Bangų energija

Žiemą stovėdami vakarinėje pakrantėje galite pajusti tai savo kojomis: kas kelias sekundes į ją atplaukia ir iš jos išnyksta vandenyną perkeliančio vandens siena. Bangos susidaro dėl vėjo, pučiančio tūkstančius kilometrų atviroje jūroje, todėl jos yra koncentruota, uždelsto veikimo vėjo energijos forma. Jie atvyksta ir po to, kai vėjas nurimsta, naktį ir dieną, o labiausiai stipriai žiemą, būtent tada, kai saulės baterijos gamina mažiau.

Tai yra pažadas, ir jis yra tikras. Šis puslapis, parašytas su tokiu pat sąžiningumu kaip ir mūsų Fan Wall tyrimai, yra apie tai, kodėl pažadas buvo toks sunkus. Trumpai tariant: fizika veikia ir ištekliai yra dideli, bet bangų mašina turi nuimti įprastą jūrą, tuo pačiu išgyvendama audras, kurios neša penkiasdešimt kartų daugiau galios. Po pusės amžiaus ir daugelio žlugusių įmonių bangų energija vis dar kelis kartus brangesnė už saulės energiją, o laimėjusio projekto dar nėra. Jis gali laimėti ten, kur energija yra brangi ir jūra yra vienintelė kaimynė.

Kas tai yra

Bangos energijos keitiklis yra bet kokia mašina, kuri paverčia bangų judėjimą į elektros energiją. Skirtingai nei vėjo energijos srityje, kur laimėjo vienas projektas (trijų menčių turbina), bangų energijos srityje vis dar yra šimtai konkuruojančių idėjų. Jie patenka į keletą šeimų:

• Taškiniai absorberiai: plūdurai, kurie svyruoja aukštyn ir žemyn ir traukia prie inkarų ar sunkių plūdurų. CorPower C4 yra vienas iš jų.
• Silpnintuvai: ilgos, gyvatės formos plūdės grandinės, esančios išilgai bangų krypties, lenkiančios jungtyse. Pelamis buvo žinomas pavyzdys.
• Svyruojančių bangų smūgio keitikliai: atlenkiamos sklendės jūros dugne netoli kranto, kurios suksis pirmyn ir atgal. Vienas iš jų buvo Aquamarine Power Oyster.
• Svyruojantis vandens stulpelis: kameros, atviros jūrai žemiau vandens linijos. Bangos stumia vandenį viduje aukštyn ir žemyn, o oras įeina ir išeina per turbiną. Ispanijoje, Mutriku mieste, į uosto sieną yra įrengta šešiolika tokių bokštų.
• Perpildymo įtaisai: rampos, kuriose bangos išteka į pakeltą baseiną, o tada nuleidžia vandenį atgal per žemos galvutės turbinas.

Kaip tai veikia

Energija bangoje. Bangos energija iš dalies kaupiama kaip vanduo, pakeltas virš vidutinio jūros lygio ir iš dalies kaip vandens judėjimas. Netaisyklingos formos jūrai, apibūdinamai jos reikšmingu bangų aukščiu H (apie vidutinį aukščiausio trečdalio bangų aukštį), energija vienam kvadratiniam metrui jūros paviršiaus yra E = ρ g H² / 16, kur ρ yra jūros vandens tankis ir g gravitacija. Dvigubai padidinus bangos aukštį, energija padidėja keturis kartus.

Galia, skaičius, kuris yra svarbus. Bangos energija keliauja grupės greičiu g T / 4π giliame vandenyje, kur T yra bangos periodas. Dauginant energiją iš greičio, kiekviename bangos fronto metre pasiekiama galia yra P = ρ g² H² T / 64π, kuri apskaičiuojama kaip apie 0.49 × H² × T kilovatų vienam metrui. 2,5 m jūra su 9 s periodu kiekviename pakrantės metre perduoda apie 28 kW: per metus viename metre yra dešimčių namų elektros energija, jei visa ji galėtų būti sugauta. Aukščiau pateiktas paaiškinimas leidžia išbandyti kitas jūras.

