Geräte, die die Energie der Wellen nutzen

Die Menge an Energie, die in der Bewegung von Meereswellen verfügbar ist, hat viele Ingenieure dazu inspiriert, Maschinen und Geräte zu entwickeln, um diese kostenlose Meereskraft einzufangen und zu nutzen. In bestimmten Teilen der Weltmeere ist die Menge an Wellenenergie enorm, so dass die Entwicklung von Wellenenergiegeräten zur Ausnutzung der inhärenten oszillierenden Natur von Meereswellen für die Erzeugung elektrischer Energie erforderlich ist.

Wir haben zuvor gesehen, dass < starke>Wellenenergieist eine umweltfreundliche und erneuerbare Energiequelle, die durch die natürliche Übertragung von Windenergie über den Ozeanen entsteht, die wiederum durch die Wirkung der Sonnenenergie der Sonne entsteht. Wenn der Wind über die Meeresoberfläche weht, übertragen sich bewegende Luftpartikel ihre Energie auf die Wassermoleküle, die sie berühren.

Wenn der Wind weiter weht, wird immer mehr seiner kinetischen Energie auf die Meeresoberfläche übertragen und die Wellen werden größer. Diese größeren Wellen werden Gravitationswellen genannt, weil ihre potentielle Energie auf die Gravitationskraft der Erde zurückzuführen ist. In den vom Wind erzeugten Wellen steckt viel potenzielle Energie, bis zu dem Punkt, an dem große Sturmwellen Schiffe hoch aus dem Wasser heben können.

Wenn eine Meereswelle eine stationäre Position passiert, wird die Oberfläche des Das Meer ändert sich in der Höhe, Wasser in der Nähe der Oberfläche bewegt sich, da es seine kinetische und potentielle Energie verliert, was sich auf den Druck unter der Oberfläche auswirkt. Die periodische oder oszillierende Natur von Ozeanwellen bedeutet, dass wir eine Vielzahl verschiedener verwenden könnenWellenenergiegeräte zur Nutzung der von den Meereswellen erzeugten Energie.

Das Problem liegt darin, dass die Schwingungsfrequenz einer Meereswelle relativ langsam ist und viel weniger als Hunderte von Umdrehungen pro Minute beträgt für die Stromerzeugung benötigt. Dann steht eine große Vielfalt an Wellenenergiegeräten und -designs zur Verfügung, um diese langsam wirkenden, umkehrenden Wellenkräfte in die schnelle, unidirektionale Rotation einer Generatorwelle umzuwandeln.

Es gibt drei grundlegende, aber sehr unterschiedliche Wellenenergiegeräte, die zur Umwandlung der Meereswellenenergie in elektrische Energie verwendet werden, und diese sind:

• Wellenprofilgeräte Dies sind Wellenenergiegeräte, die die oszillierende Höhe der Meeresoberfläche in mechanische Energie um.
• Oszillierendes Wasser SpaltenDas sind Wellenenergiegeräte, die die Energie der Wellen in Luftdruck umwandeln.
• Wellenerfassungsgeräte Dies sind Wellenenergiegeräte, die die Energie der Wellen in potenzielle Energie umwandeln.

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Wellenprofilgeräte

Wellenprofilgeräte sind eine Klasse von Wellenenergiegeräten, die auf oder nahe der Meeresoberfläche schwimmen und sich als Reaktion auf die Form der einfallenden Welle bewegen oder sich bei Tauchgeräten unter dem Einfluss von Schwankungen des Unterwasserdrucks auf und ab bewegen wie eine Welle vorbeizieht.

Die meisten Arten von Wellenprofilgeräten schwimmen auf der Oberfläche und absorbieren die Wellenenergie in alle Richtungen, indem sie den Bewegungen der Wellen an oder nahe der Meeresoberfläche folgen, genau wie ein Schwimmer. Die einzigen Wellenenergiegeräte, die Wellenprofilerstellung verwenden, werden seit einiger Zeit praktisch verwendet, wenn auch in relativ geringem Umfang, und zwar zum Antrieb von Navigationsbojen.

Wenn die physische Größe des Wellenprofilgeräts zutrifft verglichen mit der Periodenlänge der Welle sehr klein ist, wird diese Art von Wellenenergiegerät als "Punktabsorber" bezeichnet. Wenn die Größe des Geräts größer oder länger als die typische periodische Wellenlänge ist, wird es als „linearer Absorber“ bezeichnet, aber häufiger werden sie gemeinsam als „Wellenabschwächer“ bezeichnet. p>

Der Hauptunterschied zwischen den beiden Wellenenergiegeräten besteht darin, wie das schwingende System die Wellenenergie zwischen dem Absorber und einem Reaktionspunkt umwandelt. Diese Energieabsorption kann entweder durch einen Schwimmkörper, einen schwingenden festen Körper oder schwingendes Wasser innerhalb einer Bojenstruktur selbst erreicht werden.

