Studii Privind Dezvoltarea Extragerii Energieiei Valurilor, Perspectiva Pentru Prezent Si Viitor

Studii privind dezvoltarea extragerii energieiei valurilor,

perspectivă pentru prezent și viitor

CUPRINS

1. Cuprinsul lucrării – nr. pag. 1-2

2. Oportunitatea temei sau introducerea ce se referă la problematica abordată și

importanța teoretică și practică a temei, actualitatea sa pentru domeniul în cauză –

nr. pag. 1-2

3. Capitolul I – stadiul cunoașterii temei respective și direcțiile de cercetare

științifică în țară și străinătate întreprinse în vederea perfecționării domeniului

repectiv – realități, preocupări și puncte de vedere actuale de ultimă oră în

domeniul respectiv de unde este desprinsă tema de licență – nr. pag. 8-10

4. Capitolul II – analiza detaliată a temei alese – evidențierea contribuției cercetării

efectuate de student. – nr. pag . 15-20. Prezentarea tehnologiei sau a metodei

folosite – cât și descrierea detaliată academică și științifică a acesteia.

Cadrul specific unde s-a desfășurat experiența – lucrarea

Modul de lucru

5. Capitolul III – Rezultate și discuții – analiza/studiul rezultatelor punerea acestora

fie în model matematic de comparație, fie se va analiza eficiența, îmbunătățirea

metodei folosite sau a soluțiilor identificate – comparativ cu stadiul actual/modele

actuale existente.

Se vor prezenta modele concrete de calcule tehnice – variante comparative cu

prezentarea elementelor de superioritate ale fiecărei variante, soluții alternative

etc. – nr. pag. 15-20

6. Capitolul IV – Concluzii și propuneri. Se pot relua în mod succint, unele idei și

observații originale din capitolele lucrării, sau se formulează o serie de noi

sugestii, bine fundamentate privind activitatea analizată și modalități de

perfecționare -nr. pag. 3-5

7. Bibliografie cât mai completă și detaliată (autori în ordinea alfabetică, anul, titlul

lucrarii, revista în care a apărut, paginile, ce au stat la baza studiului). Bibliografia

nu se reduce la lista de lucrări indicate la sfârșitul lucrării de licență – ea trebuie să

fie prezentă și indicată corect pe tot parcursul lucrării – trimiterea făcandu-se pe

baza numerelor de ordine, (trecute in paranteze pătrate)

INDRODUCERE

Proiectele de cercetare privind energia valurilor au inceput in anii 1970 cand criza petrolului a favorizat un interes crescand pentru energiile regenerabile. La acea vreme au fost propuse si dezvoltate o mare varietate de dispozitive pentru captarea energiei valurilor, dar succesul a fost in general mult sub asteptari. In multe dintre cazuri, forta distructiva a energiei valurilor era mult subestimata, iar dispozitivele de conversie a energiei nu dadeau intotdeauna rezultatele asteptate. In consecinta, cand criza energetica a ajuns la final, a scazut si interesul privind conversia energiei valurilor iar pe la inceputul anilor 80 multe dintre cercetarile incepute au fost oprite.

La mijlocul anilor 80 au fost instalate niste dispozitive prototip rezultate din cercetarilor anterioare. Evolutia tehnologiilor a ramas lenta pana pe la inceputul noului secol, urmand noua cale a energiilor regenerabile. Cercetarile energiei valurilor si dezvoltarea tehnologiei au fost revigorate semnificativ din anul 2000, ca o consecinta a eforturilor din intreaga Europa pentru cresterea substantiala a productiei de energie din surse de energie regenerabila. Succesul sectorului energiei eoliene a contribuit cu certitudine la o noua abordare, pozitiva, a conversiei energiei valurilor oceanelor.

Tehnologii distincte au fost dezvoltate pentru aplicatii pe tarmuri, in apropierea tarmului si offshore (platforma continentala), acesta din urma fiind in primul rand vizat spre testarea multor dispozitive, datorita nivelului foarte ridicat al energiei valurilor in apele adanci din larg.

Conform caracteristicilor amplasamentelor in care sunt montate, tehnologiile pentru energia valurilor sunt impartite frecvent in cele localizate pe linia tarmului (sau coasta), langa coasta si in larg. Conditiile fizice (cum sunt: adancimea apei, nivelul de putere, orientare si hidrodinamica) relevante pentru conversia energiei valurilor sunt diferite in functie de adancimea apei si distanta fata de tarm. Valurile se deplaseaza in apele adanci aproape fara pierderi de energie de-a lungul oceanului, motiv pentru care se considera ca tehnologiile plutitoare instalate in ape adanci vor avea cel mai mare potential de implementare la scara mare. Adancimile uzuale pentru tehnologiile in larg sunt de cca. 50 m. In ape mai putin adanci, valurile sunt supuse frecarii cu patul marii, ceea ce face ca aceste amplasamente sa fie mai putin interesante din punct de vedere energetic. Totusi, deoarece acestea sunt mai apropiate de tarm (langa tarm), costurile de fixare si conectare la retea scad si in anumite cazuri echipamentele instalate pe patul marii pot fi viabile. In sfarsit, echipamentele de pe coasta, care uzual sunt integrate in linia de coasta sau intr-o structura de aparare artificiala, au un potential incident disponibil de energie mai scazut, dar acces mai usor la retea si diferite solutii structurale.

SITUATIA PE PLAN INTERNATIONAL

In prezent exista sute de geamanduri de semnalizare care utilizeaza energia valurilor, fabricate de China si Jponia, si se depun eforturi deosebite pentru a se reliza centrale de mare putere. Aceste centrale se bazeaza pe diverse principii. Analizand modul de functionare a acestor centrale, se poate constata ca toate au o caracteristica comună, si anume generatoarele prin turbine.

Fig. 1. Amplasamentul resurselor in Europa.

În funcție de orientarea liniei de coata (in particular pentru insule) si de starea dominanta a marilor (adica fenomenele climatice care stau la originea valurilor), valurile pot atinge zona tinta in diferite conditii. Pe coastele vestice ale Europei, im particular in Portugalia, Spania si Franta, lunile de vara (iunie – septembrie, dar in special iulie – august) pot fi foarte sarace in valuri.

Pe langa importanta pe care o are pentru a realiza comparatii ale potetialului general al valurilor intre diferite regiuni, energia medie anuala poate fi inșelătoare, dacă nu este interpretata impreuna cu variatia sa sezoniera. Mediile anuale pot fi bazate pe potentiale mari ale valurilor, dar care nu pot fi folosite, fiind caracterizate de efecte distructive pe perioade scurte si aproape lipsite de energie exploatabila pe intervale lungi. Este esential ca aceasta periodicitate sa nu afecteze cererea locala de energie electrica, in cazul in care se doreste ca energia valurilor sa constituie o sursa importanta in alimentarea cu energie electrica a acelei regiuni.
Un factor decisiv pentru a stabili cat de adecvata este o linie de coasta este cel al proprietatilor sale batimetrice (adica inclinatia si forma patului sau). Spre deosebire de vanturile din larg, tehnologiile pentru energia valurilor, in general nu au un impact vizual asupra coastei, ceea ce permite instalarea de preferinta a fermelor cat mai aproape de tarm. Aceasta inseamna posibilitatea unei reduceri semnificative a costurilor de cablare si instalare si la o eficientizare a supravegherii si intretinerii echipamentelor. Cea mai adecvata adancime pentru echipamentele specifice utilizate in conversia energiei valurilor este de 50 m, daca se ia in considerare compromisul intre disponibilul de energie si cheltuielile pentru ancorare.
Regiunile cu batimetrie abrupta (adica cu tarmuri continentale abrupte si ape adanci aproape de coasta), spre exemplu Portugalia, sunt avantajoase pentru amplasarea dispozitivelor de exploatare a energiei valurilor. Conditiile patului marii nu reprezinta cel mai critic aspect deoarece majoritatea tehnologiilor cu dispozitive plutitoare. Pentru traseul cablurilor catre uscat se prefera in general marile cu paturi nisipoase. In ceea ce priveste conditiile de pe uscat, este important ca statia de pe uscat si /sau substatia care realizeaza interfata cu reteaua electrica de pe uscat, sa fie apropiata de unitatea de generare a energiei, daca conditiile specifice de sol si topografice ce apar la montaj odata cu inaintarea catre interiorul uscatului, permit amplasarea cablurilor la costuri practicabile. In mod realist, se preconizeaza ca si alte cerinte de infrastructura vor constitui un factor geografic important pentru implementarea acestei tehnologii. In anumite zone, se va dezvolta infrastructura necesara dezvoltarii tehnologiei de conversie a energiei valurilor, in timp ce in alte regiuni, existenta unor industrii echivalente (de exemplu constructia de nave, constructia de structuri de otel, dezvoltarea de diferite alte activitati in largul apelor) vor sprijini substantial dezvoltarea acestei tehnologii.

