Vågkraftverk

Vågkraftverk är kraftverk som använder vågornas rörelser som energikälla för elproduktion.

Bakgrund

Vågkraft avser oftast nyttjandet av den energi som finns i vattenvågor. Det är att på olika sätt absorbera/fånga upp den energi som finns i vågen och konvertera den till någon annan mer användbar form, oftast elektricitet.

En mängd olika lösningar på hur ett vågkraftverk ska konstrueras har föreslagits. Det finns cirka 40 olika system för att hantera omvandlingen av vågenergi till elektricitet. De kan grupperas efter horisontell storlek och orientering eller efter placering (vid strandlinjen, nära land eller ute till havs, över eller under vattenytan) och efter hur energiutvinningen ur vågorna sker. I den här artikeln har typ av energikonvertering valts som klassificeringsmetod.

Oscillerande vattenpelare (OWC) miniatyr|Islay LIMPET i Skottland använde sig av en oscillerande vattenpelare. En oscillerande vattenpelare (OWC) består av en kammare med en öppning under vattnet genom vilken vattenpelaren i kammaren står i förbindelse med det vågpåverkade vattnet utanför. Luften som är instängd inuti kammaren strömmar genom en turbin som driver en generator när den fria vattenytan inuti kammaren oscillerar (åker upp och ner) på grund av vågorna. De flesta OWC-kraftverk har en fast konstruktion, antingen på havsbotten eller inbyggd i en stenig sluttande strandkant, men det finns även flytande OWC som bygger på samma principer men där en boj håller dem flytande. Ett vågkraftverk som bygger på teknik med en oscillerande vattenpelare har en energikonverteringskedja som består av följande huvudelement: våg till luft, vindturbin och generator.

Våg-luftomvandling miniatyr|Principskiss för oscillerande vattenpelare Våg-luftomvandling innebär det steg då energi från vågorna absorberas. Här har designen av kammaren som innehåller den oscillerande vattenpelaren en avgörande roll. Genom att utvidga kammaren med avgränsningar i vågriktningen kan de infallande vågorna samlas ihop från ett större område och koncentreras till kammaren som kan omvandla mer energi.

Konstruktionsdesign Designen och uppförandet av själva konstruktionen som samlar in och konverterar vågorna är en kritisk del i OWC-tekniken, och dominerar kostnaderna. Även om hydrodynamiken hos vågkonverteringen är relativt väl känd så finns det ingen etablerad konstruktionsdesign eller byggmetod, då kunskapen om resulterande laster som uppstår är otillräcklig. Detta leder i sin tur att konstruktionen måste överdimensioneras kraftigt med stora säkerhetsmarginaler för att få en tillförlitlig konstruktion.

Vindturbin Turbinen är den mest kritiska delen av energikonverteringsstegen där en stor del av energiförlusterna sker. En stor del av forskning och utveckling på OWC-kraftverk har vikts till turbinaerodynamik. Man har tittat på flera olika turbinlösningar, men Wells turbin är den turbin som används i de flesta OWC-system, eftersom den inte kräver konstant flödesriktning, det vill säga att luften kan strömma i bägge riktningarna genom turbinen. En annan fördel med Wells turbin är att den har en ganska hög toppverkningsgrad på runt 0,7-0,8 för en fullstor turbin. Vid oregelbundna vågor kan man däremot inte förvänta sig en verkningsgrad över 0,6. I själva verket kan den vara märkbart lägre om turbinen inte är anpassad till kraftverkets hydrodynamik och vågklimatet eller om dess rotationshastighet inte regleras advekat.

Vattentransportsystem (OTS-overtopping system) Vattentransportsystem samlar vatten från infallande vågor för att skapa en höjdskillnad för att driva en eller flera lågtrycksturbiner. Det finns både fasta anläggningar vid stranden och flytande anläggningar ute till havs.

Fasta anläggningar Den kanske mest kända fasta anläggningen av OTS-typ är den norska TAPCHAN (tapered channel = avsmalnande kanal) som utvecklades på 80-talet. Denna teknik bygger på att man utnyttjar befintlig natur och består av en fokuserare, en omvandlare, en reservoar och en lågtrycksturbin. Den trattformade fokuseraren koncentrerar de inkommande vågorna, genom reflektion mot stranden, innan dessa når omvandlaren. Omvandlaren är en gradvis avsmalnande kanal. Vågorna kommer in i kanalen i den vida änden och allt eftersom kanalen smalnar av ökar våghöjden ända tills vågorna rinner över kanalväggarna och ner i reservoaren. På så sätt omvandlas energin i vågorna successivt till potentiell energi (lägesenergi) i reservoaren. Den huvudsakliga funktionen hos reservoaren är att jämna ut variationerna hos vågorna och stabilisera flödet till vattenturbinen. För att kunna uppfylla dessa krav får inte reservoaren vara för liten.

