Изследователи от Бразилия са разработили и симулирали концепция за хибридна плаваща ферма, използваща приливна енергия и фотоволтаици, предназначена за добив на чиста енергия от устията на реки.
Учените са анализирали ефекта на т. нар. „следа“ – разстоянието между турбините и компромисите при използването на хибридна енергия. Резултатите показват, че интегрирането на фотоволтаици с хидрокинетични турбини подобрява общия добив на енергия чрез компенсиране на загубите, свързани със „следата“, и оптимизиране на конфигурациите на модулните ферми.
В своето симулационно проучване екипът е изследвал възстановяването на надлъжната „следа“, нейното влияние върху ефективността на турбините и компромисите, свързани с разстоянието между турбините, инсталирания капацитет и добива на енергия.
Понятието „следа“ се отнася до турбулентния воден поток надолу по течението след турбина, която вече е извлякла енергия, и това може да намали производителността на турбините, разположени по-надолу.
„Въпреки че настоящата работа е илюстрирана чрез казус в канала Бокейрао, предложената методология е приложима за други устия с подобни характеристики, като геометрични ограничения, големи приливни амплитуди, силни течения и благоприятна слънчева радиация“, казаха изследователите.
Според тях, приливният режим в канала Бокейрао е полудневен, с период от приблизително 12,4 часа. В региона се наблюдават приливни амплитуди над 6 м и скорости на течението, често надвишаващи 2,5 м/с, което води до максимална плътност на мощността от 7,63 kW/m² и годишна енергийна плътност от 17,96 MWh/m².
Около 82,5% от годишните скорости на течението попадат в работния диапазон на турбината от 0,5-2 м/с. За фотоволтаичния компонент районът получава силна слънчева радиация от около 5-5,5 kWh/m² на ден или около 1900 kWh/m² годишно.
Компонентът за генериране на енергия от приливното течение е базиран на хидрокинетичната турбина Yarama – 6-витлова дифузорно-усилена турбина с хоризонтална ос, проектирана за нискоскоростни условия в устията на реки и реки.
Тя има номинална хидравлична мощност от 5 kW, ефективна електрическа мощност от 4 kW, скорост на включване от 0,5 м/с и скорост на изключване от 2,4 м/с. Турбината има гърловинен диаметър от 1,21 м, външен диаметър от 1,64 м и дължина на дифузора 1 м.
Преди да включат фотоволтаици в системата, изследователите първо изчислили „следата“ на турбините чрез числени симулации. Въз основа на това установили, че странично разстояние от 3D (където D означава диаметъра на турбината) води до почти нулева загуба на производителност.
За разлика от това, надлъжното разстояние има силен ефект: когато турбините са поставени на 40D една от друга по посока на потока, коефициентът на мощност на турбината надолу по течението спада от 0,88 на 0,64 поради загубите от „следата“.
Увеличаването на разстоянието до 50D и 60D подобрява коефициента на мощност надолу по течението съответно до 0,76 и 0,80, което показва, че по-голямото разстояние позволява по-добро възстановяване на „следата“ и по-висок добив на енергия.
Подобна зависимост намалява броя на турбините, които могат да бъдат инсталирани в наличната площ, създавайки компромис между добива на енергия и инсталирания капацитет. Поради това учените решили да монтират соларни панели върху всяка турбина на плаваща платформа тип катамаран.
Всяка хибридна единица е дълга 4,5 м и широка 2,0 м, с понтони с диаметър 0,45 м и вертикален стълб с височина 1,5 м, който свързва плаващата конструкция с потопената турбина. Фотоволтаичната система се състои от четири панела, монтирани над платформата, с комбиниран капацитет от 2,48 kW и ефективност от 23%.
Изследователите симулирали хибридната система като плаваща ферма, инсталирана в пилотна зона с размери 0,5 км × 3 км в канала Бокейрао. Всяка ферма съдържала между 1 и 17 колони, като всяка колона се състояла от 138 хибридни приливно-фотоволтаични единици, подредени една до друга през канала. За всяка конфигурация на фермата екипът също така тествал надлъжни разстояния от 40D, 50D и 60D между колоните.
Серията симулации показва, че ферма с надлъжно разстояние от 40D и три колони би генерирала 5,186 GWh енергия годишно, с остойностен разход на енергия (LCOE) от 0,36 долара за киловатчас. Разширяването на системата до четири колони би увеличило годишното производство до 6,401 GWh, с LCOE от 0,37 $/kWh, докато конфигурация с пет колони би достигнала 7,468 GWh/година с LCOE от 0,38 $/kWh.
За конфигурацията 50D шест колони биха генерирали 10,043 GWh/година при LCOE от 0,33 $/kWh, осем колони биха генерирали 12,466 GWh/година при 0,33 $/kWh, а оформлението с 11 колони би генерирало 15,605 GWh/година при 0,35 $/kWh. За конфигурацията 60D девет колони биха генерирали 15,002 GWh/година при 0,30 $/kWh, 12 колони биха генерирали 18,680 GWh/година при 0,31 $/kWh, а максималното оформление с 17 колони би генерирало 23,956 GWh/година при 0,32 $/kWh.
Резултатите също така показали, че докато ефектите на „следата“ водят до намалено производство на енергия от хидрокинетичните турбини надолу по течението, интегрирането на фотоволтаичното производство помага частично да се компенсират тези загуби.
В резултат на това хибридната конфигурация подобрява цялостната продуктивност на обекта, увеличавайки общия добив на енергия и правейки по-ефективна употреба на наличните природни ресурси.
„Като цяло, проучването потвърждава, че хибридните хидрокинетично-фотоволтаични системи представляват технически осъществимо и икономически обещаващо решение за модулно внедряване на възобновяема енергия в устията на реки“, заключоват академиците.