In proiectele la scara mare, principalul obstacol va fi capacitatea si disponibilitatea retelei electrice. Aceasta datorita faptului ca resursele favorabile de energie a valurilor se pot regasi in zone cu retele relativ slab dezvoltate, chiar in Europa. Viitorul pentru implementarea la scara mare a proiectelor pentru energia valurilor va fi determinat partial de gradul in care sursele de energie regenerabila maritime vor constitui o prioritate la nivel transnational. Nu este suficienta reusita in dezvoltarea tehnologiei si in initiativele singulare la nivel international pentru integrarea in retea a energiei electrice produsa din valuri la scara mare, ci va fi nevoie de realizarea unor investitii majore la nivel international in structura retelei, atat pe uscat cat si in larg si intre diferite tari  (adica Reteaua Europeana Transnationala). Propunerea SUPERGRID a fost facuta de compania de utilitati  Airtricity, care a sugerat construirea in larg a unor “coloane vertebrale” puternice ale unei retele internationale, pentru a conecta cateva ferme de exploatare a energiei maritime regenerabile, care urmeaza a fi construite in regiune. Desi aceasta propunere s-a axat pe energia eoliana, exploatarea masiva a energiei valurilor poate de asemenea beneficia de atare infrastructuri. Evident ca, datorita costurilor mari pentru dezvoltarea tehnologiei energiilor regenerabile din larg, va fi imposibil sa se incorporeze astfel de probleme legate de retea, in bugetele sectorului dezvoltarii tehnologiei, ceea ce va necesita eforturi financiare suplimentare.

CERCETARI EFECTUATE IN ȚARA NOASTRĂ IN DOMENIUL ENERGIEI VALURILOR

Marea Neagra a fost si este considerata o mare relativ calma. Cu toate acestea, efectul valurilor ei, nu poate fi nesocotit. In urma unor cercetari se poate sustine ca regimul valurilor este mai intens in larg decat in apropierea tarmului, aceassi concluzie tragandu-se si in cazul vanturilor. Particularitatile pe care le prezinta regimul valurilor din Marea Neagra influenteaza in mod decisiv alegerea procedeului de captare optim. Caracteristicile dinamice medii ale valurilor din Marea Neagra, obtinute in urma unor indelungate observari si masuratori, sunt modeste: inaltimea de 1 metru, perioada de 4,5 secunde si lungimea de unda de 28,7 metri, 66 % din valuri fiind valuri de vant iar restul de 34 % valuri de hula. In privinta inaltimii maxime, au fost evaluate valuri de 9,8 metri in timpul furtunii. Datorita acestui regim calm, in comparative cu alte zone de pe glob, valoarea potentialului energetic brut al valurilor din preajma litoralului romanesc este relative redusa. Studiile si cercetarile facute in tarm au ajuns la concluzia ca pe fiecare metru linear de front matitim amnajat se pot obtine aproximativ 40 000-50 000 kWh/an sau 8-9 TWh/an, in ipoteza instalarii unui singur sir de continuu de sisteme de captare cu randamentul egal cu 1,00.

Pentru Romania a existat si o propunere de realizare. Aceasta se refera la mocrocentrala hidropneumatica care reprezinta un compartiment de 5 metri lungime, realizat din tabla de otel, care are o deschidere indreptata spre larg. Peretele din fata formeaza un unghi de circa 45° fata de orizontala, pentru favorizarea patrunderii valurilor in incinta. rgiei valurilor poate de asemenea beneficia de atare infrastructuri. Evident ca, datorita costurilor mari pentru dezvoltarea tehnologiei energiilor regenerabile din larg, va fi imposibil sa se incorporeze astfel de probleme legate de retea, in bugetele sectorului dezvoltarii tehnologiei, ceea ce va necesita eforturi financiare suplimentare.

CERCETARI EFECTUATE IN ȚARA NOASTRĂ IN DOMENIUL ENERGIEI VALURILOR

Marea Neagra a fost si este considerata o mare relativ calma. Cu toate acestea, efectul valurilor ei, nu poate fi nesocotit. In urma unor cercetari se poate sustine ca regimul valurilor este mai intens in larg decat in apropierea tarmului, aceassi concluzie tragandu-se si in cazul vanturilor. Particularitatile pe care le prezinta regimul valurilor din Marea Neagra influenteaza in mod decisiv alegerea procedeului de captare optim. Caracteristicile dinamice medii ale valurilor din Marea Neagra, obtinute in urma unor indelungate observari si masuratori, sunt modeste: inaltimea de 1 metru, perioada de 4,5 secunde si lungimea de unda de 28,7 metri, 66 % din valuri fiind valuri de vant iar restul de 34 % valuri de hula. In privinta inaltimii maxime, au fost evaluate valuri de 9,8 metri in timpul furtunii. Datorita acestui regim calm, in comparative cu alte zone de pe glob, valoarea potentialului energetic brut al valurilor din preajma litoralului romanesc este relative redusa. Studiile si cercetarile facute in tarm au ajuns la concluzia ca pe fiecare metru linear de front matitim amnajat se pot obtine aproximativ 40 000-50 000 kWh/an sau 8-9 TWh/an, in ipoteza instalarii unui singur sir de continuu de sisteme de captare cu randamentul egal cu 1,00.

Pentru Romania a existat si o propunere de realizare. Aceasta se refera la mocrocentrala hidropneumatica care reprezinta un compartiment de 5 metri lungime, realizat din tabla de otel, care are o deschidere indreptata spre larg. Peretele din fata formeaza un unghi de circa 45° fata de orizontala, pentru favorizarea patrunderii valurilor in incinta. Peretele interior din spate este inclinat la un unghi de 40°, pentru favorizarea formatii unei coloane oscilante. In plafonul incintei este prevazuta o deschidere circulara in care se monteaza modulul generator al instalatiei, alcatuit dintr-o turbina unisens cuplata cu un generator electric. Acesta este protejat de un tub care ajunge la un nivel de 5 metr, prevazut in partea superioara cu un racord pentru vehicularea aerului. Microcentrala are o turbina unisens cu palete oscilante. Pentru obtinerea unui randament superior, microcentrala este prevazuta cu un generator trifazat cu excitatie realizata de magneti permanenti.

CAPITOLUL I

NOTIUNI GENERALE DESPRE VALURI

Valul este unda formată la suprafața mărilor sau oceanelor prin mișcarea oscilatorie a apei, datorită vântului sau cutremurelor. Un val (sinonim talaz) este o ondulație a unei suprafețe întinse de apă (lac, mare, ocean), ca rezultat al mișcărilor de oscilație determinate de acțiunea vântului, de cutremure, de variația bruscă a presiunii atmosferice, de atracția Lunii și Soarelui și de deplasarea unei nave prin apă.

