Волновая энергетическая установка

Волновая энергетическая установка

Иллюстрации

Показать все

Реферат

1. Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к установкам, использующим энергию волнения Мирового океана. Мировой океан имеет огромные запасы энергии ветрового волнения. Поток волновой энергии в Мировом океане оценивается Д.Д.Айзексом в 10²¹ Дж или 31,5·10⁹ кВт (Н.В.Вершинский. «Энергия океана». Наука, 1986, с.14) /1/.

Энергия волнения Мирового океана является экологически чистым, постоянно возобновляемым источником механической энергии, которая по величине превышает энергию таких природных процессов, как годовое производство всей биомассы суши 1,85·10²¹ Дж (Е.П.Борисенков. Климат и деятельность человека. Наука, 1982, с.92, 93) /2/ и в несколько раз превышает современное потребление энергии 3·10²⁰ Дж в год (с.3, 4 /1/), из которых 44,8% составляет уголь; 32,4% - нефть; 20% - газ; 2,8% - гидро- и атомная энергия.

Волновые энергетические установки являются морскими судами. Они имеют своей целью полезное использование энергии волнения и поэтому довольно существенно отличаются от обычных судов, танкеров, сухогрузов, лесовозов, контейнеровозов, паромов, пассажирских судов и др. Требования к прочности корпуса волновых энергетических установок должны быть выше, чем у обычных судов.

Расчеты, произведенные по формуле распределения энергии волнения по глубине моря, приведенной в /1/ на с.228, показывают, что извлекать энергию волнения с глубины более 30 метров нецелесообразно, а сам процесс извлечения энергии нужно начинать с поверхности моря в глубину, а не наоборот - со дна моря к поверхности, т.е. установки для извлечения энергии волнения должны плавать на поверхности моря, а не опираться на его дно. Волнение моря порождает в глубине моря колебания давления от среднего значения давления на данной глубине (с.230 /2/). Именно эти колебания давления используются для работы волнового компрессора; причем снижение давления используется в такте всасывания, а повышение - в такте сжатия.

2. Уровень техники.

Изобретательская мысль давно работает над проблемой использования энергии волнения Мирового океана. Во Франции в 1908 г. 25 февраля был выдан патент №385045 Э.Биселу на устройство для использования энергии волн. Волновой двигатель Э.Бисела состоит из закрепленного на дне моря резервуара, открытого снизу и закрытого сверху, причем низ резервуара погружен в море ниже уровня подошвы волны, а верх резервуара - выше уровня гребня волны. Резервуар своей верхней частью связан с расположенным на берегу пневматическим двигателем, нагнетательным и всасывающим трубопроводами. Резервуар снабжен выпускным клапаном, расположенным на входе в нагнетательный трубопровод, и впускным клапаном, расположенным на входе всасывающего трубопровода в резервуар. Нагнетательный трубопровод перед входом в пневматический двигатель снабжен впускным клапаном, а всасывающий трубопровод перед входом в резервуар имеет выпускной клапан.

Волновой двигатель Э.Бисела работает следующим образом: когда приходит гребень волны, уровень воды в резервуаре поднимается, сжимая находящийся в нем воздух, который через открывшиеся выпускные клапаны прокачивается через пневматический двигатель. Впускные клапаны в это время закрыты; когда в резервуар приходит подошва волны и уровень воды в нем опускается, в резервуаре возникает разрежение и выпускные клапана закрываются и открываются впускные клапана обеспечивая прокачку воздуха в том же направлении через пневматический двигатель; с приходом следующей волны процесс повторяется, обеспечивая работу пневматического двигателя.

В работе пневматического двигателя при смене тактов сжатия на разрежение и, наоборот, возникали перерывы в подаче воздуха в двигатель и он работал рывками или толчками. Пневматический двигатель не мог обеспечить выработку постоянной мощности и по причине прихода разных по высоте и периоду волн: выше волна - больше воздуха подается на двигатель, ниже - меньше; короче период волны - чаще такты сжатия и разрежения, длиннее - реже.

Но уровень воды в море меняется не только по причине ветровой волны, а также из-за приливов и отливов, которые сильно изменяют объем резервуара, изменяя степень сжатия и разрежения в резервуаре, т.е. движущий напор, действующий на пневматический двигатель.

