Волновая энергия: как конструкции с изменяемой геометрией могут повысить эффективность преобразования

Энергия волн — это еще одна возобновляемая технология, ожидающая своего прорыва. Одна из основных проблем заключается в том, что около 35-50% затрат WEC (преобразователей волновой энергии) можно отнести только на структуру устройства. Исследователи из NREL экспериментируют с переменной геометрией, изменяя форму WEC таким образом, чтобы в более энергичных морях можно было контролировать структурные нагрузки. 

Устойчивая, обильная волновая энергия обладает огромным потенциалом для обеспечения энергией жизни миллионов американцев, при этом 50% населения США живет в пределах 50 миль от береговой линии; однако преобразователи волновой энергии (WEC) все еще находятся на ранних стадиях технологического развития по сравнению с более зрелыми альтернативами возобновляемой энергии.

Одной из основных задач, стоящих в настоящее время перед технологией, является достижение конкурентоспособности затрат. Поскольку они должны быть спроектированы достаточно прочными, чтобы выдерживать большие волновые нагрузки, около 35% -50% затрат WEC можно отнести только на структурные затраты устройства. Снижение структурной стоимости WEC и увеличение поглощения энергии — два пути к снижению стоимости энергии волны (LCOE), тем самым повышая ее привлекательность в качестве основного возобновляемого источника энергии.

Исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) переосмысливают проекты WEC, чтобы обеспечить новый путь для разработки экономически конкурентоспособных систем следующего поколения. Включение компонентов с изменяемой геометрией может быть ключом к неуловимой комбинации увеличения захвата энергии и снижения конструктивных затрат. Используя переменную геометрию, форма WEC может быть изменена таким образом, что в более энергичных морских состояниях структурные нагрузки контролируются, что позволяет увеличить выработку энергии.

Переменная геометрия, надежное управление

Что отличает WEC с переменной геометрией от других типов устройств волновой энергии? Контроль.

Большинство традиционных конструкций WEC состоят из корпуса с фиксированной геометрией и, как правило, обладают единственным средством оперативного управления: генератором или коробкой отбора мощности. Введение переменной геометрии в конструкции WEC добавило бы в систему вторую ручку управления, аналогичную управлению шагом лопасти в ветровой турбине.

Это вторичное средство управления позволило бы осуществлять оперативную регулировку в различных морских состояниях, так что устройство может точно настроиться на снижение нагрузки в больших и экстремальных морских состояниях или увеличить поглощение энергии в низких и умеренных морских состояниях. Эти компоненты переменной геометрии могли бы обеспечить возможность управления гидродинамикой устройства.

Благодаря дополнительному управлению, которое они предлагают, WEC с переменной геометрией могут быть оптимизированы для большего захвата энергии, повышения эффективности работы и, в конечном счете, более конкурентоспособной по стоимости волновой энергии.

Управление имеет ключевое значение: компоненты с переменной геометрией могут улучшить улавливание энергии и эффективность, снизить затраты на устройство и проложить путь к более доступной волновой энергии
Оценка трех типов WEC

Чтобы оценить поглощение мощности и управление сбросом нагрузки устройств с переменной геометрией, исследователь NREL Натан Том и его команда изучили возможности включения методологии проектирования в три типа WEC:

Компоненты переменной геометрии, включенные в вышеупомянутые устройства WEC, состояли либо из жестких частей, которые можно было открывать или закрывать с помощью механических приводов, либо из гибких мешков, наполненных воздухом или водой, которые могли надуваться или сдуваться в зависимости от состояния моря.

Для каждого типа WEC исследовательская группа проанализировала (1) целостность конструкции; (2) прогнозируемое годовое производство энергии; и (3) завершила предварительный технико-экономический анализ, чтобы понять осуществимость с точки зрения затрат.

Это начальное исследование показало, что компоненты с переменной геометрией были успешны в улучшении каждого из трех испытанных проектов WEC, демонстрируя преимущества как затрат, так и снижения нагрузки во всех оцениваемых технологиях.

Глубоководные WEC

Команда не остановилась на оценке трех устройств WEC. Благодаря недавно полученному гранту Фонда коммерциализации технологий команда NREL также сотрудничает с Массачусетским университетом в Амхерсте (UMA) для разработки четвертой технологии: осциллирующего волнового преобразователя энергии с переменной геометрией (OSWEC), размещенного на приподнятом фундаменте.

Вдохновленный достижениями в области крупномасштабных аддитивных технологий производства, рельефный OSWEC с переменной геометрией, или VG-OSWEC, может иметь потенциал для значительного снижения стоимости подводных фундаментов.

Авторский рендеринг VG-OSWEC первого поколения, установленного на приподнятом фундаменте с показанными желтым цветом взлетами мощности

Конструкция устройства также предоставляет возможности для снижения затрат на установку, улучшения производства энергии и большей гибкости мест развертывания по сравнению с нижними фиксированными конструкциями.

VG-OSWEC может обеспечить развертывание на более глубоких водах, например, потенциально увеличивая захват энергии из-за его способности работать в более энергичных волнах, обнаруженных дальше от берега. Уникальная приподнятая конструкция могла бы предотвратить промывку дна в экологически чувствительном прибрежном регионе.

Изучение дизайна морского ветрового фундамента

Эта передовая модульная конструкция бетонного фундамента в долгу перед морскими ветряными турбинами, которые в настоящее время выполняются компанией RCAM Technologies. Стартап, возглавляемый бывшим исследователем NREL Джейсоном Котреллом, считает, что инновационная работа RCAM по сваям и фундаментам морских ветряных турбин может быть передана Океанскому Энергетическому сообществу по мере того, как новые недорогие и легко развертываемые конструкции станут легкодоступными (RCAM Technologies, 2020).

Объединив VG-OSWEC и экономически эффективный бетонный фундамент, сообщество волновой энергии сможет пожинать лучшее из того, что могут предложить обе технологии. Новизна дизайна, удостоенного премии TCF, заключается в сочетании нескольких ключевых особенностей:

  • Подъем OSWEC с морского дна при сохранении привязки к дну для поддержания улучшенной эффективности поглощения
  • Использование недорогой структуры для поддержания низких общих затрат на системном уровне
  • Включение в WEC возможностей переменной геометрии для борьбы с силами и нагрузками, которые должны выдерживать как WEC, так и несущий фундамент во время эксплуатации

Недавние исследования показывают, что OSWEC является перспективной технологией WEC, поскольку она может получить некоторые из самых высоких коэффициентов преобразования энергии; однако для поддержания захвата высокой энергии устройство также должно быть спроектировано так, чтобы выдерживать экстремальные волновые нагрузки. Благодаря включению компонентов с переменной геометрией в OSWEC пиковые нагрузки могут быть уменьшены при сохранении или даже увеличении захвата энергии.

От модели к рынку

NREL и UMA работают вместе над проектированием, построением и тестированием масштабированной модели концепции.

«Включение элементов управления переменной геометрией в WEC — это несколько степеней сложности, выходящих за рамки современных технологий волновой энергии», — говорит Натан Том. «Мы надеемся продемонстрировать эту систему следующего поколения, чтобы снизить риски, связанные с технологией и стимулировать внедрение отрасли».

Команда стремится продемонстрировать жизнеспособность устройства, в конечном счете переместив его от модели на рынок.

Компоненты с переменной геометрией могут помочь сообществу волновой энергии преодолеть барьер LCOE, повысив осуществимость и перспективность этой технологии возобновляемых источников энергии.

Елизавета Коробкова

Редактор ЭНЕРГОСМИ.РУ