După cauzele care le dau naștere, deosebim:

a) valuri de vânt;

b) valuri seismice;

c) valuri anemobarice;

d) valuri de maree;

e) valuri de navă.

În afară de acțiunea cu rol modificator asupra uscatului, valurile de vânt formate pe suprafața mărilor și oceanelor constituie unul dintre principalele elemente hidro-meteorologice care influențează direct siguranța navigației.

Valurile de vânt se formează în urma acțiunii intermitente a vântului asupra stratului de apă de la suprafața mării aflat în stare de repaus. Această acțiune constă într-o apăsare, concomitent cu frecarea maselor de aer în mișcare de particulele de apă, care sunt scoase din poziția de echilibra și determinate să execute o mișcare de oscilație. Inițial se formează încrețituri mici, numite „valuri capilare" care, la încetarea vântului, se amortizează datorită tensiunii superficiale. Dacă vântul se intensifică și acționează un timp mai îndelungat, dimensiunile valurilor cresc, ele transformându-se în valuri gravitaționale.

Valurile gravitaționale sunt denumite:

a) valuri libere, care după încetarea vântului își micșorează treptat dimensiunile, consumând energia înmagazinată în procesul de frecare între ele amoleculelor de apă;

b) valuri forțate, care continuă să se dezvolte, ca urmare a persistenței șiintensificării vântului, transformându-se în „valuri de furtună". La valurile de furtună, crestele sunt spulberate de vânt, iar pe pantele lor apar pete albe de spumă numite „berbeci" începând cu agitația de gradul 10, crestele valurilor foarte înalte cad spre înainte (deferlează) cu zgomot caracteristic, asemănător unui muget puternic. După încetarea vântului, valurile de furtună trec într-o fază de stabilizare, când forma lor devine regulată, iar dimensiunile lor nu se modifică un timp mai îndelungat; aceste ondulații regulate formează o agitație a mării numită „hulă".

Din punctul de vedere al formei, valurile pot fi:

a) bidimensionale – la care crestele sunt foarte lungi și paralele între ele;

b) tridimensionale – care în afară de creste lungi se caracterizează și printr-o lungime mare;

c) izolate – la care creasta are formă de cupolă, fiind lipsite de scobituri.

Mai deosebim:

a) valuri lungi – la care lungimea este mult mai mare decât adâncimea mării

b) valuri scurte – a căror lungime este mai mică decât adâncimea mării în zona lor de formare.

În momentul când valurile ajung pe fundurile mici din dreptul coastelor întinse are loc fenomenul numit „deferlare"; dacă deferlarea se produce deasupra unui banc aflat la distanță de coastă, valurile de acest gen se numesc „brizanți".

În cazul coastelor abrupte și cu adâncimi mari, precum și în cazul construcțiilor hidrotehnice, valurile se lovesc de peretele vertical al acestora șiapoi se reflectă și, combi nându-se cu valurile incidente dau naștere unor valuri cu amplitudine mare, a căror forță de izbire este considerabilă și a căror creastă se ridică la înălțimi mari (chiar până la 60 m). În unele sectoare, coastele sunt supuse unor distrugeri uriașe provocate de aceste valuri de spargere. Pătrunzând într-un bazin portuar, valurile de vânt sau de hulă se lovesc de peretele vertical al cheurilor, se reflectă și apoi intră în interferență cu valurile noi, dând naștere unei agitații deosebite numită „resacă" sau „clapoti", caracterizată prin valuri scurte cu pantă mare și cu oscilație pe verticală; această agitație îngreuiază staționarea navelor la cheu și creează dificultăți operațiunilor de încărcare – descărcare.

S-a observat în general că valurile se propagă pe grupuri distincte, care se succed la intervale aproximativ egale și între care marea pare mai puțin agitată. Valurile din fiecare grup au înălțimi diferite, vitezele lor de propagare fiind inegale. Din acest motiv se produce fenomenul de interferență, care determină o creștere progresivă a înălțimii. Din experiența și observațiile de multe secole ale navigatorilor s-a ajuns la concluzia că al nouălea sau al zecelea val din cadrul unui grup este mai înalt și mai periculos decât celelalte.

ELEMENTELE UNUI VAL

Fig.2 Elementele unui val

Frontul valului este linia care trece de-a lungul crestei valului și care este aproximativ perpendiculară pe direcția de propagare a profilului acestuia.

Panta valului este unghiul format de tangenta la suprafața valului cu linia orizontală în punctul de tangență. Are valori diferite și de regulă se ia cea maximă. În practică se calculează prin raportul dintre înălțimea valului și jumătate din lungimea sa.

Viteza valului este distanța parcursă de creasta valului în unitatea de timp. Este un element al valurilor de translație și se apreciază în m/s sau mile/h, calculându-se prin raportul dintre lungimea valului și perioada sa.

Creasta valului este partea superioară a unui val, care este spulberată pe vânt puternic. Este linia ce unește punctele cu cotele maxime ale valului.

Înălțimea valului este distanța măsurată pe verticală între creasta valului și linia de cea mai mică cotă a scobiturii imediat următoare. Se apreciază din vedere sau cu aparate speciale, iar valorile se dau în metri sau picioare. Înălțimea obișnuită a valurilor oceanice este de 5 m, iar valorile maxime măsurate pînă în prezent sunt următoarele:

– 21 m în bazinul nordic al Oceanului Pacific;

– 15,6 m în bazinul nordic al Oceanului Atlantic;

– 14 m în emisfera sudică;

– 11,5 m în Oceanul Indian.

Scobitura valului este un termen care se referă mai ales la partea cea mai adâncă a văii dintre valuri.

Lungimea valului este distanța în metri sau în picioare măsurată pe orizontală între două creste sau scobituri succesive de val. Valorile medii ale valurilor oceanice sunt cuprinse între 69 m și 110 m. Valorile maxime ale lungimii valurilor determinate pe baza unor numeroase observații sunt următoarele:

– 170m în bazinul nordic al Oceanului Atlantic;

– 214 m în bazinul sudic al aceluiași ocean;

– 233 m în Oceanul Pacific;

– 342 m în bazinul sudic al Oceanului Indian.

Perioada valului este intervalul de timp contat în secunde în care două creste succesive de val trec prin dreptul unui punct fix de observație sau timpul necesar ca o creastă de val să parcurgă o distanță egală cu lungimea valului.

Reflexia valurilor este fenomenul de respingere a valurilor de către peretele vertical al construcțiilor hidrotehnice sau al falezelor abrupte în zone cu adâncimi mari. În cadrul acestui fenomen are loc combinarea valurilor reflectate cu cele incidente, luînd naștere o agitație puternică numită „clapoti" sau „resacă", deosebit de periculoasă în unele bazine portuare, pentru navele staționate la cheu. Reflexia valurilor are loc și în zona centrală a unui ciclon tropical, unde se produce o agitație a mării foarte puternică din cauza valurilor care se propagă din direcții diferite.

Refracția valurilor este schimbarea direcției de propagare a valurilor ori de cîte ori frontul acestora se apropie de linia coastei sub un unghi de înclinare. În cadrul acestui fenomen are loc o modificare a lungimii valurilor, a căror creastă în final capătă o orientare paralelă cu linia coastei.

Cele mai bogate resurse de valuri se produc in zone in care vanturile puternice au calatorit pe distante lungi. Din acest motiv, cele mai bogate resurse in valuri din Europa se regasesc de-a lungul coastelor vestice care se astern la limita unei lungi zone de actiune, adica Oceanul Atlantic. Langa coasta, energia valurilor descreste, datorita frecarii cu patul marii; ca urmare, valurile formate in zonele mai adanci din larg, care au o buna expunere, vor avea cea mai mare energie.

