne problemy środowiskowe związane z rozwojem energetyki morskiej obejmują:

Ryzyko uderzenia w ssaki morskie i ryby przez łopatki turbin pływowych ;
Skutki pól elektromagnetycznych i podwodnego hałasu emitowanego przez działające morskie urządzenia energetyczne;
Fizyczna obecność morskich projektów energetycznych i ich potencjał do zmiany zachowania ssaków morskich, ryb i ptaków morskich poprzez przyciąganie lub unikanie;
Potencjalny wpływ na środowisko morskie bliskiego i dalekiego pola oraz procesy takie jak transport osadów i jakość wody .

Baza danych Tethys zapewnia dostęp do literatury naukowej i ogólnych informacji o potencjalnym wpływie energii fal na środowisko.

Potencjał

Szacuje się, że światowe zasoby energii fal przybrzeżnych przekraczają 2 TW. Lokalizacje o największym potencjale dla energii fal to zachodnie wybrzeże Europy, północne wybrzeże Wielkiej Brytanii oraz wybrzeża Pacyfiku w Ameryce Północnej i Południowej, Afryce Południowej, Australii i Nowej Zelandii. Północne i południowe strefy umiarkowane mają najlepsze miejsca do przechwytywania mocy fal. Dominujące w tych strefach zachodnie południa wieją najsilniej zimą.

Krajowe Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) przeprowadziło szacunki dla różnych krajów na całym świecie w odniesieniu do ilości energii, którą można wytworzyć z konwerterów energii fal (WEC) na ich wybrzeżach. W szczególności w przypadku Stanów Zjednoczonych szacuje się, że całkowita ilość energii, jaka mogłaby zostać wytworzona wzdłuż ich wybrzeży, wynosi 1170 TWh rocznie, co stanowiłoby około 10 kWh na obywatela Stanów Zjednoczonych dziennie. To prawie 5% całkowitego zużycia energii na przeciętnego obywatela, łącznie z transportem i przemysłem. Choć brzmi to obiecująco, linia brzegowa wzdłuż Alaski liczyła około. 50% całkowitej energii wytworzonej w ramach tego oszacowania. Biorąc to pod uwagę, potrzebna byłaby odpowiednia infrastruktura do przesyłania tej energii z wybrzeży Alaski do kontynentalnych Stanów Zjednoczonych, aby właściwie wykorzystać zapotrzebowanie na energię w Stanach Zjednoczonych. Liczby te pokazują jednak ogromny potencjał, jaki mają te technologie, jeśli zostaną wdrożone na skalę globalną w celu zaspokojenia poszukiwań źródeł energii odnawialnej.

WEC zostały poddane szczegółowej analizie w ramach badań, zwłaszcza dotyczących ich wydajności i transportu generowanej przez nie energii. NREL wykazał, że te WEC mogą mieć sprawność bliską 50%. To fenomenalna ocena efektywności wśród produkcji energii odnawialnej. Dla porównania, sprawności powyżej 10% w panelach słonecznych są uważane za opłacalne dla zrównoważonej produkcji energii. Tak więc wartość 50% wydajności dla odnawialnego źródła energii jest niezwykle realna dla przyszłego rozwoju odnawialnych źródeł energii, które mają być wdrażane na całym świecie. Ponadto przeprowadzono badania dotyczące mniejszych WEC i ich żywotności, zwłaszcza w odniesieniu do mocy wyjściowej. Jedno z badań wykazało ogromny potencjał w przypadku małych urządzeń, przypominających boje, zdolnych do generowania powyżej 6 MW mocy w różnych warunkach falowania i oscylacji oraz wielkości urządzenia (do mniej więcej cylindrycznej boi o masie 21 kg). Jeszcze dalsze badania doprowadziły do opracowania mniejszych, kompaktowych wersji obecnych WEC, które mogłyby wytwarzać taką samą ilość energii przy wykorzystaniu mniej więcej połowy powierzchni potrzebnej jako obecne urządzenia.

