fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje · univerza v mariboru - fakulteta za strojništvo...
TRANSCRIPT
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Lea BARTON
FIZIKALNO MODELIRANJE ELEKTRARNE NA
VALOVANJE
Diplomsko delo
univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje
Strojništvo
Maribor, september 2010
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- I-
Fakulteta za strojništvo
FIZIKALNO MODELIRANJE ELEKTRARNE NA
VALOVANJE
Diplomsko delo
Študentka: Lea BARTON
Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje Strojništvo
Smer: Konstrukterstvo
Mentor: izr. prof. dr. Bojan DOLŠAK
Somentor: Urška SANCIN, univ. dipl. inž. str.
Maribor, september 2010
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- II-
Vložen original
sklepa o potrjeni
temi diplomskega
dela
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- III-
I Z J A V A
Podpisana Lea BARTON izjavljam, da:
je bilo predloţeno diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom izr. prof.
dr. Bojana DOLŠAKA in somentorstvom Urške SANCIN, univ. dipl. inţ. str. ;
predloţeno diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloţeno za pridobitev
kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;
soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjiţnici tehniških fakultet
Univerze v Mariboru.
Maribor, 7.8.2010 Podpis:
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- IV-
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Bojanu
DOLŠAKU in somentorici Urški SANCIN, univ. dipl.
inţ. str. za pomoč in vodenje pri opravljanju
diplomskega dela. Zahvaljujem se tudi fantu, ki me je
navdušil za študij strojništva.
Posebna zahvala gre staršem, ki so mi skozi študij
nudili finančno in moralno pomoč.
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- V-
FIZIKALNO MODELIRANJE ELEKTRARNE NA VALOVANJE
Ključne besede: Obnovljiva energija, energija morskega valovanja, metode izkoriščanja
morskega valovanja, terminatorji, prelivne naprave, dušilci, točkovni vpijalci, pretvornik
Anaconda,
UDK: 620.92/.98(043.2)
POVZETEK
V diplomskem delu so pojasnjene osnove energije valovanja in opisane glavne vrste elektrarn
na morsko valovanje. Delovanje elektrarn je poenostavljeno razloženo s funkcijsko strukturo.
Najnovejši in najzanimivejši vrsti elektrarne oz. metodi za izkoriščanje morskega valovanja,
imenovani Anaconda, so določeni fizikalni principi delovanja in vplivni parametri sistema,
njihove medsebojne odvisnosti in možnosti za variiranje. Opisanih je tudi nekaj sistemov, ki
delujejo na podlagi enakih fizikalnih principov kot Anaconda in se uporabljajo za druge
namene.
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- VI-
PHYSICAL MODELING OF A WAVE POWER STATION
Key words: Renewable energy, wave energy, methods of harvesting wave energy,
terminators, overtopping devices, attenuators, point absorbers, Wave Anaconda
UDK: 620.92/.98(043.2)
ABSTRACT
In this diploma work basics of wave energy and methods of harvesting wave energy are
described. Their working processes are simplified by function structure. Anaconda, the
newest and the most interesting method of harvesting wave energy, is defined with physical
principles, influential parameters, their interactions and possibilities for variations. Some
systems, that work on the same principles as Anaconda, but are used for different purposes
are also described.
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- VII-
KAZALO
1 UVOD ................................................................................................................................ 1
1.1 OPIS SPLOŠNEGA PODROČJA DIPLOMSKEGA DELA ......................................................... 1
1.2 OPREDELITEV DIPLOMSKEGA DELA ............................................................................... 2
2 PREGLED STANJA OBRAVNAVANE PROBLEMATIKE ...................................... 3
3 ENERGIJA VALOVANJA ............................................................................................. 4
3.1 GIBANJE DELČKA V VALOVANJA ................................................................................... 6
3.2 FORMULA MOČI VALOVANJA......................................................................................... 7
3.3 ENERGIJA VALOVANJA .................................................................................................. 8
3.4 OVIRE PRI IZKORIŠČANJU ENERGIJE VALOVANJA .......................................................... 9
4 OPIS ELEKTRARNE NA VALOVANJE ................................................................... 11
4.1 VRSTE ELEKTRARN NA VALOVANJE ............................................................................ 11
4.1.1 Terminatorji ........................................................................................................ 11
4.1.2 Prelivne naprave ................................................................................................. 12
4.1.3 Dušilci ................................................................................................................. 13
4.1.4 Točkovni vpijalci ................................................................................................ 15
4.1.5 Anaconda ............................................................................................................ 16
4.2 ZGODOVINA ................................................................................................................ 18
