Энергия волн

Перенос энергии ветровыми волнами и использование этой энергии для выполнения полезной работы.

Энергия волн — это захват энергии ветровых волн для выполнения полезной работы , например, выработки электроэнергии , опреснения воды или перекачивания воды. Машина, которая использует энергию волн , называется преобразователем энергии волн ( ПВЭ ).

Волны в основном генерируются ветром, проходящим над поверхностью моря, а также приливными силами, колебаниями температуры и другими факторами. Пока волны распространяются медленнее скорости ветра, энергия передается от ветра к волнам. Разница давления воздуха между наветренной и подветренной сторонами гребня волны и поверхностное трение от ветра вызывают касательное напряжение и рост волны. ^[1]

Энергия волн как описательный термин отличается от энергии приливов , которая стремится в первую очередь захватить энергию течения, вызванного гравитационным притяжением Солнца и Луны. Однако энергия волн и энергия приливов не являются принципиально разными и имеют значительные перекрестные связи в технологии и реализации. Течения могут создавать и другие силы , включая прибойные волны , ветер , эффект Кориолиса , образование кабелей , а также разницу температур и солености .

По состоянию на 2023 год энергия волн не используется широко в коммерческих целях после долгой серии пробных проектов. Попытки использовать эту энергию начались в 1890 году или ранее, ^[2] в основном из-за ее высокой плотности мощности . Чуть ниже поверхности океана поток энергии волн, в среднем по времени, обычно в пять раз плотнее потока энергии ветра на высоте 20 м над поверхностью моря и в 10-30 раз плотнее потока солнечной энергии. ^[3]

В 2000 году первое в мире коммерческое волновое энергетическое устройство Islay LIMPET было установлено на побережье острова Айлей в Шотландии и подключено к национальной электросети Великобритании . ^{[4] В 2008 году в Португалии в} волновом парке Агусадора была открыта первая экспериментальная волновая ферма с несколькими генераторами . ^[5] Оба проекта с тех пор были завершены.

Преобразователи энергии волн можно классифицировать по принципу работы следующим образом: ^{[6] [7]}

• колеблющиеся водяные столбы (с воздушной турбиной)
• колеблющиеся тела (с гидроэлектродвигателем, гидротурбиной, линейным электрогенератором)
• переливные устройства (с низконапорной гидротурбиной)

История

Первый известный патент на извлечение энергии из океанских волн был подан в 1799 году в Париже Пьером -Симоном Жираром и его сыном. ^[8] Раннее устройство было построено около 1910 года Бошо-Прасеиком для питания своего дома в Руане , Франция. ^[9] Похоже, что это было первое устройство для получения энергии волн с помощью колеблющегося водяного столба. ^{[10] С 1855 по 1973 год только в} Великобритании было подано 340 патентов . ^[8]

Современное стремление к использованию энергии волн было начато экспериментами Ёсио Масуды в 1940-х годах. ^[11] Он протестировал различные концепции, сконструировав сотни устройств, используемых для питания навигационных огней. Среди них была концепция извлечения энергии из углового движения в суставах сочлененного плота, которую Масуда предложил в 1950-х годах. ^[12]

Нефтяной кризис 1973 года возобновил интерес к волновой энергии. Правительства нескольких стран, в частности Великобритании, Норвегии и Швеции, запустили масштабные программы развития волновой энергии. ^[3] Исследователи пересмотрели потенциал волн для извлечения энергии, в частности Стивен Солтер , Йоханнес Фалнес , Кьелл Будал, Майкл Э. Маккормик , Дэвид Эванс , Майкл Френч, Ник Ньюман и CC Mei .

Изобретение Солтера 1974 года стало известно как утка Солтера или кивающая утка , официально Эдинбургская утка. В мелкомасштабных испытаниях изогнутое кулачковое тело утки может остановить 90% движения волн и может преобразовать 90% этого в электричество, обеспечивая 81% эффективности. ^[13] В 1980-х годах было испытано несколько других прототипов первого поколения, но по мере снижения цен на нефть финансирование волновой энергии сократилось. Изменение климата позже снова оживило эту область. ^{[14] [3]}

Первый в мире испытательный центр волновой энергии был создан в Оркнейских островах , Шотландия, в 2003 году, чтобы дать толчок развитию волновой и приливной энергетической отрасли. Европейский центр морской энергии (EMEC) поддержал развертывание большего количества волновых и приливных энергетических устройств, чем любая другая отдельная площадка. ^[15] После его создания испытательные центры появились также во многих других странах по всему миру, предоставляя услуги и инфраструктуру для тестирования устройств. ^[16]

Премия Saltire в размере 10 миллионов фунтов стерлингов должна была быть присуждена первому, кто сможет генерировать 100 ГВт-ч из энергии волн в течение непрерывного двухлетнего периода к 2017 году (в среднем около 5,7 МВт). ^[17] Премия так и не была присуждена. Исследование 2017 года, проведенное Университетом Стратклайда и Имперским колледжем, было сосредоточено на неспособности разработать «готовые к рынку» устройства для получения энергии волн — несмотря на инвестиции правительства Великобритании в размере более 200 миллионов фунтов стерлингов за 15 лет. ^[18]

Государственные органы продолжали и во многих странах увеличили финансирование исследований и разработок в области волновой энергетики в 2010-х годах. Это касается как ЕС, так и США и Великобритании, где ежегодные ассигнования обычно составляли от 5 до 50 миллионов долларов США. ^{[19] [20] [21] [22] [23]} В сочетании с частным финансированием это привело к большому количеству текущих проектов в области волновой энергетики (см. Список проектов в области волновой энергетики ).

