Pobierz Wykorzystanie energii fal morskich do produkcji energii elektrycznej i więcej Publikacje w PDF z Fisica tylko na Docsity!
Zdzisław KRZEMIEŃ
WYKORZYSTANIE ENERGII
FAL MORSKICH DO PRODUKCJI
ENERGII ELEKTRYCZNEJ
STRESZCZENIE W artykule opisano metody konwersji energii fal morskich na energię elektryczną. Przestawiono przykłady projektowanych i istniejących konstrukcji, wykorzystujących ten rodzaj energii odnawialnej. Opisano prądnicę synchroniczną zaprojektowaną w Zakładzie Maszyn Elektrycznych Instytutu Elektrotechniki (IEl) przeznaczoną do instalacji w bojach morskich.
Słowa kluczowe: energia odnawialna, prądnice
1. WSTĘP
Wykorzystanie energii odnawialnych jest dziedziną energetyki, rozwijającą się bardzo dynamicznie w ostatnich dekadach. Dotyczy to przede wszystkim wykorzystania energii słonecznej, wiatrowej i spadku wody. Natomiast energia, jaka zawarta jest w morzach i oceanach, wykorzystywana jest w znikomym stopniu. Ocenia się, że morza i oceany naszej planety generują rocznie 70÷140 PWh energii, w tym 8÷80 PWh to energia wytwarzana przez fale morskie [4]. Dla porównania całkowita energia elekt- ryczna wyprodukowana w roku 2011 przez wszystkie elektrownie na świecie wynosiła 20,182 PWh [8].
Źródła energii mórz i oceanów są następujące: prądy morskie; pływy (przypływy i odpływy) morskie; fale; różnica temperatury wód; różnica zasolenia wód (wykorzystanie osmozy).
dr inż. Zdzisław KRZEMIEŃ e-mail: [email protected] Instytut Elektrotechniki, Zakład Maszyn Elektrycznych
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 262, 2013
120 Z. Krzemień
Z wymienionych wyżej zjawisk praktycznie wykorzystano tylko pływy morskie; w 1967 roku w pobliżu Saint Malo zbudowano elektrownię o mocy 240 MW, wyko- rzystującą energię pływów morskich. Jednak mimo że różnice wysokości wody po- między przypływem a odpływem są tam rekordowo duże, inwestycja nie jest opłacalna (krótki czas pracy w ciągu doby) i nigdzie na świecie nie zbudowano drugiej tak dużej elektrowni, przede wszystkim ze względów ekonomicznych. Wykorzystanie energii prądów morskich budzi sprzeciw, bowiem może pro- wadzić do zmian rozpływu ciepła na Ziemi i wywołać zmiany klimatyczne. W ostatnich latach pewnym zainteresowaniem cieszy się użytkowanie energii falowania. Niestety, wykorzystanie tej energii sprawia trudności, pomimo opracowania wielu teoretycznych metod konwersji energii falowania na energię elektryczną. Ponadto problemem jest też nieprzewidywalność zjawisk pogodowych: okresy spokojnego morza, gwałtowne sztormy.
2. ENERGIA FALOWANIA
Falowanie morza wywołane jest działaniem wiatru na powierzchnię wody, zmianami ciśnienia atmosferycznego oraz przez grawitacyjne oddziaływanie Księżyca. Fale powstają również pod wpływem podmorskich trzęsień ziemi oraz w następstwie wybuchów wulkanów; mają one jednak charakter incydencjonalny i niszczący. Wysokość fali zależy od prędkości wiatru, ale również od czasu trwania wiatru, odległości wzbudzania fal przez wiatr, a także od głębokości i ukształtowania dna morskiego. Energia zależy od prędkości fali, jej długości oraz gęstości wody morskiej. Jeśli głębokość wody jest większa niż połowa długości fali, ilość energii prze- pływającej przez daną powierzchnię w jednostce czasu jest równa [9]:
Hf T f g P^2
2
gdzie: P – strumień energii na jednostkę długości wierzchołka fali; Hf – wysokość fali;
Tf – okres fali; ρ – gęstość wody; g – przyspieszenie ziemskie.
