Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Σπουδαστής: Σταυρινού Χ. Ευάγγελος

Transcript

1 Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Σπουδαστής: Επιβλέπουσα Καθηγήτρια: Κόγια Γρ. Φωτεινή Καβάλα, Απρίλιος 009

2 Αφιερώνεται στους πολυαγαπημένους μου γονείς, στον αδελφό μου και στην αδελφή μου

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η εργασία αυτή αποτελεί την Πτυχιακή μου Εργασία, στα πλαίσια των σπουδών μου στο Τμήμα Μηχανολογίας, του Τ.Ε.Ι. Καβάλας. Η εκπόνησή της ξεκίνησε τον Οκτώβριο του 008 και ολοκληρώθηκε τον Απρίλιο του 009, υπό την επίβλεψη της Καθηγήτριας κας Κόγια Γρ. Φωτεινής, Καθηγήτριας Εφαρμογών του Τομέα Φυσικής, του Γενικού Τμήματος Θετικών Επιστημών, της Σχολής Τεχνολογικών Εφαρμογών, του Τ.Ε.Ι. Καβάλας. Η παρούσα εργασία, είχε ως σκοπό τη μελέτη της αξιοποίησης της Ενέργειας της Θάλασσας με τη διάταξη Anaconda. Ο τελικός στόχος αυτής ήταν η συγκέντρωση στοιχείων, η διατύπωση παρατηρήσεων και η εξαγωγή συμπερασμάτων τα οποία πιθανό να φανούν χρήσιμα στη μελλοντική ευρεία αξιοποίηση της Ενέργειας της Θάλασσας. Αισθάνομαι την υποχρέωση να ευχαριστήσω θερμά την Καθηγήτρια κα Κόγια Φωτεινή, τόσο για την ανάθεση του θέματος, όσο και για το αμείωτο ενδιαφέρον και την προθυμία της στην εξεύρεση πληροφοριών, για τις εύστοχες υποδείξεις σχετικά με τον τρόπο χειρισμού του θέματος, καθώς επίσης και για την αμέριστη βοήθεια, καθοδήγηση και συμπαράσταση που μου παρείχε όλο αυτό το διάστημα. Η συμβολή της στην πραγματοποίηση αυτής της εργασίας ήταν καθοριστική. Ένα μεγάλο ευχαριστώ στους γονείς μου, στον αδερφό μου και στην αδελφή μου, για την εμπιστοσύνη τους στις δυνάμεις μου, για τη συνεχή συμπαράσταση και υποστήριξη που είχα από μέρους τους καθώς και για την υπομονή και κατανόηση που μου έδειξαν ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια των σπουδών μου. Τελειώνοντας, θα ήταν παράλειψή μου να μην αναφερθώ στους καθηγητές και στους συμφοιτητές μου, για την προθυμία με την οποία μου παρείχαν τη βοήθειά τους, όποτε τη χρειάστηκα, καθώς επίσης και σε όλους αυτούς που ανήκουν στο φιλικό μου περιβάλλον, οι οποίοι μου συμπαραστάθηκαν και με ενθάρρυναν κατά την προσπάθεια πραγματοποίησης των στόχων μου. Καβάλα, Απρίλιος 009

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γενικά..1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ.3.1 Ενέργεια των Κυμάτων Παλλόμενη Στήλη Νερού (Limpet) Υπερκαλυπτόμενη Διάταξη (Wave Dragon) Πλωτό Αρθρωτό Σύστημα (Pelamis) Σημειακός Απορροφητήρας Waveroller Πλεονεκτήματα, Μειονεκτήματα και Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις των Διατάξεων Αξιοποίησης της Θαλάσσιας Κυματικής Ενέργειας..1. Ενέργειας των Ρευμάτων και των Παλιρροιών Παλιρροιακών Ρευμάτων (Tidal Stream) Στρόβιλοι Παλιρροιακών Ρευμάτων (Οριζόντιου ή Κατακόρυφου Άξονα) Εμβολοφόρες Ταλαντευόμενες Διατάξεις Παλιρροιακών Ρευμάτων Διατάξεις Παλιρροιακών Ρευμάτων που Λειτουργούν με Αγωγό Venturi Παλιρροιακής Διακύμανσης (Tidal Range) Παλιρροιακά Φράγματα Παλιρροιακές Λιμνοθάλασσες Παλιρροιακές Φραγές Ενέργεια του Θερμοκλινούς των Ωκεανών Σύστημα OTEC Ανοικτού Κύκλου 0.3. Σύστημα OTEC Κλειστού Κύκλου Υβριδικό Σύστημα OTEC...

5 .3.4 Υβριδικού Κύκλου (Hybrid - Cycle). 3.4 Ενέργεια Λόγω της Βαθμίδα Αλατότητας.4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ANACONDA...6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Συζήτηση Εύρος Σύλληψης Μέγεθος Διόγκωσης Σχεδιασμός του Σωλήνα Διόγκωσης Αποθηκευμένη Ενέργεια..34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ ΚΥΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ANACONDA Λειτουργία του Στροβίλου του Συστήματος.38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ANACONDA Ενδεχόμενες Τοποθεσίες Εγκατάστασης της Διάταξης Anaconda.4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ο Η Εξαγωγή της Ισχύος Πολύ ενθαρρυντικά τα πρώτα Συμπεράσματα.45 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

6 Κεφάλαιο 1 ο : Εισαγωγή ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ Η μεγαλύτερη ποσότητα Ενέργειας που χρησιμοποιείται σήμερα στον κόσμο, περισσότερο από 80%, προέρχεται από κοιτάσματα ορυκτών καυσίμων όπως ο άνθρακας, το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο ή από ουράνιο. Αυτά τα κοιτάσματα, βρίσκονται σήμερα σε περιορισμένη ποσότητα, ενώ εξαντλούνται συνεχώς. Στην πραγματικότητα τα ορυκτά καύσιμα δεν έχουν να κάνουν μόνο με τον κίνδυνο εξάντλησης, ούτε με την ανησυχία της ανασφάλειας του ανεφοδιασμού, αλλά υπάρχουν και άλλοι λόγοι, κυρίως περιβαλλοντικοί, που ωθούν στην ανάπτυξη των Α.Π.Ε. τον 1 ο αιώνα. Σε αντίθεση με τα συμβατικά καύσιμα, η ενέργεια που προέρχεται από τον Ήλιο, τον άνεμο, τους καταρράκτες, την ανάπτυξη των φυτών, τις παλίρροιες, τη θερμότητα της Γης είναι ανανεώσιμη. Η πυρηνική Ενέργεια δε συμβάλλει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, αλλά γνωρίζουμε καλά το φόβο που μας εμπνέει η ασφάλεια των πυρηνικών σταθμών, η τύχη των πυρηνικών αποβλήτων και ο κίνδυνος της εξάπλωσης των πυρηνικών όπλων. Σύμφωνα με πολλούς ερευνητές, τα αποθέματα πετρελαίου και φυσικού αερίου του πλανήτη αναμένεται να έχουν εξαντληθεί πριν τα μέσα του αιώνα που διανύουμε. Συγκεκριμένα προβλέπεται η εξάντληση των γνωστών μέχρι σήμερα κοιτασμάτων πετρελαίου μέχρι το έτος 037, με τα σημερινά αποθέματα πετρελαίου να υπολογίζονται σε ένα κόμμα δύο (1,) τρισεκατομμύρια βαρέλια. Παρόμοιες είναι οι εκτιμήσεις και για τα αποθέματα φυσικού αερίου στη Γη, που αναμένεται να εξαντληθούν σε περίπου πενήντα (50) χρόνια. Σελίδα1

7 Κεφάλαιο 1 ο : Εισαγωγή Σχετικά με τα Παγκόσμια αποθέματα σε κάρβουνο που είναι οικονομικά και τεχνολογικά διαθέσιμα, αυτά επαρκούν για περίπου εκατόν πενήντα (150) χρόνια σύμφωνα με το σημερινό ρυθμό εξόρυξης και χρήσης. Οι υψηλές τιμές του πετρελαίου, η μείωση της προσφοράς καυσίμων και οι αυξανόμενες πιέσεις για τον έλεγχο του φαινόμενου του θερμοκηπίου καθιστούν ιδιαίτερα δημοφιλή την προοπτική της Θαλάσσιας Ενέργειας τόσο στις εθνικές κυβερνήσεις όσο και στις Εταιρείες παροχής υπηρεσιών Κοινής Ωφέλειας. Η πρόκληση σήμερα έγκειται στην επιτυχή εκμετάλλευση της συσσωρευμένης πλέον γνώσης, η οποία δεν κατέστη εφικτή τα προηγούμενα χρόνια. Ουδείς υποστηρίζει ότι η εκμετάλλευση της κίνησης των Κυμάτων για την παραγωγή Ενέργειας, δεν αποτελεί μια καλή ιδέα. Στο κάτω - κάτω, το «καύσιμο» αυτό θα παράγεται δωρεάν και συνεχώς, ενώ η διαδικασία της παραγωγής δεν είναι ρυπογόνος. Η Ενέργεια από τη Θάλασσα είναι προφανώς αξιοπρόσεκτη, αλλά είναι αρκετά διασκορπισμένη και επομένως πολύ δύσκολη ως προς τη συλλογή της. Επίσης βρίσκεται συνήθως μακριά από τους τόπους κατανάλωσης. Εικόνα 1.1 Κύματα Η μόνη μορφή που έχει ως τώρα αποτελέσματα και είναι συγκεντρωμένη σε ορισμένες περιοχές της Γης, είναι η Ενέργεια των παλιρροιών. Άλλες μορφές οι οποίες βρίσκονται σε πλήρη εξέλιξη και εφαρμόζονται σήμερα σε μικρή κλίμακα, αλλά έχουν μεγάλες προοπτικές εξέλιξης, είναι η Ενέργεια των Κυμάτων, η θερμική Ενέργεια των ωκεανών και η Ενέργεια λόγω της διαφοράς αλατότητας του γλυκού από το Θαλασσινό νερό. Σελίδα