5 FUNKCIJSKA STRUKTURA ..................................................................................... 19
6 FIZIKALNI PRINCIP ................................. NAPAKA! ZAZNAMEK NI DEFINIRAN.
6.1 UPORABA ISTEGA FIZIKALNEGA PRINCIPA V DRUGIH SISTEMIH ................................... 28
6.2 MOŢNOSTI UPORABE DRUGIH FIZIKALNIH PRINCIPOV ZA TA NAMEN ........................... 28
7 OPTIMIRANJE SISTEMA ........................................................................................... 29
8 SKLEP ............................................................................................................................. 30
9 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV .......................................................................... 31
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- VIII-
KAZALO SLIK
SLIKA 3.1: OSNOVNI POJMI VALOVANJA ...................................................................................... 5
SLIKA 3.2: GIBANJE DELČKA VALOVANJA ................................................................................... 6
SLIKA 4.1: OWC NAPRAVA, PROIZVAJALCA WAVEGEN ............................................................ 11
SLIKA 4.2: DELOVANJE PRELIVNE NAPRAVE WAVE DRAGON .................................................... 12
SLIKA 4.3: MORSKA VERIGA ...................................................................................................... 13
SLIKA 4.4: HIDRAVLIČNI ČLEN PELAMISA ................................................................................ 14
SLIKA 4.5: TOČKOVNI VPIJALEC AGUABOUY ........................................................................... 15
SLIKA 4.6: NABREKLI VAL ANACONDE ..................................................................................... 16
SLIKA 4.7: SALTERS DUCK ........................................................................................................ 18
SLIKA 5.1: FUNKCIJSKA STRUKTURA ELEKTRARN NA VALOVANJE ............................................. 20
SLIKA 6.1: PRIKAZ UJETE ŠIRINE V ODVISNOSTI PERIODE VALOVANJA ...................................... 24
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- IX-
UPORABLJENI SIMBOLI
P – moč valovanja na meter dolžine čelnega vala (kW/m)
H – višina oz. amplituda valovanja (m)
T – perioda valovanja (s)
g –težnostni pospešek (9,8m/s2)
Q – povprečna gostota energije valovanja na enoto horizontalnega območja valovanja (J/m2)
P – moč valovanja na meter dolžine čelnega vala (kW/m)
cg – skupinska hitrost valovanja (m/s)
p – celoten tlak v cevi (Pa)
pb – tlak zaradi razširitve cevi (Pa)
pw – tlak zunanjega vala (Pa)
– parcialni odvod hitrosti delca tekočine po času
– parcialni odvod celotnega tlaka po x osi
u – hitrost delcev tekočine nabreklega vala vzdolž x osi (m/s)
t – čas (s)
ρ – gostota morske vode (kg/m)3
ω – kotna hitrost (s-1
)
k2 – valovno število valovanja nabreklega valja (m-1
)
x – položaj točke (m)
D – razteznost (ms2/kg)
c2 – fazna hitrost valovanja nabreklega vala (m/s)
c1 – fazna hitrost zunanjega valovanja (m/s)
k1 – valovno število zunanjega valovanja (m-1
)
A – amplituda zunanjega valovanja (m)
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- X-
F – ojačitveni faktor valovanja oz. faktor razširitve
umax – maksimalna hitrost delcev valovanja v smeri x osi (m/s)
pbmax – maksimalen tlak zaradi razširitve cevi (Pa)
- odvod površine po tlaku zaradi razširitve
S – površina cevi (m2)
Pw - moč morskega valovanja na meter dolžine čelnega vala (W/m)
- odvod maksimalne površine cevi po površini cevi
- odvod maksimalnega tlaka zaradi razširitve po hitrosti valovanja nabrekline
r – radij cevi (m)
E – modul elastičnosti (N/m2)
h – debelina stene cevi (m)
Jb – energija, ki jo želimo shraniti v gumijaste stene cevi (J)
Jr – energija, ki jo lahko shranimo v gumijasti cevi (J)
η – raztezek cevi (%)
Pb – proizvodna moč gumijaste cevi (W/m)
W – ujeta širina (m)
UPORABLJENE KRATICE
OWC – Nihajoč vodni stolpec (Ang. Oscillating Water Column)
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 1-
1 UVOD
1.1 OPIS SPLOŠNEGA PODROČJA DIPLOMSKEGA DELA
Energija je za nas bistvenega pomena. Potrebujemo jo v gospodinjstvih, za prevoz, delovanje
tovarn, kmetij in pisarn. S svojimi potrebami hitro praznimo zaloge fosilnih goriv, ki so tudi
glavni vzrok globalnega segrevanja, zato vedno več pozornosti posvečamo alternativnim,
obnovljivim virom energije. K obnovljivim virom energije štejemo vse vire energije, ki jih
zajemamo iz stalnih naravnih procesov.
Vrste obnovljivih virov energije so:
1. Biomasa: les, rastlinska olja, biodizel, bio-plin, biohidrogen
2. Geotermalna energija: globoka in površinska geotermalna energija
3. Sončna energija: solarna energija, solarna kemija, solarna termo energija
4. Vetrna energija (vetrne elektrarne)
5. Vodna energija:
Energija rek in potokov (energija tokov, toplotno izkoriščanje,
zajezitveno izkoriščanje)
Energija morja in oceanov (energija plimovanja, energija valovanja,
toplotno izkoriščanje, energija tokov)
Obnovljivi viri, z izjemo geotermalne energije in energije plimovanja, izvirajo iz sprotnega
sončnega sevanja. Sončno energijo lahko izkoriščamo neposredno ali pa posredno v obliki
vetra, plimovanja, rečnih in morskih tokov ter skozi biološke procese fotosinteze, ki dajejo
biomaso in njene stranske produkte.
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 2-
1.2 OPREDELITEV DIPLOMSKEGA DELA
Glavni predmet diplomskega dela je energija morja, oceanov in sicer energija morskega
valovanja. Opisane so različne metode in naprave za izkoriščanje energije valovanja. S
pomočjo fizikalnega modeliranja so ponazorjene glavne značilnosti njihovega delovanja, ki je
poenostavljeno prikazano s funkcijsko strukturo. Določeni so principi delovanja ter vplivni
parametri najnovejše metode. Ker je pri takih napravah pomembni dejavnik učinkovitost, so
podane tudi moţnosti za variiranje parametrov z namenom optimiranja sistema. Diplomsko
delo nas seznani z moţnostmi uporabe fizikalnega modeliranja za variantno konstruiranje in
razvoj tehniških sistemov.
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 3-
2 PREGLED STANJA OBRAVNAVANE PROBLEMATIKE
Metode za pridobivanje elektrike iz morskega valovanja so zasluţeno pozornost dobile šele
po naftni krizi leta 1970. Zanimanje zanje se je povečalo vsakič, ko se je dvignila cena nafte.
Danes se metode iz dneva v dan izboljšujejo, razvijajo, na internetu lahko sledimo vedno
novim doseţkom na področju izkoriščanja morskih valov. Nove metode prinašajo boljše
izkoristke, manjše vloţke, prav tako pa okolju bolj prijazne naprave. Kot primer lahko
vzamemo najnovejšo tehnologijo, ki jo imenujemo Anaconda, katero bomo podrobneje
opisali v nadaljevanju. Stroški za izgradnjo Anaconde so bistveno manjši v primerjavi s
starimi metodami, saj je zgrajena iz relativno poceni materialov. Njena gumijasta zgradba ji
omogoča tišje in mirnejše obratovanje ter daljšo ţivljenjsko dobo v primerjavi s starejšimi
tehnologijami. Zaradi boljših tehnologij se vedno več drţav odloča za velike projekte v
povezavi z izkoriščanjem energije morja. Vlagajo več milijonov evrov v valovne farme1.
Ustanavljajo se nova podjetja, ki razvijajo nove modele in metode. Najbolj znana med njimi
so Finavera Renewables, Pelamis Wave Power, Checkmate SeaEnergy, ki imajo patentiranih
veliko uspešnih metod za pridobivanje elektrike iz energije morskega valovanja. Podjetje
Checkmate Seaenergy razvija Anacondo, ki je trenutno predmet velikih raziskav, saj bi
izpopolnjena lahko pomenila revolucijo v izkoriščanju energije morskega valovanja.
1 Več pretvornikov energije valovanja na nekem manjšem območju. Najpogostejše so Pelamis valovne farme in
valovne farme z točkovnimi vpijalci
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 4-
3 ENERGIJA VALOVANJA
Energija valov je posredna oblika solarne energije. Valovi namreč nastanejo zaradi vetra,
slednji pa kot posledica sončevega ogrevanja Zemlje.
Valovi imajo prednost pred vetrom, kadar gre za zbiranje uporabne energije. Prva prednost je,
da so valovi bolj nasičeni z energijo. V vetru je na prostorsko enoto nakopičene manj energije
kot v valovanju. Druga prednost valov je zanesljivost, laţje je napovedati, v katero smer se
bodo gibali valovi, kot pa v katero smer bo pihal veter.
