Парусная энергетическая установка, преобразующая энергию потоков двух сред

06.05.2021 JeeesAdmin 2020-03 0

Чекарев К.В. [0000-0002-5140-5142] 1,3, Залиханов А.М. [0000-0002-2540-6045] 1,4, Соловьев Д.А. [0000-0001-5591-3067]2,5, Дегтярев К.С. [ 0000-0002-1738-6320] 1,6

1МГУ имени М. В. Ломоносова, Москва, Россия

2Объединённый институт высоких температур РАН, Москва, Россия

3E-mail: kostya-chekarev@yandex.ru,

4E-mail: bulungu@yandex.ru

5E-mail: dsolp@ya.ru

6E-mail: kir1111@rambler.ru

Аннотация. Установки, преобразующие кинетическую энергию ветра в электричество из-за низкой плотности воздуха имеют большие размеры. Предлагается вариант плавающей энергетической установки, в которой энергия ветрового потока преобразуется в энергию водного потока, что позволяет уменьшить размеры преобразователя энергии. Создан макет парусной установки, преобразующей энергию потоков двух сред, и проведены эксперименты. Макет выполнен в виде катамарана, совершающего циклические движения по дуге окружности в заданном угловом интервале. Результаты исследований представлены в данной статье.

Ключевые слова: ветроэнергетика, гидроэнергетика, морские электростанции, патенты, изобретения.

1. Введение

Ветроэнергетика является одной из самых быстро развивающихся отраслей возобновляемой энергетики. По оценкам The Global Wind Energy Council (GWEC), общая мощность ветровых установок в мире в 2019 году увеличилась на 60, 4 ГВт, или на 19% по сравнению с 2018 годом [1]. Десятая часть этого роста, или 6,1 ГВт приходится на оффшорные ветровые электростанции, чья мощность достигла 29 ГВт. Одной из причин, ограничивающих рост оффшорной ветроэнергетики, является их зависимость от глубины моря. Установка оффшорных станций становится слишком дорогой на глубинах свыше 50 метров. Для уменьшения этой зависимости разработаны плавающие ветровые установки, в частности, в 2017 году у побережья Шотландии была запущена экспериментальная плавучая ветроустановка в рамках совместного норвежско-шотландского проекта [2]. В настоящее время у берегов Португалии осуществляется проект строительства плавучей ветроэлектростанции, состоящей из трех турбин суммарной мощностью 25МВт , одна из которых мощностью 8 МВт была запущена в 2019 году [3] .

Во всех действующих установках преобразование энергии ветрового потока в электричество осуществляется с помощью ветрового колеса, соединенного с электрогенератором, установленными на высокой мачте. Электрогенератор вращается с помощью моментов аэродинамических сил, действующих на каждую лопасть ветрового колеса. Из-за низкой плотности воздуха момент этих сил растёт за счет увеличения размеров лопастей ветрового колеса, в результате высота конструкций превышает 100 метров. Для обеспеченную остойчивости мачты устанавливается на закрепленной на дне платформе, оборудованной вертикальными колоннами со статическим и динамическим балластом, что приводит к удорожанию конструкции.

Нами предложен вариант, позволяющий уменьшить размер преобразователя энергии плавающей энергетической установки [4]. Решить данную задачу помогает факт нахождения плавающей установки в двух средах — воздушной и вод-ной, плотность которой примерно в тысячу раз больше. Если кинетическую энергию воздушного потока преобразовать в кинетическую энергию водного потока, то размеры преобразователя этой энергии можно существенно уменьшить. Такое преобразование можно осуществить с помощью парусной энергетической установки. Предложенный вариант содержит парусный катамаран с двумя мачтами, к корпусам которого снизу прикреплен гидрогенератор, выполненный в виде винта и электрогенератора. При создании парусных энергетических агрегатов проблемой является передача производимого гидрогенератором электричества потребителю. В предлагаемой нами установке для решения этой проблемы гидрогенератор соединяется электрическим кабелем с буем, закрепленным с помощью груза на морском дне. Кабель от потребителя, через установленное на буе поворотное контактное устройство и идущий от катамарана электрический кабель, соединен с электрогенератором.

