Systemy podwodne oscylacyjne (oscillating wave surge converter)

Wstęp

Fale morskie poruszające się na dużej głębokości morza, mają kształt kołowy. Przy zbliżaniu się do brzegu, wskutek tarcia o dno, wydłuża się ruch poziomy fali, a skraca ruch pionowy. Przyjmuje się, że ruch kołowy cząsteczek występuje tylko do głębokości równej co najmniej połowie długości fali. Im bliżej brzegu i im mniejsza głębokość morza, tym cząsteczki wody poruszają się po coraz bardziej spłaszczonej elipsie. Wzrasta jednocześnie energia pozioma takiej fali. Z obserwacji wynika, że największa występuje na głębokościach morza rzędu 10-20m (rys.).

Rys. Kształt ruchu cząsteczek wody przy różnych odległościach od brzegu i głębokościach.

Systemy podwodne oscylacyjne wykorzystują energię fal przybrzeżnych, na małej głębokości, do napędu specjalnie skonstruowanych klap. Fale uderzeniowe i powrotne powodują tutaj ruchy wahadłowe klap, które wykorzystywane są do sprężania płynu hydraulicznego. Tłoczony rurociągami na nabrzeże płyn służy następnie do napędu pomp sprzężonych z generatorami. Urządzenia OWSC mają czasem nazwy własne, jak: ostryga, terminator. Poniżej omówię kilka z najbardziej zaawansowanych technicznie.

OYSTER (ostryga)

Jest konstrukcją brytyjskiej firmy Aquamarine, wykonaną  w postaci klapy o długości 18m. Zamocowana jest na głębokości kilkunastu metrów u wybrzeży Orkadów i posiada moc nominalna 315 kW. 

Fot. Oyster brytyjskiej firmy Aquamarine.

Oyster nie jest całkowicie zanurzony pod wodą. Ostatnia część klapy w kolorze żółtym wystaje ponad poziom morza. Rozwiązania oscylacyjne niosą ze sobą szereg wyzwań, jak: korozyjne działanie wody morskiej, wzrost temperatury w wyniku tarcia elementów tłokowych. Ten drugi problem rozwiązuje samo środowisko morskie, nadmiar ciepła odprowadzony jest do wody. Odporność na korozję zapewnia z kolei użycie w konstrukcji klapy stali nierdzewnej. Urządzenie pracuje zamocowane na dnie na głębokości od 12-15m.

Rys. Oyster

Firma Aquamarine nie poprzestała na urządzeniu o mocy 315kW, projektując pełnowymiarową jednostkę o mocy 800kW (tzw. Oyster 800). Testy rozwiązania drugiej generacji odbyły się w 2012 roku na poligonie testowym Billia Croo firmy EMEC i trwały aż do zakończenia programu w 2015 r. W ich trakcie problemem okazało się zanieczyszczenie biologiczne klapy, związane z jej zarastaniem organizmami morskimi. 

Fot. Po lewej Oyster po 9-cio miesięcznej pracy. Widoczne duże zanieczyszczenie biologiczne

Problem zarastania organizmami morskimi jest trudny do oszacowania w dłuższej perspektywie. Prawdopodobnie będzie wymagał okresowej konserwacji tego typu urządzeń, podnosząc ich koszty eksploatacyjne. Poniżej film obrazujący zasadę działania Oyster 800.

 Waveroller

Rys. Waveroller

Jest urządzeniem zaprojektowanym w Finlandii, przez firmę AW Energy. Wykonany jest w postaci klapy pracującej na wale. Energia skrętna wału zamieniana jest na energię hydrauliczną ciśnienia, a ta wykorzystywana w silniku do produkcji energii elektrycznej. Waverooler może pracować całkowicie lub częściowo zanurzony na głębokościach morza od 9-20m i w odległości od brzegu 0,3-2km. Moc pojedynczego generatora wynosi od 350kW do 1000kW, a sprawność waha się od 25-50%. Urządzenie może pracować samodzielnie, jako pojedyncza jednostka, lub na farmie wyposażonej w wiele urządzeń.

W odróżnieniu do Oyster, generator energii znajduje się tutaj w zamkniętej jednostce podwodnej. Na brzeg energia dostarczana jest kablem podmorskim.

MR5 firmy NREL

Problemy z wydawaniem zezwoleń na instalowanie przybrzeżnych systemów oscylacyjnych, jak też większa energia fal pełnomorskich zachęciła naukowców z National Renewable Energy Laboratory [NREL] i Pacific Northwest National Laboratory [PNNL] do przebadania modelu oscylacyjnego w warunkach dużych głębokości (50-100m). Tak powstał projekt urządzenia oscylacyjnego MR5 wykorzystującego system balastowy i zacumowany do dna morskiego (rys. po prawej)

Konstrukcja RM5 ma moc znamionową 360 kW, wykorzystuje klapę o szerokości 25 m i wysokości 19 m (16 m zanurzenia). Klapa połączona jest z wałem o średnicy 3 m, który obraca się w stosunku do ramy nośnej. Rama nośna ma średnicę zewnętrzną około 2 m, a całkowita długość konstrukcji urządzenia wynosi 45 m. Całość stabilizowana jest za pomocą czterech balastów połączonych z ramą systemem napiętych lin stalowych. Zapewnia to sztywność konstrukcji i odporność na maksymalne fale występujące w danej lokalizacji.

