Разработка волнового генератора колебаний – источника электропитания для оборудования морских буйковых станций

В известных установках преобразования волновой энергии используется в основном два принципа. Один (аналогично мини — ГЭС) предусматривает подъём масс воды на 1,5−2,0 метровую высоту и при их сбросе приводится в действие турбина генератора. Второй — применение компрессорной станции, в которой с помощью энергии волны создается направленный поток воздуха, приводящий в действие турбину.

В установках, использующих оба этих принципа работы, которые применяются, например, на буях, маяках, используется, как правило, механическая связь с неподвижной точкой, в качестве которой может быть довольно большое плавучее средство. В механической связи, кроме того, предусмотрены определённый вид передачи, (кулачково — рычажная, гидропневматическая система) и др. Такие энергетические установки имеют небольшие мощности (от 20 до 500 Вт) и очень низкий КПД. Для установок малой мощности (десятки-сотни ватт) технологические проблемы в значительной степени решены. Для установок киловаттного класса в виду использования неэффективных механических преобразователей энергии промышленное использование также проблематично. Ни один из вышепере — численных преобразователей энергии по КПД и другим параметрам является не конкурентноспособным в сравнении с традиционными.

Поэтому предлагается Проект по разработке принципиально новых преобразующих систем, работающих на новых физических принципах, связанных с проявлением явления управляемого динамического резонанса, позволяющих создать преобразующие механизмы с высокой удельной мощностью и КПД. В первую очередь, применительно к волновой энергетике, дающих возможность аккумулировать низкопотенциальную энергию волны в высокопотенциальную энергию вращающихся дебалансных роторных систем волновых генераторов колебаний (ВГК). Это позволяет разработать и создать дешёвые, экологически чистые волно/ ветро электро/ энерго станции разного класса мощностей с высокой удельной мощностью и КПД, простотой и надёжностью в эксплуатации с минимально возможными затратами, как для заякоренных, так и для движущихся плавсредств.

Первые попытки подхода к созданию преобразующей установки — механизма, использующего резонансное взаимодействие вращающихся дебалансов с колебаниями морских волн, работающего при неуправляемом резонансе, разработаны в Японии [заявка! Р, А 62−1106]. Такая установка имеет удельную мощность 0,4 Вт на 1 кг массы дебалансов (мощность установки 24 кВт, масса дебалансов около 60 т). Удельная мощность такой установки составляет не более 0,05−0,1 Вт/кг. уст. КПД и удельная мощность резонансной установки Японии очень мала, в то время как массогабаритные параметры такой установки велики, и их размещение с обслуживающими системами займёт значительное пространство плавсредства.

В бывшем СССР разработки и испытания волновых генераторов проводились в ЭНИН им. Г. М. Кржижановского, В/О ЭНЕРГОМАШЭКСПОРТ (г. Москва), ТОИ ДВНЦ АН СССР, в Государственном Ракетном Центре — «КБ им. акад. В.П. Макеева», ООО НТЦ «ЯКОРЬ» (ОГРН 1 027 400 879 109). В первых двух организациях разрабатывались волновые генераторы малого ваттного класса мощностей с общеизвестными, традиционными схемами преобразования энергии — буйкового типа, серийно выпускались волноэнергетические установки ВЭМУ-6 и ВЭМУ-12 мощностью 20 и 25 Вт, преобразовывающие энергию морских волн в электрическую энергию для запитки надводных устройств (маяков, навигационных буев, источники света).

В ГРЦ и ООО НТЦ «ЯКОРЬ» были разработаны и испытаны на наземных стендах (вибростенда и стенда качки) волновые генераторы ВЭС -10 мощностью 2−10 кВт и ВЭС-1000 ВК-1 мощностью 20−1000 Вт, использующие явление самосинхронизации вращающихся тел (роторов) и проявление явления управляемого динамического резонанса механических систем. Это позволяло аккумулировать низкопотенциальную энергию волн в высокопотенциальную энергию вращающихся дебалансных роторных систем волновых генераторов, и реализовать непрерывную «перекачку» энергии колебаний волны во вращательное движение уравновешенного ротора, кинематически соединённого с валом электрогенератора.