Физические концепции

Как и большинство движений жидкости, взаимодействие между океанскими волнами и преобразователями энергии является нелинейным явлением высокого порядка. Оно описывается с помощью несжимаемых уравнений Навье-Стокса , где — скорость жидкости, — давление , плотность , вязкость и чистая внешняя сила на каждой частице жидкости (обычно гравитация ). Однако в типичных условиях движение волн описывается теорией волн Эйри , которая утверждает, что $${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {\partial {\vec {u}}}{\partial t}}+({\vec {u}}\cdot {\vec {\nabla }}){\vec {u}}&=\nu \Delta {\vec {u}}+{\frac {{\vec {F_{\text{ext}}}}-{\vec {\nabla }}p}{\rho }}\\{\vec {\nabla }}\cdot {\vec {u}}&=0\end{aligned}}}$$ ${\textstyle {\vec {u}}(t,x,y,z)}$ ${\textstyle p}$ ${\textstyle \rho }$ ${\textstyle \nu }$ ${\textstyle {\vec {F_{\text{ext}}}}}$

• Движение жидкости приблизительно безвихревое ,
• Давление на поверхности воды приблизительно постоянно, и
• глубина морского дна приблизительно постоянна.

В ситуациях, связанных с получением энергии из морских волн, эти предположения обычно верны.

Уравнения Эйри

Первое условие подразумевает, что движение может быть описано потенциалом скорости : ^[24] который должен удовлетворять уравнению Лапласа , В идеальном потоке вязкость пренебрежимо мала и единственной внешней силой, действующей на жидкость, является земное притяжение . В этих обстоятельствах уравнения Навье-Стокса сводятся к , которое интегрируется (пространственно) в закон сохранения Бернулли : ${\textstyle \phi (t,x,y,z)}$ $${\displaystyle {{\vec {\nabla }}\times {\vec {u}}={\vec {0}}}\Leftrightarrow {{\vec {u}}={\vec {\nabla }}\phi }{\text{,}}}$$ $${\displaystyle \nabla ^{2}\phi =0{\text{.}}}$$ ${\displaystyle {\vec {F_{\text{ext}}}}=(0,0,-\rho g)}$ $${\displaystyle {\partial {\vec {\nabla }}\phi \over \partial t}+{1 \over 2}{\vec {\nabla }}{\bigl (}{\vec {\nabla }}\phi {\bigr )}^{2}=-{1 \over \rho }\cdot {\vec {\nabla }}p+{1 \over \rho }{\vec {\nabla }}{\bigl (}\rho gz{\bigr )},}$$ $${\displaystyle {\partial \phi \over \partial t}+{1 \over 2}{\bigl (}{\vec {\nabla }}\phi {\bigr )}^{2}+{1 \over \rho }p+gz=({\text{const}}){\text{.}}}$$

Теория линейного потенциального потока

Движение частицы в океанской волне.
A = На большой глубине. Круговая величина движения частиц жидкости уменьшается экспоненциально с увеличением глубины под поверхностью.
B = На мелководье (океаническое дно теперь находится на B). Эллиптическое движение частицы жидкости сглаживается с уменьшением глубины.
1 = Направление распространения.
2 = Гребень волны.
3 = Подошва волны.

При рассмотрении волн и движений малой амплитуды квадратичным членом можно пренебречь, что дает линейное уравнение Бернулли, а третьи предположения Эйри затем подразумевают Эти ограничения полностью определяют синусоидальные волновые решения вида где определяет волновое число решения и и определяются граничными ограничениями (и ). В частности, возвышение поверхности затем может быть просто выведено как плоская волна, распространяющаяся вдоль направления оси x. ${\textstyle \left({\vec {\nabla }}\phi \right)^{2}}$ $${\displaystyle {\partial \phi \over \partial t}+{1 \over \rho }p+gz=({\text{const}}){\text{.}}}$$ $${\displaystyle {\begin{aligned}&{\partial ^{2}\phi \over \partial t^{2}}+g{\partial \phi \over \partial z}=0\quad \quad \quad ({\text{surface}})\\&{\partial \phi \over \partial z}=0{\phantom {{\partial ^{2}\phi \over \partial t^{2}}+{}}}\,\,\quad \quad \quad ({\text{seabed}})\end{aligned}}}$$ $${\displaystyle \phi =A(z)\sin {\!(kx-\omega t)}{\text{,}}}$$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle A(z)}$ ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle k}$ $${\displaystyle {\begin{aligned}&A(z)={gH \over 2\omega }{\cosh(k(z+h)) \over \cosh(kh)}\\&\omega =gk\tanh(kh){\text{.}}\end{aligned}}}$$ ${\displaystyle \eta }$ $${\displaystyle \eta =-{1 \over g}{\partial \phi \over \partial t}={H \over 2}\cos(kx-\omega t){\text{:}}}$$

Последствия

Колебательное движение наиболее сильное на поверхности и экспоненциально уменьшается с глубиной. Однако для стоячих волн ( клапотис ) вблизи отражающего побережья волновая энергия также присутствует в виде колебаний давления на большой глубине, вызывая микросейсмы . ^[1] Колебания давления на большой глубине слишком малы, чтобы представлять интерес для преобразования волновой энергии.