Установка работает следующим образом. Катамаран приводится в район нахождения буя, где к электрогенератору подсоединяется идущий от буя электрический кабель. После этого устанавливаются паруса и катамаран отходит от буя. С учетом направления ветра и длины электрического кабеля, идущего от катамарана к бую, автоматически определяется курс катамарана по траектории его движения вокруг буя. Эта траектория может быть представлена в виде равностороннего треугольника, одна из сторон которого перпендикулярна направлению ветра. При движении катамарана возникает обтекающий его корпус по-ток, который вращает винт и соединенный с ним электрогенератор. Из-за высокой плотности воды размер винта гидрогенератора оказывается существенно меньше размера ветрового колеса установки при выработке одинаковой мощности электроэнергии.

При создании парусных энергетических установок, кроме проблемы передачи вырабатываемого гидрогенератором электричества потребителю, возникает проблема с автоматическим управлением движением катамарана. В описанном выше варианте установки автоматическое управление не является простым, поскольку нужно в соответствии с направлением ветра вырабатывать курс катамарана и обеспечивать его движения по этому курсу.

Автоматическое управление следует сделать максимально простым и обеспечивающим надежность работы установки. Было высказано предположение, что такое управление можно реализовать, если траекторию движения катамарана организовать так, чтобы он совершал циклические движения по дуге окружности в заданном угловом интервале с точками поворота, расположенными симметрично относительно направления ветра. В этом случае автоматическое управление его движением сводилось бы к изменению положения парусов. Однако для такого движения катамаран должен иметь специальную конструкцию,

В частности, должен быть симметричным относительно носа и кормы. Для проверки возможности реализации такой системы была создана экспериментальная установка, на которой проводились исследования.

2. Экспериментальная установка и методика проведения исследований

Экспериментальная установка включает макет парусного катамарана с гидроагрегатом, экспериментальный бассейн и генератор ветрового потока.

Макет парусной энергетической установки представлен на рис.1 и 2.

Макет выполнен в виде симметричной относительно носа и кормы конструкции катамарана, на котором установлены две мачты. Длина катамарана 360 мм, ширина 145 мм, высота мачты 310 мм. К каждой из мачт прикреплен косой парус, сделанный из лавсановой пленки с металлическим напылением. На ката-маране установлено поворотное устройство, с помощью которого оба паруса могут одновременно поворачиваться на 90 градусов. Поворот осуществляется дистанционно по сигналу с пульта управления. На каждом конце катамарана имеется рулевое устройство, с помощь которого можно менять угол пера руля. Снизу к корпусам катамарана прикреплена крыльчатка гидрогенератора диаметром 50 мм.

Экспериментальный бассейн выполнен в виде равностороннего треугольника, одна из сторон которого представляет прямоугольник (рис.3-4). Длина стороны треугольника равна двум метрам, ширина прямоугольника — 40 см, а высота стенок бассейна равна 8 см. В качестве герметичного материала при заполнении бассейна водой использовалась полиэтиленовая пленка. На дне прямо-угольника под пленкой находились листы бумаги, на которых была нарисована траектория движения катамарана, представляющая дугу окружности радиусом два метра, центр которой находится в дальнем от прямоугольника углу бассейна. В этом углу располагалось крепежное устройство, выполненное в виде треугольной пластины с вертикальной стойкой, помещенной в центр дуги окружности, по которой двигался катамаран.