Mapa zasobów energii fal na świecie

Wyzwania

Istnieje potencjalny wpływ na środowisko morskie. Na przykład zanieczyszczenie hałasem może mieć negatywny wpływ, jeśli nie jest monitorowane, chociaż hałas i widoczny wpływ każdego projektu znacznie się różnią. Badane są inne oddziaływania biofizyczne (flora i fauna, reżimy osadów oraz struktura i przepływy słupów wody) wynikające ze zwiększania skali technologii. Jeśli chodzi o wyzwania społeczno-ekonomiczne, farmy falowe mogą skutkować przemieszczeniem rybaków komercyjnych i rekreacyjnych z produktywnych łowisk, mogą zmienić wzorzec odżywiania piasku na plaży i mogą stanowić zagrożenie dla bezpiecznej żeglugi. Ponadto infrastruktura wspierająca, taka jak przyłącza do sieci morskich, nie jest powszechnie dostępna. Wdrożenia WEC na morzu i podstacji podwodnych podlegają skomplikowanym procedurom, które mogą powodować nadmierny stres w firmach pracujących w tych zastosowaniach. Na przykład w 2019 roku szwedzka spółka produkcyjna Seabased Industries AB została zlikwidowana z powodu „rozległych wyzwań w ostatnich latach, zarówno praktycznych, jak i finansowych”.

Farmy fal

Grupa urządzeń wykorzystujących energię falową rozmieszczonych w tej samej lokalizacji nazywana jest farmą fal, farmą energii fal lub parkiem energii fal. Farmy falowe stanowią rozwiązanie pozwalające osiągnąć większą produkcję energii elektrycznej. Urządzenia parku będą oddziaływać ze sobą hydrodynamicznie i elektrycznie, zgodnie z liczbą maszyn, odległością między nimi, układem geometrycznym, klimatem fal, geometrią lokalną, strategiami sterowania. Proces projektowania farmy energii fal jest problemem wielooptymalizacji, którego celem jest uzyskanie wysokiej produkcji energii oraz niskich kosztów i fluktuacji mocy.

Projekty farm falowych

Australia

Bombora Wave Power ma siedzibę w Perth w Australii Zachodniej i obecnie opracowuje elastyczny konwerter membranowy mWave. Bombora przygotowuje się obecnie do komercyjnego projektu pilotażowego w Peniche w Portugalii i ma biuro w dokach Pembrokeshire.
CETO gospodarstwo fala u wybrzeży Australii Zachodniej działa wykazać rentowność, a po wstępnej akceptacji środowiska, poddany dalszemu rozwojowi. Na początku 2015 roku do sieci podłączono wielomegawatowy system o wartości 100 milionów dolarów, a cała energia elektryczna została zakupiona do zasilania bazy morskiej HMAS Stirling . Dwie w pełni zanurzone boje, które są zakotwiczone na dnie morskim , przekazują energię z fal oceanicznych poprzez ciśnienie hydrauliczne na lądzie; do napędzania generatora prądu, a także do produkcji świeżej wody. Od 2015 roku planowana jest instalacja trzeciej boi.
Ocean Power Technologies ( OPT Australasia Pty Ltd ) buduje farmę falową podłączoną do sieci w pobliżu Portland w stanie Wiktoria poprzez elektrownię falową o mocy 19 MW. Projekt otrzymał od rządu federalnego Australii dotację w wysokości 66,46 mln AU.
Oceanlinx zaplanował demonstrację na skalę komercyjną u wybrzeży Australii Południowej w Port MacDonnell . Firma weszła w zarząd komisaryczny w 2014 roku. Ich urządzenie, greenWAVE , miało planowaną znamionową moc elektryczną 1 MW. Projekt był wspierany przez ARENA w ramach Programu Emerging Renewables. Urządzenie greenWAVE było konstrukcją grawitacyjną stojącą na dnie, niewymagającą kotwiczenia ani przygotowania dna morskiego i nie posiadającą ruchomych części pod powierzchnią wody.
Swell Wave Energy instalacji próbnej jednostkę generator fal w porcie w Grassy , King Island . Jest to jednostka o mocy 200 kW, która zostanie podłączona do istniejącej na wyspie mikrosieci , która również wykorzystuje wiatr, energię słoneczną, akumulator i olej napędowy.