Izkoriščanje energije valovanja torej temelji na velikih količinah energije nakopičene v
valovih. Valovi nosijo neznansko količino obnovljive energije, ki bi jo lahko uporabili za
zadostitev vsaj delčka svetovnih potreb po elektriki. Znanstveniki menijo, da bi izkoriščanje
energije morskega valovanja lahko realno zadostovalo za pokritje 10% svetovne potrebe po
energiji. Vendar pa imajo valovi v sebi veliko neizkoriščene energije, saj bi ţe 0,2% energije
morskega valovanja zadostovalo za energijsko oskrbo celotnega planeta, če bi jo znali
pravilno izkoristiti.
V diplomskem delu bomo govorili o metodah, ki so jih inţenirji razvili za izkoriščanje
energije valovanja in njihovem delovanju. Najprej pa si bomo pogledali nekaj splošnih
dejstev o morskem valovanju. Ko govorimo o valovih moramo poznati osnovne pojme, ki jih
lahko vidimo označene tudi na sliki 3.1. Ti so:
greben – zgornji, najvišji del vala,
korito – najniţji del vala,
valovna dolţina – horizontalna razdalja med dvema sosednjima grebenoma ali
koritoma in
frekvenca – pogostost – količina valov, ki gre mimo v določenem času.
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 5-
Slika 3.1: Osnovni pojmi valovanja
V trenutku, ko veter zadane z določeno hitrostjo vodno gladino, trenje povzroči grbančenje
vodne površine. Veter nato potiska te grbine in z efektom sneţne krogle ustvarja vedno večje
valove. V bistvu je to dogajanje prenašanje energije sonca na veter in nato na valove. Dokler
se valovi premikajo počasneje kot veter tik nad njimi, se energija prenaša iz vetra na valove.
Razlika v zračnih tlakih med protivetrom in zavetrnim delom valovnega grebena, ter trenje
med vodno površino in vetrom, ustvarja v vodi striţno napetost, katera povzroči rast valov.
Faktorjev, ki določajo kako visoko bo valovanje postalo so:
hitrost vetra (hitreje veter potuje, večji val bo nastal),
trajanje vetra (val bo postajal večji, čim večja bo dolţina časa delovanja vetra na val),
razdalja vetra2 (daljšo pot bo veter prepotoval z valom, večji bo val) in
globina in relief morskega dna (od tega je odvisno ali se bo energija valov zbirala ali
razpršila).
V splošnem so večji valovi močnejši, vendar pa je moč valov določena tudi s hitrostjo,
dolţino valov in gostoto vode.
2 Razdalja, v kateri veter deluje na valove
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 6-
Hitrost vetra ima določeno izkustveno mejo. Ta nam pove v kakšnem času ali razdalji hitrost
vetra ne bo razvila večjih valov. Ko se ta meja doseţe, lahko rečemo da je morje »popolnoma
pripravljeno«.
Veter je potreben za nastanek vala, ta pa lahko potem brez nadaljnjega delovanja vetra
prepotuje določeno razdaljo. Takšne valove, ki potujejo daleč stran od svojega nastanka
imenujemo narasli valovi (ang. swell waves) in nam omogočajo zbiranje energije po celotni
površini oceana.
3.1 GIBANJE DELČKA V VALOVANJA
Slika 3.2: Gibanje delčka valovanja [12]
Na sliki 3.2 je s črko A prikazano gibanje delčka v globoki vodi. Orbitalno gibanje delca
tekočine se hitro zmanjšuje z večanjem razdalje do površja. Črka B pa prikazuje gibanje v
plitki vodi (oceansko dno je zdaj v točki B). Elipsasto gibanje delca tekočine se splošči z
večanjem oddaljenosti od površja. Puščica označena s številko 1 nam kaţe smer gibanja
valovanja.
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 7-
Valovi v horizontalni smeri na dolge razdalje premikajo le energijo, ne vode. Voda se giblje
samo v krogu, kot je prikazano na sliki 3.2Slika 3.1, in deluje kot medij za prenašanje
kinetične energije oz. energije gibanja. Delovanje vode ima podoben princip kot delovanje
valjev v avtomobilskem pasu. Ti valji rotirajo, ker morajo spuščati pas, sami pa se ne
premikajo naprej.
Nihajoče gibanje je največje na površini ter z globino eksponentno pada. Mirujoči valovi3
imajo blizu odbojne obale energijo prisotno kot pritisk nihanja na veliki globini, ki ustvarja
komaj zaznavne potresne sunke. To valovanje na velikih globinah je premajhno in za nas ni
zanimivo.
Valovi se ustvarjajo na morski gladini. Energija valov se prenaša v horizontalni smeri s
skupinsko hitrostjo. Povprečje prenosnega razmerja energije valov skozi vertikalno ravnino na
enoto širine, vzporedne grebenu vala, se imenuje tok energije valovanja (moč valovanja, ki je
ne smemo zamenjati z dejansko močjo izkoriščeno z napravo za izkoriščanje morskega
valovanja). [6,12]
3.2 FORMULA MOČI VALOVANJA
V globokih vodah, kjer je globina vode večja od polovice valovne dolţine, je moč valovanja
enaka:
(3.1)
P – moč valovanja na meter dolžine čelnega vala (kW/m)
H – višina oz. amplituda valovanja (m)
T – perioda valovanja (s)
ρ – gostota morske vode (kg/m3)
g –težnostni pospešek (9,8m/s2)
3 Valovi, ki nastanejo zaradi srečanja dveh valov iz različne smeri
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 8-
Formula (3.1) določi, da je moč valov sorazmerna periodi valovanja in kvadratno odvisna od
višine oz. amplitude vala. Če podamo višino valov v metrih in periodo valovanja v sekundah,
dobimo kot rezultat moč valovanja v kW na meter dolţine čelnega valja. [12]
Primer: vzemimo zmerno morsko valovanje v globokih vodah, nekaj kilometrov oddaljeno od
obale, z višino valov 3m in periodo valovanja 8s. S formulo lahko izračunamo moč valovanja
(3.2)
Kar pomeni potencialno moč valovanja 36kW na vsak meter obrisa obale.
V velikih nevihtah, so večji valovi na odprtem morju veliki pribliţno 15m in imajo periodo
15s. Z zgornjo formulo dobimo, da takšni valovi nosijo okoli 1.7MW moči na vsak meter
čelnega vala.
Učinkovitost elektrarne na valovanje se meri s količino ujetega energijskega toka valov.