Die Wellenenergie wird durch vertikale Bewegung (Heben), horizontale Bewegung in Richtung der Wellenbewegung (Surge), Winkelbewegung um eine Mittelachse parallel zu den Wellenbergen (Pitch) oder Winkelbewegung um eine vertikale Achse (Gieren) oder a absorbiert Kombination aller vier mit der Energie, die erzeugt wird, indem diese verschiedenen Bewegungen gegen einen festen Widerstand, der als Reaktionspunkt bezeichnet wird, reagieren.

Um die von der Welle erzeugte Kraft effizient zu nutzen, brauchen wir eine Art Kraft Reaktion. Mit anderen Worten, wir möchten, dass die Wellenkraft auf den Schwimmer gegen einen anderen starren oder halbstarren Körper reagiert. Reaktionspunkte können Trägheitsmassen sein, wie z. B. schwere schwebende Ballastplatten, Meeresbodenanker oder ein festes Eigengewicht oder Pfahl, wie gezeigt.

Wellenprofilgeräte

Das Stampfen und Heben der Wellen bewirkt eine Relativbewegung zwischen Absorber und Reaktionspunkt. Das linke Wellenenergiegerät oben verwendet eine schwere Ballastplatte, die unter der schwimmenden Boje aufgehängt ist. Die Boje wird durch eine Festmacherleine, die an einem Meeresbodenanker befestigt ist, am Wegschwimmen gehindert. Diese Festmacherleine ermöglicht es dem Punktabsorber, in tieferen Gewässern auf See zu arbeiten.

Wenn die Boje in den Wellen auf und ab schaukelt, wird eine oszillierende gegenseitige Kraftreaktion zwischen dem sich frei bewegenden Absorber und der schweren Platte erzeugt eine zwischengeschaltete Hydraulikpumpe einen Generator in Rotation versetzt, der Strom erzeugt. Das Mittelwellenenergiegerät funktioniert ähnlich wie das vorherige Schwimmbojengerät.

Der Unterschied besteht diesmal darin, dass die frei wogende Boje gegen einen festen Reaktionspunkt wie etwa ein festes Eigengewicht auf dem Meeresboden reagiert. Da diese Art von Punktabsorbern am Boden montiert ist, wird sie in flacheren Küstennähe betrieben.

Das dritte Gerät ist ein Beispiel für einen linearen Absorber (Wellendämpfer), der auf der Wasseroberfläche schwimmt. Es ist am Meeresboden festgebunden, damit es senkrecht zu den ankommenden Wellen schwingen kann. Wenn die Wellen entlang der Länge dieses schlangenähnlichen Wellenenergiegeräts laufen, bewirken sie, dass der lange zylindrische Körper nach unten in die Täler der Wellen sackt und sich nach oben wölbt, wenn der Wellenkamm vorbeikommt.

Der Pelamis-Wellenenergiewandler

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Verbindungsgelenke entlang des Gerätekörpers biegen sich in den Wellen und üben eine große Kraft aus, die verwendet wird, um einen hydraulischen Kolben an jedem Gelenk anzutreiben. Der Hydraulikkolben treibt Öl durch einen Hydraulikmotor, der einen Generator antreibt und Strom erzeugt.

Diese Methode der Wellenenergieumwandlung wird derzeit von einem Gerät namens Pelamis Wave Energy Converterentwickelt von der “Pelamis Wave Power” Unternehmen (weitere Informationen finden Sie im Video). Ein Vorteil des Pelamis-Designs besteht darin, dass mehrere Offshore-Geräte über ein einziges tauchfähiges Unterwasserkabel mit der Küstenlinie verbunden und verbunden werden können, und da es auf die allgemeine Bewegung der Wellen reagiert und sich biegt, hat es das Potenzial, eine Stetigkeit und Konstante zu erzeugen Versorgung mit elektrischem Strom.

Oszillierende Säulenwellenenergiegeräte

Die Oszillierende Wassersäule (OWC) ist eine beliebte Küstenwellenenergie Gerät, das normalerweise auf oder in der Nähe von Felsen oder Klippen positioniert ist, die sich in der Nähe eines Tiefseebodens befinden. Sie bestehen aus einer direkt am Ufer befestigten teilweise untergetauchten Hohlkammer, die Wellenenergie in Luftdruck umwandelt.