8 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Η Θάλασσα αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του Πλανήτη, όπως είναι γνωστό. Η Θάλασσα προσφέρει στον άνθρωπο πολύτιμους πόρους, για την επιβίωσή του. Στις μέρες μας όμως, ο άνθρωπος αντλώντας όλους αυτούς τους πόρους, έχει προκαλέσει μεγάλες καταστροφές στο Θαλάσσιο οικοσύστημα. Από τη Θάλασσα όμως ο άνθρωπος μπορεί να πάρει Ενέργεια και να τη μετατρέψει σε οφέλιμη γι αυτόν ηλεκτρική Ενέργεια. Αυτός ο τρόπος παραγωγής Ενέργειας έχει πολύ μικρές περιβαλλοντικές επιδράσεις. Υπάρχουν πολλές μορφές Ενέργειας που μπορεί να εκμεταλλευτεί ο άνθρωπος από τη Θάλασσα. Η πιο γνωστή σε όλους μας είναι η αιολική Ενέργεια. Οι ωκεανοί μπορούν να μας προσφέρουν τεράστια ποσά Ενέργειας. Οι βασικοί τρόποι για την εκμετάλλευση της Ενέργειας της Θάλασσας είναι: 1. από τα Κύματα. από τις Παλίρροιες (μικρές και μεγάλες) και από τα Ρεύματα 3. από το Θερμοκλινές των Ωκεανών 4. από τη Βαθμίδα Αλατότητας της Θάλασσας..1 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ Οι μηχανισμοί μετατροπής Κυματικής Ενέργειας εντάσσονται σε δύο κύριες κατηγορίες: στους σταθερούς και στους πλωτούς. Οι σταθεροί μηχανισμοί ή μηχανισμοί ακτογραμμής (fixed or shoreline devices) εγκαθίστανται είτε στο βυθό είτε στην ακτή και βασικό τους πλεονέκτημα έναντι των πλωτών είναι η εύκολη εγκατάσταση και συντήρησή τους. Εν δυνάμει περιορισμό τους μπορεί να αποτελέσει η προσαρμογή τους στις απαιτήσεις της παράκτιας γεωλογίας, της διατήρησης του τοπίου των ακτών και ιδιαίτερα, όσον αφορά τα κράτη μέλη της Ε.Ε., η συμμόρφωσή τους προς τα σχέδια διαχείρισης (χρήσεις γης, οικονομικές αναλύσεις, επιπτώσεις ανθρώπινων δραστηριοτήτων, Σελίδα3

9 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας προγράμματα μέτρων κ.ά.) που επιβάλλει η Οδηγία Πλαίσιο 000/60 για την προστασία - εκτός των επιφανειακών, υπόγειων, μεταβατικών - και των παράκτιων υδάτων. Οι πλωτοί μηχανισμοί μετατρέπουν την κυματική Ενέργεια σε ηλεκτρική μέσω της αρμονικής κίνησης (ανύψωσης και πτώσης συγχρόνως με την κίνηση του κύματος) του επιπλέοντος τμήματός τους. Η παραγωγή Ενέργειας από τα κύματα συγκεντρώνει τα πλεονεκτήματα των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και επιπλέον, σε αντίθεση με άλλες ανανεώσιμες, οι εγκαταστάσεις κυματικής Ενέργειας δε δεσμεύουν γη, ενώ η οπτική και ακουστική όχληση είναι μηδαμινή. Οι Τεχνολογίες που αναφέρονται πιο κάτω μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ηλεκτροδότηση παράκτιων περιοχών, νησιών κ.λ.π..1.1 ΠΑΛΛΟΜΕΝΗ ΣΤΗΛΗ ΝΕΡΟΥ (LIMPET) Στην απλούστερή του μορφή (σχήμα.1), το σύστημα αυτό, είναι μια στήλη με τη μια έδρα μέσα στο νερό και την άλλη έδρα ανοιχτή στον αέρα. Όταν η στάθμη του νερού μετατοπίζεται, τότε και η στήλη του αέρα μετατοπίζεται επίσης. Η παλινδρομική κίνηση της Θαλάσσιας επιφάνειας προκαλεί ρυθμική συμπίεση - αποσυμπίεση της αέριας μάζας μέσα στο θάλαμο, η οποία χρησιμοποιείται για την κίνηση αεροστρόβιλου. Εάν τοποθετηθεί ένας αεροστρόβιλος στην ανοιχτή πλευρά της στήλης, η ροή του αέρα θα παράγει ισχύ. Οι λεγόμενοι στρόβιλοι Wells κατέχουν την ικανότητα να περιστρέφονται μονίμως κατά την ίδια κατεύθυνση, όποια και αν είναι η φορά του ρεύματος του αέρα μέσω του στροβίλου. Μια τέτοια στήλη μπορεί να τοποθετηθεί είτε υπεράκτια είτε παράκτια. Σχήμα.1 Καθώς η στάθμη του νερού ανεβοκατεβαίνει, μια στήλη αέρα συμπιέζεται και αποσυμπιέζεται, θέτοντας σε κίνηση ένα στρόβιλο Σελίδα4

10 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας Εικόνα.1 Limpet Διατάξεις της κατηγορίας αυτής έχουν εγκατασταθεί στις Πορτογαλικές Αζόρες και στη νήσο Islay στη Βόρεια Σκοτία..1. ΥΠΕΡΚΑΛΥΠΤΟΜΕΝΗ ΔΙΑΤΑΞΗ (WAVE DRAGON) Η βασική ιδέα του Ενεργειακού μετατροπέα Wave Dragon είναι να χρησιμοποιηθούν γνωστές και καλά αποδεδειγμένες αρχές από τις παραδοσιακές εγκαταστάσεις υδροενέργειας, σε μια παράκτια επιπλέουσα πλατφόρμα. Είναι πολύ απλό: Η overtopping συσκευή Wave Dragon ανυψώνει τα ωκεάνια Kύματα τα οποία αποθηκεύονται προσωρινά σε μια μεγάλη δεξαμενή δημιουργώντας ένα κεφάλι, δηλ. η διαφορά μεταξύ του «κανονικού» επιπέδου επιφάνειας ύδατος και επιφάνειας ύδατος στη δεξαμενή. Αυτό το νερό αφήνεται από τη δεξαμενή του Wave Dragon μέσω διαφόρων στροβίλων παράγοντας κατά συνέπεια την ηλεκτρική Ενέργεια όπως στις εγκαταστάσεις υδροπαραγωγής Ενέργειας. Σχήμα. Συλλέγοντας νερό από τα κύματα σε μια δεξαμενή, αυτή η διάταξη θέτει σε κίνηση ένα στρόβιλο καθώς το συγκεντρωμένο νερό αποστραγγίζει Σελίδα5

11 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας Η κατασκευή είναι απλή και έχει μόνο ένα είδος κινούμενων μερών, τους στροβίλους Αυτό είναι ουσιαστικά για οποιαδήποτε συσκευή που δεσμεύεται να λειτουργήσει παράκτια όπου οι ακραίες δυνάμεις έχουν σοβαρές επιπτώσεις σε οποιαδήποτε κινούμενο μέρος. Κάποιος μπορεί να φανταστεί το Wave Dragon όπως ένα σκάφος που δένεται σε σχετικά μεγάλα Θαλάσσια βάθη, (> 5 μέτρα) για να εκμεταλλευθεί τα ωκεάνια Κύματα προτού να χάσουν την Ενέργειά τους καθώς φθάνουν στην παράκτια περιοχή. Το Wave Dragon είναι μια επιπλέουσα συσκευή με σκοπό να είναι πολύ σταθερή στα Κύματα θύελλας. Οι κλίσεις και οι μετακινήσεις είναι πολύ μικρότερες από σκάφη συγκρίσιμου μεγέθους. Δε μετατρέπει τα Κύματα σε Ενέργεια με το σκάσιμο πάνω κάτω ή από τη μετακίνηση των Κυμάτων μέσω της κίνησης της Θάλασσας. Αυτό απλά χρησιμοποιεί την πιθανή Ενέργεια του νερού που το ξεπερνά. Σχήμα.3 Wave Dragon Ακόμα το Wave Dragon αντιπροσωπεύει ένα πολύ σύνθετο σχέδιο όπου μεγάλες προσπάθειες έχουν καταβληθεί στο σχεδιασμό στη διαμόρφωση, και στον έλεγχο προκειμένου να παραχθεί όσο το δυνατόν περισσότερη ηλεκτρική Ενέργεια με όσο το δυνατόν χαμηλότερο πιθανό κόστος και με έναν αξιόπιστο και φιλικόν προς το περιβάλλον τρόπο. Ενώ οι περισσότερες παράκτιες εγκαταστάσεις χρησιμοποιούν κυματοθραυστικές συσκευές, για να περιορίσουν τη υπερχείλιση του νερού, το Wave Dragon, με τους διπλά Σελίδα6

12 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας κυρτούς ανακλαστήρες κεκλιμένων ραμπών, έχει σα σκοπό να μεγιστοποιήσει την υπερχείλιση. Οι ανακλαστήρες κυμάτων συγκεντρώνουν την Ενέργεια των Κυμάτων και με αυτόν τον τρόπο η ροή του νερού ξεπερνά την κεκλιμένη ράμπα. Η κεκλιμένη ράμπα του Wave Dragon μπορεί να συγκριθεί με μια παραλία. Όταν ένα κύμα φθάνει σε μια παραλία χάνει ένα μέρος από την Ενέργειά του λόγω της τριβής με τα κατώτατα σημεία. Η κεκλιμένη ράμπα Wave Dragon είναι πολύ κοντή και σχετικά απότομη προκειμένου να ελαχιστοποιηθούν οι Ενεργειακές απώλειες. Το Κύμα αλλάζει τη γεωμετρία του και ανυψώνεται. Η ειδική ελλειπτική μορφή της κεκλιμένης ράμπας βελτιστοποιεί αυτήν την επίδραση και η πρότυπη δοκιμή έχει δείξει ότι αυξάνεται σημαντικά..1.3 ΠΛΩΤΟ ΑΡΘΡΩΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ (PELAMIS) Το σύστημα αυτό (σχήμα 3.4), φέρει στις αρθρώσεις αντλίες. Με τις κινήσεις του Κυματισμού οι αντλίες συμπιέζουν ένα υδραυλικό υγρό και δίνουν κίνηση σε υδραυλικούς κινητήρες. Το σύστημα Pelamis (εικόνα.) της Βρετανικής Εταιρείας Ocean Power Delivery, ονομαστικής ισχύος 750 kw, έχει ήδη δοκιμασθεί με επιτυχία, σε διασυνδεδεμένη λειτουργία και ετοιμάζεται η εγκατάσταση Κυματικού πάρκου με τριάντα μία (31) διατάξεις Pelamis στις Πορτογαλικές Ακτές. Σχήμα.4 Αυτή η επιπλέουσα διάταξη δαμάζει αποτελεσματικά τα Κύματα ελισσόμενη στην κίνησή τους καθώς περνούν Το σύστημα Pelamis είναι μια ημιβυθισμένη κατασκευή αποτελούμενη από κυλινδρικά ατσάλινα κομμάτια ενωμένα σε αρθρώσεις. Πρυμνοδεμένο, έτσι ώστε να ευθυγραμμίζεται με την κατεύθυνση του ισχυρότερου κύματος, το σύστημα δέχεται τον Κυματισμό σε όλο του το μήκος εκατόν πενήντα (150) μέτρα, πραγματοποιώντας μια Σελίδα7