Zaradi ujetega energijskega toka so valovi na površini za napravo niţji kot pred njo. [12]
3.3 ENERGIJA VALOVANJA
Stanje morja je stanje proste morske površine na večjem območju na določeni lokaciji v
določenem času in je določeno s statistiko, ki vključuje višino valovanja, periodo in spekter
moči. Spreminja se s časom in s spreminjanjem vetra.
V stanju morja je določena povprečna gostota energije na enoto območja valov na vodni
površini in je po linearni teoriji valovanja sorazmerna kvadratu višine valovanja:
(3.3)
Q – povprečna gostota energije valovanja na enoto horizontalnega območja valovanja
(J/m2)
Povprečna gostota energije valovanja na enoto horizontalnega območja Q je vsota kinetične
energije in gostote potencialne energije na enoto horizontalnega območja. Gostota
potencialne energije je enaka kinetični energiji, vsaka predstavlja polovico gostote energije
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 9-
valovanja Q. Posledice površinske napetosti so pri valovni dolţini nad nekaj decimetrov
zanemarljive.[12]
Ko se valovi širijo se njihova energija prenaša. Skupinska hitrost običajno določa, kako hitro
se giblje energija vzdolţ smeri gibanja valovanja. Lahko tudi rečemo, da pove, kako hitro se
giblje sprememba amplitude. Energijski tok valovanja skozi vertikalno ravnino enote širine,
ki je pravokoten na smer širjenja valov je enak:
(3.4)
cg – skupinska hitrost valovanja (m/s)
Če gledamo disperzijsko razmerje za vodne valove pod delovanjem gravitacije je skupinska
hitrost odvisna od valovne dolţine λ (periode valovanja T). Disperzijsko razmerje je funkcija
globine vode h, zato se skupinska hitrost obnaša različno glede na globoko/plitvo vodo in
vmesne globine.
O globoki vodi govorimo, kadar je globina vode večja od polovice valovne dolţne, kar je na
odprtem morju kar pogosta situacija. V globokih vodah se valovanje z večjo periodo širi
hitreje in transportira svojo energijo hitreje. V teh vodah je skupinska hitrost polovica fazne
hitrosti. V plitkih vodah, kjer je valovna dolţina 20-krat večja od globine vode4 sta fazna in
skupinska hitrost enaki. [12]
3.4 OVIRE PRI IZKORIŠČANJU ENERGIJE VALOVANJA
Kot smo ţe omenili, lahko današnja tehnologija za pridobivanje energije iz valov poteši nekje
10 % svetovne porabe energije. V nadaljevanju smo opisali kar nekaj metod, ki so jih razvili
znanstveniki, vendar jih večina obratuje z nizkim izkoristkom. Ena od teţav je, da je
pogostost valov prenizka, da bi lahko uspešno gnali turbine.
Drug problem je tudi dosegljivost. Če ţelimo hiter razvoj in mnoţično uporabo bi naprave
morale imeti primerne cene. V primeru, da energija valov ne bo tako poceni kot fosilna goriva
ali nuklearna energija, bo teţko postala konkurenčni nasprotnik v energetski bitki. V Evropi
so med naftno krizo leta 1970 zagovorniki energije valov v tekmi za donacije izgubili proti
4 Takšne razmere največkrat srečamo v bliţini obale
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 10-
zagovornikom nuklearne energije. To je bil razlog, da se je nekaj raziskovalnih projektov
povezanih z energijo valov končalo zaradi finančne stiske.
Vseeno pa je 10% velik del, če gledamo da so za izkoriščanje valov primerna le specifična
področja. Ker potrebujemo pogoste in energijsko polne valove za delovanje pretvornikov
energije valovanja, je najboljše območje za njihovo uporabo med 30 in 60 stopinjami
zemljepisne širine. Za ZDA so najboljše področje obale Oregona. Škotska, ki jo zadevajo
mogočni valovi, je ţarišče za testiranje in razvijanje metod za izrabljanje energije valov.
Portugalska je bila glavna pri razvijanju prve valovne farme z Pelamis napravami.
Čeprav so valovi v nekaterih primerih bolj zanesljivi kot veter, se ne moremo vedno zanašati
na njihovo močno delovanje, to pomeni da rabimo učinkovito metodo za shranjevanje
energije. Po drugi strani so valovi in vreme velikokrat preveč agresivni, da bi se naprave za
izkoriščanje morskega valovanja, lahko zoperstavile. Razvoj naprav za izkoriščanje morskega
valovanja bi torej moral teţiti k boljši učinkovitosti in vzdrţljivosti, kar pa ne bi smelo preveč
dvigniti cene naprave. Projekt, ki se pribliţuje tem ciljem se imenuje Anaconda in ga bomo
podrobneje opisali v nadaljevanju. [8]
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 11-
4 OPIS ELEKTRARNE NA VALOVANJE
Inţenirji iz dneva v dan razvijajo nove metode pridobivanja koristne energije iz energije
morja. Energijo valovanja zajamemo na površju valovanja ali iz tlačenega nihanja pod
površjem. Naprave za izkoriščanje energije valov so lahko nameščene na obali, blizu obale ali
na odprtem morju. Naprave, nameščene blizu obale ali na odprtem morju, so običajno
pritrjene na morsko dno, med seboj se razlikujejo v orientaciji glede na gibanje valov in v
metodi, ki jo uporabljajo za spreminjanje energije valovanja v koristno energijo, najpogosteje
elektriko.
4.1 VRSTE ELEKTRARN NA VALOVANJE
4.1.1 Terminatorji
Terminatorji (ang. terminators) so pretvorniki morske energije, orientirani pravokotno na
smer valovanja. Vsebujejo stacionarni del, ki je pritrjen na obalo ali morsko dno in gibajoči
del. Gibajoči del deluje podobno kot bat pri motorju avtomobila – pomika se gor in dol, kar
poganja turbine.
Slika 4.1: OWC naprava, proizvajalca Wavegen [4]
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 12-
Nihajoč vodni steber - OWC (ang. Oscillating water column) – prikazan na sliki 4.1 je vrsta
terminatorja. Ima dve odprtini – eno odprtino na dnu, na sliki 4.1 je označena s številko 2, ta
spušča vodo v zbiralnik in drugo odprtino, katera je ozek prehod na vrhu naprave, ki spušča
zrak iz naprave in v napravo, na sliki 4.1 je označena s številko 4. Turbine v prehodu se vrtijo
v isto smer neodvisno od smeri pihanja zraka. Prihajajoč val napolni zbiralnik z vodo, ta
ustvari pritisk na zrak ujet v zbiralniku in ga potisne skozi prehod, tam zrak trči v turbine in
jih zavrti. Potem se val umakne, voda zapušča steber, in to potegne zrak nazaj v zbiralnik, kar
spet zavrti turbine. [1,4]
4.1.2 Prelivne naprave
Prelivna naprava (ang. overtopping device) je sestavljena iz poševnega platoja in ovir
postavljenih v obliki črke V, ki sluţijo ujemanju vode iz dvigajočega vala v rezervoar.