Fig.3. Vedere de ansamblu a unui val

Deoarece echipamentele pentru valuri functioneaza in mod usual pe baza rezonantei cu perioada valului, tipurile de val regulat (adica perioade aproximativ egale care se repeta pe durate lungi de timp) furnizeaza o mai buna conversie a energiei valurilor, decat cele neregulate.
Potentialul specific al valurilor (diponibilul de putere pe unitatea de suprafata, de ex. 40 kW/m2 ) este de 10 ori mai mare decat cel al vanturilor si de 100 de ori mai mare decat radiatia solara, ceea ce demonstraza potentialul de necontestat al valurilor oceanului.

Primul si cel mai evident factor pentru valorificarea in practica a energiei valurilor este disponibilitatea in stare naturala a resursei, factor strans legat de orientarea zonei de coasta catre deschiderea marii si latitudinea zonei.

Energia se poate exploata pe o baza economic viabila, cand potentialul sau liniar depaseste 15~20 kW/m (adica unitatea uzuala de masura pentru potentialul liniar al valurilor este puterea medie anuala pe metrul de latime a crestei valului, paralela cu linia tarmului).

Energia valurilor corespunzatoare starii reale a unei mari se masoara prin proprietatile statistice ale valurilor, adica ale inaltimii si perioadei acestora. Parametrul uzual prin care se exprima inaltimea reprezentativa a valului corespunzator starii reale, neregulate a unei mari este, Hs – inaltimea semnificativa a valului. Aceasta valoare se determina ca inaltimea medie a celui de-al treilea cel mai inalt val, pe parcursul unei anumite perioade, de obicei 30 minute si corespunde aproximativ estimarilor navigatorilor experimentati. Impreuna cu perioada de varf (T) sau perioada energiei (Te), energia medie a starii unei mari caracterizata de Hs, T sau Te, se estimeaza cu formula:

E = 1/8 ρg Hs

(E = energia mediata pe un interval specific de timp; ρ = densitatea apei marii; g = acceleratia gravitationala;

Hs – inaltimea semnificativa a valurilor

Pentru a estima potentialul valurilor pentru o anumita zona, se ia valoarea medie anuala a starii tuturor marilor . Acesta este un factor important, deoarece variabilitatea sezoniera poate fi foarte mare.

Fig. 4. Vedere din fată a unui val

Avand in vedere cercetarile efectuate la nivel mondial si experimantarile efectuate in tara noastra, se poate concluziona ca si energia valurilor Marii Negre poate fi captata si utilizata pentru aplicatii locale in conditii eficiente cu ajutorul instalatiilor hidropneumatice cu coloana oscilanta, cunoscute sub denumirea de OWC (OSCILLATING WATER COLUMN ) , care se bucura in prezent de cel mai mare interes pe plan mondial. Consideram utila, pentru prima etapa,realizarea unei mocrocentrale avand la baza principiul hidropeneumatic ,care sa fie amplasata pe un dig la tarmul Marii Negre.

CAPITOLUL II

2.1. TIPURI DE TEHNOLOGII PENTRU MĂSURAREA ENERGIEI VALURILOR

Constructorii utilizeaza multe metode pentru proiectarea echipamentelor destinate exploatarii energiei valurilor. Aceste echipamente se pot clasifica fie in functie de locul de amplasare si adancimea la care sunt proiectate sa functioneze, adica dea lungul tarmului, linga tarm si in larg, fie in functie de metoda utilizata pentru captarea energiei valurilor. In functie de mecanismele de captare a energiei valurilor exista cateva categorii de echipamente si deosebirile intre ele sunt rare.

De multe ori se considera numai trei categorii fundamental diferite, respectiv coloane de apa oscilante, dispozitive plasate in varf si corpuri cu miscare relativa indusa de valuri. In mod uzual, toate echipamentele cu exceptia dispozitivelor plasate in varf au deasemenea caracteristici de puncte de absorbtie. Punctul de absorbtie reprezinta capacitatea de a absorbi (capta) energia dintr-o zona mai larga decat dimensiunea fizica a echipamentului–fenomen cunoscut si sub denumirea de efect de antena. Datorita obiectivelor diferite, nu exista o clasificare comuna larg acceptata de catre comunitatea internationala a Dezvoltarii Cercetarii si Tehnologiei. Enumerarea de mai jos a fost intocmita in scopul de a se diferentia conceptele care sunt in prezent cele mai cunoscute, in bazaprincipiului lor de functionare.

Atenuator – Acesta este un echipament flotant lung, aliniat perpendicular pe frontul valului. Echipamentul practic calareste valul si capteaza energia cand valul trece, restrictionand selectiv miscarile de-a lungul lungimii acestuia. Un exemplu actual pentru un attenuator este echipamentul Pelamis, iar conceptele de proiectare anterioare au fost Pompa de valuri MCCabe (incercata in mare) si Cockerel Raft (in faza de proiect).

Fig. 5. Atenuator

Fig. 6. Atenuator

Puncte de absorbtie axial simetrice – acestea reprezinta o structura flotanta care absoarbe energia valurilor in toate directiile, in virutea miscarii sale la sau langa suprafata apei. Are dimensiuni mici comparativ cu lungimea tipica a valului, de ordinul a catorva metri. Proprietatea punctelor de absorbtie axial simetrice este aceea de a absorbi energia din zone ale marii mai mari decat dimensiunile echipamentului. Prin referire la efectul similar ale undelor radio, fenomenul se mai numeste si efect de antena. Tipurile portante spre exemplu, functioneaza ca punccte de absorbtie. In mod tipic, dar nu necesar aceste dispozitive portante sunt axial simetrice. Ca exemple se pot da Wavebob, OPT PowerBuoy si Aquabuoy.

Fig. 7. Puncte de absorbtie axial simetrice

  Convertoarele oscilatiei de nivel al valului (CONV) – Acestea sunt colectori plasati langa suprafata, fixati pe un brat pivotant amplasat langa patul marii. Bratul oscileaza ca un pendul invers, datorita miscarii particulelor de apa in valuri. Exemple prezente din aceasta categorie sunt Waveroller complet submersat si Oyster la suprafata. Un echipament mai vechi din acest tip, Pendulul japonez, avea clapeta cuplata langa suprafata, atarnand in jos, bagata in structura de cheson.

Fig. 8. Convertoarele oscilatiei de nivel al valului

Coloanele de apa oscilante (CAO) – Acestea sunt structuri gaurite, partial imersate, care sunt deschise catre mare sub suprafata apei, astfel incat contin aer prins deasupra unei coloane de apa. Valurile determina ridicarea si coborarea coloanei, actionand ca un piston, comprimand si decomprimand aerul.Acest aer este canalizat catre o turbina cu aer pentru a produce energie. Cand sunt corespunzator proiectate pentru starea dominanta a marii, CAO pot fi reglate pentru perioada valului incident, in scopul de a rintra in rezonanta. Astfel, CAO pot fi realmente eficiente si pot prezenta caracteristici de puncte de absorbtie. Un caz particular din acesta categorie este CAO portant, care este un CAO flotant. Printre dispozitivele propuse in prezent se numara Sperboy, MRC si Backward Bent duct type OE Buoy.

Fig. 9. Coloanele de apa oscilante (CAO)

Dispozitive plasate in varf – Acestea constau dintr-un perete pe care il spala valurile, colectand apa intr-un rezervor de stocare. Valurile incidente creaza o sarcina de apa, care este eliberata inapoi in mare prin intermediul unor turbine conventionale de sarcina mica, instalate la patul rezervorului. Un dispoziotiv plasat in varf poate utiliza colectori pentru a concentra energia valurilor. Dispozitivele plasate in varf sunt in mod uzual structuri mari, datorita necesarului de spatiu solicitat de rezervor, care trebuie sa aiba o capacitate minima de stocare. Dispozitivele pot fi plutitoare ca Wave Dragon, cel mai mare convertor de energie a valurilor construit pana in prezent sau structuri fixate in teren ca SSG (Sea Wave Slot Cone Generator, integrata intr-un dig de spargere a valurilor).

