Подводная волновая энергетическая установка

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОДВОДНАЯ ВОЛНОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

волновой энергия подводный установка

Использованию энергии волнового движения как возобновляемого источника энергии уделяется большое внимание. Наиболее признанные и продвинутые разработки (“утка Солтера”, плот Коккерелла, пневмобуй Масуды) [1] располагаются на водной поверхности и из-за сложности противостоять экстремальным погодным условиям до настоящего времени не нашли широкого практического применения. В настоящей статье приводится информация о подводной, принципиально отличающейся от признанных устройств (колеблющийся элемент установки движется в противофазе к волновому движению: опускается на гребне и поднимается на впадине волны), волновой энергетической установке.

Крупногабаритный (десятки квадратных метров), колеблющийся с большой амплитудой (метры) подвижный элемент установки движется под действием сжатого воздуха и оптимальная реакция на волновое воздействие осуществляется путем формирования нужной зависимости давления сжатого воздуха от положения подвижного элемента установки. На разные модификации подобной установки получено три патента.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Установка состоит из неподвижного относительно дна моря основания (два коаксиальных вертикальных разной длины цилиндра (1) и (2), верхние концы которых находятся на одном горизонтальном уровне, а с низу они герметично закрыты поверхностями (3) и (4)) и способной перемещаться вертикально оболочки (поверхностть (5), к которой пристыкованы два коаксиальных вертикальных разной длины цилиндра (6) и (7)). Размеры цилиндров основания и оболочки подобраны так, что когда оболочка накрывает основание (цилиндр (2) находится внутри цилиндра (7)), меньший цилиндр (6) оболочки размещается внутри меньшего цилиндра (1) основания.

Пространство между цилиндрами (6) и (7) (камера) заполнено сжатым воздухом, давление которого на поверхность (5) в положении равновесия уравновешивает вес оболочки, давление воды и давление атмосферы. Верхняя часть цилиндра (6) оболочки заполнена воздухом, давление которого равно атмосферному (соединена воздуховодом (12) c атмосферой; эта полость используется для преобразования энергии волнового движения: на конце воздуховода установлена турбина (13), при колебаниях оболочки воздух из атмосферы через воздуховод и турбину входит- выходит в воздушную полость цилиндра (6)); по закону сообщающихся сосудов разность давлений воздуха в камере и атмосферы уравновешивается слоем воды (уровень воды (8) между цилиндрами (2) и (7) и уровень водной поверхности моря (11)); цилиндр (6) опускается в налолненній жидкостью цилиндр (1), если нижний уровень жидкости (9) в цилиндре (1) расположен ниже уровня (8), то и верхний уровень жидкости (10) в цилиндре (6) расположен ниже уровня (11).

Задавая нужную зависимость давления воздуха в камере от перемещений оболочки, можно обеспечить оптимальное перемещение оболочки под действием волнового процесса. (эта зависимость определяется путем модельных испытаний, последующей экстраполяцией на реальную установку и корректировкой параметров при эксплуатации). Предлагается делать это следующим образом.

Пусть Р(х)- зависимость давления воздуха в камере от положения оболочки (х- положение оболочки по отношению к точке равновесия; положительно при отклонении оболочки вверх).

Предполагаем, что оболочка смещается вверх (х положительно и возрастает), объём камеры также возрастает, а давление воздуха в камере уменьшается. Выберем три точки х1, х2 и х3 ( х1 меньше х2, х2 меньше х3). Этим точкам соответствуют три значения давления Р(х1), Р(х2), Р(х3). На основании экспериментальных данных находим такое значение V1, для которого выполняется переход из состояния воздуха V1, Р(х1) в состояние V1 + C(х2-х1), P(х2) (С- разность площадей поверхности (5) и сечения цилиндра (6)). Аналогично находим V2 (переход из состояния V2, Р(х2) в состояние V2 + C(х3-х2), Р(х3). Чтобы соединить эти два отрезка, необходимо в х2 изменить объём камеры на

dV= V1 + C(х2-х1) - V2. (1)

Деля диапазон изменений величины (х) на необходимое количество отрезков и изменяя объём камеры в узловых точках можно воспроизвести зависимость Р(х) (в рамках возможностей предложенного способа).

Предлагается два варианта компенсационных элементов: ёмкость определенного объёма, которая присоединяется к объёму камеры (открывается запорное устройство), когда давление в камере становится больше давления воздуха в компенсационном элементе и отключается, когда давление в камере становится меньше определённого значения; и “упругая оболочка”, которая находится в ненапряжённом состоянии, пока находящийся в ней воздух расширяется вместе с воздухом в камере, но когда объём воздуха равняется объёму ”упругой оболочки“, она напрягается и препятствует дальнейшему расширению находящегося в ней воздуха (подобно высотному зонду; один из компенсационных элементов этого типа служит одновременно и продолжением цилиндра (2): когда оболочка поднимается компенсационный элемент напрягается и препятствует попаданию воды в камеру, но когда оболочка опускается компенсационный элемент проседает, не мешая движению оболочки). Объём компенсационных элементов можно регулировать, закачивая (откачивая) в них нужный объём воды.

