Osnove elektrotehnike

ENERGI JA VALOVA Osnove elektrotehnike Macenić Marija R 2786 2006./2007.

Valovi Preko 70% Zemljine površine prekriveno je vodom. Gibanje oceana i mora uzrokuju razne sile, povezane s okretanjem Zemlje, vjetrovima, Sunčevom i Mjesečevom gravitacijom, podzemnim potresima pa i nejednolikim zagrijavanjem Zemlje Sunčevim zrakama.

Valovi predstavljaju uglavnom vertikalno gibanje površinske vode. Oni ne prenose vodu s jednog mjesta na drugo, iako se pojedine čestice mogu gibati amo-tamo. Većina valova nastaje zbog trenja između vjetra i mora kad vjetar puše nad površinom oceana. To trenje izaziva gibanje površinske vode. Što je veća brzina vjetra, veće će biti i vertikalno gibanje valova.

Energija oceana Oceani upijaju ogromnu količinu energije pa se traže načini kako tu energiju pretvoriti u neki koristan oblik, npr. električnu energiju.

Tehnologije dobivanja električne energije dijele se na : • Tehnologije koje koriste mehaničku energiju • Energije plime i oseke • Energija valova • Tehnologije koje koriste toplinsku energiju • Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) • Ostale tehnologije • Proizvodnja metana pomoću morskih bakterija

Energija valova • Valovi su jedna od najsnažnijih i najdestruktivnijih oceanskih sila čija energija spada u obnovljive oblike • Analitičari vjeruju da valovi oceana posjeduju dovoljno energije za proizvodnju do 2 TW električne energije • Trenutno je tu energiju teško iskoristiti na jeftin i učinkovit način

Energetski najbogatiji valovi su koncetrirani na zapadnim obalama, na području od 40° do 60° zemljopisne širine na sjevernoj i južnoj hemisferi • Energija valova na tom području varira između 30-70 kW/m • Visina valova je najviša za vrijeme zime, što se poklapa sa vremenom najveće potrošnje električne energije

Sl.1.a) • Za efikasno transformiranje kinetičke energije valova u električnu energiju potrebna visina vala mora biti veća od 1 metra • Amplituda, frekvencija i oblik valova su, uz visinu, jednako važni parametri koje trebamo tražiti unutar energetski prihvatljive zone valova Slika 1. a) Prosječna energija valova po metru dužnom vala b) Princip iskorištavanja energije valova. Iz slike je vidljivo da amplituda valova mora biti velika za učinkovitu pretvorbu 1.b)

Postoje dva osnovna pravca razvoja elektrana na valove: • Na otvorenom moru- slobodni sustavi • Na morskoj obali- obalni sustavi

Slobodni sustavi • Morska zmija • Konstrukcija radi na principu spojenih plutača koje vertikalno gibanje valova u horizontalno pomicanje klipova pumpi na kardanskom principu • Sustav je u potpunosti odvojen od mora • Radi tako da pumpa komprimira zrak u spremnik koji zatim pokreće zračnu turbinu i generator • Na taj je način postignuta jednolika rotacija generatora • Uređaj je u fazi izrade prototipa i ispitivanja u radnim uvjetima u Škotskom akvatoriju • Maksimalna snaga uređaja je 750 kW • Slika 2. Morska zmija

Arhimedova valna ljuljačka (Archimedes Wave Swing AWS) • Sastoji se od cilindrične, zrakom napunjene komore koja se može pomicati vertikalno u odnosu na usidreni cilindar manjeg promjera • Zrak u 10- 20 m širokom gornjem plutajućem cilindru omogućuje plutanje • Kada val prijeđe preko plutače njezina dubina se mijenja u skladu sa promjenom tlaka uzrokujući njezino pomicanje gore-dolje • Relativno gibanje između usidrenog i plutajućeg dijela se koristi za proizvodnju energije • 2 MW pilot projekt trebao je biti pušten u ljeto 2004. u Portugalskom akvatoriju

Slika 3. a)Shematski prikaz AWS-ab)Prototip koji se isprobava u Portugalu a) b)

Plutače • Nailaskom vala plutače se deformiraju te stvaraju električnu energiju do 50-ak kW snage • Prednost im je mogućnost polaganja velikog broja na određenoj površini čime se nadoknađuje mala pojedinačna snaga • Takvi uređaji pogodni su za aktivne oceanske senzore kao svjetionike, mamce riba, sonare, komunikacijske repetitore itd. • Slika 4. Plutače kompanije Ocean Power Tecnologies snage 20 kW. Bove proizvode još dodoatnu struju preko piezoelektričnih traka koje proizvode struju prilikom njihovog deformiranja vanjskom silom.

