CAPTAREA SI CONVERSIA ENERGIEI VALURILOR
Data: 1-15 august 2006
INTRODUCERE
Cercetarile în domeniul energiei valurilor au cunoscut pe plan mondial o amploare deosebita în ultimii 35 de ani. În prezent, captarea si conversia energiei valurilor se aplica pe scara larga în nenumarate geamanduri si instalatii de semnalizare. Realizarea însa a unor centrale electrice bazate pe energia valurilor mai necesita eforturi, în prezent desfasurându-se o activitate sustinuta în multe tari ale lumii.
Desi realizarea unor centrale pentru energia valurilor constituie o preocupare deosebita pentru tarile care beneficiaza de tarmuri cu valuri puternice, problema prezinta interes si pentru tarile care dispun de valuri de mica amploare. Astfel, având în vedere necesitatea construirii unor diguri de protectie costiera, se pune în prezent tot mai mult problema ca aceste diguri sa permita si recuperarea energiei valurilor.
Având în vedere cercetarile efectuate la nivel mondial si experimentarile efectuate în tara noastra, se poate concluziona ca si energia valurilor Marii Negre poate fi captata si utilizata pentru aplicatii locale în conditii eficiente cu ajutorul instalatiilor hidropneumatice cu coloana oscilanta, cunoscute sub denumirea de instalatii OWC (oscillating water column), care se bucura în prezent de cel mai mare interes pe plan mondial. Consideram utila, pentru prima etapa, realizarea unei microcentrale, având la baza principiul hidropneumatic, care sa fie amplasata pe un dig existent la tarmul Marii Negre.
SITUATIA PE PLAN INTERNATIONAL
În prezent exista sute de geamanduri de semnalizare care utilizeaza energia valurilor, fabricate de China si Japonia, si se depun eforturi deosebite pentru a se realiza centrale de mare putere. Aceste centrale se bazeaza pe diverse principii. Analizând modul de functionare a acestor centrale, se poate constata ca toate au o caracteristica comuna, si anume antrenarea generatoarelor prin turbine. Trebuie remarcat faptul ca turbinele axiale de aer pot avea randamente superioare datorita întubarii lor.
Tipurile de instalatii de captare a energiei valurilor cercetate în prezent pot fi grupate astfel:
– Instalatii de captare a energiei valurilor pentru tarm (shoreline) si în apropierea tarmului (nearshore)
• Instalatii cu coloana oscilanta – OWC (oscillating water column). Constau în principal dintr-o incinta în care valurile care patrund formeaza o coloana oscilanta. Aceasta coloana actioneaza un volum de aer care trece printr-o turbina de aer unisens;
• Instalatii TAPCHAN. Constau dintr-un bazin în care valurile care vin printr-un canal special amenajat fac ca apa sa se acumuleze la un nivel superior nivelului marii. Diferenta de nivel obtinuta permite alimentarea unor turbine;
• Instalatii pendulare cu panou articulat. Într-un spatiu special amenajat, un panou oscileaza datorita valurilor care se propaga pe orizontala si actioneaza o pompa hidraulica. Pompa alimenteaza o turbina hidraulica.
– Instalatii de captare a energiei valurilor pentru zonele de larg (offshore)
• Instalatia daneza cu pompa si flotor. Este o instalatie în care un flotor actioneaza o pompa ancorata de fundul marii, care actioneaza turbine hidraulice;
• Instalatia suedeza HOSEPUMP. Se bazeaza pe un cilindru realizat din elastomeri care, antrenat de un flotor, permite expulzarea apei din interior, alimentarea unei pompe hidraulice si actionarea unei turbine;
• Instalatia McCABE WAVE PUMP. Consta din niste pontoane care se misca fata de un ponton central, actionând pompe hidraulice care alimenteaza mai multe turbine hidraulice;
• Instalatia PELAMIS. Consta din mai multe tuburi de mare dimensiune, legate între ele prin niste articulatii care, datorita înclinatiilor unghiulare provocate de valuri, actioneaza niste pompe cu lichid. La rândul lor, pompele actioneaza turbine cuplate cu generatoare electrice.