Gladina vode v rezervoarju je višja od gladine oceana, kar ustvarja pritisk, voda zato odteka
skozi odprtino na dnu rezervoarja, v kateri so nameščene turbine. Glavni predstavnik je Wave
Dragon, katerega shematski prikaz delovanja vidimo na sliki 4.2.[1]
Slika 4.2: Delovanje prelivne naprave Wave Dragon [11]
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 13-
4.1.3 Dušilci
Dušilci (ang. attenuators) so orientirani vzporedno na smer gibanja valov. Eden najbolj znanih
primerov dušilca je Morska veriga (Ang. Pelamis) (Slika 4.3). Obstoječi prototip ima dolţino
120 metrov in je sestavljen iz treh hidravličnih členov (Slika 4.4) in štirih daljših cevi s
premerom 3,5 metra, pritrjenih na morsko dno. Valovi prepogibajo napravo v zglobih,
premikanje zglobov pa uporabljajo bati za poganjanje hidravlične črpalke, ki je priključena na
generator za proizvodnjo električne energije. Tako na podoben način kot vetrnica z vetrom,
neposredno s pomočjo morskih valov proizvaja električno energijo. [1]
Slika 4.3: Morska veriga [5]
Posamezen Pelamis proizvaja okoli 750 kW. Naprava po kablih nato pošlje elektriko do
obale.
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 14-
Slika 4.4: Hidravlični člen Pelamisa [9]
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 15-
4.1.4 Točkovni vpijalci
Točkovni vpijalci (Ang. point absorbers) niso orientirani glede na smer gibanja valovanja,
ampak lahko vsrkajo energijo iz valov, ki prihajajo iz poljubne smeri, saj uporablja energijo
vertikalnega gibanja oz. potencialno energijo valovanja. Za njih je značilna veliko večja
višina od širine in dolţine naprave. Ena zanimivejših izvedb je s trajnim magnetnim linearnim
generatorjem, nameščenem v plovcu. Sestavljen je iz električne tuljave, ki obdaja magnetno
gred. Električna tuljava je pritrjena na plovec, magnetna gred pa na morsko dno. Zaradi valov
se plovec dviguje in spušča, z njim se glede na pritrjeno gred giblje tuljava, kar inducira
napetost in proizvaja električno energijo. Več pretvornikov energije valovanja postavljenih
skupaj ustvari farmo na valovanje. Vsi točkovni vpijalci uporabljajo potencialno energijo
valovanja, le načini pretvarjanja se med seboj razlikujejo. Eden izmed predstavnikov je
AGUABUOY (Vodni plovec) , ki ga izdeluje Finavera Renewables (Slika 4.5). [8]
Slika 4.5: Točkovni vpijalec Aguabouy [8]
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 16-
4.1.5 Anaconda
Ta naprava deluje po novem principu izkoriščanja vodne energije, ki temelji na potovanju
nabreklega vala (ang. Bulge wave) (Slika 4.6) vzdolţ raztegljive gumijaste cevi. Cev ima
premer 7m in je dolga od 150 do 200 metrov. Orientirana je v smeri gibanja valovanja, ter s
sprednjim delom pritrjena na morsko dno. Morski valovi z dvigom sprednjega dela naprave
naredijo nabreklino v cevi, ki potuje tik pred grebenom morskega vala. To potovanje lahko
primerjamo z deskarjem, ki si z potovanjem po valovih veča kinetično energijo. Potujoča
nabreklina pobira energijo iz morskega valovanja, ki se na koncu cevi porabi za pogon turbin.
Ker je ta princip še v razvijanju, znanstveniki izračunavajo, da bi cev takih dimenzij lahko
pridobivala 1MW povprečne moči iz morskega valovanja.
Slika 4.6: Nabrekli val Anaconde [10]
V morju plavajoča gumijasta cev z dovodnimi ventili, po katerih se v Anacondo dovaja voda
za izravnavanje pritiska, v zadku naprave pa se nahajata turbina in generator. Cev je mehka in
elastična, tako da se lahko upogiba z valovi. Zaradi oblike naprave in vzdrţljivosti
uporabljenih materialov bo primerna za uporabo tudi v divjih morjih, kar bo razširilo obseg
področij primernih za izkoriščanje energije valovanja.
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 17-
Prednosti Anaconde pred ţe obstoječimi napravami so:
preprostost sistema,
relativno poceni materiali,
ni je potrebno veliko vzdrţevati in ima dolgo ţivljenjsko dobo ter
velika ujeta širina, ki je sorazmerno povezana z izkoristkom naprave.
Zaradi manjših začetnih vloţkov in nasploh manjših stroškov, bo ta energija cenejša od
predhodne.
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 18-
4.2 ZGODOVINA
Ideja o pridobivanju energije iz morskih valov obstaja ţe nekaj stoletij. Leta 1799 je bil v
Parizu uradno zapisan prvi patent za pridobivanje energije iz oceanskega valovanja. Bochaux-
Praceique je leta 1910 kot eden izmed prvih namestil napravo za pridobivanje elektrike iz
morskega valovanja in jo uporabil za napajanje gospodinjstva. Kasneje se je ugotovilo, da je
bila to prva vrsta naprave OWC. Od leta 1855 do 1973 se je samo v Zdruţenem kraljestvu
registriralo 340 patentov naprav za izkoriščanje energije valovanja.
Začetnik modernih znanstvenih pristopov k energiji valovanja je Yoshio Masuda z
eksperimentom, ki ga je izvedel leta 1940. Testiral je različne metode izkoriščanja energije
valovanja, v morje je namestil več sto enot in z njimi napajal obmorsko razsvetljavo. Med tem
pa je ţe razvijal idejo o izkoriščanju gibanja valov s pomočjo plavajočih členov, kolenasto
oblikovane naprave, ki jo je predstavil leta 1950.
Ponovni interes za izkoriščanje energije valovanja je povzročila naftna kriza leta 1970. Iz tega
obdobja je najbolj znan Stephen Salter iz University of Edinburgh, ki je izumil koncept
Salters Duck (Slika 4.7: Salters Duck).