Ką daro vanduo. Giliame vandenyje bangos vanduo nekeliauja su ja: kiekviena dalelė juda ratu ir grįžta beveik į tą vietą, iš kurios ji prasidėjo. Apskritimai greitai susitraukia su gyliu; pusę bangos ilgio žemyn, judėjimas yra tik apie 4% to paviršiaus. Giliavandenės bangos yra ilgos: bangų ilgis apie 1.56 × T² metrus, taigi 9 s banga yra 126 m nuo viršūnės iki viršūnės. Todėl didžioji dalis bangų energijos yra arti paviršiaus ir todėl mašinos plūduriuoja arba sėdi sekliame vandenyje.

Norėdami sugerti bangą, padarykite bangą. Bangos mašina ima energiją judėdama taip, kad atšauktų dalį gaunamos bangos. For a floating buoy that only moves up and down, this sets a famous limit: however large it is, it cannot capture more than the power arriving across a width of λ / 2π, one wavelength divided by 2π, about 20 m for a 9 s wave (Falnes, 2002). Norint pasiekti net ir tokį aukštį, reikia, kad plūduriuojantis plūgas laikytųsi bangų greičio, todėl valdymo sistemos, kurios pritaiko įrenginį prie kiekvienos praeinančios bangos, yra tokios svarbios. Praktiškai išmatuotos ir sumodeliuotos mašinos paprastai surenka nuo dešimtosios iki trečdalio galios, kuri pasiekia jas per jų plotį (2015 m. vasario mėn.).

Lėtos, didžiulės jėgos. Bangos stumia milžiniška jėga, bet juda lėtai, po metrą ar du kas kelias sekundes. Generatoriai teikia pirmenybę greitam, švelniam judesiui, todėl kiekvienai bangos mašinai reikia galios nuėmimo įtaisas Hidrauliniai generatoriai yra įrenginiai, kurie paverčia vieną į kitą: hidraulinius stūmoklius ir variklius, oro turbinas, tiesioginės pavaros linijinius generatorius arba mechanines pavarų dėžes. Čia vyksta didžioji dalis inžinerijos ir didelė dalis nesėkmių.

Ribos: teorinės ir praktinės

Ištekliai. Vidutiniškai visoje planetoje apie 2,1 TW bangų galios pasiekia pasaulio pakrantes, tokios pačios tvarkos kaip ir vidutinis pasaulinis elektros energijos suvartojimas, kuris yra apie 3,4 TW (Gunn and Stock-Williams, 2012). Galima išgauti tik dalį: mašinos negali išlyginti kiekvieno kranto, energija prarandama bangoms pasiekiant seklus vandenis, o didžioji dalis išteklių yra atokiuose pietiniuose vandenynuose. Turtingiausios pakrantės yra tarp 40 ir 60 laipsnių platumos: Airija, Škotija, Portugalija, Čilė, pietinė Australija, Naujoji Zelandija, Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų Jungtinės Valstijos. Uždarose jūrose, pvz., Viduržemio jūroje, gaunama tik keli kilovatai vienam metrui.

Audros problema. Paaiškinimo audros mygtukas padaro pagrindinį sunkumą matomu. Mašina yra sukurta taip, kad uždirbtų didžiąją dalį savo pinigų 1-4 m gylio jūroje, tačiau ji turi išgyventi 10-15 m gylio jūroje, nešdama penkiasdešimt ar daugiau kartų didesnę galią ir dar aukštesnes pavienes bangas. Projektuojant konstrukciją audrai, ji tampa sunki ir brangi; projektuojant ją vidutinei jūrai, ji tampa trapi. Vėjo turbinos tai išsprendžia, pasukdamos savo mentis į vėjo pusę. Bangų mašina negali išlipti iš jūros.

