ВОЛНОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Использованию

ВОЛНОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
Использованию энергии волн океана уделяется достаточно большое внимание,
выработаны приоритетные принципы устройств, на основе которых создаются,
практически применяемые, устройства (например, Pelamis P-750 (Португалия),
основанный на принципе «плота Коккерелла»), в данной статье предлагается
обратить внимание на преимущества создания волновой установки, используя другой
принцип устройства.
Изучение, реально наблюдаемых, волн в океанах [1, стр.308 – 311] показывает,
что мест, где постоянно наблюдаются волнения с большой амплитудой волны
достаточно мало, наиболее часто встречающиеся, а также переносящие наибольшее
количество энергии, волны имеют достаточно большой период (более 9сек.), но
достаточно небольшую амплитуду (порядка 1,5м). На таких волнах, действующие на
водной поверхности, преобразователи волновой энергии имеют небольшую
эффективность, так как они «отслеживают» малую амплитуду волны; более
предпочтительными являются преобразователи, которые за достаточно большой
период «успевают» сместиться на расстояние, значительно большее, чем амплитуда
волны.
Волновая энергетическая установка (Рис.1а (вид сверху)) состоит из подводного
поплавка (1) и движущейся вдоль него вертикально системы из трѐх надводных
поплавков (2), которые соединены между собой сверху каркасом (3); в центре
конструкции расположен концентратор энергии (4) (одновременно служит и
ограничителем относительного движения подводного поплавка (1) и системы
надводных поплавков (2)).
2
1
3
4
2
2
Рис. 1а.
-2-
18
17
3
4
2
25
12
11
18
24
13
1
7
10
16
9
8
6
21
20
19
23
14
5
22
15
Рис. 1в.
.
На рис.1в. (вертикальный разрез подводного поплавка (1) и одного из
надводных поплавков (2)) показано: подводный поплавок (1) состоит из закрытой
сверху вертикальной поверхности (5), верхняя часть этой конструкции заполнена
воздухом (6); на водной поверхности внутри подводного поплавка (1) плавает,
заполненная воздухом, ѐмкость (7), которая запирается устройством (8); ѐмкость (7)
может сжиматься (9) под действием опускающегося подводного поплавка (1); на
верхней поверхности подводного поплавка (1) расположена камера с воздушной
турбиной (10), через которую воздух может перемещаться по гибкому воздуховоду
(11) в надводный поплавок (2); надводный поплавок (2) состоит из обычного
поплавка (12) и из закрытого сверху цилиндрического стакана (13); верхняя часть
стакана (13) заполнена воздухом, а в нижней части расположена конструкция,
которая препятствует перетеканию воды при колебаниях поплавка (жѐсткая
поверхность (14), которая через опору опирается на дно (15); но уровень воды (16)
в камере (13) может изменяться при приливах); в центре верхней поверхности
подводного поплавка (1) устанавливается вертикальный шток (17) (он проходит черзз
-3отверстие в устройстве (4), которое крепится на каркасе (3) и движется вместе с
надводными поплавками (2)), на которой закрепляются опорные приспособления
(18);
(19) - устройства, позволяющие перемещаться вертикально надводным
поплавкам (2) относительно подводного поплавка (1); (20) - элементы каркаса на
боковой поверхности надводных поплавков (2), соединяющие их в одну
конструкцию; (21) - устройства, позволяющие управлять зависимостью давления
воздуха в подводном поплавке (1) от смещения его из состояния равновесия; (22) –
устройство, позволяющее смещаться ѐмкости (7) при приливах, но блокирует
смещение этой ѐмкости (7) при колебаниях подводного поплавка (1); (23) - балласт;
(24) – уровень водной поверхности; (25) – устройства, которые позволяют
использовать воздушный объѐм поплавков (12).
Для эффективного преобразования волновой энергии, необходимо, чтобы
собственная частота колебательной системы была больше частоты, вызывающего
колебания, волнения.
Собственная частота колебания определяется отношением
возвращающего в положение равновесия усилия и вовлекаемой в движение массы.
В расчѐтах используем изотермическую зависимость для идеального газа
Р*V = const
(1)
Для упрощения анализа характеристик установки введѐм конкретные числовые
значения параметров.