В 1928 г. изобретатель И.Б.Эрфурт ( советский патент №11954 от 30 сентября 1929 г.) существенно усовершенствовал волновой двигатель Э.Бисела, разместив множество резервуаров - камер Э.Бисела по периметру полого заякоренного кольца, разделенного внутренней перегородкой на коллектор давления и коллектор разрежения, между которыми установлена турбина. Каждая открытая снизу в воду рабочая камера имеет впускной клапан и выпускной клапан и сообщается через индивидуальный для каждой камеры канал с коллекторами давления и разрежения через соответствующие клапаны. Когда в рабочую камеру приходит волна, она сжимает находящийся в ней воздух и нагнетает его через открывшиеся клапаны в коллектор давления, когда волна уходит, в рабочей камере возникает разрежение, клапаны закрываются и открывается другая пара клапанов, и воздух из коллектора разрежения всасывается в камеру. С приходом новой волны цикл повторяется.

Поскольку рабочих камер много и волны приходят в них в разное время, то подача воздуха в коллектор давления и отсос его из коллектора разрежения становятся практически постоянными, обеспечивая стабильную работу турбины.

Малые установки, имеющие размеры в длину волны и меньше, значительную долю энергии волнения расходуют на раскачивание установки, когда рабочие камеры всплывают или опускаются вместе с волной, что сильно уменьшает объемы и давление прокачиваемого через турбину газа и, следовательно, мощность установки. Если обеспечить увеличением размеров установки одновременную работу в ней нескольких волн, а лучше одной или нескольких групп волн, то будет обеспечено постоянное давление и разрежение в коллекторах установки, а следовательно, и стабильная работа турбины, независимая от высоты и периода приходящих волн, а также устраняются затраты энергии на раскачивание установки.

Расположение рабочих камер по внешнему периметру плавучего заякоренного кольца устраняет влияние на работу установки приливов и отливов.

В настоящее время известно много пневматических установок, использующих энергию волнения. Известны волновые пневматические установки И.А.Бабинцева для питания морских сигнальных буев (/2/ с.76-79). Рабочая камера установки имеет вид трубы, проходящей на глубину через корпус буя. В верхней части трубы располагается турбина с симметричным двухсторонним входом воздуха. В такте сжатия воздух из рабочей камеры выходит через турбину в атмосферу, а в такте разрежения из атмосферы - в рабочую камеру через турбину. Клапаны в такой установке отсутствуют, т.к. двухсторонний симметричный вход обеспечивает вращение турбины всегда в одном направлении, независимо от направления движения воздуха.

Японские навигационные буи И.Масуды (/2/ с.79-81) также имеют рабочую камеру в виде трубы, проходящей через корпус буя, но используют для создания потока воздуха через турбину клапанную камеру с четырьмя клапанами. В буе И.Масуды использована схема движения воздуха через турбину, предложенная еще в 1907 г. Э.Биселем. Отличия от установки Э.Бисела заключаются в том, что буй плавает, и турбина с генератором размещены в клапанной камере, размещенной в верхней части рабочей камеры. Буи И.А.Бабинцева и И.Масуды внедрены в практику и успешно работают.

Большую известность получила мощная установка с пневматическими преобразователями, известная под названием «Каймей» или система профессора И.Масуды (/2/ с.85-87). В ее создании принимали участие США, Канада и Великобритания. В результате реализации этого проекта была построена самая мощная волноэнергетическая установка с пневматическими преобразователями. Первая электроэнергия была получена осенью 1978 г.

Установка «Каймей» состоит из 11 одинаковых пневматических турбогенераторов по 125 кВт каждый. Суммарная проектная мощность установки - 1,375 МВт. Установка выполнена на барже длиной около 80 м, шириной 12 м. Каждый агрегат состоит из двух камер, улавливающих энергию волны, турбины и электрического генератора, сидящего на одном валу с турбиной (диаметром 1,4 м при 60 лопатках).

В днище баржи имеется 22 отверстия для прохода волн в воздушные камеры. Результаты морских испытаний показали, что расположение входных отверстий для волн в днище баржи нельзя признать удачным. Баржа была поставлена на якоря у побережья Японии на глубине 40 м, на расстоянии 2,5 км от берега.

