Энергия морских волн

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

по дисциплине: «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»

на тему: «Энергия морских волн»



Содержание

1. Введение

2. Волновое движение

3. Энергия и мощность волн

4. Описание реальных волн

5. Устройства для преобразования энергии волн

5.1 Преобразователи с качающимися элементами

5.2 Точечные преобразователи

5.3 Гидропневматические преобразователи

5.4 Волновые насосы

5.5 Концентраторы волновой энергии

6. Заключение

7. Список используемой литературы



1. Введение

Первый пик интереса к созданию технических устройств для преобразования энергии волн в практически приемлемую форму приходится на начало нашего века -- с 1900 по 1930 гг. В этот же период появились и первые действующие устройства: в 1910 г. вблизи г. Бордо демонстрировалась волновая установка мощностью 1 кВт. Сейчас патентными ведомствами различных стран зарегистрировано несколько сотен оригинальных технических решений волновых преобразователей -- больше, чем любых других видов преобразователей энергии океана. Вероятно волны -- этот непременный атрибут поверхности любого водоема -- сильнее всего побуждают к массовому техническому творчеству.

Однако из сотен предложений, которыми богата мировая патентная библиотека, приемлемыми для практической реализации оказываются лишь десятки. Причина этого, по словам Ж. Констанса в том, что многие технические идеи рождаются без учета основного фактора -- специфики морской среды. До недавнего времени от 70 до 90 % усилий в области разработки волновых преобразователей тратились на техническую сторону проектов и только 10--30%--на изучение характеристик морского волнения. Сейчас, когда эйфория с новым «открытием» волновой энергии прошла, ситуация резко изменилась: оптимизация конструкций, доведение их до уровня, соответствующего промышленному внедрению, потребовали изменения акцентов. В этом смысле отечественная волновая энергетика на сегодняшний день оказалась в выигрышном положении: начавшиеся у нас в последние годы разработки уже базируются на достаточно серьезном знании природы волнения.

Последнее вовсе не означает, что в нашей стране интерес к волновым преобразователям возник только сейчас, следуя мировой моде. Подобные работы велись у нас и в 20 и 30-е гг. В 1935 г., например, наш великий соотечественник К.Э. Циолковский опубликовал статью «Волнолом и извлечение энергии из морских волн», в которой описал принципиальные схемы трех типов устройств и в настоящее время относящихся к разряду наиболее перспективных.

Указанная статья была адресована массовому читателю и вводила в проблематику комплексного освоения нового в то время вида энергетических ресурсов: «Извлекая через посредство машин энергию движения из волн, мы ослабляем их колебания и тем самым отчасти укрощаем. Ряд таких машин, следующих одно за другой, могут совсем укротить волнение. Эти двигатели могут заменить мол и явиться искусственной гаванью там, где ее нет». Статья была откликом талантливого изобретателя на идеи в области поиска источников энергии для развивавшейся индустрии, волновавшие в то время нашу страну. Прошло всего 50 лет, и мы видим уже техническую реализацию этих идей, правда, выполненную на базе детального изучения природы волновых явлении, детального изучения взаимодействия волн с различными механическими системами, создания соответствующего математического аппарата.

Не последнюю роль в становлении знаний о природе волн сыграли за эти годы работы наших исследователей. Здесь необходимо отметить труды Н. Е. Кочина, В. В. Шулейкина, Л. Н. Сретенского и многих других. Но природа волн такова, что несмотря на развитую общую теорию до сих пор при разработке проектов волновых преобразователей для конкретных районов инженерам недостает сведений, необходимых для оценки запасов энергии и выбора наилучшего конструктивного решения. Элемент случайности, присущий волновым явлениям, заставляет для каждого района предполагаемой установки волновых преобразователей проводить длительный цикл экспериментального исследования волнообразования, не ограничиваясь только теоретическими оценками.



2. Волновое движение

Волны, которые мы привыкли видеть на поверхности моря, образуются главным образом под действием ветра. Однако волны могут возникать и по другим причинам, тогда они называются:

-- приливные, образующиеся под действием приливообразующих сил Луны и Солнца;

-- барические, возникающие при резких изменениях атмосферного давления;

-- сейсмические (цунами), образующиеся в результате землетрясения или извержения вулканов;

-- корабельные, возникающие при движении судна.

Ветровые волны являются преобладающими на поверхности морей и океанов.

Ветровым волнением называется процесс формирования, развития и распространения вызванных ветром волн на поверхности моря. Ветровому волнению присущи две основные черты. Первая черта -- нерегулярность: неупорядоченность размеров и форм волн. Одна волна не повторяет другую, за большой может следовать малая, а может и еще большая; каждая отдельная волна непрерывно меняет свою форму. Гребни волн перемещаются не только в направлении ветра, но и в других направлениях. Такая сложная структура возмущенной поверхности моря объясняется вихревым, турбулентным характером ветра, образующего волны. Вторая черта волнения заключается в быстрой изменчивости его элементов во времени и пространстве и связана также с ветром. Однако размеры волн зависят не только от скорости ветра, существенное значение имеет продолжительность его действия, площадь и конфигурация водной поверхности. С точки зрения практики нет необходимости знать элементы каждой отдельно взятой волны или каждого волнового колебания. Поэтому изучение волнения сводится в конечном итоге к выявлению статистических закономерностей, которые численно выражаются зависимостями между элементами волн и определяющими их факторами.

Наибольшее число волновых энергетических устройств разрабатывается для извлечения энергии из волн на глубокой воде. Это наиболее общий тип волн, существующий при условии, что средняя глубина моря D превышает величину половины длины волны л/2. Например, при характерной длине волны л~ 100 м и амплитуде а м волна ведет себя как на глубокой воде при глубине моря, превышающей 30 м

Поверхностные волны на глубокой воде имеют характерные особенности.

1) Волны являются неразрушающимися синусоидальными с нерегулярной длиной, фазой и направлением прихода.