Principalele caracteristici constructive ale instalatiilor de valuri
Instalatiile de valuri pentru centrale electrice se pot caracteriza în functie de
Preluarea energiei valurilor prin:
• coloana oscilanta formata de apa marii;
• flotoare de diferite forme si dimensiuni;
• panouri oscilante;
• acumularea volumului de apa ridicat de valuri într-un bazin.
Actionarea directa a generatoarelor electrice cu:
• turbine de aer;
• turbine hidraulice.
Agentul de actionare a turbinelor, care poate fi:
• aer;
• apa de mare;
• lichid actionat în circuit închis.
Actionarea generatoarelor centralelor de valuri prin turbine permite evitarea amplificatoarelor de viteza, a sistemelor de biela-manivela, a frei-urilor si volantilor.
Dintre toate tipurile de instalatii pentru captarea si conversia energiei valurilor, se constata ca instalatiile hidropneumatice cu coloana oscilanta – OWC (oscillating water column) prezinta cel mai mare interes. Printre avantajele instalatiilor hidropneumatice se pot enumera:
– schema cinematica foarte simpla;
– lipsa sistemelor de multiplicare a vitezei, turbina fiind cuplata direct cu generatorul;
– nu folosesc agent lichid pentru transmiterea energiei, evitând utilizarea etansarilor;
– nu au structuri cinematice în contact cu apa marii.
În legatura cu turbina acestor instalatii trebuie precizat ca în urma cu numai câtiva ani se utiliza turbina unisens realizata pe baza unui patent din anul 1970 al profesorului Wells. Rotorul unei turbine Wells este prezentat în figura 1. Aceasta turbina se foloseste si astazi pe scara larga în echiparea geamandurilor fabricate de China si Japonia.
Utilizarea turbinei Wells în centralele de valuri a dus însa la un impas, din doua motive: randament foarte scazut si blocaj la viteze relativ reduse. Aceste caracteristici negative se explica prin faptul ca palele turbinei Wells au un bord de atac foarte voluminos si un unghi de asezare redus, care rezulta din necesitatea utilizarii acestor pale în ambele sensuri de actionare a aerului.
În prezent, în Anglia si Australia se experimenteaza o noua turbina unisens, având pas variabil comandat. Rotorul acestei turbine este prezentat în figura 2.
Aceasta turbina este însa foarte complicata din punct de vedere constructiv, necesitând un sistem de comanda complex si având o durata de functionare limitata la numai câtiva ani.
Câteva exemple de aplicatii concrete
• Australia
Continuând cercetarile începute în 1990, Energetech Australia Pty Ltd. a realizat o instalatie tip OWC de 500 kW, înzestrata cu o turbina Denniss-Auld cu pas variabil comandat. Instalatia este înzestrata cu un concentrator parabolic care permite concentrarea valurilor de pe o distanta de 40 m si o incinta în care se formeaza coloana oscilanta, cu latimea de câte 10 m. Instalatia a fost amplasata în apropierea portului Kembla. Primele experimentari ale instalatiei au avut loc în octombrie 2005.
? China
În 1989 s-a construit o instalatie experimentala tip OWC de 3 kW, care s-a amplasat pe insula Dawanshan si care a aprovizionat cu electricitate comunitatea locala. Aceasta instalatie a fost îmbunatatita prin aplicarea unei turbine de 20 kW.
În 1995 Institutul Guangzhou de Conversie a Energiei din cadrul Academiei de Stiinte Chineze a dezvoltat cu succes o geamandura de navigatie de 60 W, având o turbina Wells. În decurs de 13 ani s-au construit peste 650 de geamanduri care s-au amplasat de-a lungul coastei chineze.