Испытания показали, что каждый турбоагрегат установки выдает мощность в 20 кВт вместо 125, т.е. меньше 15% проектной мощности.

В качестве причин, снижающих мощность установки, указывают:

- размер рабочих камер, который должен быть существенно меньше половины длины волны;

- большое сопротивление входа в рабочие камеры;

- раскачивание установки на волне.

Конструкция установки И.Масуды была усовершенствована в Великобритании в Ист-Килбрайдской национальной лаборатории и получила название "преобразователя с осциллирующим водным столбом". В усовершенствованном проекте осциллирующего водяного столба особое внимание было обращено на выбор формы и размеров рабочих камер, снижение сопротивления на входе в рабочую камеру, а клапаны заменены выпрямителем воздушного потока, о конструкции которого не сообщается (/2/ с.87; Дэвид Росс. Энергия волн. Гидрометеоиздат. 1981, с.90-99 /3/).

В качестве прототипа принята волновая энергетическая установка, описанная в патенте Великобритании №1492427 А1, кл. F03B 13/12, опубл. 16.11.1977 (YOSHIO MASUDA).

Известная энергетическая установка по патенту Великобритании №1492427 А1 содержит судно с волновым компрессором, использующим энергию волнения для производства сжатого воздуха. По периметру судна расположены погруженные в воду рабочие камеры с впускными и выпускными окнами и преобразующие энергию сжатого воздуха турбины с электрогенераторами. Рабочие камеры в такте всасывания при уходе волны через впускные клапаны сообщаются с коллектором низкого давления, связанным с атмосферой. В такте сжатия с приходом волны рабочие камеры сообщаются через выпускные клапаны с коллектором высокого давления. Судно имеет размеры и количество рабочих камер, обеспечивающих одновременную работу нескольких волн.

3. Раскрытие изобретения.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, - создание волновой энергетической установки, имеющей, по сравнению с известными, более высокую производительность, мощность и коэффициент полезного действия волнового компрессора; создающей постоянство термодинамических параметров сжатого воздуха; использующей энергию волнения из глубины моря и повышающей давление производимого установкой сжатого воздуха; обеспечивающей оптимальный режим работы волнового компрессора по отношению к направлению движения волн (потоку энергегии волнения) и исключающей разрушительное воздействие фронтального удара волны; позволяющей повысить живучесть и защиту установки при повреждении корпуса; позволяющей достичь экологическую безопасность процесса использования энергии волнения Мирового океана.

Данная задача решается в волновой энергетической установке, содержащей судно с волновым компрессором, использующим энергию волнения для производства сжатого воздуха, с расположенными по периметру судна и погруженными в воду рабочими камерами с впускными и выпускными окнами и преобразующие энергию сжатого воздуха турбины с электрогенераторами, причем рабочие камеры в такте всасывания при уходе волны через впускные клапаны сообщаются с коллектором низкого давления, связанным с атмосферой, а через выпускные клапаны в такте сжатия с приходом волны сообщаются с коллектором высокого давления, судно имеет размеры и количество рабочих камер, обеспечивающих одновременную работу нескольких волн, согласно изобретению рабочие камеры размещены ступенями по глубине, причем каждая последующая ступень рабочих камер расположена глубже предыдущей, а коллектор высокого давления предыдущей ступени одновременно является коллектором низкого давления последующей ступени, коллектор высокого давления последней ступени в своей нижней части имеет дренажные колодцы с выпускными клапанами, в судне выполнена система балластных отсеков для размещения волнового компрессора на ватерлинии, располагаемой на уровне рабочих камер первой ступени, а на корме и носу расположены судовые двигатели.

Основную часть волновой энергетической установки составляет волновой компрессор, который преобразует энергию волнения Мирового океана в энергию сжатого воздуха.

Как уже известно, волнение моря порождает в глубине моря колебания давления ±ΔP от величины среднего гидростатического давления на глубине b, которое численно равно половине высоты волны на этой глубине. В дальнейшем величину давления и колебания давления будем выражать в метрах водяного столба, а атмосферное давление воздуха будем считать равным 10 метрам водяного столба.

Открытую снизу рабочую камеру с впускным и выпускным клапанами в верхней крышке погрузим в море так, чтобы ее крышка с клапанами располагалась на уровне середины высоты волны, т.е. на уровне спокойного моря.