Со = 2,5*С1 = С2
(2)
Со - площадь сечения подводного поплавка (1);
С1 - суммарная площадь «стаканов» (13) надводных поплавков (2);
С2 - суммарная площадь поплавков (12) надводных поплавков (2);
Ро - давление воздуха в подводном поплавке (1) в состоянии равновесия;
Ро = 14м.в.ст (метров водяного столба; 10 – атмосфера, 3 – столб воды над
подводным поплавком (1), 1 – вес конструкции подводного поплавка (1));
Vо - объѐм воздуха в установке (участвует в процессах сжатия) в состоянии
равновесия;
Vо = Но*Со
(3)
Но - эффективная толщина воздушного слоя;
Нох - эффективная толщина воздушного слоя в установке после отклонения из
состояния равновесия;
Н1о - эффективная толщина (Со) слоя воздуха, находящегося в подводном
поплавке (1) в состоянии равновесия;
Н2о - эффективная толщина (Со) слоя воздуха, находящегося в «стаканах» (13)
надводных поплавках (2) в состоянии равновесия;
Рох – давление воздуха в установке после отклонения из состояния равновесия;
Р1х - давление воздуха в подводном поплавке (1) после отклонения из состояния
равновесия;
Р2х - давление воздуха в «стаканах» (13) надводных поплавках (2) после
отклонения из состояния равновесия;
Волновая энергетическая установка отличается тем, что каждый еѐ элемент
(подводный поплавок (1) и система надводных поплавков (2)) имеет достаточно
большую собственную частоту колебаний (сравниваем с обычным поплавком с той
же площадью сечения) и собственная частота резко уменьшается у установки в
целом (происходит перетекание воздуха между элементами).
Для обычного поплавка возвращающее усилие пропорционально площади сечения,
для поплавка с площадью надводного поплавка (2) это !,4*Со; если рассмотрим
отдельно надводный поплавок (2) (отклоним его вверх на !м,; Н2о = 3м).
-4Р2х - Ро = 14*3/(3 + 0,4*1) - !4 = -1,647; общее возвращающее усилие !,659*Со.
(1,647*0,4 + 1), что больше 1,4*Со.
Для отдельного подводного поплавка (1) (Н1о = 5м; отклонили вверх на 1м):
Ро – 1 – Р1х = 14 – 1 -5*14/6 = 1,333, !.333*Со, что больше Со.
Если рассматривать установку как единое целое (происходит перетекание воздуха
из подводного поплавка (1) в надводный поплавок (2); Но = 8м.): расчѐтное значение
для возвращающего усилия для отклонѐнного (1м вверх) надводного поплавка (2)
равняется 0,652*Со (Р2х не только не меньше Ро, чтобы создавать возвращающее
усилие, но и превышает его, нейтрализуется часть возвращающего усилия, которое
создаѐтся на поплавках (12)).
Таким образом, управляя перетеканием воздуха (турбина (10)) между подводным
поплавком (1) и надводными поплавками (2), можно изменять собственную частоту
установки.
Рассмотрим повышение уровня водной поверхности (поднялся на 1м), обычный
поплавок займѐт новое положение равновесия, сместившись вверх на 1м. Для
установки произойдѐт смещение подводного поплавка (1) вниз и поднятие системы
надводных поплавков (2) вверх.
Р1х = 14 + 1 + Х (Х – отклонение подводного поплавка (1) в новое положение
равновесия; давление на подводный поплавок увеличилось на слой воды (1 + Х));
Нох = 8 - Х + 0,4*Y (Y – отклонение надводных поплавков (2) в новое
положение
равновесия; объѐм уменьшился на Х*Со и увеличился за счѐт
увеличения объѐма
«стаканов» (13) на 0,4*Со*Y). Используя соотношение (1), получим первое
уравнение:
(14 + 1 + Х)*(8 – Х + 0,4*Y) = 14*8
(4)
Второе уравнение получим из условия нового положения равновесия надводных
поплавков (2). Y складывается из поднятия на 1м за счѐт повышения уровня и за
счѐт поднятия, которое создаѐт уменьшение выталкивающей силы, чтобы
компенсировать увеличение давления в «стаканах» (13) (Р1х).