2) Движение каждой частицы жидкости в волне является круговым. В то время как изменяющиеся очертания волн свидетельствуют о распространении волнового движения, сами по себе частицы не связаны с этим движением и не перемещаются в его направлении.

3) Поверхностный слой жидкости остается на поверхности.

4) Амплитуда движения частиц жидкости экспоненциально уменьшается с глубиной. На глубине л/2р от среднего положения уровня поверхности амплитуда кругового движения частиц уменьшается в е раз (е = 2,72 -- основание натуральных логарифмов). На глубине л/2 перемещение частиц жидкости становится пренебрежимо малым, составляя менее 5% поверхностного.

5) Существенно, что амплитуда волны а не зависит от ее длины л, скорости распространения с, периода Т, а зависит лишь от характера предшествовавшего взаимодействия ветра с морской поверхностью. В то же время редко создаются условия, при которых амплитуда достигает значения л/10.

6) Разрушение волны в виде белого буруна происходит, когда наклон ее поверхности составит примерно 1:7. Энергетический потенциал волны при этом рассеивается.

Для волн на глубокой воде силы трения, поверхностного натяжения и инерции малы по сравнению с двумя доминирующими силами -- гравитационной и вращательной, поэтому водная поверхность всегда принимает такую форму, чтобы касательная к ней в любой точке была перпендикулярна направлению действия результирующей этих двух сил.

В подповерхностном слое жидкости ее частицы совершают круговое движение с радиусом орбиты а, равным амплитуде волны (рис. 1). Высота волны Н от вершины гребня до основания равна ее удвоенной амплитуде (Н = 2а). Угловая скорость движения частиц щ измеряется в радианах в секунду. Изменение формы волновой поверхности таково, что наблюдается поступательное движение, хотя сама вода, не перемещается в направлении распространения волны (слева направо). Это кажущееся перемещение есть результат наблюдения фаз смещения последовательно расположенных частиц жидкости; как только одна частица в гребне опускается, другая занимает ее место, обеспечивая сохранение формы гребня и распространение волнового движения вперед.



Результирующая сила F, действующая на поверхностную частицу массой m, показана на рис.2. Под действием суммы подобных сил водная поверхность принимает такую форму, при которой касательная в любой точке ее перпендикулярна F. При подъеме на гребень (положение Р1) частица подвергается действию центробежной силы maщ2. В следующий момент частица падает вниз, и ее место занимает соседняя, вращающаяся с задержкой по фазе. В положении Р2 частица оказывается на среднем уровне жидкости, и поверхность ориентируется перпендикулярно результирующей силе F. Во впадине, положение РЗ, направленная вниз сила имеет максимум (центробежная и гравитационная силы складываются). К положению Р4 частица практически полностью завершает цикл движения.

Изменение ускорения поверхностной частицы показано на рис. 3. В начальный момент времени частица находится в среднем положении, а затем ее фазовый угол изменяется по закону:

Период движения волны:

Скорость частицы жидкости в гребне волны:



Скорость перемещения поверхности волны в направлении X:

Скорость с называют скоростью распространения волн, создаваемых на поверхности жидкости. Эта величина не зависит от амплитуды волны и неявным образом связана со скоростью движения частиц жидкости в волне.

3. 

3. Энергия и мощность волн

Суммарная энергия волн составляет доли процента от энергии ветров. Мощность источника оценивается примерно в 3 ТВт. В Мировом океане участки с достаточно стабильным по мощности волнением встречаются редко. Выполнение оценок для конкретных районов требует длительных наблюдений, в целом по океану этих наблюдений еще не достаточно. Можно сказать, что сейчас наиболее изучено Северное море (в нем ведется интенсивная добыча нефти и газа) и вообще Северная Атлантика. Обычная волна в достаточно бурном Северном море обладает мощностью около 40 кВт на метр гребня в течение 30 % времени существования и примерно 10 кВт/м в остальные 70 % времени. Среднегодовой энергетический потенциал волн Западного побережья Великобритании по результатам обработки данных четырех станций, расположенных в 30--40 км от берега, за период 7--14 лет изменяется в пределах 31--44 кВт/м. Однако для точной оценки потенциала волнения кроме усредненных характеристик мощности важны еще спектральные и пространственные (направление прихода) характеристики. Поэтому простые оценки с помощью известного соотношения вида:

где Н -- высота волн; и -- скорость распространения; L-- характерный горизонтальный размер преобразователя, оказываются лишь примерными, пригодными только для решения вопроса с том, стоит ли в принципе заниматься в изучаемом районе преобразованием энергии волн. Кроме того, подобные удельные характеристики не дают полного представления о возможности получения энергии на всей акватории.

Для морей, омывающих берега нашей страны, Г. В. Матушевский методом осреднения элементов волн с учётом обеспеченности по сезонам получены следующие удельные мощности: Берингово--15--44, Баренцево--22--29, Японское --21--31; Охотское--12--20, Каспийское-- 7--11, Балтийское -- 7--8, Черное -- 6--8 кВт/м. Эти оценки позволяют сделать вывод о том, что наиболее удобны для развития волновой энергетики в нашей стране Баренцево и Японское моря. Для различных участков Мирового океана усредненные данные по запасам волновой энергии приведены на рис. 4. Определение потенциальных возможностей океанских ветров и волн невозможно без изучения их сезонной и суточной изменчивости. Нестационарность характера таких природных явлений -- одно из серьезных препятствий на пути развития системной энергетики, основанной на этих ресурсах.

4. 

4. Описание реальных волн.