13 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας σπαστή στις αρθρώσεις κίνηση. Υδραυλικά έμβολα σε κάθε άρθρωση αντιδρούν στην κίνηση αυτή και αντλούν υψηλής πίεσης υγρό σε υδραυλικούς κινητήρες, οι οποίοι με τη σειρά τους ενεργοποιούν τις ηλεκτρογεννήτριες. Υπάρχουν ήδη σχέδια για τη δημιουργία Κυματικών Πάρκων (Wave Parks) με μεγάλους αριθμούς τέτοιων συσκευών που θα τροφοδοτούν ένα υποβρύχιο καλώδιο μεταφοράς ρεύματος, αυξάνοντας την αποδοτικότητα και μειώνοντας το κόστος μετατροπής. Εικόνα. Pelamis Οι παραπάνω Τεχνολογίες έχουν ήδη αποδείξει την αξιοπιστία τους στην ανοικτή Θάλασσα. Το ηλεκτροπαραγωγικό κόστος παραμένει συγκριτικά υψηλό (0,08 0,10 Euro kwh ), διπλάσιο από τη μέση τιμή του ηλεκτρισμού σήμερα στην Ε.Ε., ωστόσο η περαιτέρω Τεχνολογική εξέλιξη αναμένεται να οδηγήσει στη μείωσή του..1.4 ΣΗΜΕΙΑΚΟΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΗΡΑΣ Σε αυτόν τον τύπο (σχήμα.5), ένα «σημείο», όπως ένας επιπλέων σημαντήρας, ο οποίος είναι αγκυρωμένος στο Θαλάσσιο πυθμένα, ανταποκρίνεται στην κατακόρυφη κίνηση της επιφάνειας της Θάλασσας. Η παλινδρομική κίνηση του πλωτήρα, μετατρέπεται μέσω μηχανικών ή υδραυλικών συστημάτων, σε περιστροφική κίνηση, για την κίνηση ηλεκτρογεννήτριας. Σελίδα8

14 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας Σχήμα.5 Αυτός ο πλωτήρας απορροφά κυματική Ενέργεια από όλες τις κατευθύνσεις καθώς κινείται παλινδρομικά πάνω και κάτω Εικόνα.3 Aqua Buoy Ένα σύστημα αυτής της κατηγορίας, με πλωτήρες διαμέτρου m, το οποίο εναλλακτικά μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για αφαλάτωση του νερού, έχει κατασκευασθεί από την Ελληνική Εταιρεία Κυματική Ενέργεια Α.Ε. και έχει δοκιμασθεί με επιτυχία και στη χώρα μας. Σελίδα9

15 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας Εικόνα.4 Power Buoy.1.5 WAVEROLLER Η συσκευή WaveRoller είναι μια πλάκα που δένεται στον πυθμένα της Θάλασσας από το χαμηλότερο μέρος και τους άξονές της. Η πέρα δώθε μετακίνηση των κατώτατων Κυμάτων κινεί την πλάκα, και η παραγόμενη κινητική Ενέργεια συλλέγεται από μια εμβολοφόρο αντλία. Αυτή η Ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική Ενέργεια είτε από μια γεννήτρια που συνδέεται με τη μονάδα WaveRoller, είτε από ένα κλειστό υδραυλικό σύστημα σε σχέση με ένα σύστημα γεννητριών/στροβίλων. Το WaveRoller είναι μια μορφωματική συσκευή, και στην πράξη αυτό σημαίνει ότι η ικανότητα εγκαταστάσεως διαμορφώνεται με τη σύνδεση διάφορων μονάδων παραγωγής με εγκαταστάσεις WaveRoller. Λόγω του μορφωματικού σχεδίου, οι εγκαταστάσεις WaveRoller μπορούν να ληφθούν στην παραγωγή βαθμιαία. Επίσης οι μονάδες της διάταξης εύκολα συντηρούνται και η ηλεκτρική παραγωγή μπορεί να συνεχιστεί κατά τη διάρκεια της συντήρησης των μονάδων. Η Επιχείρηση που αναπτύσσει το WaveRoller, έχει διευθύνει τις θαλάσσιες δοκιμές WaveRoller στο Ευρωπαϊκό Θαλάσσιο Ενεργειακό Κέντρο (EMEC) Orkney, στη Σκωτία. Με τις δοκιμές αυτές έχει ελεγχθεί η δυνατότητα της Ενεργειακής παραγωγής των Σελίδα10

16 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας κατώτατων κυμάτων και η καταλληλότητα της διάταξης WaveRoller στη μετατροπή αυτής της πηγής Ενέργειας σε ηλεκτρική Ενέργεια. Τα αποτελέσματα προτείνουν ότι η διάταξη WaveRoller θα είναι σε θέση να ξεπεράσει άλλες Ωκεάνιες Ενεργειακές Τεχνολογίες από την άποψη της απόδοσης και των οικονομικών εκτιμήσεων. Το WaveRoller είναι καταλληλότερο για τις θέσεις όπου οι περίοδοι κυμάτων είναι μεγάλες. Επιπλέον, λόγω της φύσης των κατώτατων Κυμάτων, τα επίπεδα δύναμης που επιτυγχάνονται καθόλη τη διάρκεια του έτους σε αυτές τις θέσεις, κυμαίνονται αρκετά λιγότερο από ότι για τις συσκευές Κυμάτων επιφάνειας ή την αιολική Ενέργεια. Με βάση μια κατ' εκτίμηση ονομαστική παραγωγή ισχύος 13 kw ανά μεμονωμένη πλάκα WaveRoller, το κόστος επένδυσης ανέρχεται σε περίπου δύο χιλιάδες εκατό (100) ευρώ ανά kw ήδη στο πειραματικό στάδιο. Σχήμα.6 Απεικόνιση διάταξης WaveRoller Εικόνα.5 Οι πλάκες WaveRoller Σελίδα11

17 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας Εικόνα.6 Οι πλάκες WaveRoller σε λειτουργία.1.6 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ, ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΙΑΣ ΚΥΜΑΤΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ένα σύστημα Κυματικής Ενέργειας μπορεί να τοποθετηθεί σε οποιοδήποτε σημείο στον ωκεανό και να παράγει Ενέργεια, μπορεί να είναι αγκυροβολημένο στον πυθμένα ή πλωτό ανοιχτά της Θάλασσας ή σύστημα εγκατεστημένο στα παράλια ή στα ρηχά νερά. Ένα τέτοιο σύστημα μπορεί επίσης να είναι ολικά βυθισμένο στο νερό ή να είναι τοποθετημένο πάνω από τη θαλάσσια επιφάνεια σε μια πλωτή πλατφόρμα. Η αισθητική επίδραση ενός συστήματος στο περιβάλλον, εξαρτάται από τον τύπο που θα υιοθετηθεί, έτσι ένα σύστημα μερικώς βυθισμένο ή τοποθετημένο λίγα χιλιόμετρα μακριά, δεν επηρεάζει την εναρμόνιση του συστήματος με το περιβάλλον. Αντίθετα, συστήματα Κυματικής Ενέργειας τοποθετημένα στις ακτές, μπορεί να επιδράσουν αρνητικά στην όλη αισθητική και να μετατρέψουν ένα φυσικό περιβάλλον σε άκρως Βιομηχανικό. Ο Θαλάσσιος Κυματισμός συγκεντρώνει τα περισσότερα πλεονεκτήματα που χαρακτηρίζουν τις Α.Π.Ε., όπως χαμηλούς δείκτες ρύπανσης σε επίπεδο κύκλου ζωής, Σελίδα1

