Vlnová elektráreň: princíp fungovania

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 10:39

Vody oceánov ukrývajú nespočetné bohatstvo, z ktorých hlavným sú snáď neobmedzené zdroje energie v podobe morských vĺn. Prvýkrát sa o využití kinetickej energie hriadeľov valiacich sa na breh uvažovalo v 18. storočí v Paríži, kde bol predstavený prvý patent na vlnový mlyn. Teraz technológia pokročila ďaleko vpred a spoločným úsilím vedcov bola vytvorená prvá komerčná vlnová elektráreň, ktorá začala fungovať v roku 2008.

Prečo je to prospešné?

Nie je žiadnym tajomstvom, že prírodné zdroje sú na pokraji vyčerpania. Zásoby uhlia, ropy a plynu – hlavných energetických zdrojov – sa končia. Podľa najoptimistickejších predpovedí vedcov budú zásoby stačiť na 150-300 rokov života. Ani jadrová energia nesplnila očakávania. Vysoký výkon a produktivita splácajú náklady na výstavbu, prevádzku, no problémy s likvidáciou odpadu a poškodzovaním životného prostredia ich čoskoro prinútia opustiť. Z týchto dôvodov vedci hľadajú nové alternatívne zdroje energie. Už terazfungujú veterné a solárne elektrárne. Ale napriek všetkým svojim výhodám majú významnú nevýhodu - nízku účinnosť. Nebude možné uspokojiť potreby celej populácie. Preto sú potrebné nové riešenia.

Na výrobu elektriny využíva vlnová elektráreň kinetickú energiu vĺn. Podľa najkonzervatívnejších odhadov sa tento potenciál odhaduje na 2 milióny MW, čo je porovnateľné s 1000 jadrovými elektrárňami pracujúcimi na plný výkon, a približne 75 kW/m3 na meter čela vlny. Neexistuje absolútne žiadny škodlivý vplyv na životné prostredie.

Všeobecná schéma práce

Vlnové elektrárne sú plávajúce konštrukcie, ktoré sú schopné premeniť mechanickú energiu pohybu vĺn na elektrickú energiu a odovzdať ju spotrebiteľovi. Zároveň sa snažia využiť dva zdroje:

1. Kinetické rezervy. Námorné hriadele prechádzajú potrubím s veľkým priemerom a otáčajú lopatky, ktoré prenášajú silu na elektrický generátor. Uplatňuje sa aj pneumatický princíp - voda prenikajúca do špeciálnej komory odtiaľ vytláča kyslík, ktorý je presmerovaný cez systém kanálov a otáča lopatky turbíny.
2. Voľná energia. V tomto prípade funguje vlnová elektráreň ako plavák. Pohybuje sa v priestore spolu s profilom vlny, vďaka čomu sa turbína otáča prostredníctvom zložitého systému pák.

Rôzne krajiny používajú svoju vlastnú technológiu na premenu mechanického pohybu vĺn na elektrinu, ale všeobecnemajú rovnakú schému činnosti.

Nevýhody vlnových elektrární

Hlavnou prekážkou rozšíreného zavádzania vlnových elektrární je ich cena. Vzhľadom na zložitý projekt a zložitú inštaláciu na hladine morských vôd sú náklady na uvedenie takýchto zariadení do prevádzky vyššie ako pri výstavbe jadrovej elektrárne alebo tepelnej elektrárne.

Okrem toho existuje množstvo ďalších nedostatkov, ktoré sú spojené najmä so vznikom sociálno-ekonomických problémov. Ide o to, že veľké plavákové stanice vytvárajú nebezpečenstvo a zasahujú do navigácie a rybolovu - elektráreň s plavákovou vlnou môže jednoducho vytlačiť osobu z rybárskych oblastí. Možné sú aj environmentálne dôsledky. Použitie zariadení výrazne hasí morské vlny, zmenšuje ich a zabraňuje ich vytrhnutiu na breh. Vlny medzitým hrajú dôležitú úlohu v procese výmeny plynov v oceáne a čistia jeho povrch. To všetko môže viesť k posunu v ekologickej rovnováhe.

Pozitívne aspekty vlnových elektrární

Popri nevýhodách má vlnová elektráreň aj množstvo výhod, ktoré majú pozitívny vplyv na ľudské aktivity:

• inštalácie vďaka tomu, že uhasia energiu vĺn, môžu chrániť pobrežné stavby (móla, prístavy) pred zničením silou oceánu;
• Elektrina sa vyrába s minimálnymi nákladmi;
• výkon vysokých vĺn robí veterné farmy ekonomicky životaschopnejšími ako veterné alebo solárne elektrárne.