На практике волны оказываются совсем не такими идеализированно синусоидальными, как это подразумевалось выше. Лишь случайно естественные или искусственно созданные в результате дифракции или движения в каналах волны становятся близкими к идеальным. Обычно же в море наблюдаются нерегулярные волны с переменными частотой, направлением и амплитудой. Под воздействием превалирующего ветра движение волн может приобретать преимущественное направление (например, юго-западное или северо-восточное для волн, набегающих на побережье Британских островов), а период стать достаточно большим -- наблюдаются волны океанской зыби. Более нестабильные ветры вызывают нерегулярное движение вод с характерным более коротким периодом -- штормовые волны. При глубине моря порядка 30 м и менее возможны фокусирующие и направляющие эффекты, в отдельных местах они могут привести к появлению более регулярных или более мощных волн. Волновые энергетические устройства должны противостоять широкому спектру природных условий, должны быть предназначены для извлечения максимума мощности в среднем за достаточно длительный период и независимо от района размещения. При проектировании подобных устройств необходимо в первую очередь понимать возможность значительного усиления волн по сравнению с типичными для данного района по крайней мере раз в 50 лет.

Высота волн в заданной точке наблюдения обычно регистрируется с помощью аналоговых волнографов. Для получения сведений о направлении прихода волн требуются специальные измерения. Представление о записи волнографа дает. Кривая фиксирует вертикальное перемещение уровня во времени. Современные волнографы используют цифровые методы регистрации с последующей обработкой на ЭВМ больших массивов данных. Если величина Н от измерения к измерению существенно изменяется, то приходится использовать различные методы вычисления статистически обоснованных значений, наилучшим образом отражающих суть явления.

Основными переменными величинами, которые измеряются обычно в течение достаточно длительного времени, являются:

Nc -- число гребней за выбранный промежуток времени; Н1/3-- высота волн 1/3-обеспеченности, это средняя высота 1/3-наибольших волн за рассматриваемый промежуток времени, Н1/3 -- среднее от Nc/3 наибольших величин; Hs -- характерная высота волн:

где а -- корень квадратный из среднего квадрата перемещения волной поверхности от положения среднего уровня поверхности, рассчитанный по п измерениям, выполненным за одинаковые интервалы времени, позволяет избежать погрешностей измерения за счет записи волнового процесса на частоте, в 2 раза меньшей, чем максимальная. Измеренная или наиболее вероятная максимальная высота волн Hmax 1 раз в 50 лет может принять значение, равное 50 Hs. Именно это значение закладывается в расчеты при проектировании морских сооружений. Средний период колебаний по минимумам Тz определяется как продолжительность промежутка времени между минимумами, пересекающими линию среднего положения уровня поверхности на волнограмме. Средний период колебаний по гребням Тс определяется продолжительностью временного периода ф волнограммы, деленной на число гребней. На практике N очень велико, так что погрешность в определении Тс мала. Параметр уширения спектра е, характеризующий число составляющих колебаний в волне, можно найти из соотношения:

В случае монохроматической волны TC = TZ, так что е = 0.

На практике морские волны не являются синусоидальными и монохроматическими и поэтому мощность на единицу ширины волнового фронта определяется через характерную высоту волн Нс :

Здесь фигурирует так называемый энергетический период Тс, определяемый как период наиболее представительной моды колебаний в энергетическом спектре волны рис. Для многих морей:

Так как результирующее волнение чаще всего нельзя представить суммой волн, действующих в одном направлении, то мощность, извлекаемая преобразователями направленного действия, будет значительно ниже той, которую переносят волны.

Данные о волнении регистрируются и детально обрабатываются морскими метеостанциями. Вероятно, наиболее важным документом о их деятельности являются диаграммы распределения числа наблюдений волн для заданного района моря за год, составленные в координатах характерная высота -- период по впадинам (рис. 5). Зная, что период связан с длиной волны, можно нанести на такую диаграмму и линии равных отношений высоты волн к их длине (градиенты волн).



Здесь же обозначаются контуры равных величин за год.

По этим данным можно рассчитать максимальные, средние, минимальные и другие величины мощностей и энергий, связанных с волновыми процессами. Соответствующие цифры можно занести на карты, например, для средних значений за год, как это сделано для планеты в целом и для северо-западной части морей, омывающих Европу.

5. Устройства для преобразования энергии волн

волна энергия мощность преобразование

Обилие схем преобразователей энергии волн породило несколько вариантов классификации, в основе которых лежат различные принципы. Можно, выделить два класса преобразователей-- активные и пассивные. К первому относятся все устройства, имеющие перемещающиеся под действием колебаний водных масс элементы, ко второму -- устройства, направляющие движение вод с целью концентрации энергии волн. В основу классификации иногда кладут наиболее характерные особенности природы волновых явлений и тогда выделяют три характерных признака:

- подъем волновой поверхности и изменение ее наклона;

- подповерхностное движение частиц жидкости и изменение давления;

- преобразование волн при подходе к естественным или искусственным препятствиям.

При такой классификации под первый признак попадают различные типы активных устройств -- буев, колеблющихся тел, преобразователей волнового движения в изменение воздушного давления и т. п. Под второй признак попадают также активные устройства, например поглощающие волновую энергию оболочки и устройства с колеблющимися и вращающимися элементами. Под третью -- различные концентраторы энергии пассивного типа. Такая классификация не позволяет выявить всего многообразия принципов и мало отличается от первой.

Наиболее удачным кажется метод классификации, идущий от природы волновых явлений, но дающий им большую детализацию. В соответствии с этой классификацией конструкции волновых преобразователей делятся на использующие следующие физические факторы:

- разность фаз колебаний в пространственно разнесенных точках;

- изменение уровня моря относительно стационарно размещенного тела;

- разность фаз колебаний уровня давления воды в пространственно разнесенных точках;

- периодичность колебаний суммарного давления относительно стабилизированного уровня;

- периодическое изменение наклона волновой поверхности;

- концентрацию волновой энергии по фронту или по глубине;

- скоростной напор жидкости;

- комбинацию эффектов.