Przyjmując ρ = 1025 kg/m^3 (woda morska – średnio) można obliczyć , że teore-
tyczna moc fali dla długości jednego metra czoła fali jest następująca:
P. Hf T f 0 491 ^2 [kW] (2)
Przykładowo: fala o wysokości 1 m i okresie 10 s ma na długości jednego metra teore- tyczną moc wynoszącą ok. 4.9 kW. W praktyce uzyskiwane moce są znacznie mniejsze; w literaturze [7] opisano wyniki badań urządzenia, wykorzystującego energię fal, przeprowadzonych w Hinsdale Wave Research Laboratory (Oregon, USA). Zbudowano tam model z prądnicą liniową
i w trakcie prób uzyskano przy wysokości fali Hf = 1,37 m i okresie Tf = 3 s moc
zaledwie 25 W. Średnica boi wynosiła 0,4 m, długość 1,2 m. Przyjmując, że fala działa na średnicy boi, teoretyczna moc wyliczona ze wzoru (2) wynosi 1,1 kW, czyli jest 44 razy większa, niż zmierzona. Należy więc przypuszczać, że uzyskiwane moce w praktyce będą wielokrotnie mniejsze, niż wynikające z teoretycznych obliczeń.
122 Z. Krzemień
elektrownie przelewowe – w rozwiązaniu tym woda morska pchana kolejnymi falami napełnia położony wyżej zbiornik. Gdy w zbiorniku tym jest wystar- czająca ilość wody, uruchamiana jest turbina wodna. Instalacje takie można budować na morzu w formie sztucznych wysp lub na lądzie. Konstrukcja taka pracuje od 1986 roku w pobliżu Bergen, osiągając moc 350 kW. Na rysunku 3 pokazano zasadę działania takiego urządzenia.
4. ZREALIZOWANE LUB PROJEKTOWANE
KONSTRUKCJE WYKORZYSTUJĄCE ENERGIĘ FAL
Zaprojektowanie i wykonanie konstrukcji przeznaczonej do konwersji energii fal morskich na energię elektryczną, która będzie pracować przy zmiennej fali i będzie odporna na sztormy, nie jest łatwe. Opłacalność instalacji zależy od wielkości falowa- nia, okresów ciszy, ilości sztormów, i dlatego też miejsc odpowiednich do umiejsco- wienia urządzeń, wykorzystujących fale, nie ma zbyt wiele. W chwili obecnej powstało stosunkowo dużo konstrukcji, wykorzystujących energię fal morskich. Jednak większość z nich ma charakter modelowy lub eksperymentalny. Poniżej przedstawiono kilka zrealizowanych lub projektowanych konstrukcji, wykorzystujących energię fal morskich do produkcji energii elektrycznej.
4.1. „Wąż morski”
Urządzenie o nazwie Pelamis, zwane też „wężem morskim”, zostało zapro- jektowane i zbudowane przez szkocką firmę Ocean Power Delivery. Ma ono postać połączonych ze sobą przy pomocy przegubów czterech rur o średnicy 3,5 m, w sumie długość konstrukcji wynosi 140 m. Wewnątrz rur znajdują się siłowniki hydrauliczne, zbiorniki z płynem i prąd- nice. Urządzenie to zakot- wiczone jest prostopadle do kierunku fal. Falowanie sprawia, że poszczególne rury przemieszczają się względem siebie i prze- pompowują płyn z jed- nego zbiornika do drugie- go, napędzając prądnicę. Moc urządzenia wynosi 750 kW [9]. Obok przed- stawiono fotografię ekspe- rymentalnego urządzenia Pelamis zakotwiczone- go u wybrzeży Orkad (Szkocja).
Rys. 4. Fotografia wykonanego urządzenia Pelamis zwanego „wężem morskim”
Wykorzystanie energii fal morskich do produkcji energii elektrycznej 123
4.2. „Ostryga”
Interesującym urzą- dzeniem, o nazwie Oyster (ostryga), wykorzystują- cym energię fal jest kon- strukcja brytyjskiej firmy Aquamarine. Urządzenie to ma kształt klapy o długości 18 m, która porusza się pod wpływem falowania i na- pędza pompy. Woda pod ciśnieniem tłoczona jest poprzez rurociąg do hydro- zespołu z turbiną, umiesz- czonego na lądzie. Oyster jest umieszczony na głębo- kości kilkunastu metrów w odległości pół kilometra od wybrzeża Orkadów. Instalacja ma moc równą 315 kW. W listopadzie 2009 roku Oyster został podłączony do krajowej sieci elektroenerge- tycznej [3]. Na rysunku 5 zamieszczono widok urządzenia w hali fabrycznej.