18 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας αποκέντρωση της παραγωγής Ενέργειας, απεξάρτηση από εισαγωγές ορυκτών καυσίμων, προοπτικές οικονομικής ανάπτυξης σε απομακρυσμένες ή και υποβαθμισμένες περιοχές, τόνωση της Βιομηχανικής Παραγωγής, δημιουργία θέσεων εργασίας κ.ά. Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την εγκατάσταση Τεχνολογιών κυματικής Ενέργειας, όπως ακουστική ή οπτική όχληση, επιπτώσεις σε χλωρίδα και πανίδα, παρενόχληση της ναυσιπλοΐας κ.ά θεωρούνται ήπιες. Αξιοσημείωτο είναι ότι η εγκατάσταση σταθμών Κυματικής ενέργειας δεν απαιτεί δέσμευση γης. Η οπτική όχληση, καθώς και οι παρεμβάσεις στο περιβάλλον, ενδεχομένως να αποτελούν ανασταλτικό παράγοντα για παράκτιες εγκαταστάσεις, αν και εν γένει, περιοχές με έντονη κυματική δραστηριότητα δεν ενδείκνυνται για άλλου είδους αξιοποίηση, όπως π.χ. ιχθυοκαλλιέργεια ή τουριστική εκμετάλλευση. Αντίθετα, παράκτιες εγκαταστάσεις κυματικής Ενέργειας θα μπορούσαν, με κατάλληλο σχεδιασμό, να λειτουργήσουν παράλληλα σαν κυματοθραύστες για προστασία της ακτής ή σα λιμενοβραχίονες. Τα κυριότερα μειονεκτήματα των Τεχνολογιών Κυματικής Ενέργειας αφορούν την αξιοπιστία τους και το κατασκευαστικό και λειτουργικό κόστος. Η υψηλή Ενεργειακή πυκνότητα των Κυμάτων συνεπάγεται μεγάλες καταπονήσεις στην περίπτωση ακραίων καιρικών φαινόμενων, οι οποίες μπορούν να υπερβούν το εκατονταπλάσιο των μέσων καταπονήσεων. Αυτό απαιτεί υψηλό βαθμό μηχανικής αντοχής των κατασκευών, με αποτέλεσμα μεγάλο κατασκευαστικό κόστος. Επιπλέον, η δυσπροσιτότητα υπεράκτιων ή υποβρύχιων εγκαταστάσεων δυσχεραίνει τον έλεγχο, τη συντήρηση ή την επισκευή τους και αυξάνει το λειτουργικό κόστος. Το υψηλό κόστος κατασκευής και λειτουργίας μπορεί να αντισταθμιστεί μόνο με την αξιοποίηση του Κυματικού δυναμικού στο μέγιστο δυνατό βαθμό, δηλαδή με την επίτευξη υψηλών δεικτών απόδοσης. Η Τεχνολογική εξέλιξη έχει οδηγήσει μέχρι στιγμής, σε σημαντική βελτίωση του δείκτη απόδοσης, για τις περισσότερες Τεχνολογίες, ενώ τα περιθώρια βελτίωσης παραμένουν μεγάλα. Για το λόγο αυτόν, εκτιμάται ότι η συνεχιζόμενη έρευνα θα οδηγήσει σε περαιτέρω μείωση του ηλεκτροπαραγωγικού κόστους, σε επίπεδα συγκρίσιμα με αυτά των συμβατικών μορφών Ενέργειας ή άλλων Α.Π.Ε. Ήδη το ηλεκτροπαραγωγικό κόστος, για ορισμένες Τεχνολογίες, έχει μειωθεί στα επίπεδα του 0,05 /kwh και αναμένεται περαιτέρω μείωσή του. Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις, μιας εγκατάστασης παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος από Θαλάσσια Κύματα, είναι ένα πεδίο ευρείας μελέτης, καθώς τα Θαλάσσια οικοσυστήματα αποτελούν ευαίσθητες βιοκοινωνίες. Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις είναι Σελίδα13

19 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας μικρές σε σχέση με συμβατικές μονάδες παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος και αν συγκριθούν, με μια πλατφόρμα εξόρυξης πετρελαίου στη Θάλασσα, τότε διαπιστώνεται ότι η επίδραση στο Θαλάσσιο περιβάλλον είναι αμελητέα. Οι περισσότερες από τις διατάξεις αξιοποίησης της Θαλάσσιας Κυματικής Ενέργειας λειτουργούν στην επιφάνεια της Θάλασσας. Οι διατάξεις αυτές κρατιούνται σταθερές με ένα σύστημα αγκυρώσεων. Οι αλυσίδες και οι άγκυρες, είναι στην ουσία, τα μόνα μέρη που έρχονται σε επαφή με τον πυθμένα και η επίδραση που έχουν σε αυτόν, δεν ξεπερνάει την επίδραση που έχει ένας απλός σημαντήρας ή ένα ναύδετο [γενικά, με τον όρο ναύδετο, νοείται ο μεγάλος σημαντήρας (σημαδούρα ή τσαμαδούρα mooring buoy) που βρίσκεται αγκυροβολημένος σε συγκεκριμένη θέση (στίγμα), όπου μπορεί ένα πλοίο να προσδένεται με ασφάλεια σε αυτόν, αντί να αγκυροβολήσει]. Επίσης η καλωδίωση των εγκαταστάσεων με την ξηρά, που είναι ποντισμένη στον πυθμένα, μπορεί να επιδράσει στον πυθμένα. Συνήθως είναι θαμμένη για να μην αναταράζονται τα καλώδια από κινήσεις πλοίων στην περιοχή. Πολλές από τις διατάξεις αξιοποίησης της Θαλάσσιας Κυματικής Ενέργειας έχουν τμήματα που κινούνται υδραυλικά. Οι Εταιρίες, στα πλαίσια της προστασίας του περιβάλλοντος, έχουν αλλάξει τα υδραυλικά έλαια με απλό νερό, για να μην υπάρξει μόλυνση της Θάλασσας από διαρροές ελαίων. Όπως ισχύει και για τις υπόλοιπες Α.Π.Ε., η διαθεσιμότητα της Κυματικής Ενέργειας και η διακύμανσή της, είναι οι πρωταρχικοί παράγοντες που πρέπει αρχικά να καθοριστούν. Σε γενικές γραμμές όμως, πρέπει να γίνει περισσότερη έρευνα για τις επιδράσεις που τυχόν έχουν οι εγκαταστάσεις αυτές και προς το παρόν να αποφεύγεται η εγκατάστασή τους σε ευαίσθητες οικολογικά περιοχές που εμφανίζουν ιδιαίτερα χαρακτηριστικά.. ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΤΩΝ ΠΑΛΙΡΡΟΙΩΝ Υπάρχουν διάφοροι τύποι μηχανισμών που δοκιμάζονται για τη σύλληψη της Ενέργειας των ρευμάτων και των παλιρροιών. Τα συστήματα αυτά Θαλάσσιας Ενέργειας βασίζονται στις εξής αρχές λειτουργίας: Σελίδα14

20 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας..1. ΠΑΛΙΡΡΟΙΑΚΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ (TIDAL STREAM) Οι διατάξεις αυτές χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της παλιρροιακής Ενέργειας σε ηλεκτρική Ενέργεια αναγκάζοντας το νερό να περάσει διαμέσου των στροβίλων. Οι στρόβιλοι περιστρέφουν μια γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτή η Τεχνολογία αντιμετωπίζεται ευνοϊκά γιατί έχει χαμηλότερα κόστη κεφαλαίου και εκτιμάται ότι έχει λιγότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις από τα παλιρροιακά συστήματα διακύμανσης... ΣΤΡΟΒΙΛΟΙ ΠΑΛΙΡΡΟΙΑΚΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ (ΟΡΙΖΟΝΤΙΟΥ Ή ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΟΥ ΑΞΟΝΑ) Βασίζονται στην ίδια αρχή λειτουργίας με τις ανεμογεννήτριες και στην πραγματικότητα έχουν και ακριβώς την ίδια εμφάνιση. Χρησιμοποιούν την Ενέργεια ενός ρεύματος, που ρέει με μεγάλη ταχύτητα, για την περιστροφή των πτερυγίων στροβίλων, με τον ίδιο τρόπο όπως ο άνεμος περιστρέφει τους αεροστρόβιλους στην ξηρά. Σχήμα.7 Στρόβιλος Παλιρροιακών Ρευμάτων(έκφραση ζωγράφου) Σχήμα.8 Στρόβιλος Παλιρροιακών Ρευμάτων(έκφραση ζωγράφου) Σελίδα15

21 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας Σχήμα.9 Στρόβιλος Παλιρροιακών Ρευμάτων(έκφραση ζωγράφου)..3 ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΕΣ ΤΑΛΑΝΤΕΥΟΜΕΝΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΠΑΛΙΡΡΟΙΑΚΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ Έχουν υδρολισθητήρες που κινούνται πίσω - μπρος, σε ένα επίπεδο, στρωτά με το παλιρροιακό ρεύμα, αντί περιστρεφόμενα πτερύγια. Ένα σχέδιο χρησιμοποιεί υδραυλικά έμβολα, για την τροφοδοσία ενός υδραυλικού κυκλώματος, που περιστρέφει έναν υδραυλικό κινητήρα και γεννήτρια, για την παραγωγή ισχύος. Σχήμα.10 Η διάταξη Stingray της Εταιρίας The Engineering Business, 150 kw, 00 Σελίδα16

22 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας..4. ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΠΑΛΙΡΡΟΙΑΚΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΠΟΥ ΛΕΙΤΟΥΡΓΟΥΝ ΜΕ ΑΓΩΓΟ VENTURI Σε αυτές η παλιρροιακή ροή κατευθύνεται διαμέσου ενός αγωγού, που συγκεντρώνει τη ροή, και δημιουργεί μια διαφορά πίεσης. Αυτό προκαλεί μια δευτερεύουσα ροή ρευστού διαμέσου ενός στροβίλου. Σχήμα.11 Η διάταξη Ducted Propeller,Οριζοντίου Άξονα της Εταιρίας Lunar Energy, kw..5. ΠΑΛΙΡΡΟΙΑΚΗΣ ΔΙΑΚΥΜΑΝΣΗΣ (TIDAL RANGE) Σχήμα.1 Παλιρροιακή Διακύμανση Σελίδα17

23 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας..6 ΠΑΛΙΡΡΟΙΑΚΑ ΦΡΑΓΜΑΤΑ Εκμεταλλεύονται τη δυναμική Ενέργεια λόγω της διαφοράς ύψους μεταξύ των υψηλών και των χαμηλών παλιρροιών (που είναι γνωστή σαν παλιρροιακή διακύμανση). Εικόνα.7 La Rance, Γαλλία..7. ΠΑΛΙΡΡΟΙΑΚΕΣ ΛΙΜΝΟΘΑΛΑΣΣΕΣ Λειτουργούν με παρόμοιο τρόπο με τα παλιρροιακά φράγματα όμως χρησιμοποιούν μια κατασκευή εγκλωβισμού αντί ένα φράγμα. Η υπεράκτια κατασκευή εγκλωβισμού μοιάζει με ένα βραχώδες νησί. Η κατασκευή αυτή προσαρμόζεται σε μια συμβατική συσκευή υδροηλεκτρικής παραγωγής και παράγει προβλέψιμη ηλεκτρική ισχύ. Σελίδα18

