Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 87 8 > Следующая >>>

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.

4.2. Устройства по преобразованию энергии волн

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 относительно использования следующих физических факторов:

 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;  концентрация волновой энергии по фронту или по глубине;  скоростной напор жидкости;  комбинация 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 использование данных устройств неприемлемо. 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, размещаемых 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, другие – 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.

Преобразователи, отслеживающие профиль волны

В этом классе преобразователей остановимся в первую очередь на разработке профессора Эдинбургского университета Стефана Солтера, названной в честь создателя «утка Солтера». Техническое название такого преобразователя – колеблющееся крыло. Форма преобразователя обеспечивает максимальное извлечение мощности (рис. 11).

Рис. 11. «Утка Солтера»: схема преобразования энергии волны

Волны, поступающие слева, заставляют утку колебаться. Цилиндрическая форма противоположной поверхности обеспечивает отсутствие

распространения волны направо при колебаниях утки вокруг оси. Мощность может быть снята с оси колебательной системы с таким расчетом, чтобы обеспечить минимум отражения энергии. Отражая и пропуская лишь незначительную часть энергии волн (примерно 5%), это устройство обладает весьма высокой эффективностью преобразования в широком диапазоне частот возбуждающих колебаний.

Первоначально Солтером был создан макет достаточно узкополосного по

частоте устройства. В волновом бассейне оно поглощало до 90% падающей энергии. Первые испытания в близких к морским условиям были проведены в мае 1977 г. на оз. Лох-Несс. Пятидесятиметровая гирлянда из 20-метровых «уток» общей массой 16 т была спущена на воду и испытывалась в течение 4 месяцев при различных волновых условиях.

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 трех месяцев одного из самых суровых зимних периодов модель первой английской волновой электростанции работала с кпд около 50%.

Дальнейшие разработки Солтера направлены на то, чтобы обеспечить

«утке» способность противостоять ударам максимальных волн и создать заякоренную гирлянду преобразователей в виде достаточно гибкой линии. Предполагается, что размер реальной «утки» будет равен примерно 10 м для 100-метровых атлантических волн. Нить из «уток» протяженностью несколько километров предполагается установить в районе с наиболее интенсивным волнением западнее Гебридских островов. Мощность всей станции будет примерно 100 МВт.

Наиболее серьезные недостатки для «уток Солтера»:

 необходимость передачи медленного колебательного движения на привод

генератора;

 необходимость снятия мощности с плавающего на значительной глубине

устройства большой протяженности;

 необходимость вследствие высокой чувствительности системы к

направлению волн отслеживать изменение их направления для получения высокого кпд преобразования;

 затруднения при сборке и монтаже из-за сложности формы поверхности

«утки».

Другой вариант волнового преобразователя с качающимся элементом –

контурный плот Коккерелла. Его модель также в 1/10 величины испытывалась в том же году, что и «утка Солтера», 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 (рис. 12).

Рис. 12. Вариант выполнения контурного плота Коккерелла:

1 – колеблющаяся секция; 2 – преобразователь; 3 – тяга; 4 – шарнир

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 потребует создания новых промышленных предприятий и позволит поднять занятость в судостроительной промышленности.

Преобразователи, использующие энергию колеблющегося водяного столба

При набегании волны на частично погруженную полость, которая открыта под водой, столб жидкости внутри полости колеблется, вызывая изменения давления в газе над жидкостью. Полость может быть связана с атмосферой через турбину. Поток газа проходит через турбину и выходит в атмосферу.

Уже известны по крайней мере два примера коммерческого использования устройств на этом принципе – сигнальные буи, внедренные в Японии Масудой (рис. 13) и в Великобритании – сотрудниками Королевского университета Белфаста.

Рис. 13. Схема установки, в которой используется принцип колеблющегося

водного столба (разработана Национальной инженерной лабораторией NEL,

Великобритания, размещается непосредственно на грунте, турбина приводится

в действие потоком одного направления):

1 – волновой подъем уровня; 2 – воздушный поток; 3 – турбина; 4 – выпуск

воздуха; 5 – направление волны; 6 – опускание уровня; 7 – впуск воздуха

Более крупное и впервые включенное в энергосеть устройство построено в Тофтестоллене (Норвегия) фирмой «Kvaernor Brug A/S».

Устройство буя, использующего энергию колеблющегося столба, показано на рис. 14.

Рис. 14. Пневмобуй Масуды:

1– корпус; 2 – электрогенератор; 3 – клапан; 4 – воздушная турбина

В Тофтестоллене он используется в 500-киловаттной установке, построенной на краю отвесной скалы. Кроме того, национальная электрическая лаборатория (NEL) Великобритании предлагает конструкцию, устанавливаемую непосредственно на морском дне.

Главное преимущество устройств на принципе водяного колеблющегося столба состоит в том, что скорость воздуха перед турбиной может быть значительно увеличена за счет уменьшения проходного сечения канала. Это позволяет сочетать медленное волновое движение с высокочастотным вращением турбины. Кроме того, здесь создается возможность удалить генерирующее устройство из зоны непосредственного воздействия соленой морской воды.