Nuovargis. Su 8 sekundžių laikotarpiu mašina atitinka apie keturi milijonai bangų per metus, kiekvienas lenkdamas, stumiamas ir susukamas jo sąnarius, sandariklius ir švartavimosi vietas. Per dvidešimt metų tai yra apie aštuoniasdešimt milijonų apkrovos ciklų sūriame vandenyje.

Prieiga ir švartavimosi vietos. Kaip ir visa jūrų energija, bangų mašinos gali būti įrengtos ir remontuojamos tik ramiu oru, o jos sėdi būtent ten, kur oras yra blogiausias. Švarų įrenginiai turi išlaikyti judančių laivų korpusus neslystant ir nevilkdami.

Realūs projektai, išmatuoti

Projektas	Kur	Tipas ir dydis	Kas atsitiko
Pelamis	Aguçadoura, Portugalija, vėliau EMEC, Orkney	Silpnintuvas, 750 kW, nuo 120 iki 180 m ilgio	The first multi-machine wave farm: three machines, 2.25 MW, began exporting in July 2008 and were offline by November 2008 when the project’s owner ran into financial trouble. The later P2-001 machine completed more than 15,000 operating hours at EMEC. Pelamis Wave Power entered administration in November 2014 (Pelamis).
Austrinės	EMEC, Orkney	Nearshore sklendės, 315 kW tada 800 kW	Pirmoji mašina įdiegta 2009 m., antrosios kartos bandoma nuo 2012 iki 2015 m. Aquamarine Power paskambino administratoriams 2015 m. spalio mėn. (Aquamarine Power).
Mutriku	Baskų kraštas, Ispanija	16 svyruojančių vandens kolonų uosto bangolaivyje, 296 kW	Operating since July 2011. Over 3 GWh in total by the end of 2023; 266 MWh in 2023, a capacity factor of about 10%. Its Wells turbines convert about 30% of the air power into electricity. Cost €6.4 million (Mutriku; Tethys, PNNL).
Wave Hub	Netoli Kornvalio, Anglija	Prijungtas prie elektros tinklo bandymo lizdas iki 20 MW įrenginiams	Įrengta 2010 m. už valstybės pinigus, iki 2018 m. čia nebuvo gaminama elektros energija; vėliau vietovė buvo perkelta į plūduriuojančią jūros vėjo jėgainę (Wave Hub).
CorPower C4	Viešbučiai – Aguçadoura	Taškinis plūduriuojantis plūduras, 300 kW galia, 9 m plotis, 19 m aukštis	Eksportuojama nuo 2023 m. spalio; išgyveno 18,5 m bangas per audrų Domingos 2023 m. lapkričio mėn.; pranešė apie iki 600 kW piko galią; DNV tipo sertifikavimas 2026 m. Toje pačioje vietoje planuojama įrengti nedidelį kitų plūdurų skaičių (CorPower Ocean; CorPower, 2026).

Modelis yra griežtas. Žinomiausios 2000-ųjų mašinų, Pelamis ir Oyster, abi dirbo jūroje, ir abi kompanijos nepavyko pasiekti komercinių masyvų, daugiausia dėl to, kad kitas žingsnis kainavo daugiau nei investuotojai rizikuotų. Ilgiausią laiką veikianti elektrinė, Mutriku, yra maža ir buvo pastatyta ant bangolaidžio, kuris bet kuriuo atveju buvo reikalingas. Naujausia karta, vadovaujama tokių dizainų kaip CorPower’s, išgyvenimą ir kontrolę įdėjo į pirmą vietą ir tik dabar pereina nuo vienos mašinos prie pirmojo mažo masyvo.

Kiek tai kainuoja

Kol kas nėra komercinės bangų ūkio, todėl kiekvienas sąnaudų skaičius yra apskaičiuotas iš prototipų ir modelių.