Поведение волн Эйри предлагает два интересных режима: вода глубже половины длины волны, как это часто бывает в море и океане, и мелководье, где длины волн примерно в двадцать раз больше глубины воды. Глубокие волны являются дисперсионными : волны с большими длинами волн распространяются быстрее и, как правило, опережают волны с более короткими длинами волн. Групповая скорость на большой глубине составляет половину фазовой скорости . Волны на мелководье являются дисперсионными: групповая скорость равна фазовой скорости, и волновые цуги распространяются невозмущенными. ^{[1] [25] [26]}

В следующей таблице обобщено поведение волн в различных режимах:

Формула мощности волны

Фотография эллиптических траекторий частиц воды под – прогрессирующей и периодической – поверхностной гравитационной волной в волновом желобе . Волновые условия: средняя глубина воды d  = 2,50 фута (0,76 м), высота волны H  = 0,339 фута (0,103 м), длина волны λ = 6,42 фута (1,96 м), период T  = 1,12 с. ^[27]

В глубокой воде, где глубина воды больше половины длины волны , поток энергии волны равен ^[b]

${\displaystyle P={\frac {\rho g^{2}}{64\pi }}H_{m0}^{2}T_{e}\approx \left(0.5{\frac {\text{kW}}{{\text{m}}^{3}\cdot {\text{s}}}}\right)H_{m0}^{2}\;T_{e},}$

где P — поток энергии волны на единицу длины гребня волны, H _{m0 —} значимая высота волны , T _e — период энергии волны , ρ — плотность воды и g — ускорение силы тяжести . Вышеуказанная формула гласит, что мощность волны пропорциональна периоду энергии волны и квадрату высоты волны. Когда значимая высота волны указана в метрах, а период волны в секундах, результатом является мощность волны в киловаттах (кВт) на метр длины фронта волны . ^{[28] [29] [30] [31]}

Например, рассмотрим умеренные океанские волны в глубокой воде в нескольких километрах от береговой линии с высотой волны 3 м и периодом энергии волны 8 с. Решение для мощности дает

${\displaystyle P\approx 0.5{\frac {\text{kW}}{{\text{m}}^{3}\cdot {\text{s}}}}(3\cdot {\text{m}})^{2}(8\cdot {\text{s}})\approx 36{\frac {\text{kW}}{\text{m}}},}$

или 36 киловатт мощности на метр гребня волны.

В крупных штормах самые крупные морские состояния имеют значительную высоту волны около 15 метров и период энергии около 15 секунд. Согласно приведенной выше формуле, такие волны переносят около 1,7 МВт мощности через каждый метр волнового фронта.

Эффективное волновое устройство захватывает значительную часть потока энергии волн. В результате высота волн уменьшается в области за устройством.

Энергия и поток энергии

При волнении моря средняя плотность энергии на единицу площади гравитационных волн на поверхности воды пропорциональна квадрату высоты волны, согласно линейной волновой теории: ^{[1] [26]}

${\displaystyle E={\frac {1}{16}}\rho gH_{m0}^{2},}$ ^{[с] [32]}

где E — средняя плотность энергии волны на единицу горизонтальной площади (Дж/м ² ), сумма плотности кинетической и потенциальной энергии на единицу горизонтальной площади. Плотность потенциальной энергии равна кинетической энергии, ^[1] обе вносят по половине в плотность энергии волны E , как и можно ожидать из теоремы о равнораспределении .

Волны распространяются по поверхности, где гребни движутся с фазовой скоростью, в то время как энергия переносится горизонтально с групповой скоростью . Средняя скорость переноса энергии волны через вертикальную плоскость единичной ширины, параллельную гребню волны, является потоком энергии (или мощностью волны, не путать с выходной мощностью, производимой устройством), и равна: ^{[33] [1]}

${\displaystyle P=E\,c_{g},}$где c _{g —} групповая скорость (м/с).

Из-за дисперсионного соотношения для волн под действием силы тяжести групповая скорость зависит от длины волны λ или , что эквивалентно, от периода волны T.

Высота волны определяется скоростью ветра, продолжительностью времени, в течение которого дует ветер, разгоном (расстоянием, на котором ветер возбуждает волны) и батиметрией ( которая может фокусировать или рассеивать энергию волн). Заданная скорость ветра имеет соответствующий практический предел, за которым время или расстояние не увеличивают размер волны. На этом пределе волны считаются «полностью развитыми». В общем, большие волны более мощные, но мощность волны также определяется длиной волны , плотностью воды , глубиной воды и ускорением свободного падения.

Преобразователи энергии волн

Общие концепции волновой энергии: 1. Точечный поглотитель, 2. Аттенюатор, 3. Преобразователь пульсаций колеблющейся волны, 4. Колеблющийся водяной столб, 5. Перекрывающее устройство, 6. Подводный перепад давления, 7. Плавающие преобразователи в воздухе.

Преобразователи энергии волн (WEC) обычно классифицируются по методу, местоположению и системе отбора мощности . Месторасположение — береговое, прибрежное и оффшорное. Типы отбора мощности включают: гидравлический таран , насос с эластомерным шлангом , насос-берег, гидротурбина , воздушная турбина, ^[34] и линейный электрический генератор .

Различные пути преобразования энергии волн в полезную энергию в виде электричества или прямого использования.

Четыре наиболее распространенных подхода:

• точечные поглотители буев
• поверхностные аттенюаторы
• колеблющиеся водяные столбы
• перекрывающие устройства

Точечный поглотитель буй

Это устройство плавает на поверхности, удерживаемое на месте кабелями, соединенными с морским дном. Точечный поглотитель имеет ширину устройства, намного меньшую, чем входящая длина волны λ. Энергия поглощается излучением волны с разрушительной интерференцией входящих волн. Буи используют подъем и падение волн для генерации электроэнергии напрямую через линейные генераторы , ^[35] генераторы, приводимые в действие механическими линейно-вращательными преобразователями, ^[36] или гидравлическими насосами. ^[37] Энергия, извлекаемая из волн, может влиять на береговую линию, подразумевая, что объекты должны оставаться далеко от берега. ^[38]

Конструкция одноточечного поглотителя, испытанная в коммерческих масштабах компанией CorPower, имеет отрицательную пружину, которая улучшает производительность и защищает буй при очень больших волнах. Он также имеет внутренний пневматический цилиндр, который удерживает буй на фиксированном расстоянии от морского дна независимо от состояния прилива. В нормальных условиях эксплуатации буй качается вверх и вниз с двойной амплитудой волны, регулируя фазу своих движений. Он поднимается с небольшой задержкой относительно волны, что позволяет ему извлекать больше энергии. Фирма заявила о 300% увеличении (600 кВт) выработки электроэнергии по сравнению с буем без регулировки фазы в испытаниях, завершенных в 2024 году. ^[39]