Почему нужно так, будет обосновано ниже.

Рядом точно также разместим множество таких же рабочих камер. Впускные клапаны этих камер будут выходить в коллектор низкого давления, свободно связанный с атмосферой, а выпускные - в коллектор высокого давления.

Волновой компрессор должен иметь достаточно большие размеры, позволяющие работать в нем одновременно нескольким волнам, а еще лучше - нескольким группам волн, тогда процесс производства сжатого воздуха будет в нем непрерывным, а давление постоянным, что является новым и существенным признаком.

На фиг.1 показана схема группы волн и положение волнового компрессора относительно ее. Расчетная ватерлиния волнового компрессора проходит по уровню верхних крышек рабочих камер первой ступени и соответствует положению уровня середины волн. Уровень середины волн располагается немного выше уровня спокойного моря из-за несоответствия объемов гребней волн объемам впадин, т.к. профиль ветровой волны близок к трохоидальному, а не является синусоидой. Пояснения: L - длина волнового компрессора, Н - высота борта, Н_нв - высота надводного борта, Т - осадка, К₁ - заглубление передних стенок рабочих камер первой ступени, К_п - заглубление передних стенок рабочих камер последней ступени.

Волновой компрессор создает давление сжатого воздуха, равное половине высоты волны. Если теперь взять следующий ряд рабочих камер и поместить их на глубину, равную этому давлению, т.е. половине высоты волны, а коллектор высокого давления первого ряда сделать коллектором низкого давления второго ряда камер, то такой новый компрессор будет извлекать уже большую долю энергии волнения и с большей глубины. Такую операцию можно повторять на всю глубину моря, где существуют волновые колебания давления.

Такое ступенчатое расположение рабочих камер, когда каждая последующая ступень рабочих камер располагается глубже предыдущей на величину давления воздуха, создаваемого предыдущей ступенью рабочих камер, а коллектор высокого давления предыдущей ступени рабочих камер одновременно является и коллектором низкого давления следующей ступени рабочих камер, позволяет извлекать энергию волнения почти из всей взволнованной глубины океана.

Давление воздуха, создаваемое таким n-ступенчатым волновым компрессором, будет равно глубине погружения n ступени рабочих камер плюс половина волнового колебания давления на этой глубине,

т.е. Р_n=b_n+Δh_n.

Коллектор высокого давления последней n ступени следует оснастить сливными колодцами с выпускными клапанами, расположенными в наиболее низких точках коллектора для обеспечения слива воды.

Такое решение задачи использования энергии волнения, позволяющее использовать практически все ресурсы энергии волнения, является абсолютно новым, нигде не применявшимся и наиболее существенным.

Волновые энергетические установки предназначаются для работы в просторах Мирового океана с глубинами в тысячи метров и их невозможно удержать якорями разумного веса и размера. Они должны работать в режиме управляемого дрейфа и режим волнения во время их работы может существенно меняться. Поэтому следует рассмотреть режимы работы волнового компрессора в нерасчетном режиме, когда волна выше или ниже расчетной, а также в штиль, при отсутствии волнения.

Волновой компрессор построен, выведен из дока, штиль, волнения нет, имеет свою нормальную осадку по расчетной ватерлинии на уровне рабочих камер первой ступени и все последующие ступени рабочих камер, а также коллекторы заполнены водой. Но вот начинается волнение, и рабочие камеры первой ступени начинают работать, подавая сжатый воздух в коллектор высокого давления 1 ступени, вытесняя из него воду через впускные клапаны 2 ступени. Волнение усиливается, высоты волны уже достаточно, чтобы вытеснить всю воду из коллектора высокого давления 1 ступени, он же коллектор низкого давления 2 ступени и начинает работать 2 ступень рабочих камер и так далее, пока волна не достигнет расчетного уровня, когда заработают все ступени рабочих камер. При этом оказывается, что все коллекторы и частично рабочие камеры опорожнились и волновой компрессор всплыл, производительность и мощность его уменьшились, и, следовательно, его нужно вернуть в прежнее положение, когда его ватерлиния находится на уровне рабочих камер 1 ступени. Отсюда следует, что волновой компрессор для регулировки своей производительности и мощности должен иметь систему балластных отсеков, которые следует заполнить, чтобы достичь максимальной расчетной мощности.