Катамаран крепится к нижнему концу вертикальной стойки леской длиной 2 метра и толщиной 0,4 мм, имитирующей кабель-трос в реальном масштабе, по которому вырабатываемое гидрогенератором электричество передаётся потребителю. Над экспериментальным бассейном располагался генератор ветрового потока. Он выполнен в виде системы вытяжных вентиляторов в количестве 7 штук, расположенных на рейке длиной 2 метра на расстоянии 25 см друг от друга. Концы рейки закреплены на стойках высотой 17 см. При разработке конструкция генератора ветрового потока была получена картина ветрового поля отдельного вентилятора. Производительность каждого вентилятора составляет м. куб/ час, что при площади сечения воздуховода 11 см2 соответствует скорости 4,2 м/с. С учетом характера ветрового поля вентиляторов и их расположения на рейке было найдено оптимальное положение генератора ветрового потока относительно траектории движения катамарана, при котором обеспечивается приемлемая равномерность ветрового потока и скорость ветра. Расстояние оказалось равным 60 см при скорости 3,6 м/с. В начале эксперимента ката-маран устанавливался в середине траектории своего движения, затем включался генератор ветрового потока, и катамаран начинал двигаться. В точках поворота дистанционно с помощью пульта управления подавался сигнал изменения положения парусов, и катамаран начинал двигаться в обратную сторону. В процессе экспериментов движение катамарана снималось на камеру, установленную на высоте 1,5 м над траекторией движения катамарана. По записям с цифровым индикатором времени строились графики движения катамарана в зависимости от времени и определялась его скорость.

3. Результаты экспериментов и их обсуждение

Вначале были проведены предварительные эксперименты, с целью убедиться в возможности создания предложенной парусной энергетической установки. Эксперименты показали, что такая установка может быть реализована, но для устойчивого циклического движения парусного судна по дуговой траектории придется ввести автоматическое рулевое управление. В процессе экспериментов устойчивость движения катамарана по дуговой траектории обеспечивалась путем подбора нужного положения его рулей. В некоторых экспериментах, после изменения направления движения, катамаран слегка разворачивался и двигался по дуговой траектории. При развороте катамарана меняется эффективная площадь парусов, а следовательно, и скорость движения.

Затем были проведены две серии экспериментов с целью определить, какое сопротивление оказывает гидрогенератор при движении катамарана. Первая серия экспериментов проводилась без гидрогенератора, а вторая серия с гидрогенератором. Средняя скорость движения катамарана без гидрогенератора составляла 12,5 мм/с, а средняя скорость катамарана с гидрогенератором — 7,7 мм/с. Таким образом, при установке на катамаран гидрогенератора его скорость уменьшалась в 1,6 раза.

4. Выводы

Проведенные эксперименты показали, с одной стороны, принципиальную жизнеспособность установки данного типа, с другой – наличие ряда проблем, которые предстоит решить в процессе дальнейших исследований и экспериментов. В частности, эта проблемы оптимальных конструкций парусного судна и гидроагрегата. Далее предстоит оценка энергетической и экономической эффективности таких установок.

Литература

  1. Global Wind Report 2019 [электронный ресурс] URL: https://clck.ru/RUGDm , дата обращения: 30.09.2020.
  2. Плавающие  ветряки  [электронный  ресурс]  URL:  http://savenergy.info/page/floating-windmills/ , дата обращения: 30.09.2020.
  3. WindFloat   Atlantic   Project   [электронный   ресурс]   URL:   https://www.power-technology.com/projects/windfloat-atlantic-project , дата обращения: 30.09.2020.
  4. Соловьев А.А., Чекарев К.В., Соловьев Д.А. Парусная энергетическая установка, преобразующая энергию потоков двух сред // Патент РФ № 2 722 760, дата 03.06.2020, URL: https://edrid.ru/rid/220.018.2431.html .

References

  1. Global Wind Report 2019 [internet resource] URL: https://clck.ru/RUGDm , reference date: 30.09.2020.
  2. Floating   windfarms   [internet   resource]   URL:   http://savenergy.info/page/floating-windmills/ , reference date: 30.09.2020.
  3. WindFloatAtlanticProject[internetresource]URL:https://www.power-technology.com/projects/windfloat-atlantic-project , reference date: 30.09.2020.
  4. Solovyov A.A., Chekarev K.V., Solovyov D.A. Wind-driven power machine, transforming energy of the two environs // Patent of Russian Federation РФ № 2 722 760, date 03.06.2020, URL: https://edrid.ru/rid/220.018.2431.html .