Поверхностный аттенюатор

Эти устройства используют несколько плавающих сегментов, соединенных друг с другом. Они ориентированы перпендикулярно входящим волнам. Изгибающееся движение создается волнами, и это движение приводит в действие гидравлические насосы для выработки электроэнергии. Преобразователь энергии волн Pelamis является одной из наиболее известных концепций аттенюаторов, хотя она больше не разрабатывается. ^[40]

Преобразователь импульсов колебательной волны

Эти устройства обычно имеют один конец, закрепленный на конструкции или на морском дне, в то время как другой конец может свободно перемещаться. Энергия собирается из относительного движения тела по сравнению с фиксированной точкой. Преобразователи часто имеют форму поплавков, лоскутов или мембран. Некоторые конструкции включают параболические отражатели для фокусировки энергии в точке захвата. Эти системы захватывают энергию от подъема и спада волн. ^[41]

Колеблющийся столб воды

Устройства, создающие колебания столба воды, могут быть расположены на берегу или в море. Волны сжимают воздух во внутренней камере, проталкивая его через турбину для создания электричества . ^[42] При прохождении воздуха через турбины возникает значительный шум, что может повлиять на находящихся поблизости птиц и морские организмы . Морская жизнь может оказаться в ловушке или запутаться в воздушной камере. ^[38] Она черпает энергию из всего столба воды. ^[43]

Устройство для перелива

Устройства Overtopping — это длинные конструкции, которые используют скорость волны для заполнения резервуара до более высокого уровня воды, чем окружающий океан. Потенциальная энергия на высоте резервуара улавливается турбинами с низким напором. Устройства могут быть как на берегу, так и в море.

Подводный перепад давления

Погружные преобразователи перепада давления ^[44] используют гибкие (обычно армированные резиновые) мембраны для извлечения энергии волн. Эти преобразователи используют разницу давления в разных местах под волной для создания разницы давления в замкнутой гидравлической системе отбора мощности. Эта разница давления обычно используется для создания потока, который приводит в движение турбину и электрогенератор. Погружные преобразователи перепада давления обычно используют гибкие мембраны в качестве рабочей поверхности между водой и отбором мощности. Мембраны гибкие и имеют небольшую массу, что может усилить связь с энергией волны. Их гибкость позволяет вносить большие изменения в геометрию рабочей поверхности, что может использоваться для настройки преобразователя на определенные волновые условия и для его защиты от чрезмерных нагрузок в экстремальных условиях.

Погружной преобразователь может быть расположен либо на морском дне, либо в толще воды. В обоих случаях преобразователь защищен от ударных нагрузок воды, которые могут возникнуть на свободной поверхности . Волновые нагрузки также уменьшаются нелинейно пропорционально расстоянию ниже свободной поверхности. Это означает, что путем оптимизации глубины можно сбалансировать защиту от экстремальных нагрузок и доступ к волновой энергии.

Плавающие воздушные преобразователи

Волновая электростанция с использованием пневматической камеры

Упрощенная конструкция волновой электростанции

Плавающие в воздухе преобразователи потенциально обеспечивают повышенную надежность, поскольку устройство расположено над водой, что также облегчает осмотр и обслуживание. Примеры различных концепций плавающих в воздухе преобразователей включают:

• Системы извлечения энергии гашения качки с турбинами в отсеках, содержащих плещущуюся воду
• горизонтальные осевые маятниковые системы
• Маятниковые системы с вертикальной осью

Преобразователи энергии подводных волн

В начале 2024 года в Испании был одобрен полностью подводный преобразователь энергии волн, использующий технологию точечного поглотителя энергии волн. ^[45] Преобразователь включает в себя буй, который пришвартован ко дну и расположен ниже поверхности, вне поля зрения людей и вдали от штормовых волн. ^[45]

Воздействие на окружающую среду

К наиболее распространенным экологическим проблемам, связанным с морской энергетикой , относятся:

• Воздействие электромагнитных полей и подводного шума;
• Потенциал физического присутствия, изменяющий поведение морских млекопитающих, рыб и птиц с привлечением, избеганием, запутыванием
• Потенциальное воздействие на морские процессы, такие как перенос осадка и качество воды .
• Системы фундамента/швартовки могут оказывать воздействие на бентосные организмы посредством запутывания/защемления
• Электродвижущие силы, создаваемые подводными силовыми кабелями .
• Незначительный риск столкновения
• Искусственное рифовое накопление вблизи стационарных установок
• Потенциальное нарушение мест ночевок

База данных Tethys обеспечивает доступ к научной литературе и общей информации о потенциальном воздействии энергии океанических течений на окружающую среду. ^[46]

Потенциал

Теоретический потенциал волновой энергии во всем мире оценивается более чем в 2 ТВт. ^[47] Места с наибольшим потенциалом для волновой энергии включают западное побережье Европы, северное побережье Великобритании и тихоокеанские побережья Северной и Южной Америки, Южной Африки, Австралии и Новой Зеландии. Северные и южные умеренные зоны имеют лучшие места для захвата волновой энергии. Преобладающие западные ветры в этих зонах дуют сильнее всего зимой.

Карта мировых ресурсов волновой энергии

Национальная лаборатория возобновляемой энергии (NREL) оценила теоретический потенциал энергии волн для разных стран. По ее оценкам, потенциал США был эквивалентен 1170 ТВт·ч в год или почти 1/3 потребления электроэнергии в стране. ^[48] На побережье Аляски приходилось ~50% от общего объема.