Portugalia

Aguçadoura Wave Farm był pierwszym na świecie farma fala . Znajdował się 5 km (3 mil) od brzegu w pobliżu Póvoa de Varzim , na północ od Porto w Portugalii. Farma została zaprojektowana tak, aby wykorzystywać trzy konwertery energii fal Pelamis do przekształcania ruchu fal powierzchniowych oceanu w energię elektryczną, o łącznej mocy zainstalowanej 2,25 MW . Farma po raz pierwszy wyprodukowała energię elektryczną w lipcu 2008 r. i została oficjalnie otwarta 23 września 2008 r. przez portugalskiego ministra gospodarki. Farma fal została zamknięta dwa miesiące po oficjalnym otwarciu w listopadzie 2008 r. w wyniku załamania finansowego Babcock & Brown spowodowanego światowym kryzysem gospodarczym. Maszyny były w tym czasie poza zakładem z powodu problemów technicznych i chociaż rozwiązane, nie wróciły na miejsce, a następnie zostały złomowane w 2011 roku, gdy technologia przeszła do wariantu P2 dostarczanego do E.ON i Scottish Renewables . Druga faza projektu zakładająca zwiększenie zainstalowanej mocy do 21 MW przy użyciu kolejnych 25 maszyn Pelamis jest wątpliwa po załamaniu finansowym firmy Babcock.

Szwecja

Grupa badawcza energii fal na Uniwersytecie w Uppsali zaprojektowała technologię konwertera energii fal z generatorem liniowym . Pierwsze pełnowymiarowe urządzenie zostało zainstalowane i przetestowane w 2006 roku na poligonie badawczym poza miastem Lysekil na zachodnim wybrzeżu Szwecji. Oprócz badań nad produkcją energii prowadzone są również badania związane z wpływem maszyn energetycznych fal na środowisko morskie. Wraz z tymi badaniami grupa badawcza z Uniwersytetu w Uppsali kierowała projektem WESA (energia fal dla zrównoważonego archipelagu) finansowanym przez Unię Europejską w latach 2011-2013. Projekt ten koncentrował się na zbadaniu możliwości obsługi systemu energii fal w lodowatych środowiskach, takich jak Morze Bałtyckie .

Zjednoczone Królestwo

Islay limpet został zainstalowany i podłączony do sieci krajowej w 2000 roku i jest pierwszym na świecie elektrownia fala komercyjnych. Został wycofany z eksploatacji w 2012 roku, a firma Wavegen, która go stworzyła, została zamknięta w 2013 roku.
Finansowanie farmy fal o mocy 3 MW w Szkocji zostało ogłoszone 20 lutego 2007 r. przez władze szkockie , kosztem ponad 4 mln funtów , jako część 13-milionowego pakietu finansowania energii morskiej w Szkocji . Pierwsza maszyna została uruchomiona w maju 2010 roku. Firma Pelamis stojąca za projektem przeszła do administracji w 2014 roku.
Na północnym wybrzeżu Kornwalii w Anglii zbudowano obiekt znany jako węzeł fal , aby ułatwić rozwój energii fal. Koncentrator Wave będzie działał jak gigantyczny przedłużacz, pozwalający na podłączenie szeregu urządzeń wytwarzających energię fal do sieci elektrycznej. Węzeł Wave będzie początkowo umożliwiał podłączenie 20 MW mocy, z możliwością rozbudowy do 40 MW . Czterech producentów urządzeń od 2008 roku wyraziło zainteresowanie podłączeniem do koncentratora Wave. Naukowcy obliczyli, że energia fal zgromadzona w Wave Hub wystarczy do zasilania nawet 7500 gospodarstw domowych. Miejsce to ma potencjał ograniczenia emisji gazów cieplarnianych o około 300 000 ton dwutlenku węgla w ciągu najbliższych 25 lat. Wave Hub został skrytykowany w 2018 roku po tym, jak nie wyprodukował żadnej energii elektrycznej podłączonej do sieci.
Badanie przeprowadzone w 2017 r. przez Strathclyde University i Imperial College koncentrowało się na niepowodzeniu w opracowaniu „gotowych do wprowadzenia na rynek” urządzeń wykorzystujących energię fal – pomimo forsowania przez rząd Wielkiej Brytanii ponad 200 milionów funtów w ciągu ostatnich 15 lat – oraz sposobach poprawy skuteczności przyszłego wsparcia rządowego.
Urządzenie w skali 1/3, zaprojektowane przez AMOG Consulting, zostało z powodzeniem wdrożone podczas europejskiego lata 2019 na FaBTest. Wsparcie finansowe dla wdrożenia pochodziło z programu Marine-i w ramach dotacji Unii Europejskiej na rozwój regionalny i Cornwall Development Company. Urządzenie zostało zbudowane przez Mainstay Marine w Walii, zainstalowane przez KML z SW Anglii, a czołg przetestowany w AMC/University of Tasmania i University of Plymouth. Ma kadłub w kształcie barki z wahadłem w powietrzu dostosowanym do pochłaniania ruchu fal, a nie kadłuba. Przystawka odbioru mocy znajduje się na górze wahadła, a energia elektryczna jest wytwarzana i rozpraszana lokalnie przez grzałki zanurzeniowe zanurzone w wodzie morskiej. Maksymalna moc urządzenia to 75 kW.