24 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας Σχήμα.13 Παλιρροιακό φράγμα..8. ΠΑΛΙΡΡΟΙΑΚΕΣ ΦΡΑΓΕΣ Οι παλιρροιακές φραγές μοιάζουν με γιγαντιαίες περιστρεφόμενες πύλες. Μπορούν να τοποθετηθούν στα κανάλια ανάμεσα σε μικρά νησιά ή σε στενά μεταξύ της ηπειρωτικής χώρας και ενός νησιού. Οι περιστρεφόμενες πύλες περιστρέφονται με τη βοήθεια των παλιρροιακών ρευμάτων που είναι χαρακτηριστικά των παράκτιων υδάτων. Μερικά από αυτά τα ρεύματα κινούνται με ταχύτητα 5-8 κόμβους (5,6-9 μίλια ανά ώρα) και παράγουν τόση Ενέργεια όση και άνεμοι πολύ υψηλότερης ταχύτητας. Σχήμα.14 Οι παλιρροιακοί φράχτες μοιάζουν με τεράστιες περιστρεφόμενες πόρτες που μπλοκάρουν εντελώς την είσοδο ενός καναλιού έτσι ώστε όλο το νερό της παλίρροιας να περνάει από αυτές Σελίδα19

25 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας.3 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΛΙΝΟΥΣ ΤΩΝ ΩΚΕΑΝΩΝ Η θερμική Ενέργεια των ωκεανών μπορεί επίσης να αξιοποιηθεί με την εκμετάλλευση της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ του θερμότερου επιφανειακού νερού και του ψυχρότερου νερού του πυθμένα. Η διαφορά αυτή, για να είναι εκμεταλλεύσιμη, πρέπει να είναι τουλάχιστον 0 C. Τα πλεονεκτήματα από τη χρήση της Ενέργειας των ωκεανών, εκτός από «καθαρή» και ανανεώσιμη πηγή Ενέργειας, με τα γνωστά ευεργετήματα, είναι το σχετικά μικρό κόστος κατασκευής των απαιτούμενων εγκαταστάσεων, η μεγάλη απόδοση (40-70 kw ανά μέτρο μετώπου κύματος) και η δυνατότητα παραγωγής υδρογόνου με ηλεκτρόλυση από το άφθονο Θαλασσινό νερό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο. Στα μειονεκτήματα αναφέρεται το κόστος μεταφοράς της Ενέργειας στη στεριά. Η εταιρία OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) χρησιμοποιεί τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του κρύου, βαθιού νερού και του θερμού, ρηχού νερού της Θάλασσας, για την τροφοδότηση ενός θερμοδυναμικού κύκλου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παραγάγει ηλεκτρική Ενέργεια. Βασίζεται στους κύκλους Claude ή Rankine. Απαιτείται ελάχιστη διαφορά θερμοκρασίας γύρω στους 0 0 C (κατά προτίμηση 4 0 C) για οικονομική βιωσιμότητα. Υπάρχουν τρεις βασικοί τύποι διεργασιών OTEC:.3.1 ΣΥΣΤΗΜΑ OTEC ΑΝΟΙΚΤΟΥ ΚΥΚΛΟΥ Η OTEC ανοικτού κύκλου χρησιμοποιεί το τροπικό θερμό νερό της ωκεάνιας επιφάνειας για να παράγει την ηλεκτρική Ενέργεια. Όταν το θερμό νερό της Θάλασσας τοποθετείται σε ένα χαμηλής πιέσεως δοχείο, βράζει. Ο εκτονούμενος ατμός θέτει σε λειτουργία ένα στρόβιλο χαμηλής πιέσεως που συνδέεται με μια ηλεκτρική γεννήτρια. Ο ατμός, που έχει αποβάλει τα άλατα και τις μολυσματικές ουσίες του, πίσω στο χαμηλής πιέσεως δοχείο, είναι καθαρό γλυκό νερό. Επανασυμπυκνώνεται σε ένα υγρό, με έκθεση σε χαμηλές θερμοκρασίες, από το βαθύ ωκεάνιο νερό. Αυτή η μέθοδος έχει το πλεονέκτημα της παραγωγής αφαλατωμένου γλυκού νερού, κατάλληλου για πόση ή άρδευση. Σελίδα0

26 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας Σχήμα.15 OTEC Ανοικτού Κύκλου Το 1984, το Ερευνητικό Κέντρο Ηλιακής Ενέργειας (τώρα το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμης Ενέργειας) ανέπτυξε έναν εξατμιστήρα κάθετων σωλήνων για τη μετατροπή του θερμού Θαλασσινού νερού σε ατμό χαμηλής πίεσης, για τις εγκαταστάσεις ανοικτού κύκλου. Επιτεύχθηκαν αποδοτικότητες Ενεργειακής μετατροπής, της τάξης του 97% από το νερό της Θάλασσας, στη διαδικασία μετατροπής ατμού (η γενική αποδοτικότητα ενός συστήματος OTEC που χρησιμοποιεί έναν εξατμιστήρα κάθετων σωλήνων θα ήταν ακόμα μόνο λίγο τοις εκατό). Στις 9 Μαΐου 1993, εγκαταστάσεις ανοικτού - κύκλου OTEC στο σημείο Keahole, Χαβάη, που παράγει Watt ηλεκτρικής Ενέργειας κατά τη διάρκεια ενός πειράματος παραγωγής καθαρής ισχύος. Αυτό έσπασε το ρεκόρ Watt που επιτεύχθηκε από ένα Ιαπωνικό σύστημα το ΣΥΣΤΗΜΑ OTEC ΚΛΕΙΣΤΟΥ ΚΥΚΛΟΥ Στο σύστημα κλειστού κύκλου OTEC, το θερμό νερό της Θάλασσας ατμοποιεί ένα ενεργό ρευστό, όπως η αμμωνία, που διατρέχει έναν ανταλλάκτη θερμότητας (εξατμιστήρας). Ο ατμός εκτονώνεται σε μέτριες πιέσεις και γυρίζει ένα στρόβιλο που συνδέεται με μια γεννήτρια που παράγει ηλεκτρική Ενέργεια. Ο ατμός συμπυκνώνεται σε έναν άλλον ανταλλάκτη θερμότητας (συμπυκνωτής) που χρησιμοποιεί το κρύο νερό της Θάλασσας, που αντλείται από τα βάθη του ωκεανού, μέσω ενός σωλήνα κρύου νερού. Το Σελίδα1

27 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας συμπυκνωμένο Ενεργό υγρό αντλείται πίσω στον εξατμιστήρα για να επαναλάβει τον κύκλο. Το Ενεργό υγρό παραμένει σε ένα κλειστό σύστημα και κυκλοφορεί συνεχώς. Σχήμα.16 OTEC Κλειστού Κύκλου.3.3 ΥΒΡΙΔΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ OTEC Ένας υβριδικός κύκλος συνδυάζει τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα των συστημάτων κλειστού κύκλου και ανοικτού κύκλου. Σε ένα υβριδικό σύστημα OTEC, το θερμό νερό της Θάλασσας εισάγεται σε έναν κενό θάλαμο, όπου μετατρέπεται γρήγορα σε ατμό, παρόμοιο με τη διαδικασία εξάτμισης ανοικτού κύκλου. Ο ατμός ατμοποιεί το ενεργό υγρό αμμωνίας, ενός βρόχου κλειστού κύκλου, στην άλλη πλευρά ενός ψεκαστήρα αμμωνίας. Το ατμοποιημένο ρευστό οδηγείται έπειτα σε ένα στρόβιλο για να παραγάγει ηλεκτρική Ενέργεια. Ο ατμός συμπυκνώνεται μέσα στον ανταλλάκτη θερμότητας και παρέχει το αφαλατωμένο νερό. Η ηλεκτρική Ενέργεια που παράγεται από το σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ποικίλες εφαρμογές ή να χρησιμοποιηθεί για να παρασκευάσει τη μεθανόλη, το υδρογόνο, τα καθαρισμένα μέταλλα, την αμμωνία και παρόμοια προϊόντα. Σελίδα

28 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας Σχήμα.17 Υβριδικό Σύστημα OTEC.3.4 ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΚΥΚΛΟΥ (HYBRID - CYCLE) Τα υβριδικά συστήματα χρησιμοποιούν τμήματα των συστημάτων και ανοικτού και κλειστού κύκλου για να βελτιστοποιήσουν την παραγωγή ηλεκτρικής Ενέργειας και γλυκού νερού. Εικόνα.8 Υβριδικό Σύστημα Σελίδα3

29 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας.4 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΛΟΓΩ ΤΗΣ ΒΑΘΜΙΔΑ ΑΛΑΤΟΤΗΤΑΣ Η αρχή στην οποία βασίζεται η παραγωγή Ενέργειας λόγω της βαθμίδας αλατότητας είναι η εκμετάλλευση της εντροπίας της ανάμιξης γλυκού νερού με αλμυρό νερό. Η διαφορά στην αλατότητα μεταξύ του νερού της Θάλασσας και του γλυκού νερού δημιουργεί μια διαφορά πίεσης. Εάν στο όριο μεταξύ του νερού της Θάλασσας και του γλυκού νερού τοποθετηθεί μια ημιπερατή μεμβράνη, το γλυκό νερό θα διαπεράσει αργά διαμέσου της, εξαιτίας της όσμωσης. Μπορεί να εξαχθεί Ενέργεια με την εκμετάλλευση της διαφοράς πίεσης. Το ποσό Ενέργειας που εξάγεται είναι ανάλογο προς αυτήν τη διαφορά πίεσης. Αυτή η πηγή Ενέργειας δεν είναι εύκολο να γίνει κατανοητή γιατί δε γίνεται απευθείας αισθητή στη φύση με τη μορφή θερμότητας, καταρρακτών, ανέμου, Κυμάτων ή ακτινοβολίας. Σχήμα.18 Απεικόνιση παραγωγής Ενέργειας λόγω Βαθμίδας Αλατότητας Η Ενέργεια λόγω της βαθμίδας αλατότητας είναι από τις μεγαλύτερες ανανεώσιμες πηγές Ενέργειας η οποία είναι ακόμη ανεκμετάλλευτη. Σελίδα4

30 m 3 Κεφάλαιο ο : Ενέργεια της Θάλασσας Η εκμεταλλεύσιμη Ενέργεια είναι μεγάλη και αντιστοιχεί σε,6 MW για κάθε γλυκού νερού που αναμιγνύεται με Θαλασσινό νερό. Υπολογίζεται ότι η s εκμετάλλευση της Ενέργειας αυτής σε Παγκόσμια Κλίμακα θα έδινε 000 TWh/y. Το κόστος εκμετάλλευσης της Ενέργειας από αυτήν την πηγή είναι υψηλότερο από την πλέον παραδοσιακή υδροηλεκτρική πηγή ισχύος, αλλά είναι συγκρίσιμο με άλλες μορφές ανανεώσιμης Ενέργειας που ήδη παράγονται σε εγκαταστάσεις πλήρους κλίμακας. Έχουν προταθεί διάφορες μέθοδοι για την εξαγωγή αυτής της Ενέργειας. Η πλέον υποσχόμενη μέθοδος είναι η χρήση ημιπερατών μεμβρανών. Σχήμα.19 Εργοστάσιο Αξιοποίησης της Ενέργειας λόγω Βαθμίδας Αλατότητας, όπως το φαντάστηκε ο ζωγράφος Σελίδα5