Классификация позволяет анализировать возможность использования тех или иных устройств применительно к конкретным условиям. Например, относительно преобразователей второй группы можно сказать, что если они используют жесткое закрепление на грунте, то в зоне действия приливов неприемлемы. В то же время такое ограничение не распространяется на аналогичные устройства, в которых перемещение поплавка происходит относительно инерционной платформы или динамического якоря. Конструкции, использующие разность фаз колебаний уровня (первая группа), вряд ли могут иметь значительные единичные мощности из-за прочностных характеристик передаточных пространственных механизмов. Устройства третьей группы имеют ограничение по глубинам установки. То же можно сказать о преобразователях предпоследней группы. На них, как и вообще на устройства, размещаемые под поверхностью водоема и на дне, действует еще одно ограничение: быстрое затухание волнового возмущения с глубиной. Для скорости движения частиц жидкости такое затухание, например, происходит по экспоненциальному закону. Кроме того, любые устанавливаемые на дне устройства находятся в какой-то мере под угрозой заноса осадочными материалами.

Большие единичные мощности -- необходимое условие крупномасштабной энергетики -- позволяют получить либо устройства, концентрирующие волновую энергию по фронту и по глубине, либо объединенные в сети преобразователи, работающие на общую нагрузку. При таком объединении размещают отдельные блоки или вдоль фронта волн (терминаторы), или поперек фронта (аттенюаторные устройства). В роли и аттенюаторов, и терминаторов могут выступать устройства различных групп.

В настоящее время разрабатываются варианты преобразователей практически всех групп. Многие из них реализованы и испытаны в лабораторных условиях волновых бассейнов, ряд испытан в условиях моря. Но до сего дня нельзя выделить какое-то одно или даже несколько устройств, которые были бы приемлемы для всех случаев, удовлетворяли бы всем противоречивым требованиям, предъявляемым потребителями.

5.1 Преобразователи с качающимися элементами

В этом классе преобразователей волновой энергии прежде всего остановимся на знаменитой «солтерской утке», названной так в честь ее создателя, профессора Эдинбургского университета С. Солтера. Техническое название такого преобразователя-- колеблющееся крыло. Его основная особенность -- чрезвычайно высокая эффективность преобразования энергии волн. Правда, чтобы реализовать эту возможность, приходится достаточно жестко закреплять ось крыла-поплавка. Сделать это можно, установив, например, крыло в теле волнолома. Однако стационарный волнолом -- сооружение мелководное, а на мелководье значительная часть энергии волн теряется вследствие трения о дно. Другой недостаток -- стационарный волнолом не может отслеживать изменение направления прихода волн, а в зависимости от этого параметра волнения эффективность крыла как преобразователя сильно зависит. Было предложено устанавливать ряд самостоятельно колеблющихся крыльев в теле плота, положение которого и пространстве могло бы изменяться с помощью системы якорных тросов, однако, теоретические расчеты с фиксированным центром вращения в реальном море из-за раскачивания остова в продольном и поперечном направлениях должна также показывать снижение эффективности преобразования.

Основная удача конструктора «утки» -- оптимальная форма. Когда «утка» раскачивается относительно центра вращения, ее носовая часть практически точно отслеживает движение набегающей волны. В то же время кормовая поверхность, имеющая цилиндрическую форму, при движении относительно того же центра практически не производит перемещений жидкости и, следовательно, не может образовать волну, уносящую часть воспринятой энергии. Физическую сущность высокой эффективности «утки» поясняет, позволяющий проследить процесс взаимодействия с ней падающей волны. За счет интерференции отраженной неподвижной «уткой» волны и излученной движущейся (правая половина поля) практически гасится волна, распространяющаяся навстречу падающей. Такой же процесс происходит за «уткой», где гашение распространяющейся влево волны происходит в результате взаимодействия дифрагировавшей на «утке» и излученной ею вправо волн.

Первоначально Солтером был создан макет достаточно узкополосного по частоте устройства. В волновом бассейне оно поглощало до 90 % падающей энергии. Более поздние эксперименты и расчеты показали возможность создать за счет рационального управления распределения масс в поплавке конструкцию, обеспечивающую КПД не хуже 80 % при ширине полосы частот более 50%. Кроме того, было показано, что для условий Северной Атлантики могут быть созданы достаточно эффективные преобразователи диаметром 10--15 м.

Первые испытания в условиях, близких к морским, были проведены в мае 1977 г. на оз. Лох-Несс. 50-метровая гирлянда из 20-метровых «уток» общей массой 16 т была спущена на воду и испытывалась и исследовалась в течение 4 месяцев при различных волновых условиях (пережила даже сильный шторм). Изучались механические характеристики, швартовочные нагрузки. В декабре того же года эта модель в 1/10 будущей величины океанского преобразователя была вновь спущена на воду и дала первый ток. В течение 3 месяцев одного из самых суровых зимних периодов модель первой английской волновой электростанции работала с КПД около 50%.

Несмотря на относительную простоту системы и высокую эффективность преобразования существуют серьезные препятствия на пути ее внедрения:

- система оказалась настолько чувствительна к направлению волн, что для получения сравнительно высокого КПД преобразования необходимо отслеживать изменение направления;

- достаточно сложна и ненадежна гидромашина, приводимая в действие поплавком;

- сложность формы поверхности «утки» создает затруднения при ее сборке и монтаже;

- специфика распределения массы создает трудности при установке и перевозке преобразователей;

- сборка нескольких преобразователей в протяженную конструкцию может привести к усложнению постановки и удержания на якоре;

- при сборке возникают проблемы надежного уплотнения кольцевого зазора большого диаметра.

Другой вариант достаточно эффективного волнового преобразователя с качающимся элементом -- контурный плот Коккерелла (У. Коккерелл известен как один из удачливых изобретателей судна на воздушной подушке).