Stany Zjednoczone

Reedsport, Oregon – komercyjny park fal na zachodnim wybrzeżu Stanów Zjednoczonych położony 2,5 mil od brzegu w pobliżu Reedsport w stanie Oregon . Pierwsza faza tego projektu dotyczy dziesięciu PB150 PowerBuoys , czyli 1,5 megawata. Farma falowa Reedsport została zaplanowana na wiosnę 2013 roku. W 2013 roku projekt został wstrzymany z powodu problemów prawnych i technicznych.
Kaneohe Bay Oahu , Hawaje – Ośrodek Testowy Energii Falowej Marynarki Wojennej (WETS) obecnie testuje urządzenie do zasilania falami Azura Urządzenie do zasilania falami firmy Azura to 45-tonowy konwerter energii fal umieszczony na głębokości 30 metrów (98 stóp) w zatoce Kaneohe.

Patenty

Zgłoszenie patentowe WIPO WO2016032360 — 2016 System szczytowo- pompowy – zgłoszenie patentowe „Energia wodna buforująca ciśnienie”
Patent USA 8,806,865 — 2011 Urządzenie do ujarzmiania energii fal oceanicznych — patent hybrydowy Pelamis/Salter's Duck Hybrid
US Patent 3,928,967 - 1974 Aparatura i metoda pozyskiwania energii fal - Oryginalny patent „Kaczka Saltera”
US Patent 4,134,023 - 1977 Aparatura do stosowania w ekstrakcji energii z fal na wodzie - metoda Saltera do poprawy wydajności „kaczki”
US Patent 6.194.815 — 1999 Piezoelektryczny obrotowy generator energii elektrycznej
Patent USA 1 930 958 — 1932 Silnik falowy – Parsons Ocean Power Plant – Herring Cove Nova Scotia – marzec 1925. Pierwsza na świecie komercyjna elektrownia przekształcająca energię fal oceanicznych w energię elektryczną. Projektant - Osborne Havelock Parsons - urodzony w 1873 Petitcodiac, New Brunswick.
Przetwornice energii fal wykorzystujące różnice ciśnień US 20040217597 A1 — 2004 Przetwornice energii fal wykorzystujące różnice ciśnień

Zobacz też

Portale
Dostęp do powiązanych tematów

Uwagi

Bibliografia

Dalsza lektura

Cruz, João (2008). Energia fal oceanicznych – stan obecny i perspektywy na przyszłość . Skoczek. Numer ISBN 978-3-540-74894-6., 431 s.
Falnes, Johannes (2002). Fale oceaniczne i systemy oscylacyjne . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. Numer ISBN 978-0-521-01749-7., 288 s.
McCormick, Michael (2007). Konwersja energii fal oceanicznych . Dover. Numer ISBN 978-0-486-46245-5., 256 s.
Twidell, John; Weir, Anthony D.; Jaz, Tony (2006). Odnawialne Zasoby Energii . Taylora i Francisa. Numer ISBN 978-0-419-25330-3., 601 s.

Zewnętrzne linki

Kate Galbraith (22 września 2008). „Moc z niespokojnego morza pobudza wyobraźnię” . New York Times . Źródło 9 października 2008 .
„Wave Power: The Coming Wave” z The Economist, 5 czerwca 2008 r.
Tethys – baza danych Tethys z Pacific Northwest National Laboratory

Languages

In other projects