31 Κεφάλαιο 3 ο : Γενική Περιγραφή Διάταξης Anaconda ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ANACONDA Άλλος ένας τρόπος «παραγωγής» Ενέργειας χρησιμοποιώντας τη φύση. Η λογική είναι «απλή» Σκληροί μα και εύκαμπτοι σωλήνες διακοσίων (00) μέτρων μέσα στη Θάλασσα, απορροφούν την Ενέργεια των Κυμάτων και την αποθηκεύουν στην ουρά τους. Η Bρετανική ομάδα Checkmate έχει σχηματίσει την Checkmate Seaenergy Ltd για να αναπτύξει τον Ενεργειακό Μετατροπέα Κυμάτων Anaconda. Ήδη η διάταξη Anaconda έχει παρουσιάσει σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι άλλων Ενεργειακών Μετατροπέων Kυμάτων. Η μέθοδος λειτουργίας του και η κατασκευή του, δείχνουν ότι έχει τεράστιες δυνατότητες που υπερβαίνουν όλους τους άλλους Eνεργειακούς Μετατροπείς Kυμάτων και πολλές άλλες Ανανεώσιμες Πηγές Eνέργειας. Για να γίνει περισσότερο κατανοητό το Bulge Wave, μπορούμε - κάπως απλοϊκά - να το παραλληλίσουμε με τη ροή του αίματος μέσα στο σώμα μας. Η καρδιά παίζει το ρόλο του Θαλάσσιου Κύματος, οι φλέβες και οι αρτηρίες είναι ο σωλήνας, το αίμα το νερό μέσα στο σωλήνα και λόγω της παλμικής κίνησης της καρδιάς, το αίμα φτάνει σε όλο μας το σώμα. Εννοείται πως όσο πιο γρήγορα χτυπά η καρδιά - δηλαδή όσο πιο δυνατό είναι το Θαλάσσιο Κύμα - τόσο πιο γρήγορα κυλάει και το αίμα. Η μόνη διαφορά είναι ότι ενώ στο τέλος το αίμα ξαναγυρνά στην καρδιά, το νερό μέσα στο σωλήνα θέτει σε κίνηση το στρόβιλο. Αντίθετα από άλλες διατάξεις, που έχουν μόνο μερικά λεπτομερή χαρακτηριστικά, που προστατεύονται από Διπλώματα Ευρεσιτεχνίας, το Anaconda χρησιμοποιεί μια εξ ολοκλήρου νέα αρχή λειτουργίας που προστατεύεται από το δικό του Δίπλωμα Ευρεσιτεχνίας. Φυσικά, όπως και κάθε άλλο φιλόδοξο σχέδιο, εκτός από την αρχική ιδέαέμπνευση και τη σκληρή δουλειά στη συνέχεια, για να συντηρηθεί, να αναπτυχθεί και τελικά να υλοποιηθεί, χρειάζεται και ένα κεφάλαιο από διάφορους χρηματοδότες - και στην περίπτωσή μας, ένα αρκετά μεγάλο. Με τα περίπου ευρώ, όμως, που έχει ήδη Σελίδα6

32 Κεφάλαιο 3 ο : Γενική Περιγραφή Διάταξης Anaconda εξασφαλίσει από το Βρετανικό Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) και σε συνδυασμό με την αρωγή της Checkmate SeaEnergy και του Πανεπιστημίου του Southampton, όλοι πιστεύουν ότι το μέλλον είναι αρκετά ευοίωνο για τα Anaconda. Εικόνα 3.1 Η συσκευή Anaconda όπως φαίνεται μέσα στη Θάλασσα (αναπαράσταση από Ηλεκτρονικό Υπολογιστή) Τέλος, μπορεί στη φύση τα πραγματικά Anaconda να είναι μοναχικά πλάσματα, η Checkmate Seaenergy, ωστόσο, έχει άλλα σχέδια. Ήδη οραματίζεται τη δημιουργία «κοπαδιών» από είκοσι (0) και παραπάνω Anaconda για τη μέγιστη εκμετάλλευση των Κυμάτων. Το μόνο που μένει τώρα είναι να περιμένουμε τέσσερα με πέντε χρόνια, ώσπου να ολοκληρωθεί το όλο εγχείρημα και τα πρώτα «φίδια» να γλιστρήσουν μέσα στη Θάλασσα. Πάντως, ακόμα και να αποτύχει παταγωδώς στην παραγωγή πράσινης Ενέργειας, σίγουρα θα έχει πετύχει κάτι άλλο, εξίσου σημαντικό: με τόσο ντόρο που θα έχει δημιουργήσει γύρω από τα Anaconda, θα έχει βοηθήσει πολλούς ανθρώπους να ξεπεράσουν τη φοβία τους για τα φίδια! Στόχος είναι να αναπτυχθεί η διάταξη Anaconda, έτσι ώστε να είναι η πρώτη Παγκοσμίως Ενεργειακή Συσκευή Κυμάτων, που θα λειτουργήσει εμπορικά, χωρίς επιχορήγηση. Επίσης έχει τη δυνατότητα να σώσει πολλά εκατομμύρια τόνων παραγωγής διοξειδίου του άνθρακα σε όλον τον κόσμο. Σελίδα7

33 Κεφάλαιο 4 ο : Θεωρητικό Παράρτημα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Έστω το p b είναι η πίεση μέσα στο σωλήνα διόγκωσης λόγω διάτασης του σωλήνα (αποκαλούμενη πίεση διόγκωσης) και p w η πίεση στο εξωτερικό Κύμα. Η συνολική πίεση στο εσωτερικό του σωλήνα επομένως είναι p p b p w. Έστω u η σωματιδιακή ταχύτητα του κύματος διόγκωσης κατά τον άξονα των x. Κατόπιν συμφώνα με το Lighthill με ένα ασυμπίεστο ρευστό πυκνότητας μέσα στο σωλήνα, η επιτάχυνση δίνεται από την κλίση της συνολικής πίεσης u t 1 p x ( 4.1) ενώ η μεταβολή στην κάθετη διατομή S του σωλήνα είναι S t u S x ( 4.) Διαφορίζοντας ξανά για απαλοιφή του u προκύπτει: S t S p x ( 4.3) Αλλά το S εξαρτάται γραμμικά από την πίεση διόγκωσης p b σύμφωνα με τη σχέση ds dpb (Αυτή η εξίσωση ορίζει τη διασταλτικότητα D ). Επομένως DS ( 4.4) Σελίδα8

34 Κεφάλαιο 4 ο : Θεωρητικό Παράρτημα S t Ο συνδυασμός των (4.3) και (4.5) δίνει p DS t b ( 4.5) b t P 1 D x { p b p w } ( 4.6) Χωρίς εξωτερικό Κύμα, αυτή είναι η εξίσωση Κύματος για την πίεση διόγκωσης λύση p b με p b gbcos( t kx) ( 4.7) δηλαδή ένα Κύμα με αρχικό πλάτος gb και ταχύτητα c k 1/ D ( 4.8) / Το B είναι το ύψος μιας στήλης νερού που αντιστοιχεί στη μέγιστη πίεση διόγκωσης. Η σχέση (4.7) είναι η έκφραση για το Κύμα διόγκωσης με το σωλήνα στον αέρα ή σε ήρεμο νερό. Ακλουθώντας τη συνηθισμένη παραδοχή για τις διαφορικές εξισώσεις, την καλούμε συμπληρωματική λειτουργία (Complementary Function, CF ). Με την παρουσία ενός εξωτερικού Κύματος με Κυματικό αριθμό k 1 και ταχύτητα c1 / k 1 και πλάτος A, η πίεση Κύματος είναι p w gacos( t k1x) και μπορούμε να λύσουμε τη σχέση (4.6) για να πάρουμε μια λύση, το ειδικό ολοκλήρωμα PI, με αντικατάσταση p b gbcos( t k1x). Χρησιμοποιώντας τη σχέση (4.8) αυτή ικανοποιεί τη σχέση (4.6) εάν A A B ( 4.9) k / k 1 c / c σε τέλεια συμφωνία με την εξίσωση (4.6). (Σε αυτό το έγγραφο έχει παρουσιαστεί ένας εναλλακτικός τρόπος παραγωγής της θεωρίας σε ένα πλαίσιο αναφορικής κίνησης με τα Κύματα). Ας σημειωθεί ότι το ειδικό ολοκλήρωμα έχει τον ίδιο κυματικό αριθμό k 1 (και ταχύτητα) όπως το εξωτερικό Κύμα. Η συμπληρωματική λειτουργία έχει την ίδια Σελίδα9

