Актуальность

Поиск новых источников энергии представляет собой актуальную проблему, и всё большее развитие получают альтернативные возобновляемые источники энергии. Среди альтернативных источников энергии значительную роль играет энергия ветрового волнения Мирового океана. По предварительным расчётам, запасы энергии океанских волн огромны и являются неиссякаемым источником энергии [1]. При правильном подходе и создании надёжного, эффективного энергетического устройства использование энергии волн может обеспечить все энергетические нужды человечества. Поэтому освоение и использование этой энергии является важной проблемой.

Технические характеристики

Волновая электростанция [2] (рис. 1) содержит бетонные или камненабросные продольные дамбы 1, которые направляют потоки воды к турбоагрегатам. На них устанавливаются две вертикальные направляющие стойки 2, между которыми уложена поперечная балка 3 с турбоагрегатами (ТА) 4 и 5. Поперечная балка 3 с ТА 4 и 5 может перемещаться по вертикальным стойкам 2, меняя глубину погружения турбин в зависимости от высоты волн и приливов. Как показано на рис. 1, между дамбами расположены отражающие экраны 6 для сосредоточенного направления потока воды к турбинам.

К вопросу об использовании волновой энергоустановки. 1/2020. Фото 1

Устройство имеет клапаны-затворы 7 и 8, расположенные на разных концах дамб, которые закрываются и открываются за счёт энергии волн, что обеспечивает разделение водных течений на берег и от берега. Данное устройство может использоваться и в качестве приливной электростанции при включении бассейна 9 (рис. 1) на берегу моря или океана для накопления воды при приливе.

Волновая электростанция также будет поглощать часть энергии волн, уменьшая их разрушительное воздействие на сушу, то есть дополнительно может играть роль берегозащитного сооружения.

Предлагаемая волновая энергоустановка отличается новизной и имеет преимущества по сравнению с известными:

  • располагается на берегу, ближе к основным потребителям;
  • имеет возможность вертикального перемещения поперечной балки, тем самым расширяя рабочий диапазон энергоустановки (по высоте волн) посредством изменения глубины погружения ТА;
  • работает при движении волны в разных направлениях;
  • имеет отражатели, которые, концентрируя и направляя волны на турбоагрегаты, повышают эффективность преобразования энергии волн;
  • энергоустановка может быть использована в том числе для преобразования энергии приливов, а также в качестве берегозащитного сооружения.

В работах [3, 4] рассчитаны характеристики ветрового волнения за каждые три часа за период 1979–2017 годов в трёх точках — в Северном, Среднем и Южном Каспии. Полученный массив данных используется для расчёта режимных и экстремальных характеристик ветрового волнения. Для каждой из точек рассчитаны среднемесячная и максимальная высота волн, а также среднемесячный перенос волновой энергии (киловатт на 1 м фронта волны). Для точки в Среднем Каспии среднемесячная высота волн осенью и зимой составляет 1,6–1,8 м, а летом снижается до 0,5–0,7 м. Перенос волновой энергии в Среднем Каспии летом составляет около 2 кВт/м, зимой — 8–12 кВт/м. Максимальный среднемесячный перенос волновой энергии иногда превышал 20 кВт/м [3]. Полученные в [3, 4] результаты дополняют имевшиеся ранее оценки режимных и экстремальных характеристик волнения в Каспийском море.

Потенциальные ресурсы волновой энергии за год в береговой полосе Среднего Каспия составляют приблизительно 10570 кВт·ч на 1 м длины волнового фронта или примерно 800 кВт·ч на 1 м? поверхности моря. Для больших глубин эти значения составляют, соответственно, 48800 и 1950 кВт·ч [5].

Исходя из минимального ресурса в летний период (2 кВт/м), для строительства на Среднем Каспии волновой электростанции предлагаемого типа мощностью 100 кВт (КПД = 0,8) необходимо, чтобы расстояние между дамбами (ширина фронта) составляло 62,5 м.

Плановые показатели

Для волновой электростанции мощностью 100 кВт на Среднем Каспии, при годовом ресурсе волновой энергии на 1 м длины волнового фронта 1057 кВт·ч, согласно [5] принимаем расстояние между дамбами 76,2 м и длину дамб — 60 м. По предварительным расчётам, строительство такой волновой электростанции за счёт местных материалов и закупка оборудования обойдутся в 9,5 млн руб. Годовая выработка энергии (КПД = 0,8) составит 644 МВт·ч/год. При стоимости электроэнергии 3,75 руб/ кВт·ч годовой доход будет равен 2,415 млн руб.

Плановые показатели строительства пробной волновой электростанции мощностью 100 кВт — срок окупаемости, чистая приведённая стоимость (ЧПС) и внутренняя норма доходности (ВНД) — при процентной ставке (стоимости капитала) 10% приведены в табл. 1.

К вопросу об использовании волновой энергоустановки. 1/2020. Фото 2

Таким образом, предварительные расчёты показывают, что при общей стоимости инвестиций на строительство волновой электростанции 9,5 млн руб. внутренняя норма доходности (Internal Rate of Return, IRR) составит 14%, чистая приведённая стоимость (Net Present Value, NPV) равна 1,018 млн руб., внутренняя норма рентабельности (IRR) — 13,58%, а срок окупаемости составит 5,3 года.