 Fig. 10. Dispozitive plasate in varf

Dispozitive de presiune diferentiala submerse – Acestea sunt dispozitive submersate amplasate uzual langa tarm si prinse de patul marii. Miscarea valurilor determina cresterea si coborarea nivelului apei marii peste dispozitiv, inducand o presiune diferentiala, care determina ridicarea si coborarea dispozitivului cu valurile. Cand sunt proiectate corespunzator pentru starea marii si aceasta categorie de dispozitive are de asemenea caracteristici semnificative de puncte de absorbtie. Un exemplu la zi al unei realizari a acestui concept este AWS (Archimedes Wave Swing), care are de asemenea bune caracteristici de puncte de absorbtie. Un alt dispozitiv care se poate incadra in aceasta categorie este Waverotor.

Fig.11. Diferenta de presiune in coloana de apa creata de valuri

Fig. 12. Dispozitive de presiune diferentiala submerse

2.2. TIPURILE DE INSTALATII DE CAPTARE A ENERGIEI VALURILOR CERCETATE ÎN PREZENT

Tipurile de instalatii de captare a energiei valurilor cercetate în prezent pot fi grupate astfel:

– Instalatii de captare a energiei valurilor pentru tarm (shoreline) si în apropierea tarmului (nearshore)

– Instalatii cu coloana oscilanta – OWC (oscillating water column). Constau în principal dintr-o incinta în care valurile care patrund formeaza o coloana oscilanta. Aceasta coloana actioneaza un volum de aer care trece printro turbina de aer unisens;

– Instalatii TAPCHAN. Constau dintr-un bazin în care valurile care vin printr-un canal special amenajat fac ca apa sa se acumuleze la un nivel superior nivelului marii. Diferenta de nivel obtinuta permite alimentarea unor turbine;

– Instalatii pendulare cu panou articulat. Într-un spatiu special amenajat, un panou oscileaza datorita valurilor care se propaga pe orizontala si actioneaza o pompa hidraulica. Pompa alimenteaza o turbina hidraulica.

– Instalatii de captare a energiei valurilor pentru zonele de larg (offshore)

– Instalatia daneza cu pompa si flotor. Este o instalatie în care un flotor

actioneaza o pompa ancorata de fundul marii, care actioneaza turbine hidraulice;

– Instalatia suedeza HOSEPUMP. Se bazeaza pe un cilindru realizat din

elastomeri care, antrenat de un flotor, permite expulzarea apei din interior,

alimentarea unei pompe hidraulice si actionarea unei turbine;

– Instalatia McCABE WAVE PUMP. Consta din niste pontoane care se

misca fata de un ponton central, actionând pompe hidraulice care alimenteaza

mai multe turbine hidraulice;

– Instalatia PELAMIS. Consta din mai multe tuburi de mare dimensiune,

legate între ele prin niste articulatii care, datorita înclinatiilor unghiulare

provocate de valuri, actioneaza niste pompe cu lichid. La rândul lor, pompele

actioneaza turbine cuplate cu generatoare electrice.

Instalatii de captare a energiei valurilor pentru tarm (shoreline) si în apropierea tarmului(nearshore) :

Instalatii cu coloana oscilanta – OWC (oscillating water column). Constau în principal dintr-o incinta în care valurile care patrund formeaza o coloana oscilanta. Aceasta coloana actioneaza un volum de aer care trece printr-o turbina de aer unisens;

Instalatii TAPCHAN. Constau dintr-un bazin în care valurile care vin printr-un canal special amenajat fac ca apa sa se acumuleze la un nivel superior nivelului marii. Diferenta de nivel obtinuta permite alimentarea unor turbine;

Instalatii pendulare cu panou articulat. Într-un spatiu special amenajat, un panou oscileaza datorita valurilor care se propaga pe orizontala si actioneaza o pompa hidraulica. Pompa alimenteaza o turbina hidraulica.

Instalatii de captare a energiei valurilor pentru zonele de larg (offshore):

Instalatia daneza cu pompa si flotor. Este o instalatie în care un flotor actioneaza o pompa ancorata de fundul marii, care actioneaza turbine hidraulice;

Instalatia suedeza HOSEPUMP. Se bazeaza pe un cilindru realizat din elastomeri care, antrenat de un flotor, permite expulzarea apei din interior, alimentarea unei pompe hidraulice si actionarea unei turbine;

Instalatia McCABE WAVE PUMP. Consta din niste pontoane care se misca fata de un ponton central, actionând pompe hidraulice care alimenteaza mai multe turbine hidraulice; 
Instalatia PELAMIS. Consta din mai multe tuburi de mare dimensiune, legate între ele prin niste articulatii care, datorita înclinatiilor unghiulare provocate de valuri, actioneaza niste pompe cu lichid. La rândul lor, pompele actioneaza turbine cuplate cu generatoare electrice.

2.3. CÂTEVA EXEMPLE DE APLICATII CONCRETE:

• Australia 
Continuând cercetarile începute în 1990, Energetech Australia Pty Ltd. a realizat o instalatie tip OWC de 500 kW, înzestrata cu o turbina Denniss-Auld cu pas variabil comandat. Instalatia este înzestrata cu un concentrator parabolic care permite concentrarea valurilor de pe o distanta de 40 m si o incinta în care se formeaza coloana oscilanta, cu latimea de câte 10 m. Instalatia a fost amplasata în apropierea portului Kembla. Primele experimentari ale instalatiei au avut loc în octombrie 2005. 

• China 
În 1989 s-a construit o instalatie experimentala tip OWC de 3 kW, care s-a amplasat pe insula Dawanshan si care a aprovizionat cu electricitate comunitatea locala. Aceasta instalatie a fost îmbunatatita prin aplicarea unei turbine de 20 kW. 
În 1995 Institutul Guangzhou de Conversie a Energiei din cadrul Academiei de Stiinte Chineze a dezvoltat cu succes o geamandura de navigatie de 60 W, având o turbina Wells. În decurs de 13 ani s-au construit peste 650 de geamanduri care s-au amplasat de-a lungul coastei chineze. 

• India 
S-a proiectat si construit prototipul unei instalatii OWC de 150 kW, care a fost introdusa într-un dig al portului Vizhinjam. Aceasta avea o turbina unisens tip Wells. Experienta acumulata a permis proiectarea unui dig cu 10 unitati de instalatii OWC având o capacitate totala de 1,1 MW. 

• Japonia 
În anii 1970, grupul JAMSTEC a realizat o instalatie plutitoare numita Kaimei, având la baza principiul OWC. Experimentarile s-au efectuat în Marea Japoniei, în apropierea localitatii Yura. 
O instalatie pendulara a fost cercetata mai bine de 15 ani de catre Institutul de Tehnologie Muroran si s-au efectuat încercari pe instalatii tip OWC.
În 1983 s-a construit o instalatie OWC din beton si otel, de 40 kW, în localitatea Sanze. Aceasta a functionat câtiva ani, când a fost demontata si examinata pentru determinarea rezistentei la coroziune si solicitari mecanice.
În 1996 s-a construit la Haramachi prototipul unei instalatii tip OWC de 130 kW. Aceasta utiliza supape pentru controlul sensului fluxului de aer. Testele au continuat în 1998.
În 1997 cercetarile s-au focalizat pe instalatia numita Mighty Whale, bazata pe principiul OWC, care avea 50 m lungime si 30 m latime. Puterea instalata era de 110 kW. Instalatia a fost conceputa de catre Centrul Japonez de Cercetare si Tehnologie Marina JAMSTEC si a fost inaugurata în 1998.