Технический и экономический потенциал будет ниже заданных значений теоретического потенциала. ^{[49] [50]}

Вызовы

Необходимо решать вопросы воздействия на окружающую среду. ^{[30] [51]} Социально-экономические проблемы включают перемещение коммерческих и любительских рыбаков и могут представлять опасность для навигации. ^[52] Необходимо обеспечить вспомогательную инфраструктуру, такую ​​как сетевые соединения. ^[53] Коммерческие ВЭУ не всегда были успешными. Например, в 2019 году компания Seabased Industries AB в Швеции была ликвидирована из-за «обширных проблем последних лет, как практических, так и финансовых». ^[54]

Современная технология генерации энергии волн связана со многими техническими ограничениями. ^[55] Эти ограничения вытекают из сложной и динамической природы океанских волн, для которых требуются надежные и эффективные технологии для захвата энергии. К проблемам относятся проектирование и строительство устройств для получения энергии волн, которые могут выдерживать коррозионное воздействие соленой воды, суровые погодные условия и экстремальные волновые силы. ^[56] Кроме того, оптимизация производительности и эффективности преобразователей энергии волн, таких как устройства с колеблющимся столбом воды (OWC), точечные поглотители и устройства для перелива, требует преодоления инженерных сложностей, связанных с динамической и изменчивой природой волн. ^[57] Кроме того, разработка эффективных систем швартовки и якорного крепления для удержания устройств для получения энергии волн на месте в суровых условиях океана, а также разработка надежных и эффективных механизмов отбора мощности для преобразования захваченной энергии волн в электричество также являются техническими проблемами в области генерации энергии волн. ^[58] Поскольку рассеивание энергии волн подводным гибким волноломом больше, чем у жесткой подводной конструкции, ожидается большее рассеивание энергии волн из-за сильно деформированной формы конструкции. ^[59]

Волновые фермы

Волновая ферма (волновая электростанция или парк волновой энергии) представляет собой группу совместно расположенных волновых энергетических устройств. Устройства взаимодействуют гидродинамически и электрически в зависимости от количества машин, расстояния и компоновки, волнового климата, прибрежной и бентосной геометрии и стратегий управления. Процесс проектирования представляет собой многоцелевую оптимизационную задачу, направленную на достижение высокой выработки электроэнергии, низких затрат и ограниченных колебаний мощности. ^[60] Прибрежные волновые фермы оказывают существенное влияние на динамику пляжа. Например, волновые фермы значительно уменьшают эрозию, что демонстрирует, что эта синергия между защитой побережья и производством энергии повышает экономическую жизнеспособность волновой энергии. ^[61] Дополнительные исследования показывают, что волновые фермы, расположенные вблизи лагун, потенциально могут обеспечить эффективную защиту побережья во время морского пространственного планирования. ^[62]

Галерея волновых энергетических установок

• 
  Преобразователь энергии волн Pelamis на объекте Европейского центра морской энергетики (EMEC) в 2008 году.
• 
  Азура на испытательном полигоне волновой энергии ВМС США (WETS) на острове Оаху .
• 
  Преобразователь энергии волн AMOG (WEC) в эксплуатации у юго-запада Англии (2019 г.).
• 
  Преобразователь mWave от Bombora Wave Power.
• 
  CalWave Power Technologies, Inc. Преобразователь энергии волн в Калифорнии.

Патенты

• Заявка на патент ВОИС WO2016032360 — 2016 г. Гидроаккумулирующая система — «Гидроэлектростанция с буферизацией давления» заявка на патент
• Патент США 8,806,865 — 2011 Устройство для использования энергии океанских волн — патент на гибрид Pelamis/Salter's Duck
• Патент США 3,928,967 — 1974 Устройство и способ извлечения энергии волн — Оригинальный патент «Утка Солтера»
• Патент США 4,134,023 — 1977 Устройство для использования при извлечении энергии из волн на воде — метод Солтера для повышения эффективности «утки»
• Патент США 6,194,815 — 1999 Пьезоэлектрический роторный генератор электроэнергии
• Патент США 1,930,958 — 1932 Волновой двигатель — Океаническая электростанция Парсонса — Херринг-Коув, Новая Шотландия — март 1925 г. Первая в мире коммерческая установка для преобразования энергии океанских волн в электроэнергию. Конструктор — Осборн Хэвелок Парсонс — родился в 1873 г. в Птикодьяке, Нью-Брансуик.
• Преобразователи энергии волн, использующие разность давлений US 20040217597 A1 — 2004 Преобразователи энергии волн, использующие разность давлений ^[63]

Компания из Великобритании разработала Waveline Magnet, который может обеспечить нормированную стоимость электроэнергии в размере 0,01 фунта стерлингов/кВт·ч при минимальном уровне обслуживания. ^[64]

Смотрите также

• Список проектов по использованию волновой энергии
• Список волновых электростанций
• Энергия волн в Австралии
• Энергия волн в Новой Зеландии
• Энергия волн в Шотландии
• Энергия волн в Соединенных Штатах
• Корабль с электростанцией на волнах
• WavePiston
• Морская энергия
• Приливная энергия
• Преобразование тепловой энергии океана
• Осмотическая сила
• Офис по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии (OEERE)
• Мировое потребление энергии