• Irlanda
Cercetarile au început înca în 1980, prin finantare de la guvern sub îndrumarea Universitatii Cork. Universitatea a coordonat Programul european de cercetari în domeniul energiei valurilor, fiind subventionata prin Programul Uniunii Europene – Joule.
• India
S-a proiectat si construit prototipul unei instalatii OWC de 150 kW, care a fost introdusa într-un dig al portului Vizhinjam. Aceasta avea o turbina unisens tip Wells. Experienta acumulata a permis proiectarea unui dig cu 10 unitati de instalatii OWC având o capacitate totala de 1,1 MW.
• Japonia
În anii 1970, grupul JAMSTEC a realizat o instalatie plutitoare numita Kaimei, având la baza principiul OWC. Experimentarile s-au efectuat în Marea Japoniei, în apropierea localitatii Yura.
O instalatie pendulara a fost cercetata mai bine de 15 ani de catre Institutul de Tehnologie Muroran si s-au efectuat încercari pe instalatii tip OWC.
În 1983 s-a construit o instalatie OWC din beton si otel, de 40 kW, în localitatea Sanze. Aceasta a functionat câtiva ani, când a fost demontata si examinata pentru determinarea rezistentei la coroziune si solicitari mecanice.
În 1996 s-a construit la Haramachi prototipul unei instalatii tip OWC de 130 kW. Aceasta utiliza supape pentru controlul sensului fluxului de aer. Testele au continuat în 1998.
În 1997 cercetarile s-au focalizat pe instalatia numita Mighty Whale, bazata pe principiul OWC, care avea 50 m lungime si 30 m latime. Puterea instalata era de 110 kW. Instalatia a fost conceputa de catre Centrul Japonez de Cercetare si Tehnologie Marina JAMSTEC si a fost inaugurata în 1998.
• Portugalia
În anul 1992 s-au construit si s-au amplasat pe insula Pico din Azore doua instalatii tip OWC de 500 kW. Una dintre instalatii este echipata cu turbina Wells, iar a doua instalatie este echipata cu turbina de tip nou, cu pas variabil comandat. Instalatiile s-au construit prin sponsorizarea Comisiei Europene, ca parte a unui program Joule.
În 2005 firma Ocean Power Delivery (OPD) a anuntat ca împreuna cu un consortiu portughez construieste o instalatie tip Pelamis cu o putere de 2,25 MW în apropierea coastei portugheze.
• Regatul Unit
La început, Guvernul Regatului Unit a sponsorizat programele de C-D în domeniul energiei valurilor, acoperind o larga gama de instalatii.
În 1995 Universitatea Queens – Belfast si mai multe firme si companii comerciale au realizat o instalatie din otel tip OWC, numita OSPREY, având o putere de 1 MW.
În anul 2000 s-a realizat si amplasat pe tarmul insulei Islay – Scotia o instalatie tip OWC, numita Limpet. Aceasta instalatie are o putere totala de 500 kW, este echipata cu turbine contrarotitoare si doua generatoare de câte 250 kW. Instalatia a fost proiectata de Universitatea Queens din Belfast si executata de firma WAVEGEN. Instalatia a livrat energie electrica retelei de troleibuze si apoi a livrat energie în reteaua nationala.
CERCETARI EFECTUATE ÎN TARA NOASTRA ÎN DOMENIUL ENERGIEI VALURILOR
Tara noastra a efectuat cercetari în domeniul energiei valurilor în perioada 1980-1985 în cadrul institutelor de cercetare ICH, ISPH, ICPE si în cadrul laboratoarelor de hidraulica din Institutul Politehnic – Bucuresti si din Institutul de Constructii – Bucuresti. În perioada mentionata s-au efectuat cercetari ample pe modele în canale de valuri, s-au evaluat posibilitatile de captare si conversie a energiei valurilor Marii Negre.