• Portugalia 
În anul 1992 s-au construit si s-au amplasat pe insula Pico din Azore doua instalatii tip OWC de 500 kW. Una dintre instalatii este echipata cu turbina Wells, iar a doua instalatie este echipata cu turbina de tip nou, cu pas variabil comandat. Instalatiile s-au construit prin sponsorizarea Comisiei Europene, ca parte a unui program Joule.
În 2005 firma Ocean Power Delivery (OPD) a anuntat ca împreuna cu un consortiu portughez construieste o instalatie tip Pelamis cu o putere de 2,25 MW în apropierea coastei portugheze.

• Regatul Unit 
La început, Guvernul Regatului Unit a sponsorizat programele de C-D în domeniul energiei valurilor, acoperind o larga gama de instalatii.
În 1995 Universitatea Queens – Belfast si mai multe firme si companii comerciale au realizat o instalatie din otel tip OWC, numita OSPREY, având o putere de 1 MW. 
În anul 2000 s-a realizat si amplasat pe tarmul insulei Islay – Scotia o instalatie tip OWC, numita Limpet. Aceasta instalatie are o putere totala de 500 kW, este echipata cu turbine contrarotitoare si doua generatoare de câte 250 kW. Instalatia a fost proiectata de Universitatea Queens din Belfast si executata de firma WAVEGEN. Instalatia a livrat energie electrica retelei de troleibuze si apoi a livrat energie în reteaua nationala.

2.4. DISPOZITIVE DE CAPTARE A ENERGIEI VALURILOR

Cele mai investigate si frecvent instalate tehnologii pana in prezent sunt legate de coloana de apa oscilanta (oscillating water column (OWC)).

Prototipul la scara naturala pentru OWC cu capacitati instalate de la cateva zeci pana la sute de kW au fost construite si testate in conditii maritime reale in Norvegia (Toftestallen, 1985), Japonia (Sanze, Niigata, Kujukuri, Sakata, ~1985-90), India (Vizhinjam,~1990), Portugalia (Pico/Azores, 1999), si in Marea Britanie (Islay, 1986; LIMPET, 2000, insula Islay, Scotia).

Fig. 13. Oscillating water column

Functionare. O coloană de apă oscilant (OWC) este o tehnologie de conversie a energiei valurilor care poate fi instalat pe uscat, de preferință, pe țărmurile stâncoase, aproape de mal, până la 10m de apă; sau în larg în apă adâncă 40-80m. Dispozitivul constă dintr-o cameră mare de captare a valurilor, o platformă pentru o turbină de aer, o buză, ziduri aripă, și o cameră de aer. Când valurile se apropie de dispozitiv, ele intră sub marginea parțial scufundată care capteaza aerul într-un sistem de tip piston, forțând aerul in sus prin turbina de aer. Această presiune forțează turbina să se rotească, fiind modul în care energia este produsă prin intermediul valurilor. La retragerea valurilor, aerul intră înapoi în camera de aer de pe partea cealaltă a turbinei.

Fig. 14. Dispozitiv de captare a valurilor

OWC utilizează turbine care pot fi împărțite în două grupuri diferite: turbine cu palete cu pas constant și turbine cu lame în unghi de înclinare variabil.Turbina convențională Wells cu impuls axial și radial poate fi inclusă în primul grup. Al doilea grup include turbina Denniss-Auld (Gareev, 2011).

Turbina Wells este cea mai frecventa turbina în camera de aer. Se învârte atunci când aerul este împins în sus și tras înapoi în coloană. Acest turbină are capacitatea să se rotească într-o direcție în mod constant, indiferent de direcția fluxului de aer, ceea ce permite captarea energiei optime ("Islay hemocyanin," 2002).

Fig. 15. Turbina Wells

Există mai multe alte tipuri de turbine de aer tip OWC: turbine de impuls, turbine radiale, și turbina Denniss-Auld. O companie din Australia numita Oceanlinx a îmbunătățit turbinăa Denniss-Auld numind-o turbină de aer. Acesta se pretinde a fi mai eficient decât orice turbinade pe piață (Takao și Toshiaki).

Impactul asupra mediului a OWC nu pare a fi la fel de mare ca alte dispozitive regenerabile instalate în ocean, și sunt cu siguranță mai curate decât sursele neregenerabile de energie. O evaluare a ciclului de viață a OWC, calculează faptul că emisiile de carbon peste 25 ani, inclusiv construcții, instalare, funcționare și dezafectare, ar fi de 24 de grame de dioxid de carbon (Oceanlinx, 2012). OWC nu au nici o piesă subacvatică în mișcare, ceea ce înseamnă că nu vor fi prinse organisme în interiorul unei turbine. Mai multe probleme care au fost discutate privesc aspectul de a avea o OWC pe mal sau chiar in larg dar s-ar distruge privelistea și ar genera poluarea fonică. Cu toate acestea, dacă se află la mare adâncime, ar fi destul de departe în larg, astfel că nu poate fi văzut sau auzit. OWC se va comporta ca un recif artificial pentru a crește speciile marine din zonă.

Se pare ca dispozitivul Pelamis reprezinta tehnologia offshore care este cea mai apropiata de a fi raspandita la scara de parcuri. A fost realizata si comercializata de Pelamis Wave Power Ltd (cu sediul in Scotia, cunoscuta anterior ca Ocean Power Delivery Ltd), si a fost proiectata punand accent pe fiabilitate si utilizand tehnologia disponibila imediat. In Orkney, Marea Britanie, a fost testat un prototip in perioada 2004-2005 iar din 2006 este in constructie un parc de 3 dispozitive in nordul Portugaliei, in urma unei intelegeri comerciale cu dezvoltatorul de energii regenerabile Enersis.

Fig. 14. Sectiune a dispozitivului Pelamis

Fig. 15. Dispozitivul Pelamis

Pelamis (numele vechi al sarpelui de mare) functioneaza de obicei la 2-10 km de țarm si genereaza putere de 750 kW, care este suficient pentru a aproviziona cu energie electrica 500 de gospodarii. 

Dispozitivul Pelamis este construit din cinci segmente tubulare legate de articulatii specifice, care permit miscari in doua directii. Acest miriapod artificial pluteste jumatate scufundat pe suprafata apei si, in mod normal, sta perpendicular fata de frontul de unda. Atunci cand valurile trec pe sub lungimea masinii si segmentele se flexeaza in apa, miscarea este transformata in energie electrica cu ajutorul a doua sisteme hidraulice de putere, care se afla in tuburile masinii. Atunci puterea este trimisa catre mal prin echipamente obisnuite si prin cabluri aflate la adancime. Generatoarele de la articulatiile fiecarui segment sunt similare si functioneaza independent unul de altul, cu redundanta tuturor componentelor generale.

Pelamis este alcatuit din mai multi cilindri articulati, care, sub actiunea valurilor au miscari relative care actioneaza niste pistoane. Pistoanele pompeaza ulei sub presiune prin motoare hidraulice care actioneaza generatoare electrice.

Pelamis a fost realizat si comercializat de Pelamis Wave Power Ltd (cu sediul in Scotia, cunoscuta anterior ca Ocean Power Delivery Ltd).

Fig. 16. Vedere din fata si de sus a dispozitivului Pelamis

AWS ((Archimedes Wave Swing)) este un alt exemplu de tehnologie pentru energia valurilor din noua generatie. Dispozitivul a fost inventat si dezvoltat de compania olandeza Teamwork Technology incepand cu mijlocul anilor 90 si este acum promovata de societatea scotiana AWS Ocean Ltd.

Fig. 17.