Подводные устройства

Преимущества подводных устройств состоят в том, что эти устройства позволяют избежать штормового воздействия на преобразователи. Для примера можно рассмотреть преобразователь типа «бристольский цилиндр», относящийся к группе устройств, работающих под действием скоростного напора в волне. Наполненный воздухом плавучий корпус (цилиндр), имеющий среднюю плотность 0,6…0,8 т/м3, закреплен под водой на опорах, установленных на грунте. Цилиндр колеблется в волне, совершая движение по эллиптической траектории и приводя в действие гидравлические насосы, вмонтированные в опоры и преобразующие энергию движения цилиндра. Перекачиваемая ими жидкость может подаваться по трубопроводам на генераторную станцию, единую для нескольких цилиндров.

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.

4.3. Принципы расчета волновых преобразователей поплавкового типа

гр









Для характеристики использования энергии волн применяются следующие термины:

длительность – интервал времени, в течение которого дует ветер, мин.;

глубина моря Н, м;

высота волны

– расстояние между подошвой и гребнем волны, м;

период Т– временной интервал между моментами прохождения гребнем волны фиксированной точки, с;

длина волны  – горизонтальное расстояние между последовательными гребнями волн, измеренное вдоль направления их распространения, м;

фазовая скорость волны

групповая скорость волны

– скорость распространения волны, м/с;

– скорость, с которой распространяется

энергия волны, м/с.

Поверхностные морские волны характеризуются лишь незначительным горизонтальным перемещением воды. Плавающий объект дрейфует в направлении распространения волны со скоростью, составляющей примерно 1% скорости распространения волны. Выделенный объем воды движется преимущественно в вертикальной плоскости по кругу так, что вблизи гребня волны он совершает короткое движение вперед и отступает назад практически на то же расстояние вблизи ее подошвы. Вблизи поверхности диаметр этого круга равен длине волны. С ростом глубины водоема он уменьшается, так что горизонтальное перемещение становится пренебрежимо малым уже при глубине, превышающей длину волны.

В результате на глубокой воде (глубина воды больше длины волны – расстояния между последовательными гребнями волны) волны практически не взаимодействуют с дном и их поведение не зависит от глубины.

На глубокой воде фазовая скорость волны является функцией только длины волны:

Любая система, в которой скорость волны зависит от ее длины, называется

Hgc 

фгр

5,0 cс 

фгр

cс 





hgE

гррасп

cEN



дисперсной. Следовательно, глубокий океан является типичной дисперсной системой. Однако если глубина водоема невелика, то круговое движение отдельных объемов воды нарушается влиянием дна и волна теряет часть своей энергии. При длине волны больше глубины воды скорость волны становится независимой от длины волны (система перестает быть дисперсной). Но при этом она становится зависимой от глубины воды.

На мелкой воде (глубина воды меньше длины волны) фазовая скорость зависит от глубины водоема:

На мелкой воде скорость волны падает по мере уменьшения глубины. По этой причине волны имеют тенденцию выстраиваться параллельно берегу при подходе к нему. Если волна подходит к берегу под острым углом, движение ее части, которая ближе к побережью, замедляется, что позволяет более отдаленным волнам нагнать ее. При движении над береговым склоном волны, находящиеся дальше от берега, движутся быстрее, чем более близкие к берегу, поэтому длина волны уменьшается по мере приближения ее к побережью. Период же при этом остается постоянным.

Все перечисленное выше относится к фазовой скорости волны. Групповая скорость, то есть скорость распространения энергии, отличается от фазовой скорости в дисперсной среде.

На глубокой воде групповая скорость находится по формуле

На мелкой воде групповая скорость вычисляется по формуле

Энергия погонного метра волны

где

– высота волны, м.

Располагаемая мощность волны

Сила, действующая на поплавок

поп

gSF 



поп

грпол

сFN 

расп

пол





где S– площадь поплавка, м2;

– высота поплавкового преобразователя, м.

Полезно используемая мощность

Кпд использования волновой энергии

Задания

Задача 1

Найти полезную мощность поплавкового преобразователя, вырабатываемую поплавком с размерами 42 м и высотой 3 м, при ветровых волнах высотой 2 м и длиной волны 25 м. Глубина моря – 20 м.

Задача 2

Найти полезную мощность поплавкового преобразователя, вырабатываемую поплавком с размерами 32 м и высотой 3 м, при ветровых волнах высотой 2 м и длиной волны 16 м. Глубина моря – 25 м.

Задача 3

Найти полезную мощность и кпд использования волновой энергии для

поплавкового преобразователя энергии морских волн с размерами 3,52 м и высотой 3 м при ветровых волнах высотой 2 м и длиной волны 25 м. Глубина моря – 12 м.

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 87 8 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]