35 Κεφάλαιο 4 ο : Θεωρητικό Παράρτημα συχνότητα, αλλά ο Κυματικός της αριθμός k (και η ταχύτητα) είναι αυτός ενός ελεύθερου Κύματος διόγκωσης. Για να πάρουμε τη γενική λύση τη σχέσης (4.6) μπορούμε να προσθέσουμε μια CF, σχέση (4.7), οποιουδήποτε πλάτους στο PI, σχέση (4.9), επειδή ο συνδυασμός συνεχίζει να ικανοποιεί τη σχέση (4.6). Για ένα διασταλτό σωλήνα με πεπερασμένο μήκος αναμένουμε το κύμα διόγκωσης να είναι ίσο με μηδέν στο τόξο, x 0, με αποτέλεσμα η επιθυμητή λύση να είναι p b gb{cos( t k1x) cos( t kx)} ( 4.10) με το B που δίνεται από τη σχέση (4.9). Αυτό μπορεί να γραφτεί p b gbsin( t kx)sin( x k / ) ( 4.11) όπου k ( k )/ 1 k και k k k1. Αυτό είναι ένα διακινούμενο Κύμα με μέσο κυματικό αριθμό και πλάτος B AF όπου ο παράγοντας ενίσχυσης πίεσης F είναι αν το Η προσέγγιση ισχύει εάν το k1 1 sin( x k / ) k x ( 4.1) k k F 1 x k είναι μικρό. Ας σημειωθεί ότι δεν έχει σημασία k είναι θετικό ή αρνητικό καθώς αυτός ο όρος ακυρώνεται. Βλέπουμε από τη σχέση (4.1) ότι για μικρό k το πλάτος διόγκωσης αυξάνεται γραμμικά κατά μήκος του σωλήνα: η Ενέργεια διόγκωσης (βλ. κατωτέρω) αυξάνεται ανάλογα με το x. Αλλά όταν η ταχύτητα του κύματος διόγκωσης διαφέρει αρκετά από την ταχύτητα του Θαλάσσιου Κύματος, ο παλμός μεταξύ της CF και του PI, τα οποία έχουν διαφορετικούς κυματικούς αριθμούς, προκαλεί ανύψωση και πτώση του πλάτους διόγκωσης κατά μήκος του σωλήνα. 4.1 ΣΥΖΗΤΗΣΗ Αν κάποιος πάρει μια απεικόνιση του συστήματος σε μια χρονική στιγμή που το t n, το κύμα διόγκωσης στη σχέση (4.11) θα φαίνεται σαν sin( k x) ενώ το Kύμα του νερού θα φαίνεται σαν cos( k 1 x). Το Κύμα προωθείται προς μεγαλύτερα x, έτσι Σελίδα30

36 Κεφάλαιο 4 ο : Θεωρητικό Παράρτημα βλέπουμε ότι η διόγκωση οδηγεί το κύμα στις 90 ο : μέγιστη διόγκωση συμβαίνει εκεί που το νερό στο εξωτερικό του σωλήνα υψώνεται ταχύτατα. Έτσι το Κύμα ενεργεί στο να ανυψώνει τη διόγκωση και αυτό δεν είναι τελείως καθορισμένο το πού πέφτει το Κύμα γιατί η διόγκωση στη συνέχεια γίνεται ελάχιστη. Ένα καθαρό ποσό Ενέργειας μεταφέρεται στη διόγκωση. Κατά μια άλλη έννοια η διόγκωση σα να σερφάρει στο μπροστά μέρος του κύματος, μαζεύοντας Ενέργεια με αυτόν τον τρόπο. Σύμφωνα με τη σχέση (4.9) το PI είναι είτε σε φάση με το υδάτινο Κύμα ή σε αντίφαση γεγονός που εξαρτάται από το σε ποιά πλευρά του αντηχείου πέφτει η ταχύτητα διόγκωσης. Αλλά η σχέση (4.11) δείχνει ότι η αρχική απόκριση διόγκωσης είναι σε τετραγωνισμό με το υδάτινο Kύμα. Αυτή η φαινομενική αντίφαση επιλύεται όταν περιλαμβάνουμε την ύγρανση που οφείλεται στην υστέρηση ή στην Κυματική ακτινοβολία. Σε αυτήν την περίπτωση το CF θα φθίνει αργά και στο τέλος ενός μακριού σωλήνα έχουμε μείνει μόνο με το PI. Επίσης, αν υπάρχει ύγρανση, η απόκριση της PI στο αντηχείο δε θα είναι απεριόριστη όπως προκύπτει από τη σχέση (4.9), αλλά θα έχει τη μορφή μιας συνήθους καμπύλης αντηχείου. Η διακύμανση της φάσης των 180 ο κατά το πέρασμα διαμέσου του αντηχείου είναι χαρακτηριστική. Στο μέγιστο της αντήχησης η φάση είναι ακριβώς η μισή, έτσι η διόγκωση θα οδηγήσει την κορυφή του Κύματος στις 90 ο ακόμη και στα μεγάλα x. Αυτό έχει επιβεβαιωθεί από περισσότερο λεπτομερή μαθηματικά που περικλείουν την ύγρανση που οφείλεται στην υστέρηση στο ελαστικό. Η σχέση (4.11) δείχνει ότι αν οι ταχύτητες δεν ταιριάζουν, το πλάτος της διόγκωσης θα διακυμαίνεται καθώς θα προσχωρούμε κατά μήκος του σωλήνα. Όμως αυτή η ταλάντωση θα εκλείψει καθώς το CF εξασθενεί. 4. ΕΥΡΟΣ ΣΥΛΛΗΨΗΣ Χρησιμοποιώντας τη σχέση (4.1) και (4.7) βρίσκουμε ότι το πλάτος της οριζόντιας ταχύτητας στο Kύμα διόγκωσης είναι u max p b max ( 4.13) c Σελίδα31

37 Κεφάλαιο 4 ο : Θεωρητικό Παράρτημα Αν c c /, τότε u, υποδηλώνοντας ότι η οριζόντια έξοδος των 1 g σωματιδίων του νερού στο Κύμα διόγκωσης είναι max. Η ισχύς στο Kύμα διόγκωσης για ένα σωλήνα διατομής S είναι P b Spb max S( gaf ) Sumax pb max / ( 4.14) c c Η ισχύς στο Θαλάσσιο Κύμα ανά μονάδα εύρους μετώπου Κύματος είναι P A w g / 4. Διαιρώντας μπορούμε να βρούμε το εύρος σύλληψης W ksf ( 4.15) με τον παράγοντα επέκτασης F να δίνεται από τη σχέση (4.1). Για παράδειγμα για ένα σωλήνα διαμέτρου 7m και μήκους 150m σε 10 s, τα Kύματα θα έχουν ένα εύρος σύλληψης 3m. Αλλά εξαιτίας της δράσης του παράγοντα k στις σχέσεις (4.1) και (4.15), η μέγιστη σύλληψη θα είναι σε μικρότερες Kυματικές περιόδους όπως φαίνεται στο διάγραμμα του σχήματος 4.1. Με το συνδυασμό των σχέσεων (4.13) και (4.1), αν το κύμα προωθείται με την ( c1 ίδια ταχύτητα με τη διόγκωση, c ), η ταχύτητα των σωματιδίων στη διόγκωση είναι ακριβώς F φορές η ταχύτητα των σωματιδίων ωα στο κύμα και το πλάτος των σωματιδίων στη διόγκωση, είναι ένας παράγοντας F φορές το πλάτος των σωματιδίων στο Κύμα. Το πλάτος σύλληψης σχεδιάζεται σα συνάρτηση της Περιόδου του Κύματος στο σχήμα 4.1, για ένα σωλήνα διαμέτρου 7m και μήκους 150m. Η πολλαπλοί μηδενισμοί οφείλονται στη διαμόρφωση της συμπληρωματικής συνάρτησης με το ιδιαίτερο ολοκλήρωμα να δίνει τον όρο sin( k) στη σχέση (4.1). Η ακτινοβολία ύγρανσης, που δεν περικλείεται εδώ, μειώνει το μέγιστο του εύρους σύλληψης και εξομαλύνει τους μηδενισμούς. Σελίδα3

38 Κεφάλαιο 4 ο : Θεωρητικό Παράρτημα ήμα 4.1 Θεωρητικό πλάτος σύλληψης συναρτήσει της περιόδου του κύματος για σωλήνα διαμέτρου 7 m και μήκους 150 m. Οι μηδενισμοί σε μικρές περιόδους μπορούν να πληρωθούν με μετατροπή του σχεδίου Σχ 4.3 ΜΕΓΕΘΟΣ ΔΙΟΓΚΩΣΗΣ Συνδυάζοντας τις σχέσεις (4.4) και (4.8) ds max S dp ( 4.16) max c η τάση στο τέλος ενός σωλήνα διόγκωσης ακτίνας r, με ένα τυχαίο κύμα πλάτους A είναι dr r dsnax 1 k AF ( 4.17) S Για παράδειγμα στην αντήχηση με ένα σωλήνα μήκους ενός μήκους Κύματος, η σχέση (4.1) δείχνει ότι το F, έτσι ένα κύμα πλάτους m θα έδινε ένα πλάτος πίεσης AF 6m πίεση νερού στο τέλος του σωλήνα, ενώ ο αριθμός Κύματος k είναι τυπικά (1/ 4)m 1, έτσι η τάση του σωλήνα θα ήταν περίπου 1 %. Αυτό είναι αρκετά μικρό για το φυσικό ελαστικό για αυτές τις μάλλον ακραίες συνθήκες, που αντιστοιχούν σε 5 MW Σελίδα33

39 Κεφάλαιο 4 ο : Θεωρητικό Παράρτημα στο τέλος ενός σωλήνα διαμέτρου 7 m. Εάν ο σωλήνας συμπιεστεί για την αποφυγή αρνητικών διακυμάνσεων πίεσης, η μέγιστη τάση στο τοίχωμα θα ήταν 5%. 4.4 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΟΥ ΣΩΛΗΝΑ ΔΙΟΓΚΩΣΗΣ Για ένα σωλήνα ακτίνας r με πάχος τοιχώματος h, κατασκευασμένον από ελαστικό, με συντελεστή Young E, η διόγκωση D που έχει οριστεί στη σχέση (4.4) είναι D r ( 4.18) Eh Συνδυάζοντας με την εξίσωση (4.8), η συνθήκη για να έχει το κύμα διόγκωσης ταχύτητα c είναι Eh r c ( 4.19) Αυτό δείχνει ότι το πάχος του τοιχώματος h, και ως εκ τούτου ο συνολικός όγκος του καουτσούκ μπορεί να μειωθεί εάν ο συντελεστής ελαστικότητας E του υλικού είναι ψηλός. Το πόσο μπορεί να αυξηθεί το E χωρίς μη αποδεκτή υστέρηση και περιορισμούς στην επίδραση της τάσης εξαρτάται από τα διαθέσιμα καουτσούκ και μια συνετή επιλογή του πληρωτικού υλικού. αναλογία Μια άλλη συνέπεια της εξίσωσης (4.19) είναι ότι για μια δεδομένη τιμή του E, η h / r είναι ανεξάρτητη από την ακτίνα r της διάταξης. Αυτό σημαίνει ότι ο όγκος του καουτσούκ που απαιτείται για μια δεδομένη έξοδο ισχύος [βλέπετε σχέση (4.15)] είναι ο ίδιος για ένα μεγάλο σωλήνα ή για πολλαπλότητα μικρών σωλήνων. 4.5 ΑΠΟΘΗΚΕΥΜΕΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Σε όλα τα κύματα και τα ταλαντούμενα συστήματα υπάρχει μια ρυθμική ανταλλαγή Ενέργειας, συνήθως μεταξύ της κινητικής και της δυναμικής Ενέργειας. Στο κύμα διόγκωσης η δυναμική Ενέργεια αποθηκεύεται στο ελαστικό τοίχωμα του σωλήνα. Από τις σχέσεις (4.16) και (4.14) η Ενέργεια που αποθηκεύεται ανά μονάδα μήκους είναι Σελίδα34