Его модель также в 1/10 величины испытывалась в том же году в проливе Солент вблизи г. Саутгемптона. Контурный плот -- многозвенная система из шарнирно соединенных секций. Как и «утка», он устанавливается перпендикулярно к фронту волны и отслеживает ее профиль. К настоящему времени разработано несколько модификаций плота. В более ранних публикациях говорится о плотах из четырех-пяти секций длиной примерно 1/4 каждая. В более поздних-- о трехзвенном и даже о двухзвенном плоте с секциями различного размера: головная, установленная мористее, воспринимает основную энергию волны и примерно в два раза короче кормовой. Вероятно, последняя конструкция более широкополосная, если иметь в виду волну не конкретной длины, а спектр длин волн.

Детальные лабораторные испытания модели плота в масштабе 1/100 показали, что его эффективность составляет около 45 %. Это ниже, чем у «утки» Солтера (но плот привлекает другим достоинством: близость конструкции к традиционным судостроительным). Изготовление таких плотов не требует создания новых промышленных предприятий и позволит поднять занятость в судостроительной промышленности.

Была начата разработка проекта волновой электростанции на базе преобразователя типа плота. В качестве места для ее размещения было выбрано западное побережье Гебридских островов, где имеется подходящий участок морского дна протяженностью около 150 км вдоль береговой линии с глубинами около 50 м. Скальный грунт позволяет в качестве якорей использовать забуренные в него сваи с высокой горизонтальной и вертикальной удерживающей способностью. Для удержания плотов разрабатывались специальные тросы, усиленные эластичными полимерами, с допустимым удлинением до 30%. Последняя величина определена из расчета давать плотам возможность перемещаться при шторме на расстояние до 30 м от первоначального положения.

Предполагалось, что такая станция будет состоять из 1500 плотов шириной 50 и длиной 100 м, установленных на расстоянии 50 м друг от друга. В качестве материала для корпусов был выбран армированный железобетон, обладающий стойкостью по отношению к циклическим нагрузкам и коррозии. Расчетная долговечность корпусов из бетона по аналогии с долговечностью железобетонных платформ Северного моря принималась равной 25 годам. За этот период преобразователи должны выдержать примерно 108 циклов волнового нагружения различной интенсивности. Предполагалось, что масса корпуса одного сооружения составит 13 500 т, мощность генератора -- примерно 2000 кВт. Для нормального темпа ввода такой станции в эксплуатацию необходимо было бы выпускать в год не менее 60 плотов. Сейчас работы над проектом прекращены: он признан неэффективным.

Аналогом системы С. Солтера является преобразователь типа «моллюск». Длинная горизонтальная ось «утки» заменена в «моллюске» прямоугольной секцией, в которой под действием волн колеблются вертикально установленные пластины, сжимающие гибкий рукав, заполненный воздухом. Сжатый воздух приводит в движение турбину, размещенную внутри конструкции. КПД преобразования таких вращающихся пластин определен теоретически и составляет 50 %. Именно этот тип преобразователя выдвинули сейчас на одно из первых мест.

Если «утка» и плот относятся к преобразователям, использующим изменение наклона волновой поверхности, то преобразователь типа «бристольский цилиндр» -- скорее к группе устройств, работающих под действием скоростного напора в волне. В этом преобразователе цилиндрическое тело, имеющее среднюю плотность 0,6--0,8 т/м3, колеблется в волне, совершая движение по эллиптической траектории и приводя в действие гидравлические насосы. Одно из преимуществ идеи «бристольского цилиндра» то, что после настройки на оптимальную частоту он не отражает энергию других частот, а дает ей возможность распространяться далее, где ее могут поглотить другие преобразователи, например цилиндры с другой частотой.

Из других преобразователей с качающимся элементом (элементами) необходимо отметить различные варианты аттенюаторов типа «гибкий рукав», устанавливаемых таким образом, чтобы энергия волны передавалась к упругим элементам устройств по мере прохождения волны. Одним из наиболее известных устройств этого типа является «гибкий рукав», разработанный профессором Ланкастерского университета М. Д. Френчем. В этом рукаве энергия накапливается вдоль него за счет деформации гибких резиновых секций, последовательно перекачивающих воздух в турбину, размещенную в центре. Такие устройства могут оказаться наиболее широкополосными, причем полоса рабочих частот увеличивается с увеличением длины, если только в конструкцию не заложено каких-либо ограничений движения.

Отечественная конструкция такого типа разработана, например И. И. Пятницким. Она представляет собой гибкий металлический рукав из отдельных секций, выполненных из сильфонов, наполовину заполненных трансформаторным маслом, со встроенными турбинами, подключенными к электрогенераторам. При изменении положения гибких секций масло перетекает из верхних в нижние, приводя в движение турбины.

5.2 Точечные преобразователи

Для того чтобы считать устройство точечным преобразователем, вовсе не важно, какой принцип лежит в основе его работы. Достаточно, чтобы длина и ширина устройства были значительно меньше длины волны и чтобы эффективность работы его либо принципиально не зависела от направления движения волн, либо устройство могло самостоятельно отслеживать изменение этого направления и переориентироваться в пространстве. Особенный интерес к точечным преобразователям связан с тем, что они не только могут обладать достаточно высокими КПД преобразования, использоваться как в одиночку, так и совместно, образуя целые энергосистемы, но и с тем, что они собирают энергию с участка фронта волны, превышающего их линейные размеры и могут применяться в качестве волнозащитных устройств.

Чтобы точечный преобразователь был достаточно эффективным, движение его поглощающего элемента должно быть согласовано с движением водной поверхности. Этот элемент должен быть непременно подключен к демпфирующей системе, извлекающей полезную мощность, а механические характеристики устройства должны перестраиваться при изменении волновых условий.

В общем случае для системы типа точечного цилиндрического буя уравнение движения может быть записано в виде:

где а -- присоединенная масса жидкости, кг; D -- диаметр; F (t) -- сила, создаваемая волнами; g -- гравитационная постоянная; т -- масса; Ье -- потери энергии на преобразование в полезную; br - потери на отражение; 6н --потери на вязкое трение; Ьс -- потери на тепло, выделяющееся в электрической цепи; -- перемещение в волне, скорость и ускорение соответственно; с -- плотность морской воды. В этом выражении коэффициенты, описывающие различные потери энергии, являются функциями частоты колебаний.