Примечания

1. Для определения групповой скорости угловая частота ω рассматривается как функция волнового числа k или, что эквивалентно, период T как функция длины волны λ .
2. Поток энергии связан с групповой скоростью, см. Herbich, John B. (2000). Справочник по прибрежной инженерии . McGraw-Hill Professional. A.117, Ур. (12). ISBN ${\displaystyle P={\tfrac {1}{16}}\rho gH_{m0}^{2}c_{g},}$ ${\displaystyle c_{g}}$ 978-0-07-134402-9.Групповая скорость равна , см. свёрнутую таблицу « Свойства гравитационных волн на поверхности глубокой воды, мелководья и на промежуточной глубине согласно линейной волновой теории » в разделе « Энергия волн и поток волновой энергии » ниже. ${\displaystyle c_{g}={\tfrac {g}{4\pi }}T}$
3. Здесь фактор для случайных волн равен 1 ⁄ 16 , в отличие от 1 ⁄ 8 для периодических волн — как поясняется ниже. Для малоамплитудной синусоидальной волны с амплитудой волны плотность энергии волны на единицу горизонтальной площади равна или с использованием высоты волны для синусоидальных волн. В терминах дисперсии возвышения поверхности плотность энергии равна . Обращаясь к случайным волнам, последняя формулировка уравнения энергии волны в терминах также верна (Holthuijsen, 2007, стр. 40) из-за теоремы Парсеваля . Кроме того, значимая высота волны определяется как , что приводит к фактору 1 ⁄ 16 в плотности энергии волны на единицу горизонтальной площади. ${\textstyle \eta =a\cos 2\pi \left({\frac {x}{\lambda }}-{\frac {t}{T}}\right)}$ ${\displaystyle a,}$ ${\textstyle E={\frac {1}{2}}\rho ga^{2},}$ ${\textstyle E={\frac {1}{8}}\rho gH^{2}}$ ${\textstyle H=2a}$ ${\textstyle m_{0}=\sigma _{\eta }^{2}={\overline {(\eta -{\bar {\eta }})^{2}}}={\frac {1}{2}}a^{2},}$ ${\textstyle E=\rho gm_{0}}$ ${\textstyle m_{0}}$ ${\textstyle H_{m0}=4{\sqrt {m_{0}}}}$