Projekt firmy NREL zakładał wykonanie farmy z 10 urządzeniami o łącznej mocy 36MW. Urządzenia miały być rozmieszczone co 600m (rys.).

Rys. Projekt farmy z urządzeniami NR5.

W założeniach projektu kabel przesyłowy od farmy miał być trójfazowy, o napięciu 30kV. Poszczególne jednostki miały być połączone szeregowo, a ostatnia z nich podpięta do skrzynki przyłączeniowej, skąd miał być poprowadzony przewód magistralny na brzeg. Ten ostatni planowano poprowadzić metodą wiercenia kierunkowego pod dnem morskim, co zminimalizowałoby koszty konserwacji. Brak jest informacji o dalszych losach projektu.

Rys. Okablowanie farmy z urządzeniami MR5.

Langlee WEC

Rys. Model E1 testowany przez Langlee Wave Power (źr. offshorewind.biz)

Norweska firma Langlee Wave Power zaprojektowała konwerter energii z fal o roboczej nazwie E1. Konwerter miał moc 50kW i wymiary 15x15m. Dawał się łatwo skalować i łączyć w większe jednostki. Firma przewiduje, że w miejscach, gdzie energia fal wyniesie około 25kW/m farma konwerterów w ilości 20 i mocy 1MW, będzie w stanie wyprodukować w ciągu roku 4GWh energii. Technologia została już przetestowana przez Uniwersytet w Aalborgu, weryfikując jej stabilność i produkcję energii.

Sam projekt urządzenia oscylacyjnego Langlee powstał już w roku 2005. Pierwotnie klapy były pełne, a system opierał się na ramie i czterech pionowych pływakach. Obecnie klapy mają konstrukcję rurową. W odróżnieniu do wyżej opisywanych rozwiązań systemów oscylacyjnych, urządzenie E1 ma dwie klapy umieszczone naprzeciw siebie, zamocowane na wspólnej ramie. Klapy pracują jako częściowo zanurzone i poruszają się w przeciwnych kierunkach, wydobywając z fali maksymalną ilość energii (rys. poniżej)

Rys. Schemat pracy oscylatora falowego E1.

Testy modelu w zmniejszonej skali 1,25×1,25m odbyły się w basenie głębokiej fali na Wydziale Inżynierii Lądowej Uniwersytetu Aalborg w Danii. Testy potwierdziły skuteczność produkcji energii. Urządzenie ma najwyższą sprawność przy falach prostopadłych do klap. Przy falach ukośnych produkcja energii spada od 20-40%. Testy na pełnoskalowym urządzeniu miały się odbyć w maju 2013 roku na Morzu Północnym, w warunkach falowania o energii rzędu 25kW/m. Brak jednak danych na ich temat.

Kolejnym krokiem firmy było zbudowanie urządzenia o mocy 132kW o nazwie Langlee Robusto. Konwerter ten ma wymiary 30x50m, jest jednostka półzatopioną, utrzymywaną przez cztery liny cumownicze.

Rys (po lewej). Langlee Robusto.

System może pracować na głębokościach od 40-100m. Połączony jest z siecią energetyczną kablem podmorskim. Silnik Robusto™ o mocy 132 kW został zaprojektowany zgodnie ze sprawdzoną technologią morską i normami DNV (Det Norske Veritas). Materiał, to standardowa stal morska z powłoką antykorozyjną/przeciwporostową firmy Jotun.

Rys. Szczegół konwertera energii mechanicznej na elektryczną w Robusto

Według danych firmy, pierwsza farma składająca się z urządzeń Robusto ma powstać w pobliżu Wysp Kanaryjskich. Z artykułu opublikowanego przez renewableenergymagazin.com (4 stycznia 2023), przewodniczący Rady Wysp Teneryfy, Carlo Alonso, podpisał umowę z Juliusem Espedalem, dyrektorem generalnym norweskiej firmy zajmującej się energią morską Langlee Wave Power, w celu promowania energii fal na wyspie. W pierwszej fazie konwerter będzie miał moc wyjściową 132 kW i zostanie zmontowany na lądzie przed odholowaniem na miejsce cumowania. Langlee Wave Power podpisała również podobną umowę z Radą Wyspy Lanzarote, aby zainstalować pilotażową elektrownię o mocy 500 kW w La Santa na północy wyspy. Będzie ona połączona z hotelem sportowym Club La Santa, gdzie będzie zaspokajała 50% zapotrzebowania budynku na energię.