Точечные преобразователи являются устройствами, имеющими характерные рабочие частоты. Если такое устройство рассчитано для работы при определенной доминирующей частоте волн, то эффективность его падает при изменении волновых условий. При настройке в резонанс с падающей волной, наоборот, происходит увеличение волновой энергии, выделяющейся на преобразователе. Такая настройка производится за счет изменения механических (воздействие на величину br) и электрических характеристик bс. В первом случае для устройств, колеблющихся вдоль вертикальной оси (различного вида буи), рекомендуют изменение массы за счет заполнения балластных цистерн, а для устройств с вращающимися элементами («утка», плот) -- моментов инерции путем изменения распределения масс. В последнем случае может, кроме того, быть изменено передаточное число привода электрогенератора, индуктивность, емкость и сопротивление электрических цепей генераторов.

Наиболее уязвимый элемент преобразователя -- захват, который должен выдерживать в среднем до 6•106 срабатываний в год. Но без управления движением мощность, поглощаемая буем, снижается примерно в 5 раз. Поэтому авторы устройства считают, что имеет смысл преодолеть технические трудности и создать долгоживущий захват.

Испытания преобразователя были выполнены на модели в масштабе 1: 10 на нерегулярных волнах. Испытания дали довольно хорошие результаты, хотя из-за несовершенства системы управления в некоторых случаях фазы колебаний буя и волн несколько отличались. В настоящее время разрабатывается полноразмерная модель буя и проектируется воздушная турбина, рассчитанная на вращение с частотой вращения 50 с-1 и непосредственно связанная с асинхронным трехфазным электрогенератором установленной мощностью 400 кВт.

В случае сильного шторма достаточно отключить автоматику захвата этого преобразователя, чтобы, снизив его эффективность, предохранить от разрушения.

Несмотря на достоинства, описанная выше система не свободна от недостатков. Наиболее серьезные из них -- наличие «мертвого» достаточно массивного якоря, сложного узла универсального шарнира, работающего под водой в условиях знакопеременных нагрузок, наличие прочной штанги, которая должна выдерживать значительные напряжения при верхнем положении буя. Вообще, и это отмечают многие исследователи, якорные устройства плавучих волновых преобразователей -- элемент, надежность работы которого зачастую определяет саму возможность применения некоторых из них. В этой связи большое значение приобретают поиски технических решений, позволяющих упростить якорные устройства, снизить их массу и требуемую прочность тросов.

К таким решениям относятся конструкции самопозиционирующихся преобразователей, снабженные заглубленными платформами, относительно которых происходит перемещение плавучих буев, либо даже динамическими якорями и не требующие значительных усилий для удержания.

К достоинствам систем с динамическим удержанием относится возможность использовать их в условиях действия приливов и длиннопериодных волн зыби. В этом случае они как бы выполняют роль низкочастотных фильтров, не реагирующих на медленное изменение возбуждающей колебания силы.

Динамическое удержание можно обеспечить как за счет использования инерционной массы платформы, так и за счет применения динамического якоря, представляющего собой достаточно жесткий плоский элемент, сопротивление которого при ускорении в воде возрастает за счет присоединенной массы. Этот эффект исследований учтен авторами цитировавшейся выше статьи. На его использовании строится ряд отечественных разработок.

Интересная особенность систем с динамическими якорями -- снижение их поглощающей энергию способности начиная с некоторой величины длины волны за счет того, что с ростом ее в движение начинают вовлекаться все более заглубленные слои жидкости. Динамические устройства хорошо зарекомендовали себя как защитные элементы якорных систем океанских буев, предохраняя якорные тросы и цепи от динамических нагрузок и тем самым повышая их живучесть.

5.3 Гидропневматические преобразователи

Этот вид преобразователей относится ко второму классу. Наиболее современный прототип практически всех разрабатываемых в настоящее время конструкций-- буй Масуды.

В основе этих устройств -- принцип колебаний столба воды в трубе с открытым снизу концом. За счет пульсаций гидростатического давления в нижнем сечении при прохождении волн (масса трубы такова, что она остается практически неподвижной) водяной столб резонирует на частоте, примерно равной (g/l)0,5, где l-- высота столба. Столб воды играет роль жидкого поршня, сжимающего воздух, расположенный над ним. В свою очередь, воздух приводит в действие пневмотурбину. Система клапанов обеспечивает постоянство направления вращения турбины и определенный закон демпфирования движения водяного столба, последнее позволяет подстраивать буй в случае изменения частоты вынуждающих волн. Для обеспечения постоянства скорости вращения пневмотурбины и соединенного с ней электрогенератора могут быть использованы системы регулирования угла установки лопастей турбины, управляемые микропроцессором.

На базе однокамерной системы Масуды Морской научно-технический центр Японии с 1976 г. ведет разработки многокамерных систем. После ряда модельных испытаний была спроектирована и построена морская баржа «Каймэй» длиной 80, шириной 12 м, высотой в носовой части 7 и в кормовой 3,5 м. Баржа имеет 22 отдельных воздушных камеры, открытых снизу, причем каждая пара камер работает на одну общую турбину. Четыре герметичных отсека обеспечивают барже постоянную плавучесть «Каймэй» представляет собой полноразмерную морскую энергетическую установку для Японского моря. Для условий Атлантики: такая баржа должна быть примерно вдвое больше (длина 180, ширина 24, высота борта 8--10 м). Первый этап испытаний системы был начат в августе 1978 г. Испытывались системы удержания баржи в открытом море, работа преобразователей и генераторов. Исследовалась эффективность преобразования энергии: волн при различных схемах клапанных систем -- двухклапанной и четырехклапанной.