Un dispozitiv tipic va cuprinde o serie de 12 celule, fiecare măsurare jurul 16m latime 8m adâncime, dispuse în jurul unei structuri circulare cu diametrul exterior de 60m. Un astfel de dispozitiv este capabil de a produce o medie de 2,5 MW de la o mare agitată în timp ce are o greutate de oțel structural de aproxinativ de 1300 tone. AWS-III vor fi ancorate în adâncimi de apă de aproximativ 100 de m , folosind mijloacele de acostare standard.

Printre alte tehnologii in stadiu avansat de dezvoltare sunt si Wave Dragon, WaveBob, AquaBuoy, OE Buoy, Powerbuoy, FO3 si Wavestar.

Wave Dragon foloseste principiile de la centralele hidroelectrice tradiționale într-o platformă off-shore plutitoare pentru a utiliza energia valurilor.

Wave Dragon este alcătuită din două reflectoare de undă care direcționează valurile spre o rampă. În spatele rampei, un rezervor mare colectează apa regizat, și stochează temporar apa. Rezervorul este ținut deasupra nivelului mării. Apa iese din rezervor prin turbine hidro.

Conversia energiei se realizează în trei etape:

Overtopping (absorbție) -> Stocare (rezervor) -> Power-decolare ( turbine cu cap mic )

Principalele componente ale unui Dragon Wave: 

Corp principal cu o rampă dublu curbat (beton armat și / sau construcții din oțel)

Două reflectoare val din beton și / sau oțel armat

Sistem de acostare

Turbine cu elice

Generatoare cu magneți permanenți

Fig. 18. Conponente dispozitiv Wave Dragon

Fig. 19. Vedere de sus dispozitiv Wave Dragon

Wave Dragon difera, de celelalte dispozitive utilizate pentru conversia energiei valurilor, prin teoria care sta la baza conversiei hidrodinamice si dimenisuni. Dispozitivul – construit si gestionat de Wave Dragon ApS / Danemarca – are in componenta un bazin de flotatie in care se acumuleaza apa deasupra nivelului marii, acolo unde se monteaza punctele de absorbtie. De asemenea, in acest experiment, s-a utilizat tehnologia existenta din punct de vedere comercial, si s-a bazat pe o imbunatatire continua a experientei dobandite din functionarea proiectelor la scara mica (Nissum Bredning/ Danemarca), pana la cea a proiectului demonstrativ pre-comercial care se deruleaza in prezent in Tara Galilor si care are o capacitate apreciata de 5-7 MW.

Wavebob este un sistem plutitor liber, simetric, capabil de rezonanta pentru orice interval pre- determinat de frecventă de undă și lățime de bandă. Acesta poate fi reglat la climatul valului predominant cu ajutorul unui sistem brevetat pentru a putea schimba frecvențele de crezonanță naturale ale dispozitivului, fară a schimba proiectul. Acestea pot fi amplasate sezonier pentru a se putea justifica economic. Răspunsul instantaneu a Wavebob este ajustat rapid și în timp real (în timpul fiecărui val) de PTO hidraulică printr-un sistem de control autonom la bord, astfel încât puterea de ieșire utilă să fie maximizată.

Fig. 20. Wavebob

Punct absorbant "AquaBuOY" integrează aspectele legate de cele două modele de dispozitive anterioare (IPS offshore Wave Energy Convertor (OWEC) și pompa de furtun), ambele din Suedia. Dispozitivul cuprinde un flotor, ancorată-moale și un tub vertical scufundat, care este deschis la mare, la atât de sus cat și de jos . Undele incidente pot determina dispozitivul să tresalte în sus și în jos creând o forță de amortizare care acționează asupra unui piston atașat la două pompe furtun, care se contractă și să se edestinde pentru a oferi un efect de pompare.

Fig. 21. AquaBuoy

OE Buoy este o geamandură cu coloană de apă oscilantă, în care aerul din camera este pompat și tras prin conducta turbinei prin mișcarea liberă a suprafeței apei în interiorul dispozitivului.

Fig. 22. OE Buoy (OceanEnergy Buoy)

Alte proiecte care care au atins recent stadiul de testare in marea reala sunt in general de tipul puncte de absorbtie plutitoare, cum ar fi OPT Power Buoy (Ocean Power Technologies, USA/UK), the WaveBob (Wave Bob Ltd, Ireland), the Aquabuoy (Finavera Ltd, Ireland), and the OE Buoy (Ocean Energy Ltd, Ireland) (which is a floating OWC of the Backward Bent Duct type).

Alte dispozitive – corpuri oscilante, plutitoare sau integral submersate, pot fi exploatate de apele adanci ale marilor si cateva se afla in stadiul de testare sau au fost finalizate deja testarile importante. Se preconizeaza ca cel putin doua sau trei, dintre tehnologiile care au demonstrat validitatea conceptului in stadiul de prototip si in prezent se afla in conditii adecvate din punct de vedere comecial, vor fi importante pentru dezvoltarea in viitorul apropiat a unor proiecte la scara mare. Nu se asteapta in mod necesar desemnarea unui anumit “castigator”, cum a fost cazul energiei eoliene, datorita variabilitatii amplasamentelor si a cererii, precum si simultaneitatii de desfasurare a unor eforturi regionale pentru promovarea anumitor concepte.

In timp ce prima ferma pentru exploatarea energiei valurilor, constand din trei dispozitive Pelamis se afla deja in faza de instalare (în 2006) si are perspectiva de a se extinde pe termen scurt la 30 de echipamente, exista si alte sisteme flotante ce se vor dezvolta la scara comerciala. Printre acestea se numara:

AquaBuOY, care a provenit din combinarea pompei peristaltice de provenienta suedeza cu punctul de absorbtie clasic si a fost construita de o filiala a Finavera Renewables Ltd;

OPT Powerbuoy – promovat de compania SUA/Marea Britanie Ocean Power Technology;

Wavebob, construit de compania cu acelasi nume Wavebob (Irlanda).

Datorita caracteristicilor sale, a perioadei de testare (permitand realizarea de preturi de productie mici inca din fazele incipiente proiectului) Wave Dragon se numara printre dispozitivele care vor putea fi folosite la conversia energiei valurilor pe scara mare.

CAPITOLUL III

3.1. STUDIU CAZ – CONVERTORUL PELAMIS

Dispozitivele din larg sunt in general structuri plutitoare ancorate pe fundul marii/oceanului ce opereaza in ape cu adancime mare pentru a beneficia de resursele mult mai mari de valuri. Cu toate ca exista multe concepte diferite, deocamdata nu s-a stabilit o tehnologie decisiva. Cateva modele la scara mica au fost testate in mari, dar mult mai putine prototipuri la scara reala.Primul proiect comercial in energia valurilor, Pelamis ,Agucadoura in Portugalia produce 2.25MW pe nordul coastei portugheze. Distributia Energiei Oceanului (ODP) a aprovizionat primele 3 instalatii folosind tehnologia avansata a conversiei energiei valurilor Pelamis P-750 si proiectarea altor 28 de instalatii de-a lungul coastei portugheze in perioada unui an. Acestea vor genera 22.5MW. Acest proiect va asigura energia pentru Agucadoura si va alimenta 15000 de locuinte folosind sistemul national de distributie a energiei.Cand proiectul va fi finalizat, ar trebui sa acopere cererea medie de electricitate pentru mai mult de 15000 de gospodarii portugheze. In acelasi timp se estimeaza ca va destitui mai mult de 60000 tone de emisii de dioxid de carbon pe an.Pelamis are o structura similara cu a unei turbine de vant moderne.Proiectele viitoare de “ferme de valuri” vor fi constituite din mai multe instalatii interconectate la tarm de un singur cablu submers. O instalatie tipica de 30MW se preconizeaza ca ar ocupa un km² de ocean.