Denna typ av vågkraftverk bygger på konventionell teknik i en högre grad än andra typer av vågkraftverk. I princip fungerar den som ett traditionellt vattenkraftverk där man utnyttjar en höjdskillnad hos vattnet för att driva en turbin.

Flytande anläggningar miniatyr|Flytande OTS En flytande OTS består av samma grundkomponenter som en fast OTS, nämligen fokuserare, omvandlare, en reservoar och en eller flera lågtrycksturbiner. Omvandlaren i det här fallet är en ramp, i stället för en avsmalnande kanal. Vågorna färdas upp för rampen och rinner sedan ner i en reservoar. Reservoaren fungerar precis som i TAPCHAN-typen och vattnet lagras i reservoaren temporärt. Vattnet rinner sedan genom turbinerna och ut i havet igen, och utnyttjar på så sätt höjdskillnaden mellan reservoaren och vattenytan.

Med en flytande anläggning måste man förankra denna i havsbotten.

Oscillerande kroppar miniatyr|Pelamis utanför Aguçadoura i Portugal. Kategorin omfattar alla system som bygger på att en kropp sätts i rörelse som på olika sätt utnyttjas till att driva en generator. Systemen kan bestå av såväl flytande kroppar som kroppar nedsänkta under vattenytan. Två vanliga koncept är dämpande system och punktabsorberande system.

Dämpande system (attenuators) är långa flytande strukturer uppdelade i flera segment placerade parallellt med vågens riktning. De olika höjderna på vågen längs med den flytande strukturen resulterar i en flexande rörelse mellan segmenten som driver en hydraulisk pump eller annan typ av konverterare. Punktabsorberande system Punktabsorberande (PA) system är system med en liten horisontell utbredning hos den del som absorberar/omvandlar vågenergin jämfört med den dominerande våglängden. PA:s förmåga att absorbera vågenergi är även oberoende av riktningen på vågorna. Med avseende på gravitationsvågor kan en punktabsorberare absorbera energi från en bredd som är större än dess fysiska dimension. Detta kallas för den punktabsorberande effekten. Det finns många olika system som kan klassificeras som punktabsorberande. De är antingen flytande eller monterade på havsbotten och ger en hävande rörelse som omvandlas av mekaniska och/eller hydrauliska subsystem till en linjär eller roterande rörelse vilket i sin tur driver en generator.

Lysekilsprojektets vågkraftskoncept I Sverige utvecklas genom Lysekilsprojektet (drivet av avdelningen för elektricitetslära vid Uppsala universitet) ett punktabsorberande direktdrivet system där en flytande boj driver en permanentmagnetiserad linjärgenerator. Den hävande rörelsen omsätts direkt till att driva en generator utan några mekaniska eller hydrauliska subsystem emellan. Detta resulterar i ett enkelt och robust mekaniskt system, men även i ett något mer komplicerat elektriskt system.

miniatyr|Schematisk bild över vågkraftverk med linjärgenerator på havsbotten, ansluten via en lina till en boj vid havsytan

Vågkraftskonceptet i Lysekilsprojektet baseras på en trefas permanentmagnetiserad linjärgenerator som är placerad på havsbotten. Generatorn är ansluten till en punktabsorberande boj vid ytan via en lina. När vågorna rör sig kommer kraften från dessa att orsaka en hävande rörelse hos bojen. Bojens rörelser kommer sedan i sin tur att driva translatorn i generatorn, därmed induceras en ström i generatorn. Translatorn är kopplad till generatorfundamentet via fjädrar vilka drar tillbaka bojen i vågdalarna.

Eftersom den inducerade spänningen hos generatorn kommer att variera både i amplitud och i frekvens kan inte generatorn kopplas direkt till nätet. Därför kommer flera generatorer att kopplas samman i ett marint ställverk där spänningen likriktas, läggs ihop, växelriktas, transformeras upp till rätt spänning och kopplas in på nätet.

Se även Vågkraft Vindkraftverk Vattenkraft Solenergi Tidvattenkraftverk Vattenvågor Vågrörelse Swentec - Sveriges miljöteknikråd

Referenser

Kategori:Vattenkraftverk Kategori:Vågkraft