Волновая энергетическая установка

ВОЛНОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Для работы на волнах с большим периодом и малой амплитудой (эти волны «несут» наибольший объём энергии [1]) предлагается волновая установка (принципиальная схема приведена на рис.).

Волновая энергетическая установка имеет два колеблющихся элемента: расположенный под водной поверхностью (1), закрытый сверху поверхностью (2),

-2-

цилиндр (3) («элемент1»; его верхняя часть заполнена воздухом (4), (5)- уровень жидкости в «элементе1») и поплавок (6) («поплавок»).

«Поплавок» (6) состоит из двух частей: открытая снизу цилиндрическая камера уровень жидкости в камере (7)) и вытесняющий воду корпус (9).

Объёмы, занимаемые воздухом, в «элементе1» и «поплавке» соединены между собой воздуховодом (10), который неподвижен относительно дна (11). Под водной

поверхностью (5) расположена неподвижная относительно дна (11) поверхность (12) (она «принимает» на себя изменение давления воздуха в камере (4) при перемещении «элемента1», обеспечивая малые колебания уровня (5)); также под водной поверхностью (8) расположена поверхность (13), которая препятствует перетеканию жидкости из камеры (7).

«Элемент1» и «поплавок» взаимодействуют между собой механически в момент, когда нужно изменить направление их движения на противоположное; для этого на «элементе1» закреплён вертикальный шток (14) (на нём крепится устройство типа «пружина» (15)), а на верхней поверхности «поплавка» крепится горизонтальная балка (16) (на ней крепится устройство «пружина» (17)), которая движется вдоль штока (14) и в нужный момент через устройства (15) («поплавок» находится в верхнем положении) и (17) («поплавок» находится в нижнем положении) взаимодействует с «элементом1».

На рис.1 также показано: устройство, преобразующее энергию (шток (18), закреплённый на поверхности (2), давит на поршень, который движется в камере (19), неподвижной относительно дна (11)); (20)- устройство, запирающее воздуховод (10), когда «элемент1» находится в крайнем нижнем положении; (21)- устройство, запирающее воздуховод (10), когда «элемент1» находится в крайнем верхнем положении; (22) и (23)- баласт; (24)- расположенная в нижней части «поплавка», открытая снизу камера, которая вертикальным воздуховодом (25) соединена с воздушным пространством «поплавка»; (26)- запирающее воздуховод (25) устройство; (27)- расположенная в «поплавке», заполненная воздухом камера, которая запирается устройством (28); стрелками показано направление движения «элемента1» и «поплавка» (они движутся в противоположных направлениях).

При неподвижном уровне водной поверхности (1) «элемент1» и «поплавок» находятся в положении равновесия («элемент1» расположен на такой глубине, на которой давление воздуха в камере (4) уравновешивает атмосферное давление, давление слоя воды над поверхностью (2), вес «элемента1» и баласта (22); это давление равно давлению внешней среды на уровне (5) и температура воздуха в камере (4) равна температуре окружающей среды; «поплавок» погружён на такую глубину, на которой давление воздуха в камере (7) и выталкивающая сила воды, действующая на корпус (9), уравновешивают вес конструкции «поплавка» и баласта (23); уровни (5) и (8) располагаются на одинаковой глубине).

Реакция «элемента1» на изменение внешних условий определяется давлением воздуха в камере (4); задаётся функция Ра(х) (зависимость давления воздуха в камере (4) от смещения из состояния равновесия; необходимо учитывать изменение давления воды на поверхность (2) и задать некоторое возвращающее в положение равновесия усилие); в волновой установке находится определённая масса воздуха и каждому значению давления соответствует определённое

-3-

значение объёма (предполагается, что процесс изменения объёма этой массы воздуха при колебании «элемента1» и «поплавка» является адиабатическим); в волновой установке корректируется изменение объёма этой массы воздуха при колебаниях «элемента1» и «поплавка».

При смещении «элемента1» вниз Ра(х) возрастает, а объём камеры (4) уменьшается; выдавливаемый из камеры (4) воздух аккумулируется благодаря сжатию воздуха и увеличению объёма, занимаемого воздухом, в камерах (7) и (24) «поплавка» (камера (24) используется при положении «элемента1» около крайнего нижнего положения, когда перемещается максимальная масса воздуха).

Реальная установка будет состоять из трёх, симметрично расположенных относительно помещённого в центре «поплавка», «элементов1»; этим обеспечивается независимость работы волновой установки от направления движения волны (точечный преобразователь волновой энергии) и суммарный момент сил, действующих со стороны трёх «лементов1» на «поплавок» минимален (один «элемент1» создаёт большой момент из-за значительной длины балки (16), но это воздействие компенсируется двумя другими «элементами1»).

ОСНОВНАЯ ИДЕЯ. 1. Нужная зависимость Ра(х) формируется изменением объёма воздуха в камере (7) при смещении «поплавка» относительно уровня водной поверхности (1).

Вес «поплавка» уравновешивается давлением воздуха на верхнюю поверхность камеры (7) и выталкивающей силой воды, действующей на корпус (9) «поплавка»; так как вес «поплавка» постоянен, то при изменении давления воздуха в камере (7), происходит перемещение корпуса (9) «поплавка» относительно уровня водной поверхности (1) так, чтобы изменение выталкивающей силы воды на корпус (9) компенсировало изменение силы давления воздуха в камере (7); изменение выталкивающей силы воды определяется произведением смещения «поплавка» на площадь сечения корпуса (9), то есть, задавая зависимость этой площади сечения от расстояния до верха «поплавка», можно задавать величину смещения и соответственно изменение объёма, занимаемого воздухом, в камере (7).