Die Struktur, die zum Einfangen der Wellenenergie verwendet wird, könnte eine natürliche Höhle mit einem Blasloch oder eine künstliche Kammer oder ein Kanal mit einem Windturbinengenerator sein, der sich oben weit über der Wasseroberfläche befindet. In jedem Fall ist die Struktur senkrecht zu den Wellen gebaut, wobei ein Teil der Meeresoberfläche in der Kammer eingeschlossen ist, die selbst unterhalb der Wasserlinie zum Meer hin offen ist. Die konstante Ebbe- und Fließbewegung der Wellen zwingt das eingeschlossene Wasser in der Kammer dazu, in vertikaler Richtung von oben nach unten zu oszillieren.

Oszillierende Wellensäule

Wenn die einfallenden Wellen von außen in die Kammer ein- und austreten, bewirken Änderungen der Wellenbewegung an der Öffnung, dass der Wasserspiegel innerhalb des Gehäuses auf und ab oszilliert und wie ein riesiger Kolben auf die Luft über der Wasseroberfläche wirkt und sie hin und her drückt . Diese Luft wird durch diese Bewegung bei jedem Zyklus komprimiert und dekomprimiert. Die Luft wird durch einen Windturbinengenerator geleitet, um wie abgebildet Strom zu erzeugen.

Der Typ des Windturbinengenerators, der in einem oszillierenden Wassersäulendesign verwendet wird, ist das Schlüsselelement für seine Umwandlungseffizienz. Die Luft in der Kammer ändert bei jeder Auf- und Abbewegung des Meerwassers ständig ihre Richtung und erzeugt einen Saug- und Blaseffekt durch die Turbine. Würde eine konventionelle Turbine den angebauten Generator antreiben, würde auch dieser im Einklang mit dem Luftstrom ständig seine Richtung ändern. Um dieses Problem zu lösen, wird der Windturbinentyp, der in Systemen mit oszillierender Wassersäule verwendet wird, als Wells Turbine bezeichnet.

Die Wells-Turbine hat die bemerkenswerte Eigenschaft, sich unabhängig von der Richtung des Luftstroms in der Säule in die gleiche Richtung zu drehen. Die kinetische Energie wird dem umkehrenden Luftstrom durch die Wells-Turbine entzogen und zum Antrieb eines elektrischen Induktionsgenerators verwendet. Die Geschwindigkeit des Luftstroms durch die Brunnenturbine kann erhöht werden, indem die Querschnittsfläche des Wellenturbinenkanals viel kleiner als die der Meeressäule gemacht wird.

Wie bei anderen Wellenenergiekonvertern erzeugt die oszillierende Wellensäulentechnologie keine Treibhausgasemissionen, was sie zu einer umweltfreundlichen und erneuerbaren Energiequelle macht, die durch natürliche Übertragung von Windenergie durch eine Brunnenturbine erzeugt wird. Der Vorteil dieses Küstenliniensystems besteht darin, dass das bewegliche Hauptteil, die Turbine, zur Reparatur oder Wartung leicht entfernt werden kann, da es sich an Land befindet. Der Nachteil ist jedoch, dass, wie bei den bisherigen Wellenenergiegeräten, die Leistung der schwingenden Wellensäulen von der Höhe der Wellenenergie abhängig ist, die je nach Jahreszeit von Tag zu Tag variiert.

Capture Wave Energy Devices

Ein Welleneinfanggerät, auch bekannt als Overtopping Wave Power Device, ist ein Wellenenergiegerät von Küste zu Küste, das die Bewegungen der Gezeiten und Wellen erfasst und in potenzielle Energie umwandelt. Wellenenergie wird in potenzielle Energie umgewandelt, indem das Wasser auf eine höhere Ebene gehoben wird. Das Wellenfanggerät, oder häufiger ein Überlaufgerät, hebt Meereswellen in ein Reservoir über dem Meeresspiegel.

Der Überlauf-Wellenenergiekonverter funktioniert ähnlich wie ein Wasserkraftwerk vom Staudammtyp. Meerwasser wird in einer Höhe über dem Meeresspiegel aufgefangen und aufgestaut, wodurch eine Situation mit niedriger Fallhöhe entsteht, die dann durch eine Reaktionsturbine abgelassen wird, normalerweise eine Kaplan-Turbine, die wie abgebildet Strom erzeugt.

Capture Wave Energy Devices

Die grundlegende Aufstaustruktur kann entweder feststehend oder eine schwimmende Struktur sein, die am Meeresboden angebunden ist. Das Wellenüberlaufgerät verwendet ein Rampendesign am Gerät, um einen Teil der ankommenden Wellen über ihre natürliche Höhe anzuheben.

