Волновая энергетическая установка для работы на волнах зыби

ВОЛНОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ РАБОТЫ

НА ВОЛНАХ ЗЫБИ

Как показали наблюдения [1, стр. 308-311] в Атлантическом океане наибольшее количество энергии переносится волнами с периодом 9-12сек., соответственно большой длиной волны, но относительно небольшой амплитудой (до 1,5м.). К таким волнам относятся волны зыби (которые интересны также тем, что волнение зараждается за сотни километров от места наблюдения и волны могут приходить к месту расположения установки в безветренную погоду, когда ветрогенераторы бездействуют). У расположенных на водной поверхности преобразователей волновой энергии эффективность при работе на волнах такого типа понижается [1], а предлагаемая установка как раз и предназначена для отбора энергии именно у волн этого типа.

Принципиальная схема установки показана на рисунке. Установка распологается под водой и состоит из неподвижного относительно дна основания в виде закрытого снизу цилиндра (1) и накрывающей его, подвижной (вертикально) «оболочки», состоящей из поверхности (2) и пристыкованного к ней цилиндра (3). Внутреннее пространство заполнено воздухом и делится цилиндрической перегородкой (4,5) на две части: внутреннюю (6) («камера1»), которая через воздуховод (7) и запирающее устройство (8) соединена с атмосферой (в ней в рабочем состоянии поддерживается атмосферное давление воздуха) и остальной частью (9) («камера2»), которая заполнена сжатым воздухом, давление которого на «оболочку» позволяет ей находиться в устойчивом равновесном положении. Внутренняя перегородка верхним концом крепится к подвижной оболочке, нижним концом к неподвижному основанию и состоит из цилиндрических колец (4) и расположенных между ними, вогнутых в «камеру1» эластичных поверхностей (5), которые при перемещении оболочки изменяют свою форму (в нижнем положении, когда кольца стыкуются, они трансформируются в обручи с круговым сечением, а при движении «оболочки» вверх они выпрямляются).

К нижней части «камеры1» пристыкована вертикальная труба (10), нижний конец которой погружён в заполненную жидкостью камеру переменного сечения (уровень жидкости в трубе (10), (13)- уровень жидкости в камере (11); камера (11) соединена воздуховодом (14) с «камерой2».

В «камере2» размещены корректирующие объём воздуха элементы (15) и (16) ; преобразование энергии производится устройством (17), на который воздействует «оболочка» через связь (18) (пунктирная линия); (19)- уровень водной поверхности, (20)- уровень воды в части установки, которая соприкасается с внешней средой; (21)- подвижная поверхность, которая соединена в верхней части с «оболочкой», нижней частью с верхом цилиндра (1) и служащая для предотвращения проникновения воды в «камеру2» при нахождении оболочки в верхнем положении.

-2-

-3-

В положении равновесия Рх (давление воздуха в «камере2») уравновешивает атмосферное давление, давление столба воды над поверхностью (2), вес оболочки и прикреплённых к ней элементов конструкции (в «камере1» в рабочем состоянии запорное устройство (8) открыто (закрывается при консервации установки при сильном шторме) и воздух из атмосферы через воздуховод (7) выравнивает давление в «камере1» (считаем его равным атмосферному)) ; с помощью коррекции элементов установки формируется нужная зависимость Рх(Х) (зависимость Рх от смещения оболочки из состояния равновесия Х(м.) (положительно при движении вверх из состояния равновесия); эта зависимость определяется из модельных испытаний). К корректирующим элементам относятся: при движении оболочки из состояния равновесия Рх изменяется, из камеры (11) жидкость через трубу (10) перемещается в (или из) «камеру1», объём вытесняемой жидкости зависит от зависимости площади сечения камеры (11) от положения уровня (13); применяются корректирующие элементы (15) (закреплён на корпусе) и (16) (существует автономно): в упругой оболочке содержится определённая масса воздуха; пока объём этого воздуха при давлении Рх меньше объёма оболочки, его давление равно Рх; при уменьшении Рх, когда объём этого воздуха становится равным объёму оболочки, упругая оболочка препятствует дальнейшему расширению и эта масса воздуха перестаёт участвовать в расширении воздуха в «камере2».

Продемонстрируем это на числовом примере (числовые выкладки демонстрируют только алгоритм формирования зависимости Рх(Х) и дают представление о величине параметров; для упрощения при расчётах применяется зависимость для воздуха Р* V=const}.

Пусть в положении равновесия глубина погружения «оболочки» установки равна 4м., площадь поверхности м2 (тогда её радиус Rа=7,98м.), высота цилиндра (3) На=7м., тогда площадь поверхности оболочки равна 550,8м2 и вес (толщина стали О. О1м.) Ва=43т. Общий вес оценим в 50т.. Пусть площадь сечения «камеры1» равна Св=80м2, площадь сечения «камеры2» равна Са=120м2, тогда Ро=17,08м. в.ст.(метры водяного столба) (Рх в точке равновесия; атмосферное давление - 120*10 + давление воды- 4*200 + 50 (вес оболочки) = 2050м3 воды; этот вес можно уравновесить указанным давлением (делим на 120м2). Примем максимальное смещение вверх Нв.=3м., а максимальное смещение вниз Нн=2.5м. (уровень (20) находится на глубине 7,08м., т. е. есть 2,5м (16,5м.) слоя воздуха между поверхностью (2) и верхом цилиндра (1)).