Šaltinis	Kas tai yra	Kaina
Mutriku, mūsų skaičiavimas iš paskelbtų duomenų	6,4 mln. EUR už 266 MWh 2023 m., 20 metų esant 7 % realioms palūkanoms prieš bet kokias eksploatacines išlaidas	daugiau kaip 2 EUR už kWh
Vandenyno energijos sistemos (2015)	Antrosios bangos masyvai, vidutiniai kūrėjo duomenys	$0.21 to $0,67 už kWh
Vandenyno energijos sistemos (2015)	Pirmieji komercinio masto bangų ūkiai: vystytojų skaičiavimai / nepriklausomi referenciniai tyrimai	$0.12 to $0,28 / $0.28 to $0,48 už kWh
Vandenyno energijos sistemos (2015)	Pirmųjų masyvo elementų įrengimo kaina	$4,000 to $18,100 už kW
Mūsų etalonas	Saulės energija ant pastato stogo, ventiliatoriaus sienos modelis; Lazard 2026 komercinė ir bendruomeninė saulės energija	0,19 USD už kWh; $0.09 to $0,20
Lazardas (2026 m. birželis)	Naujos komunalinės saulės / sausumos vėjo / jūros vėjo energijos	$0.04 to $0,10 / $0.04 to $0,10 / $0.11 to $0,17 už kWh

Mutriku nėra sąžiningas išlaidų bandymas; tai buvo demonstracija, kurioje dėl patikimumo buvo pasirinktos mažos turbinos. Bet tai rodo, kaip toli realios aparatūros yra nuo popieriaus įverčių. Sąžiningas diapazonas už pirmąjį mažą masyvą šiandien yra maždaug $0.30 to $0,70 už kWh, nuo dviejų iki keturių kartų stogo saulės. Pramonės tyrimai rodo, kad komerciniai ūkiai gali pasiekti $0.12 to $ 0,28, jei mašinos išgyvena, prieinamumas yra didelis ir sąnaudos mažėja su kiekiu. Nė viena iš šių sąlygų dar nebuvo įrodyta jūroje.

Kur ji gali laimėti, o kur negali

Ji gali laimėti:

• Jūroje, kur nėra tinklo. Vandenyno jutikliai, navigaciniai plūdurai, akvakultūros rašikliai, povandeninės transporto priemonės, kurioms reikia įkrauti ir atviros jūros platformos dabar veikia baterijose, dyzeliniuose ar saulės kolektoriuose, kurie žiemą mažai daro. Čia mažų bangų mašina konkuruoja su brangiąja energija, o ne pigia saulės energija.
• Energijos šaltinių pakrantėse esančiose salose, nuo Hebridų iki Azorų ir Ramiojo vandenyno, jau dabar naudojamas importuotas dyzelinas.
• Vakarų ir jūros sienos vis tiek statomos, kaip Mutriku, kur struktūra jau yra apmokėta.
• Kartu su jūros vėjo jėgainėmis, dalijantis kabeliais, tinklo jungtimis ir techninės priežiūros laivais, taip pat gaminant energiją, kai vėjas nurimsta, bet bangavimas ne.
• Kaip žiemos energija aukštose platumose, kur bangos yra stipriausios, kai saulės baterijos daro mažiau.

Jis negali laimėti:

• Kaip pigi birių elektros energija, kur tik galima pastatyti saulės ir vėjo jėgaines.
• Apsaugotose pakrantėse ir uždarose jūrose, kur vidutinis šaltinis yra keli kilovatai vienam metrui.
• Neįrodydamas išgyvenimo pirmiausia. Dizainas, kuris nebuvo per žiemą jūroje, vis dar yra modelis, tačiau jo tankas gerai veikia.

Kas yra įrodyta, tikėtina ir spekuliacinė

Įrodyta: bangų energijos ir galios srauto fizika; svyruojantys kūnai; kad bangos mašinos gali generuoti elektros energiją jūroje ir eksportuoti ją į tinklą; kad svyruojantis vandens stulpelis banglenčių lauke gali veikti daugiau nei dešimtmetį (Mutriku); kad šaltinis yra stipriausias žiemą vakarinėje pakrantėje vidutinės platumos.

