Волновая энергетическая установка (2)

ВОЛНОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (2)

При создании преобразователей энергии волн основное внимание уделяется механизмам, которые распологаются на водной поверхности. Целесообразно объединить механизмы подводного и надводного преобразования энергии между собой в единое целое (принципиальная схема установки показана на рис.1).

ОСНОВНАЯ ИДЕЯ. При изменении уровня водной поверхности «подводная часть» и «поплавковая часть» (расположена на водной поверхности) установки движутся в противоположных направлениях от состояния равновесия, что позволит, соединив обе «части» тросами (1), которые перекинуты через расположенные на дне блоки (2), компенсировать одна другой выталкивающие силы, действующие на «части» со стороны водной среды (в отдельности, чтобы погрузить «части» в воду, нужно компенсировать эти силы весом баласта в каждом «части»).

.

Рис.1

«Подводная часть» установки состоит из установленного на дне, закрытого снизу, полого цилинд (3) и накрывающего его сверху, закрытого сверху, полого цилиндра

-2-

(4); зазор между цилиндрами минимальный (определяется допустимой силой трения при движении цилиндра (4)); внутреннее пространство цилиндров заполнено сжатым воздухом заданного давления; к верхней чвсти цилиндра (4) прикреплены тросы (1); (5)- уровень водной поверхности между цилиндрами (3) и (4); (6)- дополнительный объём воздуха, соединённый с внутренним пространством цилиндра (3); (7)- отверстие, через которое воздушный объём цилиндра (3) соединяется с воздушным пространством цилиндра (4) (может перекрываться).

«Поплавковая часть» установки состоит из расположенных вокруг цилиндра (4), частично погружённых в воду, нескольких цилиндрических поплавков (8), которые соединены между собой ((9)-обруч, соединяющий поплавки (8) в единое целое).

На рис.1 также показано: (10)- уровень водной поверхности; (11)- якори, для удержания блоков (2) в заданном положении; (12)- понтоны, которые удерживают блоки (2), когда нет нагрузки на блоки (2) со стороны тросов (1) (режим консервации); 13- дно.

Приведём числовой пример. Пусть С1=10м2 (площадь сечения цилиндра (4)), С2=90м2 (площадь сечения «поплавковой части» установки), А1=4м (толщина слоя воды над цилиндром (4) в состоянии равновесия), А2=4м (глубина погружения поплавков (8) в состоянии равновесия), Р1=50м3 (вес цилиндра (4), равный весу 50м3 воды), Ратм.=10м. в.ст. (атмосферное давление в метрах водяного столба). Для принятых допущений Ро= 55м. в.ст. (давление воздуха в цилиндре (4) в положении равновесия (уравновешивается 360м3 воды, вытесненной поплавками; 40м3 воды, давящих на цилиндр (4); 50м3 веса цилиндра (4) и 100м3- атмосферное давление)), то есть уровень (5) находится на глубине 45м и объём воздуха цилиндра (4) на этом уровне 410м3, при помощи дополнительного объёма (6) можно довести объём «подводной части» установки в положении равновесия до 600м3; Ра(3)=57,9м. в.ст. (давление в цилиндре (4) при смещении на 3м вниз; для расчётов используем соотношение PV=const (объём изменился с 600м3 до 570м3)); Ра(-3)=52,4м. в.ст. (при смещении цилиндра (4) вверх на 3м). Эти расчёты показали, что при смещении цилиндра (4) изменение Ра приводит только к компенсации изменения давления воды на него при постоянном уровне (10); при смещении цилиндра (4) не происходит перемещения воды в нижней части цилиндра (4).

При изменении уровня водной поверхности (10) возникает усилие, стремящееся переместить установку в новое положение равновесия; это усилие распределяется на компенсацию сил трения, на поддержание движения установки и на совершение «полезной» работы; «полезная» работа также зависит от нового положения равновесия (смещения установки). Для данного числового примера при смещении уровня (10) на Хм., новое положение равновесия смещается на 1,11Хм..

Чтобы установка двигалась с оптимальной амплитудой, её собственная частота колебания должна быть больше частоты волнения; собственная частота колебания определяется отношением силы, возвращающей установку в состояние равновксия (пропорциональна площади сечения «поплавковой части») и массы, вовлекаемой в колебательное движение; эта масса уменьшается на массу баласта (360м3, а это больше половины, вовлекаемой в движение массы), что позволит установке не терять эффективность даже при малом периоде колебания волнения.