При снижении энергии волнения (высоты волн) последние ступени волнового компрессора начинают заполняться водой и волновой компрессор начинает погружаться. Для восстановления положения следует опорожнять балластные отсеки. Балластные отсеки используются и по своему обычному назначению - устранению крена и диффирента. Система балластных цистерн подводных лодок известна давно, но чтобы такая система использовалась для регулировки мощности волнового компрессора, применение системы балластных отсеков является новым и безусловно существенным.

Необходимо рассмотреть случай волнения, превышающего расчетный, когда волна превышает предельную волну 5% обеспеченности, тогда рабочие камеры в такте всасывания будут просто переполняться поступающим на сжатие воздухом и начнут «пускать пузыри», т.е. выбрасывать лишний воздух в море. Это дополнительное опорожнение рабочих камер просто должно быть предусмотрено в проекте балластных отсеков, а мощность установки достигнет своего максимального проектного предела.

Для обеспечения нормальной устойчивой работы волнового компрессора необходимо определить, как должен располагаться волновой компрессор по отношению к потоку энергии волнения или направлению движения волн. Совершенно ясно, что фронтальный удар тридцатиметровых волн, которые наблюдаются в Антарктическом океане, ни в коем случае недопустим и сооружений, выдерживающих удар такой волны, человечество не создало. Морская практика знает случаи, когда ударом волны был отломлен тридцатитонный кусок носовой части тяжелого американского крейсера и был разрушен в Шотландии мол из камней весом четырнадцать тысяч тонн.

При испытании ядерной бомбы на атолле Бикини (Действие ядерного оружия. Воениздат. 1960, с.216, 217) волной была сломлена боевая рубка авианосца «Саратога», устоявшая под воздействием ударной волны ядерного взрыва. Авианосец стоял кормой к взрыву на расстоянии 300 м от эпицентра и высота волны на расстоянии 300 м от эпицентра составила 28,3 м, авианосец остался на плаву и после дезактивации и ремонта снова вошел в строй ВМФ США.

Рассмотрим два крайних положения волнового компрессора по отношению к направлению движения волн.

Волновой компрессор располагается вдоль фронта волны. В этом случае он испытывает фронтальный удар волны и бортовую качку, при которой рабочие камеры то обнажаются, выпуская из коллекторов сжатый воздух, то затопляются, и такты сжатия и всасывания происходят во всех рабочих камерах одновременно и нельзя получить стабильных параметров подачи воздуха на турбину. Совершенно ясно, что такое положение волнового компрессора по отношению к волнению недопустимо из-за сильнейших ударных воздействий, бортовой качки и нестабильных параметров сжатого воздуха.

Волновой компрессор располагается перпендикулярно фронту волны. В этом случае энергию волнения получают только носовые рабочие камеры, т.к. волновой компрессор получает волновую энергию только на ширине своего корпуса, и ее недостаточно, чтобы обеспечить работой все рабочие камеры волнового компрессора. Такое положение волнового компрессора по отношению к волне кратковременно допустимо.

Оптимальное положение волнового компрессора к направлению движения волн, угол атаки, или курсовой угол судна по отношению к волне, должно составлять угол 30÷45 градусов. При уменьшении высоты волны угол атаки можно увеличивать, обеспечивая волновому компрессору увеличение потока энергии волнения, а при увеличении высоты волны уменьшить.

Углы атаки 30° и 45° следует понимать, как предельные. Как видим, изменением угла атаки также можно регулировать производительность и мощность волнового компрессора.

В штормовых условиях совершенно недопустим поворот волнового компрессора на 180 градусов, т.к. при таком повороте волновой компрессор обязательно становится под фронтальный удар волны. Поэтому для изменения направления движения волновой компрессор должен иметь судовые двигатели как в корме, так и в носу. И нос, и корма его должны быть одинаковы, и различать их следует только по направлению движения волн. При изменении направления движения волн волновой компрессор должен соответствующим образом поворачиваться, т.е. отслеживать направление потока энергии волнения.

Использование обычных судовых двигателей для передвижения волнового компрессора, его ориентации оптимальным образом по отношению к волне и стабилизации в таком положении, а также предупреждения разрушительного воздействия на него фронтального удара волны является новым и существенным признаком.