Slika 4.7: Salters Duck [7]
Okoli leta 1980 je cena nafte padla, s tem pa tudi investiranje in zanimanje za raziskave
povezane z energijo morskega valovanja. Ampak razvoj se je umiril le za nekaj časa, saj
zadnje čase spet posvečamo veliko pozornosti obnovljivi energiji, tudi energiji valovanja,
predvsem zaradi problemov z onesnaţenjem.[12]
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 19-
5 FUNKCIJSKA STRUKTURA
Kot glavno funkcijo elektrarn na valovanje smo vzeli pridobivanje uporabne energije
(najpogosteje elektrike) iz energije valovanja (glej sliko 5.1), ki smo ji določili prihodke in
odhodke ter jo razdelili na delne funkcije. Pri delnih funkcijah se metode med seboj
razlikujejo. Točkovni vpijalci najpogosteje delujejo na principu linearnega obstojnega
magnetnega generatorja, ki uporablja navpično gibanje valovanja za ustvarjanje induktivne
napetosti. Pri terminatorjih in dušilcih smo namesto delne funkcije Spreminjanje energije
valovanja v električno energijo vnesli tri delne funkcije in različne tehnične rešitve. Dušilcem
bi lahko delno funkcijo Spreminjanje energije valovanja v mehansko delo še dalje razdelili,
saj najprej bati in hidravlična črpalka spremenijo energijo valovanja v tlačno energijo, nato pa
motor tlačno energijo spremeni v mehansko energijo, pri terminatorjih pa to neposredno
naredijo turbine. Turbina, hidravlična črpalka, motor in ostalo zapisano v črtkanih kvadratkih
so tehnične rešitve delnih funkcij. Z različnimi kombinacijami delnih funkcij in s tem tudi
tehničnih rešitev dobimo različne vrste elektrarn na valovanje.
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 20-
Slika 5.1: funkcijska struktura elektrarn na valovanje
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 21-
6 FIZIKALNI PRINCIP
Ker se različne vrste naprav za izkoriščanje energije med seboj razlikujejo v fizikalnih
principih, smo se odločili, da bomo obravnavali fizikalne principe povezane z delovanjem
Anaconde, ki se nam je zdela daleč najbolj zanimiva.
Delovanje Anaconde temelji na pretvarjanju energije valovanja v proţnostno energijo
gumijaste stene cevi Anaconda, katera se spremeni v kinetično energijo potrebno za pogon
turbin. To pretvarjanje energije in njeno naraščanje je posledica nastanka in potovanja
nabreklega vala vzdolţ cevi v notranjosti Anaconde. Ţe ta kratek opis delovanja Anaconde
nam pove, da je pri njenem delovanju pomembnih več fizikalnih principov. Najpomembnejša
fizikalna principa, osnova za enačbe izpeljane v nadaljevanju [3], so Navier-Stokesove enačbe
[2], ki opisujejo tok tekočin in enačba valovanja za opis gibanja morskega valovanja.
Celoten tlak v cevi Anaconde je vsota tlaka, ki nastane zaradi razširitve cevi (ang. bulge
pressure) in tlaka zunanjega vala
p – celoten tlak v cevi (Pa)
pb – tlak zaradi razširitve cevi (Pa)
pw – tlak zunanjega vala (Pa)
Z u bomo označili hitrost delcev tekočine v smeri x. Če upoštevamo, da se u spreminja le s
časom dobimo iz Navier-Stokesove enačbe za tok nestisljive tekočine, da je pospeševanje v
cevi je odvisno od parcialnega odvoda celotnega tlaka po x-u.
– parcialni odvod hitrosti delca tekočine po času
– parcialni odvod celotnega tlaka po x-u
u – hitrost delcev tekočine nabreklega vala vzdolž koordinate x (m/s)
t – čas (s)
(6.1)
(6.2)
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 22-
ρ – gostota morske vode (g/m)3
Brez delovanja zunanjega valovanja, z upoštevanjem rešitve valovne enačbe za potujoče
gibanje, bi se enačba za tlak zaradi razširitve cevi glasila
ω – kotna hitrost (s-1
)
k2 – valovno število valovanja nabreklega valja (m-1
)
x – položaj točke (m)
B - višina vodnega stolpca odgovarjajoča največji vrednosti tlaka zaradi razširitve cevi
(m)
Ta val ima lastno amplitudo in fazno hitrost
D – razteznost (ms2/kg)
c2 – fazna hitrost valovanja nabreklega vala (m/s)
Zdaj pa dodamo zunanji val z valovnim številom k1 , amplitudo A in hitrostjo
c1 – fazna hitrost zunanjega valovanja (m/s)
k1 – valovno število zunanjega valovanja (m-1
)
Pritisk zunanjega valovanja je
Pritisk zaradi razširitve cevi se spremeni v
kjer je
(6.3)
(6.4)
(6.5)
(6.6)
(6.7)
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 23-
A – amplituda zunanjega valovanja (m)
Povprečna vrednost valovnih števil je
Razlika valovnih števil pa
V enačbo (6.7) vstavimo enačbe (6.9) in (6.10) in dobimo
To opisuje potujoče gibanje z povprečnim valovnim številom in amplitudo
F – ojačitveni faktor valovanja oz. faktor razširitve
Ojačitveni faktor F je enak
Pribliţek enačbe (6.13) velja za majhne in lahko vidimo, da za majhne amplituda
razširitve narašča linearno vzdolţ cevi, energija izbokline narašča z x2.
V primeru, da se hitrost nabreklega vala opazno razlikuje od hitrosti zunanjega valovanja, se
amplituda nabrekline veča in manjša vzdolţ cevi.
Če bi slikali sistem Anaconda – voda v trenutku , bi nabrekli val znotraj Anaconde
lahko opisali s sin ( x), morski val pa s cos (k1x). Valovanje se širi proti večjim x-om, tako
lahko vidimo, da nabreklina prehiteva zunanji val za 90°. Maksimalna velikost nabrekline se
pojavi tam, kjer voda zunaj tube narašča najhitreje. Morsko valovanje torej opravi delo med
dvigovanjem vala, katero se med padanjem vala ne izniči popolnoma, čeprav se nabreklina
zmanjša na svoj minimum. Nekaj energije iz morskega valovanja zunaj tube se je preneslo na
nabreklino. Nabreklino bi lahko primerjali tudi z deskarjem, ki na grebenu vala lovi energijo
(6.8)
(6.9)
(6.10)
(6.11)
(6.12)
(6.13)
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 24-
valovanja, da ga nosi v smeri širjenja valov. V grlu vala se njegovo gibanje umiri, saj tukaj
val premore manj kinetične energije.
UJETA ŠIRINA
Ujeta energija je s parametrom, ki mu rečemo ujeta širina (ang. capture width) povezana z
energijo na meter čelnega morskega vala. Predvideno ujeto širino za cev premera 7m in
dolţine 150m lahko razberemo iz slike 6.1. Maksimalna ujeta širina je blizu 50 m, s
preučevanjem spektra valovanja pa znanstveniki pričakujejo povprečno vrednost ujete širine
Anaconde nekje 20m.
Slika 6.1: Prikaz ujete širine v odvisnosti periode valovanja [3]
Ujeta širina ţe obstoječih izpopolnjenih pretvornikov energije valovanja je le del ujete širine
Anaconde. Ravno zato imajo znanstveniki velika pričakovanja nad Anacodo.