Ссылки

1. Филлипс, OM (1977). Динамика верхнего слоя океана (2-е изд.). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-29801-8.
2. Кристин Миллер (август 2004 г.). «Эксперименты с волновой и приливной энергией в Сан-Франциско и Санта-Крузе». Архивировано из оригинала 2 октября 2008 г. Получено 16 августа 2008 г.
3. "Энергия волн и ее использование". Slideshare . 1 июня 1999 г. Получено 28 апреля 2023 г.
4. "Первая в мире коммерческая волновая электростанция активирована в Шотландии". Архивировано из оригинала 5 августа 2018 г. Получено 5 июня 2018 г.
5. Жуан Лима. Babcock, EDP и Efacec объединятся в проектах по использованию волновой энергии. Архивировано 24 сентября 2015 г., Wayback Machine Bloomberg , 23 сентября 2008 г.
6. Falcão, António F. de O. (1 апреля 2010 г.). «Использование энергии волн: обзор технологий». Renewable and Sustainable Energy Reviews . 14 (3): 899–918. doi :10.1016/j.rser.2009.11.003. ISSN  1364-0321.
7. Мадан, Д.; Ратнакумар, П.; Маричами, С.; Ганесан, П.; Винотбабу, К.; Сталин, Б. (21 октября 2020 г.), «Технологическая оценка преобразователей энергии океанских волн», Достижения в промышленной автоматизации и интеллектуальном производстве, Конспект лекций по машиностроению, Сингапур: Springer Singapore, стр. 1057–1072, doi :10.1007/978-981-15-4739-3_91, ISBN 978-981-15-4738-6, S2CID  226322561 , получено 2 июня 2022 г.
8. Clément; et al. (2002). «Энергия волн в Европе: текущее состояние и перспективы». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 6 (5): 405–431. doi :10.1016/S1364-0321(02)00009-6.
9. "Развитие волновой энергетики" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 июля 2011 г. Получено 18 декабря 2009 г.
10. Моррис-Томас; Ирвин, Рохан Дж.; Тиагараджан, Криш П.; и др. (2007). «Исследование гидродинамической эффективности колеблющегося столба воды». Журнал оффшорной механики и арктической инженерии . 129 (4): 273–278. doi :10.1115/1.2426992.
11. "Исследования и разработки в области волновой энергии в JAMSTEC". Архивировано из оригинала 1 июля 2008 г. Получено 18 декабря 2009 г.
12. Farley, FJM & Rainey, RCT (2006). "Радикальные варианты проектирования преобразователей энергии волн с волновым профилем" (PDF) . Международный семинар по волнам на воде и плавающим телам . Лафборо. Архивировано (PDF) из оригинала 26 июля 2011 г. . Получено 18 декабря 2009 г. .
13. "Edinburgh Wave Energy Project" (PDF) . Эдинбургский университет . Архивировано из оригинала (PDF) 1 октября 2006 г. . Получено 22 октября 2008 г. .
14. Фалнес, Дж. (2007). «Обзор извлечения энергии волн». Морские конструкции . 20 (4): 185–201. doi :10.1016/j.marstruc.2007.09.001.
15. "Наша история" . Получено 28 апреля 2023 г.
16. Адеринто, Тунде и Ли, Хуа (2019). «Обзор энергетических характеристик и эффективности преобразователей энергии волн». Energies . 12 (22): 4329. doi : 10.3390/en12224329 .{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
17. "Команды Ocean Energy соревнуются за приз в размере 16 миллионов долларов Шотландии". National Geographic . 7 сентября 2012 г. Архивировано из оригинала 11 сентября 2022 г.
18. Скотт Макнаб (2 ноября 2017 г.). «Правительственный план по использованию волновой энергии стоимостью 200 млн фунтов стерлингов подорван неудачами». The Scotsman . Архивировано из оригинала 5 декабря 2017 г. Получено 5 декабря 2017 г.
19. Законопроект о волновой энергии одобрен Комитетом по науке Палаты представителей США. Архивировано 25 мая 2018 г., на Wayback Machine 18 июня 2007 г.
20. Министерство энергетики США объявляет о первых грантах на возобновляемые источники энергии в море. Архивировано 27 июля 2004 г. в Wayback Machine 30 сентября 2008 г.
21. "Энергия океана" . Получено 28 апреля 2023 г.
22. «Проекты по раскрытию потенциала энергии морских волн». 24 марта 2021 г. Получено 28 апреля 2023 г.
23. "Волновая энергия Шотландии" . Получено 28 апреля 2023 г.
24. Численное моделирование преобразователей энергии волн: современные методы для отдельных устройств и массивов. Мэтт Фолли. Лондон, Великобритания. 2016. ISBN 978-0-12-803211-4. OCLC  952708484.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link) CS1 maint: others (link)
25. RG Dean & RA Dalrymple (1991). Механика волн на воде для инженеров и ученых . Расширенная серия по океанической инженерии. Том 2. World Scientific, Сингапур. ISBN 978-981-02-0420-4.См. стр. 64–65.
26. Goda, Y. (2000). Случайные моря и проектирование морских сооружений . World Scientific. ISBN 978-981-02-3256-6.
27. Рисунок 6 из: Wiegel, RL; Johnson, JW (1950), «Элементы волновой теории», Труды 1-й Международной конференции по прибрежной инженерии, Лонг-Бич, Калифорния: ASCE , стр. 5–21, doi : 10.9753/icce.v1.2
28. Такер, М. Дж.; Питт, Э. Г. (2001). "2". В Bhattacharyya, Р.; Маккормик, М. Э. (ред.). Волны в океанической инженерии (1-е изд.). Оксфорд: Elsevier. стр. 35–36. ISBN 978-0080435664.
29. "Wave Power". Университет Стратклайда . Архивировано из оригинала 26 декабря 2008 г. Получено 2 ноября 2008 г.
30. "Потенциал энергии волн на внешнем континентальном шельфе США" (PDF) . Министерство внутренних дел США . Архивировано из оригинала (PDF) 11 июля 2009 г. . Получено 17 октября 2008 г. .
31. Академическое исследование: Соответствие производства возобновляемой электроэнергии спросу: полный отчет, архивировано 14 ноября 2011 г., на Wayback Machine . Scotland.gov.uk.
32. Холтхейсен, Лео Х. (2007). Волны в океанических и прибрежных водах . Кембридж: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-86028-4.
33. Рейнольдс, О. (1877). «О скорости распространения групп волн и скорости передачи энергии волнами». Nature . 16 (408): 343–44. Bibcode :1877Natur..16R.341.. doi : 10.1038/016341c0 .
    Лорд Рэлей (JW Strutt) (1877). «О прогрессивных волнах». Труды Лондонского математического общества . 9 (1): 21–26. doi :10.1112/plms/s1-9.1.21.Перепечатано в качестве приложения в: Теория звука 1 , Макмиллан, 2-е пересмотренное издание, 1894.
34. Встроенные береговые устройства и их использование в качестве источников электроэнергии Кимбалл, Келли, ноябрь 2003 г.
35. "Технология морской энергии волн AB". Архивировано из оригинала 10 октября 2017 г. Получено 10 октября 2017 г.
36. "PowerBuoy Technology — Ocean Power Technologies". Архивировано из оригинала 10 октября 2017 г. Получено 10 октября 2017 г.
37. "Perth Wave Energy Project – технология волновой энергии CETO Карнеги". Архивировано из оригинала 11 октября 2017 г. Получено 10 октября 2017 г.
38. "Tethys". Архивировано из оригинала 20 мая 2014 г. Получено 21 апреля 2014 г.
39. Блейн, Лоз (7 марта 2024 г.). "Видео: Генератор, усиливающий волны, подпрыгивает в два раза выше волн". Новый Атлас . Получено 12 апреля 2024 г.
40. "Волновая энергетическая фирма Pelamis вызывает администраторов". BBC News . 21 ноября 2014 г. Получено 13 апреля 2024 г.
41. Маккормик, Майкл Э.; Эртекин, Р. Ченгиз (2009). «Возобновляемая морская энергия: волны, приливы и термики — новое финансирование исследований стремится заставить их работать на нас». Машиностроение . 131 (5). ASME: 36–39. doi : 10.1115/1.2009-MAY-4 .
42. "Извлечение энергии из океанских волн". Архивировано из оригинала 15 августа 2015 г. Получено 23 апреля 2015 г.
43. Блейн, Лоз (1 августа 2022 г.). «Генератор энергии волн в отверстии для взрыва превзошел ожидания в 12-месячном тесте». Новый Атлас . Получено 8 августа 2022 г.
44. Курниаван, Ади; Гривз, Дебора ; Чаплин, Джон (8 декабря 2014 г.). «Устройства для получения энергии волн с сжимаемыми объемами». Труды Лондонского королевского общества A: Математические, физические и инженерные науки . 470 (2172): 20140559. Bibcode : 2014RSPSA.47040559K. doi : 10.1098/rspa.2014.0559. ISSN  1364-5021. PMC 4241014. PMID 25484609  . 
45. Paleja, Ameya (18 апреля 2024 г.). "Испания собирается получить настольный подводный преобразователь энергии морской волны". Интересная инженерия . Архивировано из оригинала 22 апреля 2024 г.
46. "Тетис". Тетис . PNNL.
47. ( август 2012 г.). «Количественная оценка глобального ресурса энергии волн». Возобновляемая энергия . 44. Elsevier : 296–304. doi :10.1016/j.renene.2012.01.101.
48. "Ocean Wave Energy | BOEM". www.boem.gov . Архивировано из оригинала 26 марта 2019 г. Получено 10 марта 2019 г.
49. "Экономический потенциал возобновляемой энергии". www.nrel.gov . Получено 2 мая 2023 г.
50. Теске, С.; Награт, К.; Моррис, Т.; Дули, К. (2019). «Оценка ресурсов возобновляемой энергии». В Теске, С. (ред.). Достижение целей Парижского соглашения по климату . Springer. стр. 161–173. doi :10.1007/978-3-030-05843-2_7. ISBN 978-3-030-05842-5. S2CID  134370729.
51. Программа морской возобновляемой энергии Архивировано 3 августа 2011 г. на Wayback Machine , NERC Получено 1 августа 2011 г.
52. Стивен Хакетт : Экономические и социальные аспекты развития волновой энергетики в отчете CEC Калифорнии, ноябрь 2008 г. Архивировано 26 мая 2009 г., в Wayback Machine Ch2, стр. 22–44. Калифорнийская энергетическая комиссия | Получено 14 декабря 2008 г.
53. Галлуччи, М. (декабрь 2019 г.). «Наконец-то технология волновой энергии подключается к сети - [Новости]». IEEE Spectrum . 56 (12): 8–9. doi : 10.1109/MSPEC.2019.8913821 . ISSN  1939-9340.
54. "Seabased закрывает производственный объект в Швеции". marineenergy.biz. Январь 2019 г. Получено 12 декабря 2019 г.
55. Сингх, Раджеш; Кумар, Суреш; Гехлот, Анита; Пачаури, Рупендра (февраль 2018 г.). «Необходимая роль солнечных трекеров в фотоэлектрической технологии: обзор». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 82 : 3263–3278. doi :10.1016/j.rser.2017.10.018.
56. Феликс, Анхелика; В. Эрнандес-Фонтес, Яссиэль; Литгоу, Дебора; Мендоса, Эдгар; Посада, Грегорио; Ринг, Майкл; Сильва, Родольфо (июль 2019 г.). «Энергия волн в тропических регионах: проблемы развертывания, экологические и социальные перспективы». Журнал морской науки и техники . 7 (7): 219. doi : 10.3390/jmse7070219 . ISSN  2077-1312.
57. Xamán, J.; Rodriguez-Ake, A.; Zavala-Guillén, I.; Hernández-Pérez, I.; Arce, J.; Sauceda, D. (апрель 2020 г.). «Анализ тепловых характеристик крыши со слоем PCM в мексиканских погодных условиях». Возобновляемая энергия . 149 : 773–785. doi :10.1016/j.renene.2019.12.084. S2CID  213903662.
58. Рё, Олуф Димитрий; Стелла, Джулия Мария (2017), Теста, Джозеф Р. (ред.), «Злокачественная плевральная мезотелиома: история, противоречия и будущее эпидемии, созданной человеком», Асбест и мезотелиома , Текущие исследования рака, Cham: Springer International Publishing, стр. 73–101, doi : 10.1007/978-3-319-53560-9_4, hdl : 11250/2628134 , ISBN 978-3-319-53558-6, получено 18 апреля 2023 г.
59. Джафарзаде, Э., Кабири-Самани, А., Мансурзаде, С. и Бохлули, А. (2021). Экспериментальное моделирование взаимодействия волн и подводных гибких волнорезов. Труды Института инженеров-механиков, Часть M: Журнал инженерии для морской среды, 235(1), 127-141.
60. Giassi, Marianna; Göteman, Malin (апрель 2018 г.). «Проектирование макета парков волновой энергии с помощью генетического алгоритма». Ocean Engineering . 154 : 252–261. doi : 10.1016/j.oceaneng.2018.01.096. ISSN  0029-8018. S2CID  96429721.
61. Abanades, J.; Greaves, D.; Iglesias, G. (1 сентября 2014 г.). «Защита побережья с помощью волновых ферм». Coastal Engineering . 91 : 299–307. Bibcode : 2014CoasE..91..299A. doi : 10.1016/j.coastaleng.2014.06.009. hdl : 10026.1/4556 . ISSN  0378-3839. S2CID  35664931.
62. Онеа, Флорин; Русу, Лилиана; Карп, Габриэль Богдан; Русу, Эуген (март 2021 г.). «Влияние волновых ферм на прибрежные процессы — пример района португальского побережья». Журнал морской науки и техники . 9 (3): 262. doi : 10.3390/jmse9030262 . ISSN  2077-1312.
63. FreePatentsOnline.com Преобразователи энергии волн, использующие разницу давления Архивировано 31 октября 2014 г., на Wayback Machine , 11 апреля 2004 г.
64. «Волновые магниты предлагают «самую дешевую чистую энергию из когда-либо существовавших». The Independent . 31 августа 2022 г.

