Гибридная приливная фотоэлектрическая система для модульного размещения возобновляемых источников энергии в устьях рек

Аккумулятор FIAMM 12FGH65

Исследователи из Бразилии разработали и смоделировали концепцию гибридной приливной и фотоэлектрической плавучей фермы для устьевых каналов, проанализировав эффекты турбулентности, расстояние между турбинами и компромиссы, связанные с использованием гибридных источников энергии. Результаты показывают, что интеграция фотоэлектрических систем с гидрокинетическими турбинами повышает общую выработку энергии за счет компенсации потерь, связанных с турбулентностью, и оптимизации конфигурации модульных ферм.

Исследователи из Бразилии разработали концепцию гибридной приливной и фотоэлектрической генерации для модульного использования возобновляемых источников энергии в устьях рек.

В ходе моделирования команда исследователей изучала восстановление продольного потока, его влияние на эффективность установки, а также компромиссные решения между расстоянием между турбинами, установленной мощностью и выработкой энергии. Поток — это турбулентный поток воды, возникающий после вращения турбины и снижающий эффективность последующих турбин.

«Несмотря на то, что в данной работе в качестве примера рассматривается канал Бокейран, предложенная методология не привязана к конкретному месту и может быть применена к другим устьевым каналам со схожими характеристиками, такими как геометрические ограничения, большой диапазон приливов и отливов, сильные течения и благоприятные условия для использования солнечной энергии, — заявили исследователи. — Таким образом, эта методология может стать полезной основой для предварительной оценки целесообразности строительства модульных гидрокинетических и гибридных энергетических ферм в устьевых зонах».

По данным исследователей, приливный режим в проливе Бокейран является полусуточным, с периодом около 12,4 часа. В этом регионе амплитуда приливов превышает 6 м, а скорость течения часто достигает 2,5 м/с, в результате чего максимальная плотность мощности составляет 7,63 кВт/м², а годовая плотность энергии — 17,96 МВт·ч/м². Около 82,5 % годовой скорости течения находятся в рабочем диапазоне турбины 0,5–2,0 м/с. Что касается фотоэлектрической составляющей, то на эту территорию попадает много солнечного света — около 5–5,5 кВт⋅ч/м² в день, или примерно 1900 кВт⋅ч/м² в год.

В качестве генератора приливных течений использовалась гидрокинетическая турбина Yarama — шестилопастная турбина с горизонтальной осью вращения и диффузором, предназначенная для использования в устьях рек и на реках с низкой скоростью течения. Ее номинальная гидравлическая мощность составляет 5 кВт, эффективная электрическая мощность — 4 кВт, скорость срабатывания — 0,5 м/с, а скорость отключения — 2,4 м/с. Диаметр рабочего колеса турбины составляет 1,21 м, внешний диаметр — 1,64 м, а длина диффузора — 1 м.

Прежде чем внедрить фотоэлектрическую систему, исследователи с помощью численного моделирования оценили влияние турбин на окружающую среду. Они выяснили, что при боковом расстоянии в 3D (где D — диаметр турбины) потери производительности практически отсутствуют. А вот продольное расстояние сильно влияет на производительность: при расстоянии между турбинами в 40D в направлении потока коэффициент мощности турбины, расположенной ниже по потоку, снижается с 0,88 до 0,64 из-за влияния турбин на окружающую среду. Увеличение расстояния между лопастями до 50D и 60D повысило коэффициент подъемной силы до 0,76 и 0,80 соответственно. Это свидетельствует о том, что большее расстояние между лопастями позволяет лучше восстанавливать реактивную тягу и повышает выходную мощность.

Однако из-за расстояния между турбинами количество установок, которые можно разместить на доступной площади, сокращается, что приводит к компромиссу между выработкой энергии и установленной мощностью. Поэтому ученые решили установить солнечные панели на каждой турбине на плавучей платформе типа катамарана. Каждая гибридная установка имеет длину 4,5 м и ширину 2 м, понтоны диаметром 0,45 м и вертикальную стойку длиной 1,5 м, соединяющую плавучую конструкцию с погруженной в воду турбиной. Фотоэлектрическая система состоит из четырех панелей, установленных над платформой, общей мощностью 2,48 кВт и КПД 23%.

Исследователи смоделировали гибридную систему в виде плавучей фермы, установленной на экспериментальной площадке размером 0,5 км × 3 км в проливе Бокейран. Каждая ферма состояла из 1–17 колонн, каждая из которых включала 138 гибридных приливных и фотоэлектрических установок, расположенных вдоль канала. Для каждой конфигурации фермы команда также протестировала продольное расстояние между колоннами в 40, 50 и 60 дециметров.

Моделирование показало, что ферма с продольным расстоянием между рядами 40D и тремя рядами колонн будет вырабатывать 5,186 ГВт·ч энергии в год при приведенной стоимости энергии (LCOE) 0,36 доллара за кВт·ч. Если увеличить количество столбцов до четырех, годовая выработка увеличится до 6,401 ГВт·ч при удельной стоимости электроэнергии 0,37 доллара за кВт·ч, а при пяти столбцах — до 7,468 ГВт·ч в год при удельной стоимости электроэнергии 0,38 доллара за кВт·ч.

При конфигурации 50D шесть колонн будут вырабатывать 10,043 ГВт·ч в год при удельной стоимости электроэнергии 0,33 доллара за кВт·ч, восемь колонн — 12,466 ГВт·ч в год при цене 0,33 доллара за кВт·ч, а 11 колонн — 15,605 ГВт·ч в год при цене 0,35 доллара за кВт·ч. При конфигурации 60D девять колонн будут вырабатывать 15,002 ГВт·ч в год при цене 0,30 доллара за кВт·ч, 12 колонн — 18,680 ГВт·ч в год при цене 0,31 доллара за кВт·ч, а максимальная конфигурация из 17 колонн — 23,956 ГВт·ч в год при цене 0,32 доллара за кВт·ч.

Результаты также показали, что, хотя эффект кавитации приводит к снижению выработки энергии гидрокинетическими турбинами, расположенными ниже по течению, интеграция фотоэлектрических систем помогает частично компенсировать эти потери. Таким образом, гибридная конфигурация повышает общую производительность объекта, увеличивая общий выход энергии и позволяя более эффективно использовать доступные природные ресурсы.

«В целом исследование подтверждает, что гибридные гидрокинетические и фотоэлектрические системы представляют собой технически осуществимое и экономически перспективное решение для модульного использования возобновляемых источников энергии в устьях рек, — заключили ученые. — Предложенная методология обеспечивает надежную систему поддержки принятия решений на ранних этапах оценки проектов, позволяя реалистично сравнивать различные варианты расположения, расстояния между элементами и уровни интеграции».

Система была представлена в статье «Проектирование и технико-экономическая оценка гибридной гидрокинетической фотоэлектрической установки с диффузором в устьевом канале», опубликованной в журнале Energy Conversion and Management. В исследовании приняли участие ученые из бразильских Федерального университета Мараньяна, Федерального университета Итажубы, Федерального института Мараньяна и Университета Кампинаса.