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 25-
Maksimalna horizontalna hitrost delcev v nabreklem valu je
umax – maksimalna hitrost delcev valovanja v smeri x (m/s)
pbmax – maksimalen tlak zaradi razširitve cevi (Pa)
moč v nabreklem valu za območje cevi s površino S je
S – površina cevi (m2)
Moč morskega valovanja zbrana v enoti dolţine čelnega vala je
Pw - moč morskega valovanja na meter dolžine čelnega vala (W/m)
Z deljenjem enačb za moči (6.15) in (6.16), dobimo ujeto širino
W – ujeta širina (m)
150m dolga cev s premerom 7m bi v 10s trajajočem valu ujela 32m širine. Zaradi delovanja
faktorja k v enačbah je največja vrednost ujetja pri manjši periodi valovanja (Slika 6.1).
Če se zunanje valovanje širi z isto hitrostjo kot nabreklina (c2 = c1), je hitrost delcev
nabrekline F-kratnik hitrosti delcev ωA v zunanjem valovanju, enako je z amplitudami delcev.
VELIKOST NABREKLINE
Površina cevi S je linearno povezana s pritiskom nabrekline z enačbo:
- odvod površine po tlaku zaradi razširitve
(6.14)
(6.15)
(6.16)
(6.17)
(6.18)
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 26-
Če zdruţimo enačbi (6.18) in (6.4) dobimo
- odvod maksimalne površine cevi po površini cevi
- odvod maksimalnega tlaka zaradi razširitve po hitrosti valovanja nabrekline
Pritisk na koncu nabrekle cevi z radiem r in zunanjim valovanjem z amplitudo A je
r – radij cevi (m)
Pri resonanci med valovanjem v cevi, ki je dolga eno valovno dolţino in zunanjim
valovanjem nam enačba (6.13) pokaţe, da je F = π. Valovanje z amplitudo 2m bi tako dalo
amplitudo tlaka AF ≈ 6m pritiska vode na koncu cevi. Karakteristično valovno število k2 je
1/24m-1
, tako da je deformacija v cevi okoli ±12%, kar je malo, glede na to, da imamo
opravka z gumo v ekstremnih pogojih. Če je cev oblikovana tako, da se izognemo negativnim
tlačnim nihajem, je maksimalna deformacija v stenah 25%.
KONSTRUKCIJA NABREKLE CEVI
Za cev z radiem r, debelino sten h, narejeno iz materiala z modulom elastičnosti E je
razteznost D enaka
E – modul elastičnosti (N/m2)
h – debelina stene cevi (m)
To enačbo zdruţimo z enačbo (6.4) in dobimo pogoj za hitrost nabreklega vala
(6.19)
(6.20)
(6.21)
(6.22)
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 27-
SHRANJENA ENERGIJA
V vseh valovanjih in nihajočih sistemih se nenehno periodično izmenjava energija, predvsem
potencialna in kinetična. V nabreklem valu je potencialna energija shranjena v elastičnih
stenah cevi, torej se del potencialne energije valovanja shrani kot deformacija gumijaste cevi.
S povezavo enačb (6.19) in (6.15) dobimo, količino energije, ki jo moramo shraniti na enoto
dolţine
Jb – energija, ki jo želimo shraniti v gumijaste stene cevi (J)
Če je cev napolnjena tako, da je srednji pritisk enak maksimalnemu pritisku zaradi razširitve
cevi pbmax, tako da notranji pritisk nikoli ne zaniha v negativno vrednost, je energija shranjena
v cevi štirikrat večja.
Primerjajmo energijo v enačbi (6.24) z energijo, ki jo je moţno shraniti v gumo. V gumi z
modulom E in raztezkom η, je shranjena energija na kubični meter Eη2/2. Tako, da je za cev z
radijem r in debelino sten h shranjena energija na meter dolţine enaka
Jr – energija, ki jo lahko shranimo v gumijasti cevi (J)
η – raztezek cevi (%)
Za Eh vzamem vrednost iz enačbe (6.22). Če enačimo to z enačbo (6.23), dobimo proizvodno
moč gumijaste cevi
Pb – proizvodna moč gumijaste cevi (W/m)
(6.23)
(6.24)
(6.25)
(6.26)
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 28-
6.1 UPORABA ISTEGA FIZIKALNEGA PRINCIPA V DRUGIH
SISTEMIH
Kot smo ţe povedali delovanje Anaconde temelji na različnih fizikalnih principih, zato bomo
poiskali primere uporabe v drugih sistemih za posamezne fizikalne principe.
Prvi primer uporabe istega fizikalnega principa so vetrnice, ki izkoriščajo energijo vetra na
principu Navier-Stokesovih enačb.
Večina akustičnih naprav, na primer zvočnik deluje na principu valovne enačbe, saj z njo
opisujemo gibanje zvoka.
Eden izmed fizikalnih principov Anaconde je tudi sprememba potencialne energije morskega
valovanja v proţnostno energijo gume iz katere so stene cevi, kar se zgodi z deformacijo oz.
raztezanjem te gume, proţnostna energija pa se nato pretvori v kinetično, ki je potrebna za
zagon turbin. Podoben fizikalni princip uporablja lok, ki najprej delo, ki ga opravimo z
napenjanjem pretvori v proţnostno energijo, katera se nato spremeni v kinetično energijo
puščice.
Prav tako je primer podobnega fizikalnega principa katapult.
6.2 MOŢNOSTI UPORABE DRUGIH FIZIKALNIH PRINCIPOV ZA
TA NAMEN
Naprave, ki uporabljajo druge fizikalne principe za ta namen, so pravzaprav ţe opisane v
poglavju Vrste elektrarn na valovanje. Vse te opisane metode uporabljajo različne fizikalne
principe za enak namen oz. funkcijo - izkoriščanje energije morskega valovanja. Najbolj
preprost princip izkoriščanja morske energije uporabljajo prelivne naprave, saj uporabijo
direktno energijo vode. Pritisk, ki nastane zaradi višje gladine vode v zbiralniku kot v morju,
potiska vodo skozi odprtino na dnu naprave, kjer poganja edini premikajoč del naprave, to so
turbine. Turbine uporabljajo tudi terminatorji, vendar te turbine poganja posrednik zrak.
Terminatorji uporabljajo princip nihajočega vodnega stolpca za potiskanje zraka skozi
turbine. Imamo še točkovne vpijalnike, ki pa imajo ţe med seboj veliko različnih principov,
zanimivejši je pretvarjanje potencialne energije valovanja oz. vertikalnega gibanja v
električno induktivnost s pomočjo linearnega magnetnega generatorja.