Având în vedere o propunere de realizare a unei turbine capabile sa preia energia ambelor sensuri de deplasare a valurilor, care avea la baza Brevetul ICPE 79184 /1981 – Masina motrica pentru utilizarea energiei valurilor, institutul de cercetari ICPE, sustinut de institutul de cercetari ISPH, a realizat si experimentat pe Marea Neagra, în anul 1984, cu rezultate favorabile, doua modele de instalatii bazate pe principiul hidropneumatic. Acestea au fost:
I. Geamandura oscilanta cu turbina unisens G-2
Geamandura G-2 , figura 3, a fost proiectata de ICPE, executata la Santierul Naval Mangalia si experimentata în apropierea digului de la Mangalia.
Principiul constructiv
Instalatia era alcatuita dintr-un cilindru fara fund, cu diametrul de 1,5 m si înaltimea de 2,5 m. În jurul cilindrului era sudat un flotor cu capacitatea de 2 m3, având diametrul exterior de 2,2 m. În centrul cilindrului era fixata o teava cu diametrul de 194 mm si lungimea de 5 m, care avea la capatul inferior o masa formata din inele cu o greutate totala de 200 kg, care forma lestul geamandurii.
Capacul geamandurii avea în centrul sau o gaura cu diametrul de 200 mm si un tub care se termina cu o flansa de care era fixat un modul generator alcatuit dintr-o turbina unisens si un generator.
Deasupra flotorului era fixat un trepied care avea în vârful sau o lampa de semnalizare.
Ancorarea geamandurii s-a facut cu ajutorul a doua lesturi de beton de câte 1m3. Pentru atenuarea socurilor la furtuna, între lanturile de ancorare si lesturi s-au prevazut amortizoare.
Turbina unisens
Principiul de functionare a turbinei unisens cu pale oscilante se bazeaza pe înclinarea alternanta a palelor fata de planul de rotire a turbinei în functie de sensul de actionare al fluxului de aer, care duce la aparitia fortelor tangentiale unidirectionale si la rotirea turbinei într-un singur sens.
Turbina unisens utilizata în modulul geamandurii G-2 avea un diametru de 216 mm si era formata dintr-un butuc central, care avea implantate radial 20 de axe din otel inox pe care erau montate 20 de pale executate din dural, prevazute în bordul de atac cu câte doua lagare din poliamida.
Oscilatia palelor era limitata la un unghi de + 30? si - 30? fata de planul turbinei cu ajutorul unor limitatoare sudate de axele radiale.
Pentru evitarea deplasarii radiale, palele erau prinse de butucul turbinei cu câte o lamela.
Alternatorul
Era o masina sincrona, având un inductor cu magneti permanenti din ferita si un indus disc cu bobinaj trifazat. Puterea nominala era de 5 W, la o tensiune de 12 V si o viteza de rotatie de 2500 rot/min.
Lampa de semnalizare
Era alcatuita dintr-o lupa de semnalizare, speciala pentru geamanduri, în care se aflau doua becuri Sofit de 5 W , 12 V si o punte redresoare trifazata.
Modul de functionare a geamandurii G2
Datorita cilindrului instalatiei, suprafata lichidului care se gasea în cilindru se mentinea practic la un nivel constant, închizând în interiorul sau un volum de aer de cca 1 m3.
Instalatia începea sa functioneze atunci când un val începea sa ridice instalatia. În acel moment spatiul din interiorul instalatiei se marea, iar aerul din exterior era absorbit în interiorul instalatiei, actionând turbina unisens. Când valul trecea, instalatia se deplasa în jos, iar un volum de aer din interiorul instalatiei era evacuat, actionând în continuare turbina, care îsi pastra sensul de rotire initial.
Experimentarea geamandurii G-2
Instalatia a fost amplasata în apropierea digului de la Mangalia, figura 4, si ancorata astfel încât sa poata oscila liber pe valuri. Împreuna cu geamandura G-2 s-a amplasat si o instalatie de masurare a înaltimii valurilor. În timpul experimentarilor s-a constatat deplasarea rectilinie oscilanta a geamandurii, s-a observat lumina lampii de semnalizare în timpul noptii de la o distanta mai mare de 1 km si s-au obtinut parametrii prevazuti.