40 Κεφάλαιο 4 ο : Θεωρητικό Παράρτημα J b 1 p b max ds max Sp b max c P c b ( 4.0) Εάν ο σωλήνας διογκωθεί σε μια μέση πίεση ίση με p b max έτσι ώστε η εσωτερική πίεση ποτέ να μην κυμαίνεται σε αρνητικές τιμές, τότε η Ενέργεια που αποθηκεύεται στο καουτσούκ είναι τέσσερις φορές μεγαλύτερη, 4P J b b c ( 4.1) Ας συγκρίνουμε αυτή με την Ενέργεια που μπορεί να αποθηκευτή στο καουτσούκ. Με το συντελεστή E σε τάση η Ενέργεια που αποθηκεύεται ανά κυβικό μέτρο είναι E /. Έτσι για ένα σωλήνα ακτίνας r με πάχος τοιχώματος h, η αποθηκευμένη Ενέργεια ανά μέτρο μήκους θα ήταν J r reh r c ( 4.) όπου έχουμε πάρει την τιμή του Eh από τη σχέση (4.19). Εξισώνοντας αυτό με την απαίτηση της σχέσης (4.0) παίρνουμε τη δυνατότητα ισχύος του ελαστικού σωλήνα P b 3 r c / ( 4.3) Είναι ενδιαφέρον να βρούμε ότι αυτό είναι ανεξάρτητο από το συντελεστή και το πάχος του τοιχώματος που διαθέτουμε ικανοποιεί τη σχέση (4.19) και είναι ανάλογο με τη κάθετη διατομή του σωλήνα. Καθώς το εύρος σύλληψης της σχέσης (4.15) είναι επίσης ανάλογο με την κάθετη διατομή, έχουμε έναν καλό συνδυασμό σε όλους τις διαμέτρους σωλήνων. P b Για ένα κύμα 10 s με ένα συμπιεσμένο σωλήνα και μέγιστη τάση 50%, το d 0,33 MW όπου d είναι η διάμετρος του σωλήνα. Για διάμετρο σωλήνα 7 m η δυνατότητα ισχύος διόγκωσης θα ήταν 16 MW!! Αυτό είναι πολύ μεγαλύτερο από την απαίτησή μας. Σελίδα35

41 Κεφάλαιο 4 ο : Θεωρητικό Παράρτημα Κυκλικές τάσεις έως και 50% στο καουτσούκ παράγουν μηδαμινή καταπόνηση. Έτσι φαίνεται ότι αυτό είναι ένα ιδανικό υλικό για το Anaconda. Η ποιότητα του ελαστικού, του γεμίσματος και η κατασκευή του τοιχώματος για να παρέχει το σωστό συνδυασμό των E και h, με μικρή απώλεια υστέρησης σε βέλτιστο κόστος διερευνώνται. Σελίδα36

42 Κεφάλαιο 5 ο : Λειτουργία της Κυματικής Διάταξης Anaconda ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ ΚΥΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ANACONDA Το σύστημα του Anaconda χρησιμοποιεί έναν εξ ολοκλήρου καινούργιο τρόπο εκμετάλλευσης της Ενέργειας των Κυμάτων. Ουσιαστικά, είναι ένας πολύ μεγάλος [διακόσια (00) μέτρα μήκος, επτά (7) μέτρα διάμετρος] λαστιχένιος σωλήνας γεμάτος με νερό που επιπλέει κάτω από την επιφάνεια της Θάλασσας κάθετα στα Κύματα, με τη βοήθεια ενός στροβίλου στο πίσω μέρος. Καθώς έρχεται το Κύμα, ο διογκωμένος σωλήνας ανυψώνεται μαζί με το Κύμα και αυτό αναγκάζει ένα κύμα διόγκωσης (Bulge Wave) να διεγερθεί, το οποίο περνά κάτω από τα εξωτερικά τοιχώματα του σωλήνα, συλλέγοντας με αυτό τον τρόπο την Ενέργεια των Κυμάτων. Η συνεχόμενη συλλογή Ενέργειας, προκαλείται από την αντήχηση μεταξύ των συχνοτήτων του διογκωμένου Κύματος και του Θαλάσσιου. Έτσι η Ενέργεια περνάει από το πλάτος του Κύματος στο σωλήνα, καθώς αυτό προχωράει κατά μήκος του σωλήνα. Σχήμα 5.1 Αναπαράσταση της κίνησης του κύματος διόγκωσης Σελίδα37

43 Κεφάλαιο 5 ο : Λειτουργία της Κυματικής Διάταξης Anaconda Η Ενέργεια από το Θαλάσσιο κύμα αποθηκεύεται στο λάστιχο σαν πιθανή Ενέργεια ταλάντωσης (σε ένα Θαλάσσιο Κύμα αποθηκεύεται σαν πιθανή Ενέργεια λόγω της βαρύτητας). Το κύμα διόγκωσης ταξιδεύει ακριβώς μπροστά από το Κύμα μαζεύοντας την Ενέργεια καθώς αυξάνεται σταδιακά το μέγεθος του Κύματος. Στο τέλος του σωλήνα η Ενέργεια του Κύματος διόγκωσης μετατρέπεται σε Κύμα νερού που οδηγεί ένα στρόβιλο σε λειτουργία, εφόσον η ροή του νερού έχει εξομαλυνθεί. Στο σχήμα 5.1 τα Κύματα έρχονται από αριστερά. Τα βέλη δείχνουν την ταλαντευόμενη ροή του νερού μέσα στο σωλήνα. Η ταχύτητα του Κύματος διόγκωσης στο σωλήνα και των Κυμάτων στη Θάλασσα είναι η ίδια, έπειτα η Ενέργεια των Κυμάτων μεταφέρεται βαθμιαία στο σωλήνα. Εκεί όπου σχηματίζονται τα «τόξα» το Κύμα συμπιέζει το σωλήνα και ξεκινάει ένα Κύμα διόγκωσης. Αλλά καθώς ρέει, το Κύμα το ακολουθεί συμπιέζοντάς το όλο και περισσότερο με αποτέλεσμα το Κύμα διόγκωσης μέσα στο σωλήνα να αυξάνει συνεχώς το μέγεθός του. Το Κύμα διόγκωσης που σχηματίζεται μέσα στο σωλήνα, κινείται συνεχώς μπροστά από τα εξωτερικά Κύματα όπου η κλίση τους είναι υψηλότερη. 5.1 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΣΤΡΟΒΙΛΟΥ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Ο ελαστικός σωλήνας του Anaconda είναι το πρώτο στάδιο στη διαδικασία μετατροπής Ενέργειας, που συγκεντρώνει την Ενέργεια των Κυμάτων σε ένα Κύμα διόγκωσης. Έπειτα είναι απαραίτητο να μετατραπεί η Ενέργεια του Κύματος διόγκωσης σε ηλεκτρική Ενέργεια. Οι περισσότερες σύγχρονες διατάξεις μετατροπής Κυματικής Ενέργειας σχεδιάζονται να λειτουργούν με ηλεκτροϋδραυλικά συστήματα ενσωματώνοντας υδραυλικούς συσσωρευτές με σκοπό να εξομαλύνουν τη δύναμη της ροής, επιτρέποντας στις κατευθυνόμενες υδραυλικές μηχανές να λειτουργούν με μεγαλύτερη αποδοτικότητα. Στην περίπτωση της διάταξης Anaconda το νερό που υπάρχει μέσα στον σωλήνα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ενεργό ρευστό. Οι μονόδρομες βαλβίδες στην ουρά της συσκευής, επιτρέπουν στο νερό να περάσει στους συσσωρευτές υψηλής και χαμηλής πίεσης. Έπειτα ένας στρόβιλος εκμεταλλεύεται την εξομάλυνση του νερού μεταξύ των συσσωρευτών. Σελίδα38

44 Κεφάλαιο 5 ο : Λειτουργία της Κυματικής Διάταξης Anaconda Το νερό από κάθε προερχόμενο Κύμα διόγκωσης ρέει υπό πίεση στον ανώτερο συσσωρευτή του ηλεκτροϋδραυλικού συστήματος, μέσω μιας μονόδρομης βαλβίδας. Η αποθήκευση της Ενέργειας οφείλεται στη δύναμη της βαρύτητας επειδή οι συσσωρευτές βρίσκονται σε διαφορετικά ύψη. Ο ελεύθερος χώρος επάνω από κάθε συσσωρευτή καταλαμβάνεται από έναν αερόσακο μεταβλητού όγκου. Αυτοί διασυνδέονται και χρησιμοποιούνται για να διατηρούν μια θετική πίεση στο σύστημα. Η αναπλήρωση της πίεσης οφείλεται στο σύστημα πίεσης που βρίσκεται υψηλότερα από την περιβάλλουσα Θάλασσα που με αυτόν τον τρόπο επιτρέπει το νερό να ρέει λόγω της βαρύτητας μέσα από το στρόβιλο προς το χαμηλότερο θάλαμο. Καθώς το νερό απομακρύνεται από τον υψηλότερο θάλαμο, ο αέρας από τον αερόσακο του χαμηλότερου θαλάμου ακολουθεί την αντίθετη κατεύθυνση για να γεμίσει τον όγκο του ψηλότερου θαλάμου. Με αυτόν τον τρόπο ο συνολικός όγκος και των δύο συσσωρευτών παραμένει ίδιος. Σχήμα 5. Το νερό απομακρύνεται από τον υψηλότερο θάλαμο Σχήμα 5.3 Ο αέρας του χαμηλότερου θαλάμου καθώς γεμίζει τον όγκο του υψηλότερου θαλάμου Σελίδα39