Целесообразно расположить “упругую оболочку” внутри ёмкости: сначала срабатывает “упругая оболочка“, а на следующем этапе срабатывает запорное устройство ёмкости; это позволит защитить “упругую оболочку” от нагрузок при дальнейшем уменьшении давления в камере.

Цилиндр (6) заполнен жидкостью; на последнем этапе подъёма оболочки (небольшая скорость движения оболочки, небольшая вовлекаемая в движение масса воды) возвращающее в состояние равновесия усилие можно формировать, поднимая из жидкости груз, вес которого ранее был уравновешен выталкивающей силой жидкости; этим обеспечивается также понижение уровня жидкости (10) при понижении давления воздуха в камере.

Жидкость в цилиндре (1) может отличаться от воды внешней среды (иметь большую плотность), например, концентрированный соляной раствор, что позволит уменьшить размеры цилиндров (1) и (6).

Приведем числовой пример (для удобства расчета для воздуха в камере считаем верным соотношение (2))

РV=const (2)

Примем площадь сечения цилиндра (6) равной 40м2; площадь поверхности (5) равной 180м2; оболочка находится в равновесном состоянии на глубине 5м; вес оболочки равным 80тонн (предполагается, что оболочка создаётся из стального листа толщиной 10мм), тогда в состоянии равновесия давление воздуха в камере равняется 17м.в.ст. (метров водяного столба), то есть уровень воды (8) находится на глубине 7м.. Для гармонического колебания оболочки, усилие, возвращающее оболочку в состояние равновесия определяется по формуле

F = -Kх (3)

K-коэффициент пропорциональности; примем соотношение К/С равным 1м.в.ст./м. Возьмём четыре значения х: 1,5м; 0,5м; -0,5м; -1,5м ; рассчитаем для каждой точки значение Р(х) (равновесное давление и возвращающее усилие), соответственно 13.57, 15,86, 18,14, 20,43 м.в.ст.. Используя уравнение состояния (2). для каждой пары рядом стоящих точек находим V, соответственно 829,6, 969,6, 1109,6м3; используя соотношение (1) находим dV(0,5)=280м3; dV(-0,5)=280м3.

Таким образом, в точке (-1,5) объём камеры равен 1109,0м3 (компенсационный элемент в данной точке отключён); при движении оболочки к точке (-0,5) её объём увеличивается до 1249,0м3; в этой точке отключается компенсационный элемент и объём камеры становится равным 969.6м3 ( в точке равновесия камера имеет объём 1040м3); при движении к точке (0,5) объём камеры становится равным 1109,бм3, отключается компенсационный элемент и объём камеры становится равным 829,6м3 и так далее.

При соотношении К/С равным 1,5м.в.ст./м. (изменяем собственную частоту колебаний оболочки), для этих точек Р(х) имеет значения 12,82, 15,61, 18,39, 21,18 м.в.ст.; V имеет значения 643,3, 783,3, 923,3м3; объём компенсационных элементов не изменился. Таким образом, для перехода в новый колебательный режим, нужно уменьшить объём камеры на 186,3м3 и соответственно увеличить давление воздуха в компенсационных элементах.

Принятые допущения плохо воспроизводят реальную зависимость Р(х), но позволяют создать представление о параметрах установки: при диаметре оболочки 15,2м. суммарный объём заполненных воздухом подводных полостей составляет примерно 3000м3. Параметры преобразователей волновой энергии другой конструкции, расчитанные на аналогичную мощность, так же велики; так реально применяемое устройство “Polamis P-750” (“морская змея”) (аналог плота Коккерелла; с

2006года устанавливаются у побережья Португалии) имеет диаметр 3,5м., длину 120м., вес 750т. [2].

На практике наибольшее количество волновой энергии переносится волнами зыби (имеют небольшую амплитуду, но большой период), расположенные на водной поверхности преобразователи энергии отслеживают амплитуду волны и поэтому для этого типа волн малоэффективны [3]; у предложенной волновой энергетической установки за большой период оболочка может двигаться с амплитудой, которая в несколько раз превышает амплитуду волны.

Так же к преимуществам предложенного типа преобразователя волновой энергии относятся: расположен под водой (при сильном волнении оболочка может быть закреплена на основании на достаточной глубине, чтобы мало зависеть от волнения); является точечным ( не зависит от направления движения волны и преобразуется энергия с участка фронта волны, который больше диаметра оболочки); традиционное преобразование энергии (воздушная турбина); при изготовлении применяются опробированные в судостроении технологии.

Источники информации

1. Коробков В.А. Преобразование энергии океана. Л.:Судостроение. 1986. С.280. ил. (Техника освоения океана).

2. Качающиеся змеи дадут Португалии энергию волн. http://www.clearpower.ru

3. Дж. Твайдел, А. Уэйр. Возобновляемые источники энергии. Пер. С англ. М.: Энергоатомиздат. 1990. С.392.

Размещено на Allbest.ru