Zásoby energie majú aj pevninské vody, najmä rieky. Výstavba staníc na mostoch, križovatkách, mólach je perspektívou rozvoja tejto oblasti výroby elektriny.

Problémy na vyriešenie

Hlavnou úlohou, ktorej teraz čelí vedecká komunita, je zlepšiť dizajn, ktorý zníži náklady na elektrinu vyrobenú elektrárňami s vlnami. Princíp fungovania by mal zostať rovnaký, ale na vytváranie inštalácií budú použité nové technológie a materiály.

Priemerný výkon vlny je 75-85 kW/m – to je rozsah, na ktorý je naladená väčšina staníc. Počas búrky sa však sila morských vĺn niekoľkonásobne zvýši a hrozí zničenie zariadení. Už viac ako jedna čepeľ bola po búrke pokrčená alebo ohnutá. Na vyriešenie tohto problému vedci umelo znižujú špecifickú silu vĺn. Jedným z problémov je, že masívne využívanie vlnových staníc povedie ku klimatickým zmenám. Výroba elektrickej energie sa uskutočňuje rotáciou Zeme (takto sa tvoria vlny). Rozšírené používanie staníc spôsobí, že planéta sa bude otáčať pomalšie. Človek nepocíti rozdiel, ale zničí množstvo prúdov, ktoré zohrávajú dôležitú úlohu pri výmene tepla na Zemi.

Prvý experimentálny WPP na svete

Prvá vlna elektrárne sa objavila v roku 1985 v Nórsku. Jeho výkon bol 500 kW a ona samabol prototyp. Jeho princíp fungovania je založený na cyklickej kompresii a expanzii média:

• valec s otvoreným dnom je ponorený do vody tak, že jeho okraj je pod priehlbinou vlny - jej najnižším bodom;
• periodicky tečúca voda stláča vzduch vo vnútornej dutine;
• po dosiahnutí určitého tlaku sa otvorí ventil, ktorý umožňuje prechod stlačeného kyslíka do turbíny.

Táto elektráreň vyrobila 500 kW energie, čo stačilo na potvrdenie efektívnosti zariadení, ktoré prispeli k ich rozvoju.

Prvá priemyselná elektráreň na svete

Prvou priemyselnou inštaláciou na svete je pobrežný prístav Oceanlinx Port Kemble v Austrálii. Do prevádzky ju uviedli v roku 2005, následne ju však poslali na rekonštrukciu a v roku 2009 opäť začala fungovať, preto sa v regióne dnes využívajú prílivové aj vlnové elektrárne. Jeho princíp fungovania je nasledovný:

1. Vlny pravidelne prechádzajú do špeciálnych komôr a spôsobujú stláčanie vzduchu.
2. Keď sa dosiahne kritický tlak, stlačený vzduch roztáča elektrický generátor cez sieť kanálov.
3. Aby zachytili pohyb a silu vĺn, lopatky turbíny menia svoj uhol sklonu.

Kapacita inštalácie bola približne 450 kW, hoci každá časť stanice je schopná dodať od 100 kWh do 1,5 MWh elektrickej energie.

Prvá komerčná veterná farma na svete

Prvá komerčná vlnová elektráreňMenovanie získané v roku 2008 v Agusadore, Portugalsko. Navyše ide o prvé zariadenie na svete, ktoré priamo využíva mechanickú energiu vlny. Projekt pripravila anglická spoločnosť Pelamis Wave Power.

Štruktúra obsahuje niekoľko sekcií, ktoré sa uvoľňujú a stúpajú spolu s profilom vlny. Sekcie sú kĺbovo spojené s hydraulickým systémom a ovládajú ho počas pohybu. Hydraulický mechanizmus spôsobuje otáčanie rotora generátora, vďaka čomu vzniká elektrina. Vlnové elektrárne používané v Portugalsku majú plusy aj mínusy. Výhodou inštalácie je jej vysoký výkon - cca 2,25 MW, ako aj možnosť inštalácie ďalších sekcií. Existuje len jedna nevýhoda inštalácie systému - existujú ťažkosti s prenosom elektrickej energie cez vodiče k spotrebiteľovi.

Elektráreň prvej vlny v Rusku

V Rusku sa prvá veterná elektráreň objavila v roku 2014 na Primorskom území. Vývoj vykonal tím vedcov z Uralskej federálnej univerzity a Tichomorského oceánologického inštitútu pobočky Ďalekého východu Ruskej akadémie vied. Inštalácia je experimentálna. Jeho zvláštnosťou je, že využíva energiu nielen vĺn, ale aj prílivu a odlivu.

V Moskve sa plánuje vybudovanie výskumného laboratória, ktoré vyvinie a vytvorí prvú domácu plavákovú stanicu. Možno potom budú mať elektrárne v Rusku aj priemyselný alebo komerčný účel.