Oscylujący słup wody
Oscylujące słupy wody (OWC) to rodzaj konwertera energii fal które wykorzystują energię z oscylacji wody morskiej wewnątrz komory lub zagłębienia spowodowanego działaniem fal. OWC okazały się obiecującym źródłem energii odnawialnej o niewielkim wpływie na środowisko. Z tego powodu wiele firm pracuje nad projektowaniem coraz wydajniejszych modeli OWC. OWC to urządzenia z częściowo zanurzoną komorą lub zagłębieniem otwartym do morza poniżej, utrzymujące uwięzioną kieszeń powietrzną nad słupem wody. Fale zmuszają kolumnę do działania jak tłok, poruszając się w górę iw dół, wypychając powietrze z komory iz powrotem do niej. Ten ciągły ruch wymusza dwukierunkowy strumień powietrza o dużej prędkości, który jest kierowany przez przystawkę odbioru mocy (PTO) . Układ PTO przetwarza strumień powietrza na energię. W modelach, które przetwarzają przepływ powietrza na energię elektryczną, system WOM składa się z dwukierunkowej turbiny. Oznacza to, że turbina zawsze obraca się w tym samym kierunku, niezależnie od kierunku przepływu powietrza, co pozwala na ciągłe wytwarzanie energii. Zarówno komora zbiorcza, jak i systemy PTO zostaną wyjaśnione w dalszej części „Podstawowe komponenty OWC”.
Projekt
Podstawowe komponenty OWC
Mocny start
Układ WOM jest drugim głównym elementem urządzenia OWC. Przekształca moc pneumatyczną w pożądane źródło energii (tj. dźwięk lub elektryczność). Konstrukcja układu WOM jest bardzo ważna dla wydajności oscylującego słupa wody. Musi być w stanie przekształcić przepływ powietrza wychodzący z komory zbiorczej i do niej w energię. Turbiny, które to realizują, nazywane są turbinami dwukierunkowymi.
Turbina Wellsa
Turbina Wellsa , zaprojektowana pod koniec lat 70. XX wieku przez profesora Alana Arthura Wellsa z Queen's University Belfast, jest turbiną dwukierunkową wykorzystującą symetryczne płaty (patrz rys. 1). Płaty będą obracać się w tym samym kierunku, niezależnie od kierunku przepływu powietrza. Turbina Wellsa ma zarówno zalety, jak i wady. Nie ma żadnych ruchomych części poza głównym wirnikiem turbiny, co czyni go łatwiejszym w utrzymaniu i bardziej ekonomicznym. Jednak poświęca to pewną wydajność przy dużych prędkościach przepływu powietrza, ponieważ duży kąt natarcia płata powoduje większy opór . Kąt natarcia to liczba stopni, o jaką płat jest od położenia równoległego do strumienia powietrza. Turbiny Wellsa są najbardziej wydajne przy przepływie powietrza o małej prędkości.
Turbina Hanny
Turbina Hanna [2] Patent US 8 358 026 została wynaleziona przez działacza na rzecz ochrony środowiska Johna Clarka Hannę w 2009 roku. Turbina Hanna została opracowana w celu ulepszenia pionierskiej turbiny Wellsa. Podobnie jak w przypadku Wells, urządzenie Hanna nie ma ruchomych części, które mają bezpośredni kontakt z oceanem. Turbina ma dwa wirniki z asymetrycznymi płatami ustawionymi tyłem do siebie. Oba wirniki są lustrzanymi odbiciami z niskimi kątami natarcia. Płaty mają wyższe współczynniki siły nośnej i mniejszy opór niż turbina Wellsa. Dzięki temu konstrukcja Hanna jest mniej podatna na zgaśnięcie i oferuje większy moment obrotowy przy większym oknie roboczym. Konstrukcja Hanna napędza również dwa generatory, które działają poza zamkniętym kanałem powietrznym w stosunkowo suchym środowisku. Pozwala to na łatwą konserwację generatorów.
Historia
Najwcześniejsze zastosowanie oscylujących słupów wody miało miejsce w gwiżdżących bojach. Boje te wykorzystywały ciśnienie powietrza wytwarzane w komorze zbiorczej do zasilania systemu PTO, który składał się z gwizdka lub syreny mgłowej. Zamiast generować energię elektryczną, PTO generowałby dźwięk, pozwalając boi ostrzegać łodzie przed niebezpieczną wodą. JM Courtney opatentował jeden z tych gwiżdżących projektów boi. W 1885 r. Scientific American poinformował, że 34 gwiżdżące boje działały u wybrzeży Stanów Zjednoczonych.
Kolejna ważna innowacja miała miejsce w 1947 r., kiedy Yoshio Masuda , dowódca japońskiej marynarki wojennej, zaprojektował boję nawigacyjną OWC, która wykorzystywała system WOM turbiny. System WOM generował energię elektryczną, która ładowała akumulatory boi, umożliwiając jej pracę przy niewielkiej konserwacji. Był to pierwszy przypadek wykorzystania OWC do wytwarzania energii elektrycznej. Boja miała małą moc 70-500 W i stacjonowała w Zatoce Osaka.
Główne projekty elektrowni OWC
LIMPET, wyspa Islay, Szkocja
Otwarta w 2001 roku elektrownia OWC generuje 500 kW z pojedynczą turbiną Wellsa o średnicy 2,6 metra. Turbina połączona jest z komorą zbiorczą składającą się z 3 połączonych ze sobą rur o wymiarach 6x6 metrów. LIMPET został wbudowany w solidną skalną linię brzegową wyspy Islay. Zakład ten został zbudowany przez Queen's University Belfast we współpracy z Wavegen Ireland Ltd.
Mutriku, Kraj Basków
Otwarta w 2011 roku elektrownia OWC może generować około 300 kW w odpowiednich warunkach (wystarczających do zasilenia 250 domów) dzięki 16 turbinom Wells. Turbiny dostarczyła firma Voith, która specjalizuje się w technologii i produkcji energii wodnej. Komory zbiorcze i turbiny umieszczone są w falochronie . Falochrony to sztuczne ściany (zbudowane na morzu), które blokują wybrzeże przed działaniem fal (często używane wokół portów). Każda turbina ma własną komorę zbiorczą, a komory mają 4,5 m szerokości, 3,1 m głębokości i 10 m wysokości. Był to pierwszy przypadek zastosowania wielu turbin w jednym zakładzie.
Ocean Energy (OE) Boja
OE Boja, obecnie opracowywana przez OceanEnergy, została pomyślnie przetestowana w 2006 roku przy użyciu 28-tonowego modelu w skali 1:4 zakotwiczonego u wybrzeży Irlandii. Boja OE została zaprojektowana do zakotwiczenia daleko od brzegu na głębokich wodach, gdzie burze generują aktywność fal. Jest zasilany przez turbinę Wellsa i na podstawie 3-miesięcznego testu oczekuje się, że pełnowymiarowe boje OE będą miały moc wyjściową około 500 MW. Boje OE są montowane na lądzie, a następnie transportowane łodzią do optymalnych miejsc energetycznych.
Wpływ środowiska
Oscylujące słupy wody nie mają ruchomych części w wodzie, a zatem stanowią niewielkie zagrożenie dla życia morskiego. Morskie OWC mogą nawet wspierać życie morskie, tworząc sztuczną rafę. Największym problemem jest to, że OWC powodują zbyt duże zanieczyszczenie hałasem i mogą zaszkodzić naturalnemu pięknu morskiego krajobrazu. Oba te problemy można rozwiązać, przesuwając OWC dalej od brzegu.
12. Hanna WETGEN (generator turbiny falowej)