2. Смещение «поплавка», вызванное изменением давления воздуха в камере (7), способствует увеличению отбора энергии.

Отбор энергии связан с массой воды, которая опускается с более высокого уровня (гребень волны) и поднимается на низкий уровень (впадина волны); если ограничить перетекание воды из камеры (7) при изменении в ней давления воздуха (этому способствует поверхность (13) и длина боковой поверхности камеры (7)), то при смещении «поплавка» вода перемещается с водной поверхности (1) (смещения «поплавка, вызванные изменением давления воздуха в камере (7) и волной, совпадают по направлению и складываются).

3. Изменение направления движения «поплавка» и «элемента1» при прохождении уровнем (1) среднего положения обеспечивается их механическим взаимодействием (используется обстоятельство, что «поплавок» и «элемент1» движутся в противоположных направлениях).

При движении «поплавка» вверх в заданный момент «поплавок» и «элемент1» взаимодействуют через устройство (15) (типа «пружина», например, наполненная воздухом упругая оболочка); кинетическая энергия, движущихся в противоположных

-4-

направлениях «поплавка» и «элемента1», переходит в потенциальную энергию сжатого устройства (15); в следующий момент устройство (15) «распрямляется» и «поплавок» с «элементом1» начинают двигаться в противоположных направлениях (отметим, что в момент изменения направления движения «поплавок» имеет максимальную скорость, а с «элементом1» вовлекается в движение максимальная масса (максимальный столб воды над «лементом1»), поэтому, чтобы аккумулировать их кинетическую энергию, устройство (15) должно иметь значительные размеры, но так как оно движется в воздухе, то не оказывает значительного сопротивления движению «элемента1»). При движении «поплавка» вниз используется устройство (17).

Благодаря механическому взаимодействию «элемента1» и «поплавка» увеличивается эффективность волновой установки («буй», колеблющийся на волнах, должен иметь в момент прохождения уровнем (1) среднего положения нулевую скорость; в волновой установке предполагается управлять движением «элемента1» и «поплавка» так, чтобы к этому моменту они переместились на заданное расстояние, то есть их скорость в точке взаимодействия может изменяться в некотором диапазоне и эта кинетическая энергия не рассеивается, а благодаря устройствам (15) и (17) возвращается в колебательную систему).

Управлять движением «элемента1» и «поплавка» можно, изменяя зависимость Ра(х): например, если «элемент1» движется вниз, то увеличение давления воздуха в системе приводит к торможению «элемента1» и ускорению «поплавка»; при торможении перетекания воздуха, тормозится движение обоих колеблющихся элементов волновой установки; при прекращении перетекания воздуха между «элементом1» и «поплавком» (запорные устройства (20) и (21)) они останавливаются. Также возможно перемещать устройство (15) по штоку (14) и изменять упругие свойства устройств (15) и (17) (управлять временем взаимодействия колеблющихся элементов установки).

Для изменения зависимости Ра(х) можно применить, например, приспособления типа камеры (27): пока запорное устройство (28) открыто, воздух в камере (27) расширяется вместе с воздухом в системе; при закрытии устройства (28) ( в заданный момент) объём воздуха камеры (27) исключается из процесса изменения давления.

При моделировании зависимости Ра(х) необходимо учитывать «вклад» «поплавка» в смещение «элемента1» при изменении уровня (1) при волнении: так при подъёме уровня (1) на d(м.), «элемент1» займёт новое положение равновесия, в котором избыточное давление воздуха (возвращающее в положение равновесия усилие) будет равно d(1+ С1/С2)м. в.ст. (метров водяного столба; С1- площадь сечения камеры (7) «поплавка»; С2- площадь сечения «элемента1»).

Поглощаемая «поплавком» энергия передаётся «элементу1»: при движении «поплавка» вверх в камере (7) давление воздуха понижается, понижение давления воздуха в камере (4) уменьшает сопротивление воздуха движению «элемента1» вниз; при изменении направления движения повышение давления воздуха при опускании «поплавка» способствует движению «элемента1» вверх.

При консервации волновой установки целесообразно, перекачав воздух из «поплавка», опустить его на поверхность (13); «элемент1» опускается на поверхность(12) (воздух из «поплавка» можно разместить в камере (4) «элемента1»:

-5-

при большем давлении тот же объём занимает большая масса воздуха); из устройства (15) удаляется воздух и оно опускается по штоку (14) вниз.

При изменении уровня (1) (приливы) волновая установка занимает новое положение равновесия (при волнении (быстро протекающий процесс) уровни (5) и (8) изменяются мало; при медленном изменении уровня (1) уровни (5) и (8) «отслеживают» это изменение).

В статье описан принцип устройства волновой установки; показаны её преимущества; детальные расчёты, а в первую очередь, модельные испытания, проведут специалисты, если их заинтересует данное устройство.

Источники информации:

1. Дж. Твайделл, А. Уэйр Возобновляемые источники энергии. М. Энергоатомиздат. Пер. с англ. 1990.