II. Microcentrala hidropneumatica cu coloana oscilanta MV-1
Principiul de functionare
Microcentrala, figura 5, se bazeaza pe formarea unei coloane oscilante într-o incinta si vehicularea aerului din incinta printr-o turbina unisens. În faza 1, de ridicare a coloanei oscilante, o parte din energia introdusa de val în incinta se transforma în energie cinetica, care actioneaza turbina, o alta parte se transforma în energie de presiune, datorita presiunii care se exercita asupra coloanei oscilante, si o alta parte se transforma în energie potentiala, prin înaltimea la care ajunge coloana oscilanta. În faza 2, de coborâre a coloanei oscilante, energia potentiala acumulata în prima faza se transforma în energie cinetica, care actioneaza în continuare turbina instalatiei. Astfel microcentrala functioneaza în ambele alternante ale valului, fiind echipata în acest scop cu o turbina unisens.
Constructia microcentralei
Instalatia, figura 5, era alcatuita din doua subansamble principale: incinta si modulul generator.
• Incinta
Era alcatuita din doi pereti echidistanti, dispusi la o distanta de 1,3 m, care încep la 2,5 m deasupra nivelului apei, continua cu o zona curba care se racordeaza cu pereti înclinati sub un unghi de 42? care se termina sub nivelul apei. Cei doi pereti echidistanti sunt delimitati de doi pereti verticali dispusi la o distanta de 3,5 m, care determina latimea instalatiei. Cei patru pereti formeaza o incinta de sectiune dreptunghiulara cu intrarea la cca 0,75 m sub nivelul marii. Incinta era sustinuta de sase picioare pentru asezarea instalatiei pe fundul marii. La partea superioara, incinta avea un capac pe care era montat un modul generator si doua decupari de câte 1 m2, închise de doua capace pentru asigurarea protectiei instalatiei.
• Modulul generator
Era un ansamblu alcatuit dintr-o turbina unisens si un generator de 500 W. Acest modul era racordat printr-o flansa la tubul prevazut pe capacul incintei.
(Continuare în pag. 6)
(Urmare din pag. 5)
Experimentarea microcentralei MV-1
Instalatia a fost amplasata în apropierea digului de la Mangalia, figura 6, si a fost fixata pe fundul marii cu ajutorul unor lesturi. Pe balustrada instalatiei s-a montat un sir de 10 becuri.
Dupa instalare s-a constatat aprinderea becurilor, care luminau continuu, la valuri de numai 15 cm, fara niciun fel de intermitente, si s-a obtinut o putere de cca 75 W la o viteza de rotatie a turbinei de cca 1300 rot/min. Timpul limitat nu a permis efectuarea unor masuratori si la alte înaltimi ale valurilor.
Concluzii si observatii privind cercetarile efectuate
Cercetarile efectuate în anul 1984 de catre ICPE pentru captarea si conversia energiei valurilor au permis verificarea în natura, cu rezultate favorabile, a principiului de functionare a instalatiilor hidropneumatice cu turbine unisens. Pentru prima data s-au aprins lampi de semnalizare pe o geamandura de semnalizare si s-au obtinut primii 75 W într-o instalatie stationara prin captarea si conversia energiei valurilor în apropierea litoralului românesc. Având în vedere rezultatele obtinute, s-a propus realizarea prototipului unei geamanduri de semnalizare si a prototipului unei microcentrale. Lipsa fondurilor necesare nu a permis realizarea acestor deziderate. Ca amintire a cercetarilor efectuate în anul 1984, pentru captarea energiei valurilor Marii Negre, se pastreaza la Muzeul Tehnic Prof. ing. Dimitrie Leonida din Bucuresti un poster si modulul generator al Geamandurii G – 2.