Crijevna pumpa • Sastoji se od elastičnog crijeva koji smanjuje unutarnji volumen dok se rasteže • Crijevo je povezano za plovak koji oscilira sa površinskim valovima • Rezultirajuče tlačenje vode u crijevu tjera vodu van kroz protupovratni ventil na turbinu • Niz takvih pumpi može biti povezan na centralnu turbinu za veće sisteme • Slika 5. Crijevna pumpa

Ćuškaš (Flapper) • Polaže se na otvorenom moru pomoću pontona ili bova • Uređaj se sastoji od niza plutajućih pontona koji su oblikovani poput bregaste osovine • Svaki ponton je u principu zub koji rotira odvojeno prilikom prelaska vala preko njega • Taj efekt pogoni kapilrane pumpe koje tjeraju vodu kroz zajedničko crijevo na turbinu • Zbog okomitog položaja na valove pogodan je za nemirno more i oluje • Slika 6. Ćuškaš

Obalnisustavi • Ljuljajući uređaj • Uređaj funkcionira tako što se kinetička energija valova pretvara u rad gibanja zaustavne ploče i hidrauličke pume koja pogoni generator • Postoji eksperimentalni model u Japanu • Slika 7. Ljuljajući uređaj

Oscilirajući vodeni stupac OWC (Oscilating Water Column) • Najčešće je korištena tehnologija obalnih sustava • Najveći uspjeh je elektrana projekta LIMPET nazivne snage 500 kW, uspješno uključena u elektrosustav Škotske • Nailaskom vala voda ulazi u otvor iznad morske površine što komprimira zrak u spremniku, a taj proces pokreće turbinu • Tehnička ograničenja konstrukcije su : • Odabir pogodne lokacije-što dublje more i što veći valovi • Slabi η turbine zbog prirode vala, a samim time i protoka • Niski stupanj iskoristivosti Wellsove turbine 50-60% (dvosmjerna turbina,simetričnog profila lopatica koja koristi usis i isis zraka, prednost nad ventilima jer oni imaju potrebno određeni period za djelovanje, a i trajnost sustava opada)

Sl.8 • Slika 8. Wellsova turbina • Slika 9. Islay elektrana u Škotskoj Sl.9

Sl.10.a) • Mighty- Whale OWC • Razlikuje se od ostalih OWC-a po tome što valovi horizontalno ulaze u usisnu komoru • Uređaj je ispitan u Japanu • Protoip je dugačak 50 m, širok 30 m i nosi 3 zračne turbine • Slika 10. a)idejni nacrt b)prototip 10.b)

Sl.11.a) • Tapchan (Land Based TAPered CHANal) • dugo vremena najrazvijeniji sistem konverzije energije valova • Uvjeti za izvedbu su kontinuirani valovi minimalne visine 1 m i adekvatni krajolik • Kinetička energija valova se pretvara u potencijalnu pomoću sapnice i ulijeva u podignuti spremnik od kuda se preko turbine vraća u more • Norveška je izgradila takvo postrojenje, no nažalost prilikom pregrađivanja i poboljšavanja došlo je do nepopravljivog oštećenja usisnog kanala tako da je postrojenje izvan upotrebe • Slika 11. a)idejni nacrt Tapchan sistema b)Tapchan u Norveškoj 11.b)

Prednosti gradnje slobodnih sustava • Bolja iskoristivost valnog potencijala-veća raspoloživa površina za polja elektrana time i veća ukupna snaga za određenu geografsku lokaciju • Mogućnost napajanja offshore objekata • Mogućnost napajanja raznih tipova senzora kao autonomnim energetskim sustavom • Prednosti gradnje obalnih sustava • Lakša izgradnja jer se koriste klasični građevinski strojevi • Lakše održavanje postrojenja jer nisu potrebni ronioci i brodovi • Lakša i brža kontrola i zamjena pokvarenih dijelova • Mogu služiti kao lukobrani

Zaključak • Oceaniimaju nevjerojatan energetski potencijal koji se danas premalo koristi • Potreban je razvoj novih i poboljšanje postojećih tehnologija za korištenje energije valova • Smanjenjem cijene izgradnje postrojenja i povećanjem korisnosti, energija valova bi trebala postati jedna od vodećih među obnovljivim izvorima energije

Literatura: • Drvo znanja- broj 9 i broj 15 • www.trekearth.com/gallery/photo114966.htm • www.bergoiata.org/fe/divers40/10.htm • www.wg32.net/~willy/Scenic/Smaller • http://www.geografija.hr/novosti.asp?id_novosti=288&id_projekta=0 • www.desktoprating.com/.../sea-waves-wallpaper.htm • http://poerlab.fsb.hr/osnoveenergetike/udzbenik/7_poglavlje/index.htm • mojaenergija.hr/index.php/me/aktualno/zanimljivosti • www.our-energy.com/obnovljivi-izvori-energije_hr.html - 32k -

Osnove elektrotehnike