4.3. „Pingwin”
Fińska firma Wello zaprojektowała urządzenie do pozyskiwania energii fal o nazwie „Pingwin” (Pinguin), które zostało zbudowane w stoczni w Rydze. Kons- trukcja ta ma postać statku o długości 30 m i wyporności 220 ton, kadłub jest asymetryczny. Falowanie powoduje kołysanie się konstrukcji, co wywołuje ruch ob- rotowy koła zamachowego umieszczonego wewnątrz statku. Z kolei koło poprzez przekładnię napędza genera- tor o mocy 1 MW, produ- kujący energię elektryczną. Energia przesyłana jest pod- morskim kablem na ląd. „Pingwin” został za- projektowany jako prosta i bardzo trwała konstrukcja, która mogłaby stawić czoła ciężkim warunkom środowi- ska oceanicznego, pracując bezobsługowo. Przewidywany cykl życia ma być dłuższy, niż przeciętnej elektrowni wiatrowej [5]. Urządzenie Penguin będzie zakotwiczone w pobliżu jednej z wysp archipelagu Orkad i eksploatowane przez brytyjską firmy Aquatera.
Rys. 5. Brytyjska konstrukcja o nazwie Oyster
Rys. 6. Fotografia eksperymentalnej konstrukcji „Pingwin”
Wykorzystanie energii fal morskich do produkcji energii elektrycznej 125
4.6. „Falowy smok”
Kolejną konstrukcją zaprojektowaną przez międzynarodowy zespół jest tzw. „falowy smok” (Wave Dragon). Budowla ta została zainstalowana w Morzu Północnym w pobliżu Danii. Urządzenie to jest elektrownią przelewową, której zasada działania została przedstawiona w rozdziale 3. artykułu. Podstawowe dane prototypu: całkowita długość i szerokość: 33 m 58 m; wysokość: 3.6 m; pojemność zbiornika: 55 m^3 ; 7 hydrozespołów złożonych z turbin Kaplana i prądnic synchronicznych z magnesami trwałymi o mocy znamionowej 2.3 kW każda, w sumie 16 kW, masa urządzenia wraz z balastem wynosi 237 ton. Roczna pro- dukcja energii elektrycznej wynosi około 40 MWh (2500 godzin pracy rocznie z mocą znamionową) [10]. Należy zaznaczyć, że w opracowaniu tej konstrukcji brali udział pracownicy Instytutu Elektrotechniki i Politechniki Warszawskiej w ramach projektu Wave Dragon MW: Development and validation of technical and economic feasibility of a multi MW Wave Dragon offshore Wave energy converter – Contract No 019983, (501B-1044- -8866-310), międzynarodowy projekt Programu VI Unii Europejskiej, data rozpoczęcia 01.04.2006, data zakończenia: 31.03.2009.
4.1. Boje morskie
Boje (pławy) są to urządzenia pływające zakotwiczone, stosowane w nawigacji wodnej. Zwykle wyposażone są w instalacje sygna- lizacyjne – lampy, buczki, urządzenia radiowe lub radarowe. Boje stosowane są powszechnie w celu oznaczenia torów wodnych, granic ak- wenów, przeszkód podwodnych itp. Podsta- wowym ich zadaniem jest zapewnienie bez- piecznej żeglugi. Położenie boi zwykle daleko od brzegu uniemożliwia zasilanie ich kablem i dlatego wyposażone są one w autonomiczne źródła energii elektrycznej: baterie akumu- latorów, które są wymieniane lub ładowane przy pomocy specjalnych instalacji – zwykle są to mini elektrownie wykorzystujących energie od- nawialne: słońce, wiatr, falowanie wody.
5. PRĄDNICE STOSOWANE W KONSTRUKCJACH
WYKORZYSTUJĄCYCH ENERGIĘ FAL
Energia mechaniczna falowania zamieniana jest w energię elektryczną przy pomocy specjalnie do tego celu zaprojektowanych prądnicach. Specyfika instalacji
Rys. 9. Boja sygnalizacyjna z lam- pą i reflektorem radarowym
126 Z. Krzemień
sprawia, że szczególnie predysponowane są prądnice wzbudzane magnesami trwałymi. Prądnice te posiadają prostą konstrukcję (bez uzwojenia w wirniku, bez wzbudnicy i regulatora wzbudzenia) oraz dużą niezawodność. Mogą pracować praktycznie bez- obsługowo. Sprawność ich jest większa niż „klasycznych” prądnic synchronicznych. Charakter fal morskich – ich okresowość – powoduje, że konieczne jest stosowanie maszyn przystosowanych do pracy z bardzo małą prędkością obrotową. W bojach morskich stosuje się dwa rodzaje prądnic: prądnice liniowe; prądnice wirujące.