III. Microcentrala hidropneumatica – propunere de realizare
Dimensionarea microcentralei
Din datele statistice ale Institutului Meteorologic rezulta ca la izobata de 9 m, în dreptul portului Constanta, înaltimea medie anuala a valurilor este de 0,46 m. Pentru dimensionarea microcentralei s-a avut în vedere un coeficient de calcul al înaltimii medii a valurilor Cv= Aceasta conduce la o înaltime de calcul a valurilor hvc = 0,65 m. Conform metodologiei de calcul elaborate, parametrii microcentralei s-au determinat pe baza bilantului energetic care are în vedere energia valurilor, pierderea de energie datorita presiunii exercitate asupra coloanei oscilante, randamentele estimate ale turbinei si generatorului. Energia valurilor la intrarea în incinta instalatiei s-a determinat din relatia Gerstner: E = 975 . hvc2 . T2 L [W. s], unde: hvc – înaltimea medie anuala de calcul a valurilor, m; T – perioada valurilor de calcul, s; L – lungimea instalatiei, m. Din energia calculata a rezultat puterea instalata a microcentralei: Pn = 2,5 kW, pentru un front de val de 5 m.
Constructia microcentralei
O schita de proiect a microcentralei hidropneumatice este reprezentata în figurile 7 si 8.
Microcentrala reprezinta un compartiment de 5 m lungime, realizat din tabla de otel, care are o deschidere îndreptata spre larg. Peretele din fata al incintei formeaza un unghi de cca 45° fata de orizontala, pentru favorizarea patrunderii valurilor în incinta. Peretele interior din spatele incintei este înclinat la un unghi de cca 40°, pentru favorizarea formarii unei coloanei oscilante.
În plafonul incintei este prevazuta o deschidere circulara în care se monteaza modulul generator al instalatiei, alcatuit dintr-o turbina unisens cuplata cu un generator electric. Modulul generator este protejat de un tub, care ajunge la nivelul de 5 m, prevazut în partea superioara cu un racord pentru vehicularea aerului. Microcentrala are o turbina unisens cu pale oscilante.
Turbina microcentralei are o constructie speciala, care formeaza obiectul unei propuneri recente de brevet. Aceasta turbina se recomanda si pentru centralele OWC de mare putere, pentru a evita complicatiile turbinelor actuale cu pas variabil comandat.
Pentru obtinerea unui randament superior, microcentrala este prevazuta cu un generator trifazat cu excitatie realizata din magneti permanenti, iar viteza nominala de rotatie a generatorului si a turbinei este de 3000 rot/min. Modulul generator este protejat de o carcasa etansa, pentru a nu fi afectat de valuri.
Prototipul propus poate fi utilizat pentru:
• iluminarea digului pe care se amplaseaza prototipul, care poate fi un dig de promenada;
• producerea aerului pentru depoluarea si oxigenarea unor zone din spatele digului;
• alimentarea unor instalatii de semnalizare;
• producerea de hidrogen pentru îmbuteliere;
• încarcare baterii de acumulator;
• studii si cercetari.
CONCLUZII GENERALE
Dintre toate instalatiile fixe sau flotante experimentate sau în curs de experimentare la nivel mondial se disting instalatiile hidropneumatice (OWC – Oscillating Water Column).
Problema deosebita a acestui tip de instalatie continua sa fie turbina unisens. Realizarea si experimentarea turbinei, propusa de autori pentru brevetare în anul 2005, ar permite asimilarea si extinderea mai rapida a centralelor electrice de valuri.
Realizarea Microcentralei MV – 2,5 si amplasarea pe un dig existent ar constitui, pe lânga o aplicatie concreta, si acumularea unei experiente valoroase în vederea realizarii în viitor a unor instalatii de putere, ca parte integranta a digurilor de protectie din chesoane de beton care se vor construi pentru protectia litoralului Marii Negre. Având în vedere posibilitatile tehnice existente în tara noastra, prima etapa a realizarii prototipului propus consta în precizarea sponsorilor pentru finantarea lucrarii.