Дальнейшее чтение

• Круз, Жоао (2008). Энергия океанских волн – Текущее состояние и перспективы на будущее . Springer. ISBN 978-3-540-74894-6., 431 стр.
• Фалнес, Йоханнес (2002). Океанские волны и колебательные системы . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-01749-7., 288 стр.
• Маккормик, Майкл (2007). Преобразование энергии океанских волн . Дувр. ISBN 978-0-486-46245-5., 256 стр.
• Твиделл, Джон; Вейр, Энтони Д.; Вейр, Тони (2006). Возобновляемые энергетические ресурсы . Тейлор и Фрэнсис. ISBN 978-0-419-25330-3., 601 стр.

Внешние ссылки

• Портал и репозиторий информации о морской возобновляемой энергии Сеть баз данных, обеспечивающая широкий доступ к информации о морской энергии.
• Основы морской энергетики: Энергия волн Основная информация о волновой энергии.
• База данных проектов морской энергетики База данных, содержащая актуальную информацию о проектах использования морской энергетики в США и по всему миру.
• База данных Tethys База данных информации о потенциальном воздействии на окружающую среду морской энергетики и развития морской ветроэнергетики.
• База данных Tethys Engineering База данных информации по техническому проектированию и разработке морских энергетических устройств.
• Репозиторий морских и гидрокинетических данных База данных для всех данных, собранных в ходе проектов исследований и разработок в области морской энергетики, финансируемых Министерством энергетики США.
• Видео Wave Swell Energy на YouTube
• Кейт Гэлбрейт (22 сентября 2008 г.). «Мощь беспокойного моря будоражит воображение». The New York Times . Получено 9 октября 2008 г.
• «Энергия волн: грядущая волна» из журнала The Economist, 5 июня 2008 г.