Wenn die Wellen auf die Struktur treffen, fließen sie eine Rampe hinauf und über die Spitze (daher der Name „Overtopping“) in ein erhöhtes Wasserrückhaltebecken auf dem Gerät, um es zu füllen. Nach dem Einfangen wird die potentielle Energie des eingeschlossenen Wassers im Reservoir mithilfe der Schwerkraft extrahiert, wenn das Wasser über einen Kaplan-Turbinengenerator mit niedriger Fallhöhe, der sich am Boden des Welleneinfanggeräts befindet, ins Meer zurückkehrt.

Sonstiges Solche Wellenfanggeräte befinden sich an der Küste, wo die Wellen entlang eines horizontalen künstlichen Kanals geleitet werden. Dieser Kanal hat die Form eines Trichters, der zum Meer hin breit ist, wo die Wellen eintreten, und sich allmählich zu einem Staubecken am anderen Ende hin verengt.

Wenn sich die Wellen entlang des sich verengenden Kanals ausbreiten, wird die Wellenhöhe aufgrund des Trichtereffekts auf ein Niveau angehoben, das die horizontale Oberkante der Kanalwand übersteigt, überschüssiges Wasser von der Welle kann in ein begrenztes Becken über dem normalen Meeresspiegel fließen . Da sich das Wasser jetzt auf einer Höhe über dem Meeresspiegel befindet, wird die potenzielle Energie des im Becken eingeschlossenen Wassers dann extrahiert, indem das Wasser wie zuvor durch eine Kaplan-Turbine mit niedriger Fallhöhe zurück ins Meer abgelassen wird.

Wir wissen jetzt, wie Wellenenergie funktioniert, und einer der Hauptvorteile von “Wellenenergiegeräten” ist, dass es außer der erzeugenden Turbine keine beweglichen Teile gibt. Unglücklicherweise haben Küstenüberflutungssysteme aufgrund ihrer geringen Fallhöhe eine relativ geringe Leistungsabgabe und sind nur für Standorte geeignet, an denen es eine Tiefwasserküste und einen geringen Tidenhub von weniger als etwa einem Meter gibt. Um einige dieser Einschränkungen zu überwinden, wurden schwimmende Offshore-Einfanggeräte entwickelt, aber auch sie benötigen ausreichend Wellenkraft, um das Staureservoir zu füllen.

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Wir haben oben einige der Wellenenergiegeräte gesehen die derzeit genutzt werden, um elektrische Energie aus Wellenenergie zu gewinnen. Mutter Natur liefert jeden Tag einen großen Vorrat an erneuerbarer Wellenenergie, und die Technologie zur Gewinnung dieser kostenlosen Energie existiert bereits, aber es gibt viele technische Herausforderungen, die gelöst werden müssen, wobei das Haupthindernis, das verhindert, dass Wellenenergie eine übliche Form der Stromerzeugung ist, die tatsächliche ist Energieträger selbst: “das Meer”.

Die Erfassung von Wellenenergie ist mit verschiedenen Problemen konfrontiert. Beispielsweise sind Wellenenergiegeräte harten Wetterbedingungen ausgesetzt, wobei einige Geräte bereits durch die Kräfte von Gezeiten und starken Stürmen zerstört wurden. Zugänglichkeit, Wartung und Reparatur können ebenfalls kostspielig sein, da der typische Wirkungsgrad eines Wellenenergiegeräts derzeit nur etwa 30 % beträgt.

Wenn jedoch die Technologie und die Effizienz verbessert werden, kann die Offshore-Wellenenergie viele Vorteile gegenüber anderen Formen erneuerbarer Energiequellen bieten. Einer ihrer Hauptvorteile besteht darin, dass Wellenenergie allgemein als saubere Quelle erneuerbarer Energie mit begrenzten negativen Auswirkungen auf die Umwelt und mit sehr geringen oder gar keinen CO2-Emissionen angesehen wird.

Meereswellen haben eine hohe Energiedichte, die höchste unter ihnen Erneuerbare Energiequellen mit der natürlichen saisonalen Schwankung der Wellenenergie, die dem Strombedarf in gemäßigten Klimazonen folgt und die Energieversorgung in abgelegenen Regionen sichert. Wellenenergie hat auch einen vernachlässigbaren Flächenverbrauch, und die groß angelegte Implementierung von Wellenkrafttechnologien könnte dazu beitragen, die rückläufige Schiffbau- und Werftindustrie zu stimulieren, die zur Herstellung dieser Wellenenergiegeräte mit Metallgehäuse beitragen könnte.

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