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 29-
7 OPTIMIRANJE SISTEMA
Iz enačbe (6.22) vidimo, da lahko debelino stene in s tem volumen gume zmanjšamo z
manjšanjem polmera cevi ali veliko vrednostjo modula elastičnosti E. Koliko je moţno
povečati E brez nesprejemljivih odvisnosti in limit pri delavni deformaciji je odvisno od
dosegljivih gum in pametne izbire polnila.
Lighthill [3], ki je preučeval valovanje v tekočinah je dokazal, da je tudi hitrost nabreklega
vala v cevi povezana z elastičnostjo cevi.
Torej, lahko s pravilno izbiro elastičnosti sten, debeline sten in polmerom cevi naredimo
hitrost gibanja nabrekline enako hitrosti gibanja zunanjega valovanja. V tem primeru pride do
resonančnega vplivanja med morskim valovanjem in nabreklim valovanjem v cevi in energija
se postopom prenaša iz morskega valovanja v steno cevi. V tem primeru je izkoristek naprave
največji.
Z izkoristkom je povezana ujeta širina. Iz enačbe (6.17) ugotovimo, da je zelo pomembna
postavitev sistema, dobro moramo preučiti obnašanje valov v območju, kjer ţelimo izkoriščati
morske valove, saj je ujeta širina kvadratno odvisna od faktorja ojačitve, ki ga določajo
povprečne valovne dolţine in razlike valovnih dolţin. Ujeta širina je odvisna tudi od površine
cevi Anakonde.
V enačbi (6.26), ki nam podaja proizvodno moč gumijaste cevi obstaja moţnost variiranja
polmera cevi. Proizvodna moč bo z večanjem polmera kvadratno naraščala.
Teţko je določiti kakšne bi bile idealne vrednosti vplivnih parametrov, saj so med njimi razne
povezave in moramo zaradi spremembe enega parametra, spremeniti kup drugih parametrov,
da ne zrušimo sistema. Z optimiranjem sistema Anaconda se trenutno ukvarja veliko
priznanih univerz po svetu.
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 30-
8 SKLEP
Vedno novi problemi povezani z izkoriščanjem fosilnih goriv so omogočili, da se je začel
hitrejši razvoj pretvornikov energije valovanja. Iz dneva v dan se znanstveniki trudijo narediti
cenejše, vzdrţljivejše naprave s čim večjimi izkoristki. Kako hiter je razvoj in koliko
pozornosti se posveča tej alternativni obliki energije, lahko zasledimo tudi na internetu, kjer
so vsak dan objavljeni novi članki o inovacijah v zvezi z izkoriščanjem energije valovanja.
Kot smo ţe omenili se največ pozornosti zadnje čase nameni razvijanju in optimiranju
pretvornika Anaconde, ki bi lahko pomenil velik preobrat v izkoriščanju energije valovanja.
Čeprav smo tudi mi določili vplivne parametre in jih poskušali variirati, pa je to bil le majhen
delček vsega, kar vpliva na izkoristek Anaconde. Parametri so med seboj prepleteni in jih je
teţko variirati tako, da bi bili vplivi variiranja izrecno pozitivni.
Nove metode za izkoriščanje valovanja se bodo razvijale še naprej, saj bomo zaradi
problemov z okoljem vedno več pozornosti morali nameniti okolju prijazni energiji. Vedno
zmogljivejše naprave bodo postale dovolj konkurenčne fosilnim gorivom in jedrski energiji.
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 31-
9 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV
Literatura:
[1] Khaligh Alireza, Onar Omer C.. Ocean Wave Energy Harvesting. IV: Khaligh Alireza,
Onar Omer C.. Energy Harvesting,: Solar, Wind, and Ocean Energy Conversion
Systems, 2010. New York: CRC Press: Taylor and Francis group, 2010, str. 223-303
[2] Škerget Leopold. Dinamika viskozne tekočine. V: Škerget Leopold. Mehanika tekočin,
1994. Maribor: Tehniška faluteta v Mariboru in Fakulteta za strojništvo v Ljubljani,
1994, str. 145-206
Elektronski viri:
[3] Farley Francis J.M., R.C.T. Rainey: Anaconda [svetovni splet] Maritime Energy
Developments Ltd, 2006. Dostopno na WWW:
http://www.bulgewave.com/anaconda.pdf [15.08.2010]
[4] Karin Janice. Efficient Wave Power In Sight [svetovni splet], 2009. Dostopno na
WWW:
http://thefutureofthings.com/pod/6415/efficient-wave-power-in-sight.html[05.09.2010]
[5] Kohler Thorsten. Green Living Answer: Wave Farms, Hydropower and the Pelamis
Wave Energy Converter [svetovni splet]. 2008. Dostopno na WWW:
http://www.greenlivinganswers.com/archives/156 [05.09.2010]
[6] Krajnc Boštjan: Sinergija4_December: Glasilo Zavoda Energetska agencija za
Savinjsko, Šaleško in Koroško [svetovni splet] Velenje: Zavod Energetska agencija za
Savinjsko, Šaleško in Koroško, 2009. Dostopno na WWW:
http://www.kssena.si/upload/projects_files/136/7/sinergija4_december2009_web.pdf
[30.7.2010]
[7] McGrath Jane. How Stuff Works: How Slater`s Duck Works [svetovni splet]. A
Discovery Company. Dostopno na WWW:
http://www.howstuffworks.com/environmental/green-science/salters-duck1.htm
[04.09.2010]
[8] McGrath Jane. How Stuff Works: How Wave Energy Works [svetovni splet]. A
Discovery Company. Dostopno na WWW:
Univerza v Mariboru - Fakulteta za strojništvo Fizikalno modeliranje elektrarne na valovanje
- 32-
http://science.howstuffworks.com/environmental/earth/oceanography/wave-energy.htm
[04.09.2010]
[9] Services and Consultancy: Pelamis, 2010 [svetovni splet]. Wind Prospect Group.
Dostopno na WWW:
http://www.windprospect.com.au/technologies?t=wave_pelamis [05.09.2010]
[10] Schwartz Arie. Fast Company: Anaconda Wave Power Generator Almost Ready for
Action [svetovni splet], maj 2009. RSS. Dostopno na WWW:
http://www.fastcompany.com/blog/ariel-schwartz/sustainability/anaconda-wave-power-
generator-almost-ready-action [05.09.2010]
[11] Wikipedia, the free encyclopedia: Wave Dragon [svetovni splet]. Wikimedia
Foundation, Inc. Dostopno na WWW:
http://en.wikipedia.org/wiki/Wave_Dragon[04.09.2010]
[12] Wikipedia, the free encyclopedia: Wave energy [svetovni splet]. Wikimedia
Foundation, Inc. Dostopno na WWW:
http://en.wikipedia.org/wiki/Wave_power [04.09.2010]