Финансирование работ осуществлялось в минимальных объёмах, поэтому, сконструировав два варианта волновых генераторов (ВЭС-10 и ВЭС-1000 ВК-1) полностью отработать и испытать их в стендовых наземных условиях, имитирующих реальные условия эксплуатации в полном объёме, не удалось. После серии экспериментов требовалась доработка материальной части генератора, и в первую очередь его импульсной тормозной системы, а также некоторых её узлов.

В настоящее время данное направление работ, связанное с созданием электростанции, использующей проявление явления управляемого динамического резонанса, несмотря на очевидную перспективу, новизну технических решений, защищённую рядом Патентов, с проработанным рынком сбыта в РФ, СНГ, для Германии и других стран, не финансируется совсем. В тоже время в США, Японии, Великобритании, Франции и других странах начали выделяться большие финансовые ресурсы, в первую очередь, на развитие и создание нетрадиционных источников энергии.

В Японии создана правительственная «Организация по новым энергетическим разработкам», в Великобритании организован Руководящий Комитет по волновой энергетике. В него вошли представители Министерства энергетики, промышленности, охраны окружающей среды, Совета по научным исследованиям Центрального электроэнергетического управления, концерна «Дженерал электрик компании» и другие компании. Во Франции организовано 78 лабораторий для изысканий в области энергии волн; в США Министерство энергетики субсидирует исследования в области волновой энергетики объёмом более $ 1 млн. в год. В США на развитие альтернативных источников энергии, связанных с волно/ ветроэнергетикой начиная с 2000 года на эти цели предусматривается более $ 200 млн. в год, т. е. более чем в 50 раз.

Ближайшее будущее мировой энергетики, по некоторым оценкам связано с созданием энергосистем, использующих неисчерпаемый источник природной энергии — энергии Солнца. Однако эффективного механизма преобразования солнечной энергии (тепла, ветра, волны) в другой вид энергии, в первую очередь электрической, до настоящего времени не создано. Поэтому автор статьи предложил принципиально новый механизм преобразования из области механики, занимающейся преобразованием энергии механических колебаний в другой, полезный для использования вид энергии — энергетические установки резонансного типа (ВЭС — волновая электрическая/ энергетическая станция). Как наиболее перспективные, для преобразования энергии колебательного движения морских волн (ветровых потоков) в электрическую энергию, с использованием их после проведения натурных испытаний в электроэнергетике, судоходстве, судостроении, и других областях техники и науки.

Работа энергетических станций/ установок (ВЭС и ВЭУ) основана на открытии:

• * явлении самосинхронизации вращающихся тел (роторов) [1];
• * проявлении явления управляемого динамического резонанса уравновешенных дебалансных систем при колебательном движении их осей, защищенного рядом изобретений [2−5].

Все это позволяет вызвать при найденных условиях резонансное вращение неуравновешенной роторной системы, и аккумулировать низкопотенциальную энергию колебательного процесса (например, энергию морских волн) в высокопотенциальную энергию вращающихся дебалансных роторных систем с удельной мощностью, превышающей лучшие зарубежные, в том числе наиболее известные Японские аналоги в десятки-сотни раз.

Преобразователь (волновой генератор колебаний) способен отбирать энергию от морских волн в любом положении по отношению к фронту волны, как для заякоренных, так и для движущихся плавсредств. Основным узлом волнового генератора, обеспечивающем непрерывную «перекачку» энергии колебаний морских волн (плавсредства) и преобразования энергии волн в электрическую энергию, является установленный на заякоренном плавсредстве вращающийся дебалансный ротор, кинематически соединённый с валом электрического генератора.