Tikėtina: kad nauji valdymo metodai ir lengvesnės konstrukcijos gali padidinti plieno surinkimo ir pjovimo kiekį vienam kilovatui; kad taško absorberiai gali išgyventi audras, tokias kaip “CorPower” C4, susidūręs su 2023 m.; kad masyvai, dalijantys švyturius ir kabelius, gali sumažinti sąnaudas; kad vandenynų stebėjimo ir akvakultūros rinkos mokės už mažas mašinas prieš tai, kai tinklas.

Spekuliacinis: bangų energija jūros vėjo sąskaita; vienintelis dizainas, laimėjusi trijų menčių turbinos laimėjimą vėjo srityje; dideli šimtų megavatų masyvai per kitą dešimtmetį.

Atviri tyrimo klausimai

• Išlikimas ir kontrolė kartu. Kaip sureguliuoti mašiną, kad ji sugautų daugiausia iš įprastų bangų, tuo pačiu saugiai ją nustatant audroje, patikimai, dvidešimt metų.
• Galos nuėmimas. Efektyvus, patvarus lėtų, didžiulių jėgų konvertavimas: hidraulika, magnetinės pavaros, linijiniai generatoriai, lanksčios medžiagos, kurios pačios yra generatoriai.
• Švartai ir konstrukcija. Mažiau plieno vienam kilovatui ir švartai, kurie nepasiseks.
• Masyvų. Kaip mašinos šešėliuoja ar padeda viena kitai grupėse, ir kaip dalintis infrastruktūra.
• Konvergencija. Kuri iš pirmiau minėtų šeimų, jei tokių yra, yra iš esmės pigiausia. Yra viešų programų, pvz., Wave Energy Scotland, kuriose pateikiama bendrų duomenų.
• Aplinka. Povandeninis triukšmas, pavojus įsipainioti jūros žinduoliams švartavimosi vietose ir poveikis pakrančių nuosėdoms, kai dideli masyvai paima energiją iš bangų.

Ko reikėtų darbiniam prototipui

Bangų energija turi gerai išmėtytą kelią nuo idėjos iki jūros, būtent todėl, kad tiek daug idėjų nepavyko. Žemiau pateiktos kainos yra mūsų apytiksliai skaičiavimai mažos komandos.

Etapas	Darbas	Ką tai įrodo	Apytikslė kaina	Laikas
1. Skaitmeninis modelis	Dažnių srities ir laiko srities modeliai realiose jūros sąlygose (yra atvirų įrankių, tokių kaip WEC-Sim)	Teoriškai fiksuojamas plotis, apkrovos audrose	$10k to $40k	2–4 mėnesiai
2. bangos bakas	1:50–1:20 modelis universiteto bangų baseine, reguliarios ir nereguliarios bangos, tada ekstremalios bangos, su imituojamu galios pakėlimu, išmatuotu prietaisais	Išmatuotas gaudymo pločio santykis ir išlikimo apkrovos	$30k to $150k	Nuo 3 iki 6 mėnesių
3. Apsaugotas jūros bandymas	1:4 iki 1:10 mašina, esanti inkubatoriuje, pvz., EMEC Scapa Flow arba BiMEP Ispanijoje, eksportuojanti į apkrovos banką	Tikra galia, švartavimasis, priežiūra, žiema jūroje	$0.5 million to $3 milijonai	1–2 metai
4. Visas mastas	Vienas įrenginys prie atviros jūros prie tinklo prijungtoje švartavimo vietoje	Bankiniai veiklos ir išlikimo duomenys	10 milijonų ir daugiau	keletą metų

2 etapas yra tas, kai šūvis pradeda būti patikimas: modelis bangų rezervuare su išmatuotu galios pakėlimu, parodantis tiek tai, ką jis sugavo, tiek tai, ką jis išgyvena.