Постоянная работа волновых энергетических установок в штормовых условиях открытого моря требует безопасной организации их снабжения и отправки производимой установкой продукции, что связано со швартовкой к установке транспортных судов и операциями погрузки и разгрузки, что в штормовых условиях невозможно.

Для решения этой задачи необходимо создать защищенную от волнения акваторию при любом направлении шторма, т.е., по сути, создать защищенный от волнения порт открытого моря.

Эта задача имеет довольно простое решение, если волновые энергетические установки объединять в группы. Наиболее удобной формой объединения является расстановка (объединение) волновых энергетических установок в форме буквы А, где боковины буквы А состоят из двух связанных в носовой части волновых энергетических установок, а перекладина буквы А, необходимая для придания жесткости такой конструкции, и является судном управления. Вершина буквы А всегда направлена навстречу фронту волны.

При такой компоновке внутреннее открытое пространство является защищенной от волнения акваторией порта, а внутренние борта установок - причалами.

Такое решение также снижает и волновые нагрузки на корпуса установок, поскольку на внутренних бортах установок практически отсутствуют волновые нагрузки, то снижаются изгибающие и скручивающие моменты, воздействующие на корпуса установок, что увеличивает прочность, надежность и долговечность корпусов установок.

Такое объединение волновых энергетических установок в группы является новым и существенным признаком.

Отказы и аварийные ситуации.

Отказы клапанов рабочих камер.

Отказ впускного клапана, заклинивание в открытом положении выводит данную камеру из работы. Поступающая в коллектор низкого давления вода через открытый клапан в такте сжатия с приходом волны сливается обратно в море в такте всасывания через сам клапан и другие клапаны. Заклинивание впускного клапана в закрытом положении также выводит рабочую камеру из работы, т.к. не будет в нее поступать воздух для сжатия. В обоих случаях незначительно снижается производительность и мощность установки.

Отказ выпускного клапана, заклинен в открытом положении. В этом случае данная рабочая камера перестает производить сжатый воздух, т.к. в такте сжатия сжатый воздух будет вытеснен в коллектор, но в такте всасывания воздух из коллектора поступит обратно в рабочую камеру. Если выпускной клапан заклинен в закрытом положении, то сжатый воздух в такте сжатия перестанет работать. В обоих случаях незначительно снижается производительность и мощность установок. Все клапаны на случай отрыва шарнирной подвески должны иметь предохранительные решетки, исключающие падение клапана в море.

Повреждения (пробоины) стенок рабочих камер.

Вмятины и выпучивание стенок рабочих камер являются крайне незначительными повреждениями, т.к. это не приведет к потере работоспособности рабочих камер, а только к незначительным изменениям их объема, что в очень малой степени скажется на производительности данной рабочей камеры. Пробоина в верхней части передней стенки рабочей камеры (обращенной к волне) выводит камеру из строя, т.к. через нее будет стравливаться сжимаемый воздух.

Пробоина в межкамерной стенке объединяет объемы соседних рабочих камер и незначительно сказывается на их производительности из-за возникновения небольшого междукамерного перетока сжатого воздуха. Пробоина в задней стенке в коллекторе сжатого воздуха аналогична отказу выпускного клапана, заклиненного в открытом положении, и рассмотрена выше.

Сквозные пробоины через рабочие камеры, коллекторы сжатого воздуха, балластные цистерны внутрь корпуса, например, от столкновения с судном представляют серьезную опасность, поэтому корпус волновой энергетической установки вместе с коллекторами сжатого воздуха должен быть разделен на отсеки. Переборки отсеков коллекторов сжатого воздуха должны иметь двухсторонние аварийные клапаны, автоматически отсекающие поврежденный отсек. При этом из работы исключается только поврежденный отсек, а остальные отсеки продолжают работать.

Переборки и палубы поврежденного отсека должны герметизироваться, чтобы иметь возможность прекратить заполнение поврежденного отсека водой выше уровня пробоины подачей в отсек сжатого воздуха, что является новым и существенным признаком.