5.1. Prądnice liniowe
Podstawową zaletą prądnic liniowych jest generacja energii elektrycznej przy pomocy ruchu postępowego; nie ma więc potrzeby stosowania urządzeń zamieniają- cych ruch liniowy na obrotowy. W prądnicach tego typu twornik ma kształt cylindra, uzwojenie wykonane jest w postaci cewek koncentrycznych. Biegnik ma postać dłu- giego walca z umieszczonymi na nim magnesami trwałymi, poprzedzielanymi przek- ładkami. Konstrukcja prądnicy liniowej jest podobna do konstrukcji silników liniowych tubowych, projektowanych i wykonywanych w Zakładzie Maszyn Elektrycznych Instytutu Elektrotechniki w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku.
Prace projektowe nad prądnicami liniowymi przeznaczonymi do zastosowań morskich prowadzone są w kilku ośrodkach naukowych, miedzy innymi:
na Uniwersytecie w Uppsali (Szwecja) – prowadzone są prace [2], dotyczące budowy elektrowni pływakowych, umożliwiających produkcję energii elek- trycznej na mała skalę. Zasadę działania takich konstrukcji przedstawiono w rozdziale 3. artykułu. W elektrowni tej zastosowano prądnicę liniową wzbu- dzaną magnesami trwałymi o następują-
cych podstawowych danych: P = 10 kW;
U = 578 V; f = 13.4 Hz; 2 p = 660; szcze-
lina powietrzna = 2 mm; średnica sto- jana 300 mm, długość stojana 3925 mm. Pływak ma następujące dane: powierz- chnia 20 m^2 ; objętość 10 m^3 ; masa 260 kg; wytwarzana siła 10 kN przy wysokości fali 1,5 m i okresie 4,5 s. Model urządzenia zostały przebadany w stacji badawczej położonej w pobliżu wyspy Gulholmen (Skagerrak). Wyniki pomiarów „w terenie” wykazały, że obliczenia były zbyt optymistyczne – uzyskiwana moc była znacznie mniejsza, głównie z powodu znaczne niższych prędkości biegnika niż założono w pro- jekcie. Na rysunku 10 pokazano foto- grafię wykonanego przetwornika.
Rys. 10. Elektrownia pływakowa wykonana na Uniwersytecie w Uppsali
128 Z. Krzemień
6. PRĄDNICA PRZEZNACZONA DO INSTALACJI
NA BOI MORSKIEJ ZAPROJEKTOWANA
W ZAKŁADZIE MASZYN ELEKTRYCZNYCH
INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI
W roku 2012 w Zakładzie Maszyn Elektrycznych IEl zaprojektowano prądnicę przewidzianą do zastosowań morskich.
Przyjęto następujące podstawowe założenia projektowe:
konstrukcja tradycyjna, trójfazowe uzwojenie twornika; moc znamionowa 1 kW; znamionowa prędkość obrotowa 20 obr./min; napięcie znamionowe 52 V (bezpieczne i dostosowane do ładowania baterii akumulatorów (4 12 V); wzbudzenie od magnesów trwałych; możliwość pracy prądnicy przy ustawieniu poziomym lub pionowym. W maszynach elektrycznych o małych prędkościach obrotowych i dużych śred- nicach największe trudności w konstrukcji egzemplarzy modelowych stanowi wyko- nanie pierścienia wirnika (nośnika magnesów) i kadłuba. Dlatego przy ustalaniu danych wymiarowych prądnicy za wielkości wyjściowe przyjęto średnice rur stalowych dos- tępnych na rynku, co ułatwi proces wykonania prototypu oraz znacznie obniży koszty. Średnica zewnętrzna twornika prądnicy wynosi 733,6 mm, średnica wirnika 628 mm, długość pakietu 80 mm. Niewielka prędkość obrotowa prądnicy powoduje, że w celu zapewnienia war- tości częstotliwości zbliżonej do 10 Hz należy przyjąć odpowiednio dużą liczbę biegu- nów. Duża średnica twornika sprawia, że należy przyjąć odpowiednio dużą liczbę żłobków. Ponadto należy uwzględnić aspekt wykonalności i symetrii uzwojenia oraz wpływ parametrów maszyny na wielkość momentu zaczepowego.
Warunki wykonalność uzwojenia:
Ż 1 /2 – liczba całkowita;
pqm = 3 pq – liczba całkowita;
dla m = 3 Ż 1 /6 –liczba całkowita.