При изменении уровня (10) в результате прилива установка займёт новое равновесное положение и её параметры изменятся мало.

Консервацию установки можно проводить так: отверстие (7) закрывается, воздух из цилиндра (4) перекачивается в цилиндр (3), цилиндр (4) опускается; в определённый момент срабатывает захват, который удерживает цилиндр (4) в заданном положении; после чего «поплавковую часть» установки можно частично заполнить водой и погрузить под воду.

-3-

Рис.2

Не показан механизм преобразования энергии, можно, например, использовать

движение цилиндра (4) отосительно неподвижного цилиндра (3), например, воздействуя на поршень, который продавливает жидкость через турбину.

Данная установка теряет эффективность при работе на волнах, которые имеют большой период колебания, но малую амплитуду. Для таких волн установку необходимо дополнить новым элементом (Рис.2) (Рис.2 является дополнением к

Рис.1, поэтому на нём обозначены только изменения).

-4-

К цилиндру (4) жёстко крепятся новые «элементы», состоящие из неподвижного относительно дна, закрытого снизу цилиндра (14), который подвешен на тросах (15) (закреплены на дне) и накрывающего его, закрытого сверху цилиндра (16). Внутри цилиндра (16) расположена сжимаемая перегородка (17), которая верхним концом прикреплена к верху цилиндра (16), а нижним концом к боковой стенке цилиндра (14). К верху цилиндра (16) присоединён воздуховод (18), который соединяет внутреннее пространство цилиндра (16) с атмосферой. Пространство между перегородкой (17) и боковой поверхностью цилиндра (16) заполнено сжатым воздухом ((19)- уровень жидкости между цилиндрами (14) и (16отверстие в нижней части цилиндра (3).

Особенность «элемента»: при смещении цилиндра (16) происходит перетекание воздуха в атмосферу через воздуховод (18), поэтому давление внутри цилиндра (16) остаётся постоянным (равно атмосферному) и на цилиндр (4) действует направленная вниз сила веса слоя воды над цилиндром (16) (и вес цилиндра (16)); при смещении цилиндра (16) изменение этой силы пропорционально площади сечения и смещению цилиндра (16), то есть аналогично, погружённому в воду, цилиндрическому поплавку. При смещении цилиндра (4) изменение силы, действующей на него со стороны «поплавковой части», компенсируется изменением силы, действующей на него со стороны «элементов» такой же площади сечения.

Пусть С1=10м2, С2=60м2, С3=30м2 (суммарная площадь сечения всех присоединённых к цилиндру (4) «элементов»), А1=4м, А2=4м, А3=4м (толщина слоя воды над «элементами» в состоянии равновесия), тогда при изменении уровня (10) на Хм новое положение равновесия установки смещается на 3Хм.; так как 30м2 площади сечения «элементов» «замещают» 30м2 площади сечения поплавков, то Ро остаётся постоянным.

Возможно создать установку, в которой «элементы» отсоединяются от цилиндра (4) и опускаются» на основание (14) и их «замещают» поплавками (некоторые поплавки могут быть вмонтированы в «поплавковую часть» установки, но иметь возможность перемещаться вертикально; пока поплавок не закреплён, он может колебаться с волнением (вертикально), практически не оказывая воздействия на установку).

Так как небольшое изменение уровня (10) приводит к значительному отклонению установки, необходимо разработать механизм реагирования на изменение уровня (10) при приливах; это может быть изменение длины тросов (1) по мере изменения уровня (10). В цилиндре (3) предусмотрено отверстие (20) (уровень воды в цилиндре (3) не будет «реагировать» на колебания цилиндра (4), но будет отслеживать изменение уровня (10) при приливах).

Возможность создания системы блоков (2) подтверждается наличием аналога, например, на колёсную пару гружённого вагона на железной дороге действует большое усилие, но вагоны эксплуатируются длительное время, двигаясь с большой скоростью (в нашем случае скорости в десять раз меньшие).

Целью данной публикации является намерение обратить внимание на преимущества данного способа преобразования волновой энергии, детальная проработка возможна на следующем этапе.