Наибольшую опасность для волновой энергетической установки представляет ее разлом на волне на части, что может привести к ее гибели. Такая авария для волновой энергетической установки должна быть абсолютно исключена и требования к прочности корпуса должны быть очень жесткими. Такой тип морских стальных судов неизвестен науке и практике судостроения и для них нет Правил Морского регистра. Но общие требования, которым должен отвечать корпус волновой энергетической установки, можно определить уже сейчас, поскольку основные размерения судна, положение корпуса судна по отношению к волне, скорость его движения и волновые режимы района плавания известны.

Основные размерения корпуса волновой энергетической установки, для которой проведен оценочный расчет (один корпус, т.е. одна боковина группы установок в виде буквы А).

Длина L = 2000 м.

Ширина В = 84 м.

Высота борта D = 45 м.

Осадка Т = 30 м.

Курсовой угол по отношению к направлению движения волн ϕ = 30÷45 (угол атаки).

Ширина захвата волнового фронта - 2,5 км (компоновка - А).

Максимальная высота волн Н_макс = 36 м.

Расчетная высота волн Н_расч = 7 м, имеет запас для работы на волне 10 м.

Знакопеременная волновая нагрузка:

количество циклов в год n_год = 3,5·10⁶;

количество циклов за срок службы 30-50 лет N = 1,05÷1,6·10⁸;

скорость движения волновой энергетической установки - скорость управляемого дрейфа не более 1-2 узла или 1-2 мили в час (1852-3704 м/ч).

Суммарный расход воздуха 6340 Н·м³/с или 1,143·10⁶ Н·м³/ч.

Поведение волновой энергетической установки на волне сильно отличается от поведения обычного судна, имеющего размеры, соизмеримые с длиной волны. Обычное судно входит в ложбину волны и следующая волна воздействует на него всей своей высотой от подошвы до гребня.

Волновая энергетическая установка, опирающаяся в своей работе на несколько групп волн, не раскачивается волной, и поэтому ее надводный борт воспринимает только верхнюю половину волн, а подводный - нижнюю. Поэтому даже максимально высокая волна в 36 м при надводном борте установки в 30 м не зальет палубу установки, поскольку половина высоты волны составит 18 м. При надводном борте в 15 м такая волна зальет палубу гребнем высотой в 3 м, разольется на ней и сольется за борт, поскольку на палубе нет вырезов в трюмы, люков и надстроек, и волне нечего разрушать и смывать за борт. На палубе имеются только прочные щелевые окна, расположенные вблизи бортов установки, связывающие коллектор низкого давления первой ступени с атмосферой, через которые вода может попасть в коллектор, но из него она сольется обратно в море через открывшиеся в такте всасывания впускные клапаны, в открытую снизу рабочую камеру и никакой опасности для установки эта вода не представляет. Кроме того, следует отметить, что внутренний борт установок, объединенных в группу в форме буквы А, защищен от волнения и не испытывает волновых нагрузок.

Если предполагается использование волновых энергетических установок и в качестве аэропорта, то надводный борт должен иметь достаточную высоту, недоступную для волнения.

Термодинамические циклы волновых энергетических установок.

Выше уже упоминалось, что волновые энергетические установки Э.Бисела, И.Б.Эрфурта, И.А.Бабинцева, И.Масуды и осциллирующий столб работают в режиме волновых вентиляторов и изменением термодинамических параметров воздуха в них можно пренебречь.

Теория воздуходувных машин (А.Н.Шерстюк. Насосы, вентиляторы и компрессоры. Высшая школа, 1972, с.8) устанавливает в качестве границы между вентиляторами и компрессорами степень сжатия газа ε_к, равного отношению давлений в напорном и всасывающем трубопроводах,

ε_к ≤ 1,1 - вентиляторы,

ε_к ≥ 1,1 - компрессоры.

Достигаемое повышение плотности воздуха в вентиляторах незначительно, не превышает 7% и на этом основании воздух, аналогично воде, считается несжимаемым и расчет вентиляторов производится аналогично насосам, без учета изменения термодинамических параметров воздуха P, V, Т (давления, объема и температуры).

Такое разделение справедливо и для волновых энергетических установок, использующих в качестве рабочего тела воздух. При рассмотрении принципа работы волнового компрессора было установлено, что волновой компрессор развивает давление, равное давлению гидростатического столба воды на глубине b+Δh - половина величины колебания давления, производимого волнением на этой глубине.