Ko mums reikia

• Vandenyno inžinieriai ir hidrodinamikai su bangų struktūros sąveika ir valdymo patirtimi.
• Bangų rezervuarų įrenginiai universitetuose ir nacionalinėse laboratorijose.
• Galos nuėmimo specialistai: hidraulika, linijiniai generatoriai, magnetinės pavaros.
• Švaravimo ir jūrų statybos inžinieriai.
• Jūrų operacijos žmonės, kurie įdiegė ir atkūrė įrangą jūroje.
• Jūrų ekologijos triukšmo ir susipainiojimo stebėsenai.
• Naudotojai jūroje: žuvų ūkiai, vandenynų observatorijos ir salų komunalinės paslaugos, kurios pirktų pirmąsias mašinas.

Turite geresnę idėją?

Kai kurie fondo nariai gali turėti kontaktų, kurie galėtų išgirsti žodžius. Kad būtų įgyvendinta, idėjai reikia veikiančio, realaus modelio, kuris iš tikrųjų gamina energiją, o jo galia matuojama prietaisu, o ne reikalaujama: modelis bangų rezervuare su užregistruota galios paėmimo informacija sako daugiau nei bet kokia animacija. Taip pat laukiame ir popierinių idėjų: jei fizikos ir skaičių pagrindai yra tvirti, galime jas paskelbti čia, svetainėje. Tačiau pritraukti kapitalą be veikiančio modelio yra labai sunku, ir niekas čia nėra finansavimo, grąžos ar įvedimo pažadas.

Siųskite savo idėją per įnašo formą, pasirinkdami Žaliąją iniciatyvą. Papasakokite, kokioms bangoms jis skirtas, kokio ploto gaudyklės tikitės ir kodėl, kaip ji išgyvena audrą, apytikslę kainą už kWh ir pigiausią testą, kuris galėtų įrodyti, kad tai neteisinga. energijos šaltinių puslapis palygina bangų energiją su vienuolika kitų idėjų.

Šaltiniai

1. Gunn, K. ir Stock-Williams, C. (2012). Pasaulinės bangų energijos išteklių kiekybinė analizė. Atsinaujinanti energija 44, 296-304.
2. Žmona J. (2002). Vakarų Europos ir Baltijos jūros regiono vandenynų bangų ir svyruojančių sistemų tyrimai. Kembridžo universitetas.
3. A. Babravičius. (2015). Bangų energijos keitiklių gaudymo pločio santykio duomenų bazė. Atsinaujinanti energija 80, 610-628.
4. Ocean Energy Systems (2015 m.) Tarptautinės lyginamosios vandenynų energijos technologijų energijos sąnaudos.
5. Bangų galia, Vikipedija: giliųjų vandenų energijos srauto formulė.
6. Pelamis bangų energijos keitiklis, Vikipedija.
7. Aquamarine Power, Vikipedija.
8. Mutriku bangų jėgainė, Vikipedija ir Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinė laboratorija, Tethys, Mutriku bangų elektrinė.
9. Wave Hub, Vikipedija.
10. CorPower Ocean, Wikipedia ir CorPower Ocean (2026), pirmasis pasaulyje DNV sertifikatas bangų energijos technologijai.
11. Energijos šaltinis – ugnis. Viešoji programų ataskaitų biblioteka.
12. Lazard (June 2026). Levelized Cost of Energy+, 19 versija.
13. Local Solar System Fondas. Ventiliatoriaus siena: atviras modelis ir lyginamasis standartas, stogo saulės energijos kaina $ 0.19 už kWh.
14. Islay LIMPET, Wikipedia: 250 kW pakrantės svyruojanti vandens kolona, prijungta prie tinklo 2000 m. ir nutraukta eksploatuoti 2011 m.
15. Wave Dragon, Wikipedia: 1:4.5 mastelio prototipas Nissum Bredning miestelyje, 2003–2010 m.
16. BiMEP (2026). BiMEP yra IDOM naujas plūduriuojantis įrenginys: MARMOK-A5 svyruojanti vandens kolonėlė, ir ankstesnė versija, išbandyta nuo 2016 iki 2019 m.
17. Airy bangų teorija ir Wells turbina, Wikipedia: dalelės orbituoja bangose, o oro turbina sukasi ta pačia kryptimi abiem kryptimis.