Сопоставление результатов показало, что при большой длине волны четырехклапанная система, в воздушной камере которой поочередно используется подъем и опускание уровня воды, оказалась эффективнее двухклапанной, где на один генератор работают две камеры с различным направлением движения воды. Для обеспечения такого увеличения эффективности оказалось необходимым применить аккумуляторы давления, в качестве которых использовались бортовые отсеки плавучести. При коротких волнах эффективности систем были примерно одинаковы. В шести энергоблоках каждая турбина работала на свой генератор, развивавший мощность 125 кВт при частоте вращения 14 с-1. Вырабатываемая мощность гасилась на балластных сопротивлениях и колебалась в соответствии с изменением давления воздуха.

На втором этапе испытаний, проходившем с августа 1979 г., в системе было задействовано уже восемь турбогенераторов, из которых три работали по двухклапанной схеме, а остальные -- по четырехклапанной. Максимальная мощность, развиваемая одним генератором, достигала примерно 300 кВт. От одного генератора энергия подавалась на берег по специальному морскому не скручивающемуся кабелю, проложенному под водой с помощью системы грузов и буйков, 82 различных датчика, установленных на барже, позволяли фиксировать погодные условия, измерять волнение, перемещение баржи, нагрузки на якорные цепи, давление воздуха в камерах преобразователей и изменение уровня воды в них, перепад давлений на турбинах, частоты их вращения, параметры вырабатываемого генераторами тока. Информация по радиоканалу передавалась на береговую станцию и вводилась в ЭВМ. Интересно, что максимальное натяжение якорной цепи, зафиксированное во время испытаний, оказалось равным примерно 0,84 МН при скорости ветра около 30 м/с и высоте волн около 9 м. Расчетная величина предельно допустимого натяжения составляла 0,87 МН. Причем в расчет были заложены максимальная скорость ветра 185 км/ч (51 м/с), скорость течения 1,5 м/с, высота волн 8 м при периоде волнения 10 с.

Одна из гидропневматических систем разработана Национальной инженерной лабораторией Великобритании и представляет собой асимметричный бетонный волнолом с достаточно большой воздушной камерой (или несколькими камерами), работающей на единую мощную турбину с электрогенератором. Чтобы создавать избыточное давление порядка 1,5•105Па, устройство должно быть достаточно громоздким. Достаточно сказать, что высота водного столба в камере должна быть не менее 13 м, чтобы представить его общие размеры и те затраты, которые необходимо сделать для обеспечения необходимой прочности конструкции.

Из других устройств, использующих идею колебаний водяного столба, обычно выделяют системы, разрабатываемые фирмой «Виккерс» (Великобритания). Это аттенюатор длиной 160 и высотой 10 м, имеющий восемь ячеек, с помощью общей клапанной коробки подключающихся к пневмотурбогенератору, расположенному в центральной камере шириной 6 м через 2-метровые вводы. Устройство предназначено для установки в сравнительно мелких районах и рассчитано на то, что практически все волны будут приходить с направлений ± 15° от нормали к нему. Естественная защита района установки должна предотвратить воздействие на преобразователи сильных штормов. Основной объем устройства располагается на 5 м ниже уровня воды, что снижает воздействие на него усилий от разбивающихся волн, а машинный зал несколько приподнят над водой для удобства обслуживания. Для снижения взаимного воздействия друг на друга отдельные агрегаты устанавливаются в 100 м друг от друга.

Расчетное значение эффективности преобразования энергии устройствами фирмы «Виккерс» составляет до 60 % и при изменении высоты волн от одного метра до четырех снижается до 30%. Устройство достаточно широкополосно по частоте: в диапазоне периодов колебаний волн от 7 до 12 с оно имеет некоторое подобие плато на зависимости эффективности от частоты. При изменении углов прихода волн от 0 до 45° эффективность преобразования на оптимальной частоте снижается примерно в 3 раза.

5.4. Волновые насосы

К точечным системам преобразователей энергии волн относятся и различные типы волновых насосов.

Наиболее известное устройство - это так называемый насос Айзекса (рис. 11). Достоинства такого насоса -- его простота, независимость работы от направления прихода волн, широкий спектральный диапазон волнения. Основной недостаток, по словам самого Дж. Айзекса,-- возможность эффективной эксплуатации лишь на достаточно больших глубинах, т. е. вдали от берега. Впрочем, этот недостаток обращается в достоинство, когда речь идет о необходимости снабжать энергией автономный удаленный от берега объект либо подавать на морскую ферму глубинные воды. Принцип действия такого насоса основан на неразрывности столба жидкости в трубе, вертикальное движение которой сообщается колебаниями поверхности. Чтобы такая труба стала насосом, ее нижний конец необходимо опустить в невозмущенные поверхностным волнением слои жидкости, а саму трубу снабдить клапаном, препятствующим вытеканию порции воды, попавшей в трубу во время хода вниз. Насос можно использовать как для подъема воды в резервуар, размещенный над водой, так и для закачки ее в танк с противодавлением, величина которого примерно пропорциональна скорости перемещения трубы.

Первый образец такого насоса был испытан в 1972--1973 гг. в заливе Консепсеон острова Сан-Клементе. Модель была разработана в океанологическом институте Скриппса, имела трубу диаметром 20 см и длиной 61 м, причем клапан был установлен на глубине 6,1 м. На волне высотой 2 м насос развивал избыточное давление около 5•104 Па при периоде колебаний 6--8 с. Аккумуляторный танк насоса имел отверстие диаметром 1,3 см. В 1975 г. были проведены испытания аналогичного устройства, но с трубой диаметром 5 см длиной 92 м. Для удержания трубы использовался поплавок с переменным течением, обеспечивающим нелинейное изменение выталкивающей силы. Поверхность поплавка имела экспоненциальный профиль с радиусом, изменяющимся по закону:



Система оказалась чрезвычайно эффективной и дала давление в аккумулирующем танке около 2•105 Па при высоте волн всего 0,6 м. Оценка эффективности показала величину 30 %. Здесь R0, a и в наилучшим образом подобранные постоянные.