Если учесть вывод из теории волнения о нецелесообразности извлечения энергии волнения с глубины более 30 м, то приходим к заключению, что степень сжатия воздуха в волновом компрессоре ε_к ≅ 4, а давление сжатого воздуха Р_n ≅ 4 кг/см².

Рассмотрим термодинамические процессы сжатия и расширения воздуха в волновой энергетической установке.

Процесс сжатия воздуха в волновом компрессоре - адиабатический, процесс расширения воздуха в турбине также адиабатический, т.е. отсутствует теплообмен с окружающей средой - водой и воздухом.

В n-ступенчатом волновом компрессоре адиабатический процесс сжатия воздуха происходит из состояния Р₀, V₀, Т₀ последовательно ступенями, через состояние P₁>P₀, V₁<V₀, Т₁>Т₀; Р₂>Р₁, V₂<V₁, Т₂>Т₁ и т.д. до состояния Р_n, V_n, T_n.

В турбине воздух из состояния Р_n, V_n, T_n расширяется, совершая полезную внешнюю работу L₀ до состояния Р₀, V₀, T₀

(И.И.Новиков, К.Д.Воскресенский. Прикладная термодинамика и теплопередача. Атомиздат, 1961, с.85),

где отношение теплоемкостей газа при постоянном давлении и постоянном объеме, для воздуха К = 1,4.

G - весовой расход газа в кг/с;

R - газовая постоянная для воздуха, R = 29,27 кгм/ кг·град.

Теоретически, с точки зрения термодинамики, полезная внешняя работа в процессе адиабатического сжатия - расширения с одинаковыми параметрами начала и конца процесса равна нулю, т.к. энергия, затрачиваемая на сжатие, равна энергии, выделившейся при расширении, но поскольку в нашем случае энергию сжатия затрачивает внешняя сила - волна, то при расширении сжатого воздуха в турбине получится полезная внешняя механическая работа.

Таким образом, волновая энергетическая установка преобразует чистую механическую энергию волнения в чистую механическую энергию вращения турбины.

Осуществить на практике процесс адиабатического сжатия воздуха в волновом компрессоре невозможно, т.к. это потребует теплоизоляции всего волнового компрессора, а также волнующейся поверхности воды в рабочих камерах, и поэтому следует рассмотреть другой процесс сжатия воздуха в волновом компрессоре - изотермический.

Процесс сжатия воздуха в волновом компрессоре очень близок к изотермическому, поскольку стенки рабочих камер, коллектора и поверхность воды являются теплопередающими поверхностями и погружены в море до глубины в 30 м. Они постоянно омываются волной и сама вода, сжимающая воздух, поглощает тепло, выделяющееся при сжатии воздуха. Поэтому будем считать, что температура воздуха, поступающего из атмосферы в волновой компрессор, на сжатие T₀ равна температуре сжатого газа

Т_n = Т₀.

Работа сжатия воздуха в изотермическом процессе согласно законам термодинамики определяется выражением

(И.И.Новиков, К.Д. Воскресенский. Прикладная термодинамика и теплопередача. Атомиздат, 1961, с.80) /3/.

В процессе сжатия воздуха вода получит тепло Q.

где А = 426,45 кгм/ккал - механический эквивалент единицы теплоты. В турбине сжатый воздух адиабатически расширяется, совершая работу L.

где T_n=T₀ - температура сжатого воздуха на входе в турбину, равная температуре наружного воздуха в К.

- температура воздуха на выходе из турбины в К (/3/, с.84).

В качестве примера возьмем, что воздух на входе в турбину сухой и имеет температуру t₀ = 20°С или T₀ = 293К и давление воздуха на входе в турбину Р_n = 2 ата, 3 ата, 4 ата. Тогда температура воздуха на выходе из турбины T_x будет

В этом случае сжатый воздух в турбине совершает работу за счет своей внутренней энергии и сильно охлаждается. Если учесть потери в турбине и влажность воздуха, то в процессе расширения воздуха в турбине выделится теплота потерь, конденсации и кристаллизации влаги и действительная температура воздуха на выходе из турбины повысится примерно на 10°С.

Применение в волновой энергетической установке изотермического или близкого к нему процесса сжатия воздуха и адиабатического или близкого к нему процесса расширения воздуха с целью получения холода и пресной воды методом вымораживания является новым и, безусловно, существенным признаком.

Экологическая безопасность