При волнении моря плавсредство совершает вынужденные вертикальные колебания — возвратно-поступательные перемещения относительно якорной системы, которое сообщает эти колебания валу вращающегося дебалансного ротора. При этом осуществляется многократная накачка энергии во вращающиеся дебалансные системы. Специальная система синхронизации и импульсная тормозная система — механизм переключения волнового генератора, работая в оптимальном варианте обеспечивает нарастающее вращение ротора (теоретически до бесконечности) в условиях резонанса с любой заданной частотой вращения, значительно превышающей минимальную и максимальную частоту колебаний морских волн, начиная с минимального волнения моря — 1−2 балла (высота волны ~ 0,05 м) до максимального — 5 баллов (высота волны до 6 м и более).

Накачка энергии в дебалансы будет определяться конструктивно — прочностными параметрами движущихся систем волнового генератора.

Предлагаемый перспективный Проект позволит разработать не имеющих близких аналогов в мире экологически чистые, компактные, конструктивно простые и безопасные волновые, а также ветровые электро/ энергостанции с высокой удельной мощностью и КПД. Волновые электростанции могут быть размещены внутри герметичного корпуса как на заякоренных, в том числе на списанных судах (на плаву), так и на действующих судах, катерах, яхтах любого класса и водоизмещения (от 0,5 т и более). А также, на отработавших свой ресурс морских нефтяных сооружениях, для выработки электроэнергии, или на специально спроектированных, изготовленных, заякоренных плавсредствах для выработки электроэнергии, с помощью преобразования колебательного движения волн во вращательное движение роторов (дебалансов) в широком диапазоне их частот (20−200 Гц и более), охватывающем весь ожидаемый диапазон волн мирового Океана с периодом от 2 до 20 сек.

В отличие от действующих и известных электро/ энергостанций, разработка нового класса энергетических систем потребует минимальных финансовых затрат на их эксплуатацию при быстрой окупаемости по годам.

Волновой генератор позволит создать также ветровые энергостанции разного назначения и класса мощностей, в частности, роторно — вихревые с вертикальной осью вращения, не требующих ориентации на ветер, или резонансно-аэростатические, регулируемые тросовой системой на любой высоте их подъёма, вплоть до максимальных скоростных потоков ветра, при этом генератор колебаний будет закреплен или на любом судне, в том числе списанном (на плаву), или закреплен на земле.

Ниже… приведены… основные…технические… данные экспериментального (выставочного) образца волновой электрической станции ВЭС-100 ЯАК-1 якорного типа согласно техническим требованиям:

• * номинальное напряжение выпрямленного тока — 12 +/-0,6 В;
• • выходная электрическая мощность — 20−200 Вт (при амплитуде колебаний
• • морских волн, соответственно от 0,1 до 0,5 м, волнении моря 1- 3 балла); - рабочий диапазон частот вращения вала электрического генератора — 750−3000 об./ мин;
• • общая масса образца (без массы электрического генератора, корпуса буйковой станции, буферной батареи аккумуляторов) — 16−18 кг.

Сравнительные характеристики удельной выходной мощности с японским аналогом.

компрессорный станция турбина волновой Область применения волновых электростанций якорного типа обширна. Они могут быть использованы, в частности, как мобильный источник света и электроэнергии для питания:

• • аппаратуры морских навигационных буев, бакенов, поплавков, бонов, маяков;
• • аппаратуры автоматических буйковых станций длительного пользования и удалённых маяков;
• • аппаратуры гидрометео постов для наблюдения и изучения погодно — климатических условий и гидрометеорологической обстановки в морях и Океанах;
• • радиорелейных и спутниковых линий связи;
• • приборов для исследования природных и антропогенных чрезвычайных ситуаций в морских акваториях и прибрежных районах (волн цунами, землетрясений, разливов нефти и других систем морских наблюдений);
• • датчиковой и другой контрольно-измерительной аппаратуры для измерения состава и содержания инградиентов в морской воде, долговременного мониторинга морских живых ресурсов в совокупности с мониторингом загрязняющих веществ, деятельности человека в Океане;
• • аппаратуры бытового назначения.