Достоинства волновых насосов, общие для многих точечных преобразователей -- простота конструкций, отсутствие необходимости постоянного наблюдения за работой и ухода, возможность строить волновые электростанции из таких устройств, постепенно наращивая количество отдельных сравнительно недорогих сооружений -- привлекают к ним внимание энергетиков.

5.5 Концентраторы волновой энергии

Использование концентратов волновой энергии -- один из способов увеличения единичных мощностей океанских преобразователей. Просматриваются два характерных направления в этой области. Первое--фокусировка волновой энергии с большей площади на меньшую с тем, чтобы необходимым образом увеличить энергию колебаний. Для этого могут быть использованы известные физические принципы, основанные на особенностях распространения воли в среде и при взаимодействии с препятствиями. Речь идет о дифракционных и рефракционных явлениях (рис. 12). В качестве устройств для реализации этих явлений могут быть использованы системы плавучих пассивных буев. Пока такие системы находятся в числе гипотетических, однако способы управления волнами с помощью «искусственных сред» в виде систем рассеивающих энергию буев пристально изучаются разработчиками.



Второе направление -- концентрация волновой энергии путем сбора ее со значительной площади и использование для создания перепада давлений, на котором может работать обычная низконапорная гидравлическая турбина. Работы в этом направлении ведутся уже 30 лет. Вероятно исторически первым был проект инженера-гидротехника У. Ботта, занимавшегося проектированием гидроэлектростанций в Шотландии еще в 30-х гг. Это был проект волновой электростанции для о. Маврикий в Индийском океане. В основе проекта -- идея создания искусственной лагуны, в которой за счет перекатывающихся через пологую в сторону океана дамбу волн создавался бы повышенный уровень воды.

По современному варианту эта станция будет иметь мощность до 20 МВт, от океана ее бассейн будет отделен дамбой длиной 4,9 км. При высоте характерных для этого района волн от 1,2 до 2,4 м с периодом от 6 до 10 с расчетный напор в бассейне должен быть равен 2,3 м.

Исследования по маврикийскому проекту проводились на Гидрологической исследовательской станции (Уоллингфорд, Великобритания), где впоследствии под руководством директора станции Р. Рассела был создан проект так называемого «выпрямителя» (рис. 13), как и предыдущая система использующего принцип заполнение бассейна за счет энергии волн. Это устройство более компактно. Одно из его достоинств -- выпуск воды, прошедшей через турбину, у подошвы набегающей волны, что обеспечивает повышение производительности. Этот проект также рассматривается как возможный вариант конструкций будущих электростанций, но уступает другим устройствам по материалоемкости. Кроме того, выражаются опасения, что подобные сооружения будут плохо противостоять штормовым нагрузкам. Поэтому устройства, аналогичные маврикийскому проекту, так сказать, в чистом виде, кажутся многим более перспективными, особенно в тех районах, где позволяют естественные условия.

Одно из таких технических решений -- «конфузорный откос» (рис. 12). Его рабочая поверхность выполняется в виде наклонного, сужающегося кверху лотка. Морская волна высотой 1,1 м с волновым фронтом длиной 350 м при 30-кратном сужении в лотке может дать примерно 15-кратное увеличение амплитуды. Если установка с простым подъемом воды на наклонной плоскости с углом подъема 30° обеспечивает поднятие уровня всего на 2,5 м при средней высоте волн 1,5 м, то на «конфузорном откосе» это даст подъем уровня примерно на 20 м. При таком перепаде высот в накопителе-водохранилище уже можно использовать более производительные высоконапорные гидроагрегаты для выработки электроэнергии. Общая производительность «конфузорного откоса» будет примерно такой же, как и простого откоса, и составит около 50 МВт•ч в год на 1 м длины наклонной стенки. Одно из больших достоинств «конфузорного откоса» -- возможность монтировать все его основные узлы на берегу, что делает его наиболее надежным из всех волновых преобразователей в эксплуатации.

В качестве концентратора волновой энергии для условий открытого моря пока разработано единственное устройство. Это «дамбы-атоллы» инженера фирмы «Локхид» Ле-Вирта (рис. 14). Поверхность выпуклого линзообразного купола круглого сечения фокусирует и направляет в центральную часть волны, имеющие расчетную частоту и малые амплитуды. Что касается волн большой амплитуды, то они полностью разрушаются на соответствующей глубине. Важные достоинства такого концентратора -- сравнительно высокая широкополосность и независимость от направления прихода волн. Принцип действия - набегающая на сферическую поверхность волна из-за перестройки профиля, связанного с изменением фазовой скорости, как бы охватывает купол, достигая размещенного в его вершине направляющего аппарата. Последний снабжен криволинейными лопатками, закручивающими поток в одну сторону и сообщающими ему свойство вращающегося инерционного компенсатора колебаний волновой мощности. Двигаясь вниз по сужающемуся водоводу поток еще сильнее закручивается и попадает на колесо турбогенератора. КПД такой установки -- около 50%.

Уже разработан проект «дамбы-атолла» диаметром до 100 и высотой до 30 м с водоводом диаметром до 18 м. Около десяти лет ведутся лабораторные испытания на модели, выполненной в масштабе 1 : 100. В ближайшее время фирма «Локхид» намечает создать модель вдвое большего размера. Первая модель рассчитана на получение полезной мощности от 20 до 40 кВт. Реальную установку планируется снабдить турбиной мощностью до нескольких мегаватт. Выпускаемый из турбины поток будет проходить через диффузор для снижения остаточного напора. Для предотвращения обрастания купола, направляющих лопаток и диффузора предлагается снабдить их открылками из синтетического материала, постоянное движение которых в потоке будет препятствовать прикреплению организмов-обрастателей к выполненным из бетона элементам концентратора.