Предложим гипотетическую зависимость Рх(Х). В движение вовлекается столб воды над оболочкой, эта величина сильно зависит от глубины погружения (от 1м. до 6,5м.), примем Мс.=650000кг (суммарная масса) при движении оболочки вверх от точки равновесияы и Мс.=1150000кг. (при движении вниз). Для гармонического колебания возвращающее усилие пропорционально смещению и коэффициент пропорциональности определяется

частотой и массой. Для Т=10с. (период колебания) Кв.=2,56*100000кг./с2. (движение вверх) и Кн.=4,54*100000кг./с2. (движение вниз). Рх(3)=11,44м. в.ст.

(при отклонении на 3м.: атмосфера - 1200м3, слой воды-200м3, вес-50м3, из этой суммы нужно вычесть возвращающее усилие - 3*2,56*100000н.=76,8м3), соответственно Рх(2)=13,32м. в.ст., Рх(1)=15,20м. в.ст.

-4-

Решим задачу: какой нужен объём воздуха с давлением 15,20м. в.ст., чтобы, расширив его на 120м3, получить давление 13,32м. в.ст.- Vа(1)=850,2м3. Соответственно для давлений 13,32м. в.ст. и 11,44м. в.ст.- Vа(2)=730,2м3., чтобы состыковать эти два участка нужно в точке (2м.) отсечь 240м3 (850+120-730); т. е. в этой точке в упругой оболочке (элементы (15) и (16)) объёмом в 240м3 должна находиться масса воздуха, которая при давлении 13,32м. в.ст. имеет объём 240м3. Чем больше будет корректирующих элементов, тем точнее воспроизведётся нужная зависимость Рх(Х).

Для движения оболочки вниз от точки равновесия. Рх(-1,5)=20,15м. в.ст. (поправка на возвращающее усилие 45,4*1,5м3 прибавляется), Рх(-2)=21,17м. в.ст, Рх(-2,5)=22,20м. в.ст.. Пусть Vо=1020м3 (объём «камеры2» в состоянии равновесия, 120*8,5м3), этот объём воздуха сжат до 17,08м. в.ст., чтобы сжать его до давления 20,15м. в.ст. объём нужно уменьшить до 864,6м3, фактически объём уменьшается на 180м3, т. е. до 840м3. чтобы состыковать эти два значения нужно выдавить из камеры (11) 24,6м3 жидкости; чтобы сжать 864,6 от 20,15м. в.ст. до 21,17м. в.ст. нужно переместить из камеры (11) дополнительно 18,3м3 жидкости; на следующем этапе (переход к 22,20м. в.ст.) нужно дополнительно переместить 21,8м3 жидкости. Суммарный объём перемещения жидкости из камеры (11) равен 64.7м3. (этот объём заполняет «камеру1» на 0,81м), это, видимо, более дешёвый способ регулирования объёма на данном этапе.

Чтобы отклонить оболочку на 3м. вверх из состояния равновесия нужно уменьшить давление на поверхность (2) на 0,38м (3*25,6м3 делим на 200м2); чтобы опустить оболочку на 2,5м.- нужно увеличить уровень воды на 0,57м. ; т. е. незначительное по амплитуде волнение может обеспечить максимальное отклонение оболочки (реальное отклонение определяется механизмом отбора энергии). При работе установки через воздуховод (7) перемещается большой объём воздуха (максимум 5.5*80+ 64,7=504,5м3 за полпериода), но для использования этого потока для отбора энергии потребуется создать перепад давления, что затруднит использование корректирующего элемента первого типа. Предлагается (придётся «потерять» примерно 5% энергии на кинетическую энергию воздуха, чтобы перемещвать его в атмосферу и назад) избыточное давление, действующее на поверхность м2), сконцентрировать на значительно меньшую площадь (на схеме условно показано воздействие поверхности (2) на связь (18); это усилие с оптимальной амплитудой перемещения «оболочки» преобразуется устройством (17)).

Напряжения в материале поверхности (5) пропорциональны разности давлений в камерах (6) , (9) и радиусу кривизны этой поверхности: эти два параметра компенсируют друг друга (радиус минимальный при максимальной разности давлений и наоборот).

Подвижная поверхность (21) также отмечена условно (один из вариантов - совместить её с частью компенсационных элементов: при понижении давления Рх(Х) элементы напрягаются и противостоят давлению воды),

_5_

Акцентировать внимание на механизме преобразования энергии, материале поверхности (5) и компенсирующих элементов (15), (16) , который длительное время сможет выдержать значительные нагрузки, устройстве поверхности (21)

целесообразно после того, как будет признана идея создания такой установки и будет поставлена задача её реализации.

Преимущества создания установки:

-расположена под водой (защита от шторма);

- является точечным преобразователем энергии (не зависит от направления прихода волны и преобразуется энергия с участка фронта волны, который больше диаметра установки);

- малая присоединённая масса (на водную поверхность в процессе работы

практически не вытесняется вода из под подвижного элемента (сравним, например, поплавок на водной поверхности: нужна большая баластная масса, чтобы погрузить его на нужную глубину и любое изменение его положения вызывает перемещение воды с водной поверхности));

- традиционная технология производства стальных частей (судостроение);

- эффективна при волнении, при котором традиционные приспособления мало. эффективны.

Источники информации:

1. Дж. Твайдел, А. Уэйр Возобновляемые источники энергии. Энергоатомиздат. М. 1990.