Оснащение плавсредств энергоустановками ваттного класса (мощностью до 200 Вт) позволит проводить:

• • зарядку аккумуляторных батарей, в том числе на движущихся плавсредствах и стоящих на якоре (яхтах, катерах, кораблях и др.);
• • выработку электроэнергии для опреснения морской воды;
• • освещение домов, вилл и других прибрежных сооружений.

По запросу авторов изобретений, западногерманская фирма H.S. INGENIEURPLANUNG подготовила информацию об уровне цен. Анализ данных показывает, что стоимость самого дешевого волнового генератора с якорной системой (волновой электростанции) мощностью 70 Вт лежит в пределах от 6300 euro до 9400 euro, с ростом мощности пропорционально возрастает цена эксплуатационных затрат.

При стоимости 1 кВт.ч., вырабатываемой ВЭС-100 электроэнергии, от 0,03 до 0,08 euro, времени окупаемости одного изделия — 3 года, коммерческая цена будет лежать в пределах 2000 euro.

Такие ВЭС будут конкурентноспособными и пользоваться спросом на мировом рынке альтернативных источников энергии. В настоящее время требуется доработка подвижной каретки ВГК и импульсной тормозной системы. Разработка, изготовление и доводка импульсного тормозного устройства с использованием MR-технологий, повторные автономные испытания на наземных стендах, комплексные испытания ВГК на морском полигоне в Севастополе (СКТБ МГИ НАН Украины).

Теоретически рассмотрено и экспериментально подтверждено на наземных стендах принципиальную возможность передачи энергии от массивного тела к не массивному, движущемуся со скоростью, существенно превышающей скорость массивного тела, другими словами, позволяет перевести низкопотенциальную энергию (по скорости движения) морской волны в высокопотенциальную энергию вращающегося ротора стандартного электрогенератора.

Расчеты показали (приведенные в таблице 1), что удельная мощность, снимаемая с каждого килограмма массы дебаланса при скорости подъема (или опускания) плавсредства, при волнении моря 5 баллов, по предлагаемому способу, запатентованному в Российской Федерации и 9 — ти странах мира (включая BR, KR, JP), более чем на 3−4 порядка превышает удельную мощность, снимаемую с каждого килограмма массы дебаланса по аналогу (patent JP A62−1106).

• 1. Абрамович И. М. и др. Явление синхронизации вращающихся тел (роторов). Заявка №ОТ-8766 от 20.05.1974. Диплом № 333. Бюл. Госкомизобретений. Открытия. Изобретения, № 1, М: ВНИИПИ, 1988.
• 2. Валиев Б. Г. и др. Способ преобразования энергии волн в электрическую энергию и устройство для преобразования энергии волн в электрическую энергию. Патент РФ № 2 016 223, F 03 В 13/12. Бюл. 13, от 15.07.94.
• 3. VALIEV B.G. and the rest. TENT ABRIDMENT. AUSTRALIAN PATENT OFFICE. Document №AM-B-47 478/90. Acceptance № 638 442. (PCT Publication Number: WO 90/06 442. «METHOD OF SEA — WAVE ENERGY CONVERSION AND WAVE ENERGY INSTALLATION FOR IMPEMENTAION THEREOF».
• 4. VALIEV B.G. und andere. EP Nr. 0 446 356 B1. Benannte Vertragsstaaten: DE, FR, GB, IT, SE. (Internationale: Anmeldenummer — PCT/SU 89/303; Veroffentlichungsnummer — Wo 90/06 442; 14.06.90, Gazette 90/14).
• 5. VALIEV B.G. und andere. EP Nr. 0483 357 A 1. Benannte Vertragsstaaten: DE, FR, GB, IT, SE. (Internationale: Anmeldenummer — PCT/ SU 90/ 00 131; Verofferntlichungsnummer — WO 91/ 962, 24.01.91, Gazette 91/ 03).