Sistemul Pelamis, denumit si convertorul de energie a valurilor Pelamis, este bazat pe un conceptrevolutionar, fiind primul sistem de colectare a energiei valurilor de larg cu aplicatii industriale. Sunt sase cilindri articulati, cu diametrul de 3,5 m, dintre care trei sunt flotori cu lungimea de 30 m fiecare si trei, cu lungimea de 5 m, contin sistemul de convesie si sunt denumiti moduli de putere.

Fig. 23. Schema sistemului Pelamis

Structura este semi-submersa. Sub actiunea valurilor elementele articulate au miscari sus-jos si dreapta-stânga, la fel ca un sarpe de mare. De aici vine si denumirea de Pelamis, care in limba greaca inseamna sarpe. Miscarea din articulatii este transmisa unor cilindri hidraulici, care pompeaza ulei la presiune foarte mare catre motoarele hidraulice. Motoarele hidraulice pun in miscare generatorul electric. Energia produsa de fiecare dintre modulele de putere este trimisa prin acelasi cablu catre o conexiune pozata pe fundul marii. Elementele cuprinse in modulul de putere sunt prezentate in figura 24.

Fig. 24. Modulul de putere al convertorului Pelamis

In figura 25 se poate urmari modul de lucru al sistemului si principiul de conversie a oscilatiilor din val in energie de presiune si apoi in energie electrica. Modulul de putere alconvertorului Pelamis P-750 are o putere instalata de 250 kW, iar o unitate are puterea de 750 kW. Convertoarele Pelamis sunt amplasate in zone litorale la cca 5…10 km de tarm, la adâncimi de 50 … 70 m. Un sistem special de configurare si cuplare a rosturilor permite obtinerea unui raspuns rezonant, ceea ce face ca sistemul sa poata capta si energia valurilor mici, de apa linistita. Presiunea de lucru la pistoanele captatoare este in domeniul 100…350 bari, fiind conectate cu doua motoare cu generatoare de 125 kW, cu o turatie de 1500 rot/min. Un transformato rtrifazic de 10 kV este plasat in flotor, de la care pleaca cablul electric. Cablurile tuturor modulelor sunt conectate la un cablu principal submarin care transporta energia la mal.

Fg. 25. Conversia oscilatiilor din val in energie electrica

Date tehnice:

Lungime: 180 m;

Înălțime: 6 m;

Greutatea de oțel: 750 tone;

Greutatea balastului: 800 tone;

Greutatea totală a ancorei: 14,5 tone;

Greutatea totală a lanțului de acostare: 100 tone;

Puterea nominală: 750 Kw.

Fg. 26. Ferma de unităti Pelamis

In figura 26 este prezentata fotografia unei unităti Pelamis si a câmpului de unităti Pelamis care produc energie pe coasta de nord a Portugaliei, la Aguçadora Wave Park, la cca 5 km de tarm. Ferma de unităti Pelamis din Portugalia cuprinde trei unităti, cu o putere de 2,25 MW. In Scotia, pe coasta de nord, la Orkneys, este o grupare de 4 unităti cu puterea de 3 MW. Pe coasta de nord a Angliei este in curs de realizare o ferma de unităti Pelamis cu puterea de 20 MW. O singura unitate Pelamis amplasata intr-o zona a marii cu puterea specifica medie, pe unitatea de lungime, de 55 kW/m produce intr-un an 2,2×106 kWh. Factorul de incarcare rezulta din raportul dintre energia efectiv produsa si energia care ar putea fi livrata daca sistemul ar lucrac ontinuu la puterea instalata :

Rezulta un factor de incarcare semnificativ mai mare decât valorile curente ale sistemelor de convesie a energiei valurilor, care sunt de cca 0,25. in plus, sistemul este fiabil, usor de amplasat si are impact redus asupra mediului.

Pelamis Power Matrix

Matricea de putere prezinta performantele la scara larga ale dispozitivului in functie de inaltimea semnificativa a valului si perioada acestuia. Matricea de putere a dispozitivului Pelamis este prezentata in figura 29 si reprezinta cantitatea de energie electrica ce poate fi convertita de catre o unitate individuala WECS(KW) la diferite valori ale puterii valurilor disponibile(diferite combinatii ale Hs si Te).

Fig. 27. Pelamis 750kW WECS matricea de putere reprezinta cantitatea de energie(kW) pentru diferite combinatii ale inaltimii semnificativea valurilorsi perioada acestora.

Eficienta dispozitivului depinde de resursele valurilor. Pozitionarea optima a dispozitivului este in jur de 5-10 km in larg, in ape cu adancimi de la 50-70 m pana la 100m. Inaltimea optima a valurilor este de 6-7 m iar valoarea maxima a puterii este de 750kW(limitata pentru protejarea dispozitivului).

Fig. 28.

Eficienta dispozitivului Pelamis este de 25-40% din puterea nominala de-a lungul anului. Se poate observa ca in lunile de iarna puterea nominala este de 50-60%.

Fig. 29.

Fig. 30.

CAPITOLUL IV

CONCLUZII ȘI PROPUNERI

Se preconizeaza ca implementarea pe scaralarga se vaproduce prin amplasarea in larg a dispozitivelor submerse sau flotante, la adancimisituate in jurula 50 –100 m. Acestea se vor grupa in ferme, in configuratii si de dimensiuni adecvate tipului de tehnologie. Desi zonele specifice amplasarii sunt cele cu adancime de 50 m datorita celui mai bun compromis realizat intre resurse, lungimea cablurilor subacvatice si a cheltuielilor de ancorare se preconizeaza o extindere in curand a zonelor de amplasare la adancimi de 100 m.

Tehnologiile de ancorare sunt adaptabile la conditiile de pe mare. Pentru funduri nisipoase si argiloase ale marii ancorele cu suctiune suntoptiunea preferabila. Pentru fundurile stancoase ale marii, lucrarile de pregatire in amplasament pot fi mai costisitoare si pot necesita multe foraje subacvatice. Dispozitivele pentru captarea energiei valurilor in larg utilizeaza de cele mai multe ori ancorarea flexibila, permitand dispozitivului sa se orienteze catre valuri si sa se retraga in cazul valurilor extreme, pentrua reduce incarcarile foarte mari (varfurile de sarcina) a supra ancorelor.

Dispozitivele pentru captarea energiei valurilor fixate pe patul marii necesita existenta pepatul marii a unui strat de nisip, pietris sau noroi. Dispoitivele amplasate langa tarm se fixeaza in mod uzual in ape de adancimi de cca. 20 m si pot fi expuse la valuri inalte(H = 20 m), iar dispozitivele de pe coasta se instaleaza in ape cu adancimi de 10m sau sub. In cazul CAO, 6-7m reprezinta adancimea minima pentru realizarea unor performanter ezonabile; dispozitivele plasate in varf ar putea fi eficiente in ape de adancimi mai mici.

In general, pentru amplsarea echipamentelor se utilizeaza ambarcatiuni simple sau dispozitive de remorcare si nu sunt necesare macarale sau barci speciale in larg. Totusi in centrala pilot Pelamis a fost necesar un dispozitiv de ancorare, ceea ce a dus la cresterea considerabila a costurilor, a programului de lucru si a cheltuielilor prestabilite.

Dispozitivele pentru energia valurilor sunt in mod uzual proiectate pentru o durata de viata de 20 de ani. Totusi, tinand seama de experientele anterioare si de fragilitatea abordarilor, in aceasta etapa, nu se poate considera ca fiind un punct de vedere realist. Constructorii sunt constienti ca pentru a considera un dispozitiv ca fiind comercial, acestuia trebuie sa i se garanteze o durat ade viata de 20 de ani, pentru a face fezabile structurile si instalatiile care necesita investitii capitale mari. Centralele pilot si primele prototipuri pot dura de la cateva luni la 3-5 ani. Aceasta este o deciziel uata pentru a testa mai intai conceptul si strategia PTO.