Warunki symetrii:
pq = Ż 1 /2 m = Ż 1 /6 – liczba całkowita;
Ż 1 / m NWD( p , Ż 1 ) = Ż 1 /3 NWD( p , Ż 1 ) – liczba całkowita
gdzie:
Ż 1 – liczba żłobków twornika,
q – liczba żłobków na biegun i fazę,
m – liczba faz,
NWD – największy wspólny dzielnik. W tabeli 1 zamieszczono zestawienie parametrów maszyny przy typowych licz-
bach żłobków w stojanie ( Ż 1 = 108 180) i różnych wartościach liczby biegunów.
Wykorzystanie energii fal morskich do produkcji energii elektrycznej 129
TABELA 1 Zestawienie parametrów prądnicy przy typowych liczbach żłobków w stojanie i różnych wartościach liczby biegunów
Ż 1 2 p q y k (^) uzw NWW^ f [Hz] przy n = 20 1/min
wykonalność
108 48 3/4 2 0,9452 432 8 tak 108 48 3/4 3 0,8312 432 8 tak 120 32 1 1/4 4 0,9514 480 5,33 tak 120 48 5/6 3 – – 8 niesymetryczne 120 60 3/4 2 – – 10 niewykonalne 120 64 5/8 2 – – 10,83 niesymetryczne 135 60 3/4 2 – – 10 niewykonalne 144 48 1 3 1 144 8 tak 144 60 4/5 2 – – 10 niewykonalne 144 64 3/4 2 – – 10,83 niewykonalne 144 72 2/3 2 – – 12,17 niesymetryczne 168 120 7/15 2 – – 20 niesymetryczne 168 32 1 1/2 5 0,9531 672 5,33 tak 168 64 7/8 3 0,9319 1344 10,67 tak 180 60 1 3 1 180 10 tak 180 48 1 1/4 4 0,9514 720 8 tak 180 80 3/4 2 0,9452 720 13,33 tak
Oznaczenia w tabeli: NWW – najmniejsza wspólna wielokrotność liczby żłobków stojana i liczby biegunów (parametr ten powinien być możliwie duży, bowiem wpływa to na redukcję momentu zaczepowego); y – poskok uzwojenia; k (^) uzw – współczynnik uzwojenia.
Po odrzuceniu rozwiązań niewykonalnych i niesymetrycznych pozostało dzie-
więć możliwości, z pośród których wybrano wariant o następujących danych: Ż 1 = 108;
2 p = 48; q = ¾; y = 2. Wybierając ten wariant, kierowano się możliwościami wyko-
nania, wartością współczynnika uzwojenia i wartością NWW. Środowiskowe warunki pracy (duża wilgotność i zasolenie) sprawiają, że mag- nesy będą narażone na korozję i dlatego powinny być pokryte warstwą ochronną. Cykliczny charakter występowania fal morskich sprawia, że wytwarzana energia elektryczna będzie miała postać impulsową (nie ciągłą), bowiem prędkość obrotowa prądnicy będzie zmienna w czasie i zależna od parametrów fal napędzających przet- wornik, zamieniający energię falowania na energię mechaniczną. Konieczne będzie więc zastosowanie współpracującego z prądnicą odpowiedniego urządzenia energo- elektronicznego. Wykonana została dokumentacja konstrukcyjna prądnicy i maszyna ta może być zbudowana w przypadku zainteresowania instytucji zajmującej się działalnością morską lub w ramach projektu celowego.
Wykorzystanie energii fal morskich do produkcji energii elektrycznej 131
- Thomas K. i in.: A low-speed generator for energy conversion from marine currents – experimental validation of simulations. Swedish Center for Renewable Electric Energy Conversion. Uppsala University, luty 2008.
Rękopis dostarczono dnia 22.03.2013 r.
SEA WAVE ENERGY USING FOR
ELECTRICAL ENERGY PRODUCTION
Zdzisław KRZEMIEŃ
ABSTRACT The paper presents methods of conversion of sea wave energy into electrical energy, examples of constructions which use this kind of renewable energy. The synchronous generator designed in Electrical Machines Department IEl destined to installation on sea buoy is described in the paper, too.
Keywords: renewable energy, generators
Dr inż. Zdzisław KRZEMIEŃ jest pracownikiem Zakładu Maszyn Elektrycznych IEl od 1975 roku, obecnie zatrudniony jest na stanowisku adiunkta. Aktualnie zajmuje się problematyką maszyn elektrycznych przeznaczonych do współpracy z odna- wialnymi źródłami energii.
IEl, Warszawa 2013. Nakład 120 egz. Ark. wyd. 11,08. Ark. druk. 8,18. Pap. off. Kl.III. 80 g. Oddano do druku we wrześniu 2013 r. Druk ukończono we wrześniu 2013 r. Redakcja Dział Informacji Naukowej i Marketingu Indeks nr 37656