Y - 1 = 0,4*(1+Х)
(5)
Y = 0,4*Х + 1,4
(6)
Решая квадратное уравнение, получим: Х = 2,626м, Y = 2,45м., при данном
подборе параметров это в 2,5 раза больше, чем у обычного поплавка (не зависимо
от того, чем вызвано увеличение амплитуды отклонения, отбираемая энергия
пропорциональна этому отклонению).
При увеличении амплитуды волнения, возросшее давление воды, теоретически,
можно компенсировать ростом давления Р1х и уменьшением Р2х, то есть увеличив
отбор энергии (перепад давления на турбине (10)).
При движении подводного поплавка (1) вверх есть возможность того, что его
верхняя поверхность будет выдавлена давлением Р1х из воды; для устранения такой
возможности предусмотрено в определѐнной точке отсечение значительной массы
воздуха из процесса расширения.
Основная масса воздуха, которая используется в подводном поплавке (1),
находится в ѐмкости (7), при движении подводного поплавка (1) вниз, он
механически воздействует на запорное устройство (8), открывает его; затем под
действием подводного поплавка (1) происходит сжатие самой ѐмкости (7) и воздух
через турбину (10) перетекает в надводные поплавки (2).
В ѐмкости (7)
предусмотрены тросы (на рис.1в не показаны), которые позволяют ей расширяться
только до определѐнного уровня; при достижении этого уровня, ѐмкость (7)
перестаѐт смещаться вместе с подводным поплавком (1), прекращается воздействие и
-5на запорное устройство (8), оно закрывается, воздух из ѐмкости (7) перестаѐт
участвовать в процессе расширения.
Для формирования нужной зависимости давления воздуха под подводным
поплавком (1) от смещения его из положения равновесия можно использовать
приспособления (21): сетчатым каркасом отсекается заданный объѐм; внутри этого
объѐма располагается эластичная оболочка, заполненная воздухом, давление которого
имеет заданное значение; пока давление внешней среды меньше этого значения,
эластичная оболочка прижата к сетчатому каркасу и объѐм воздуха в ней не
участвует в процессе сжатия; как только давления выравниваются, объѐм воздуха в
оболочке начинает сжиматься, то есть участвующий в процессе сжатия объѐм
увеличивается на объѐм приспособления (21) (более подробно этот способ
форомирования нужной зависимости давления воздуха от положения подводного
поплавка (1) описано в ранее размещѐнных автором статьях с аналогичным
названием).
Подводный поплавок (1) и надводные поплавки (2) в рабочем режиме движутся
в противоположных направлениях; это позволит реализовать ситуацию, когда они
останавливают друг друга (аккумулирующее энергию устройство (4) (аналог
пружины) движется вместе с надводными поплавками (2), на проходящем через
отверстие в устройстве (4) штоке (17) (жѐстко крепится в центре подводного
поплавка (1)) на расчѐтном расстоянии крепятся ограничители движения (18)).
Остаточная кинетическая энергия элементов (1) и (2) превращается в потенциальную
энергию элемента (4) и через некоторый промежуток времени (зависит от жѐсткости
элемента (4)) передаѐтся снова элементам (1) и (2), которые начинают двигаться в
противоположных направлениях; ограничители движения (18) могут устанавливаться
не симметрично (амплитуды отклонения вверх и вниз могут быть неодинаковыми) и
перемещаться вдоль штока (17) при настройке установки на параметры волнения.
При проектировании установки целесообразно воспользоваться результатами
исследований [2, стр.146]: буй Будала – Фолиса (свободно плавающий поплавок,
движущийся вдоль закреплѐнной на дне штанги; по сигналу датчика давления
поплавок фиксируется на штанге захватом; без управления движением мощность,
поглощаемая буем, снижается примерно в 5 раз).
Для реагирования на штормовые погодные условия можно, например, перекачать
часть воздуха из рабочего пространства волновой установки в воздушные полости
обычных поплавков (12) (перед этим в них можно закачать дополнительный объѐм
воды), что приведѐт к опусканию волновой установки на некоторую глубину;
расположенная на дне масса (15) может перекатываться по поверхности дна.
Источники информации:
1. Дж. Твайдел, А. Уэйр Возобновляемые источники энергии. Пер. с англ. М.
Энергоатомиздат. 1990. 392с.
2. В. А.. Коробков. Преобразование энергии океана. Л. Судостроение. 1986. 280с.