Анализ процессов волновой энергетики - экологически чистая энергетика Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 662.92

Ю Г. СТРЕМБОВСКИЙ., В.А. ГОРОХОВ, А.П. КОСТОГРЫЗ

Херсонский национальный технический университет

АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ВОЛНОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ - ЭКОЛОГИЧЕСКИ

ЧИСТАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Дана сравнительная оценка предлагаемого метода использования нетрадиционных возобновляемых экологически чистых источников энергии волн, которая дает возможность создавать эко-промышленные зоны, особенно в курортных местах, на побережье Крыма, Азовского моря. При минимальных затратах можно обеспечить освещением, отоплением, кондиционированием и горячей водой пионерские лагеря, дома отдыха, дачные поселки и даже одиночные коттеджи на берегу моря.

Ключевые слова: энергия волн, ВЭР - возобновляемые энергоресурсы, плотность энергии волн.

Yu.G. STREMBOVSKYI, V.A. GOROKHOV, A.P. KOSTOGRYZ

Kherson National Technical University

ANALYSIS OF WAVE ENERGY-CLEAN ENERGY

Abstract

Comparative estimation of the proposed method for innovative renewable clean energy waves. That gives you the ability to create eco-industrial parks, particularly in resort areas, on the coast of the Crimea, the Azov Sea. At minimum cost to the lighting, heating and air conditioning, hot water pioneer camps, holiday houses, holiday villages and even single cottages by the sea.

Keywords: wave energy, RES-renewable energy, wave energy density.

Актуальность проблемы

Энергетическая политика ХХ1 века будет основываться на использование нетрадиционных возобновляемых экологически чистых источников энергии: солнечной энерги, энергии ветра, энергии волн, тепла Земли и т.д. Одним из значительных подтверждений этого тезиса является одобренная Комиссией Европейских сообществ в начале 2008 года программы по борьбе с глобальным изменением климата, которая предусматривает увеличение доли использования возобновляемых источников энергии с 8,5 до 20%.

Современное мировое энергопроизводство характеризуется доминированием технологий, базирующихся на сжигании угля, нефтепродуктов, газа, и лишь 4 % энергобаланса приходится на (ВЭР).

Технология по освоению волновой энергетики - одного из наиболее перспективных возобновляемых источников энергии, является экологически безопасной, оффшорной и экономически выгодной. Исключением из вышеуказанного ряда являются волновые энергоустановки (ВЭУ). Ведь энергия волн в 1250 раз более концентрированная, чем ветровая (плотность воды в 1250 раз больше плотности воздуха) и в 10000 раз - чем солнечная.

Поэтому простые оценки с помощью известного соотношения вида:

Р = 0,25р • g • И2 • u • L, (1)

где Н - высота волн;

и - скорость распространения;

L - характерный горизонтальный размер преобразователя, оказываются лишь примерными, пригодными только для решения вопроса.

Таким образом, плотность энергии волн может во время шторма приближаться к таковой на ТЭЦ. В то же время, ВЭУ не потребляют топлива и окупаются в 10 раз быстрее, чем ТЭЦ, т.е. за несколько месяцев.

Анализ последних исследований и публикаций

Научно-производственная фирма «Морские электрогенераторы» совместно с Институтом Энергетики при Национальном Государственном Университете (г. Днепропетровск) разработала и начала производство ВЭУ из пластика, которые не подвержены коррозии в морской воде.

ВЭУ прошли испытания в реальных условиях Черного моря и Тихого океана и показали свою надежность. Себестоимость электрической энергии, полученной от ВЭУ за 3 года эксплуатации, оказывается менее 1 цента за 1 кВтч. Для сравнения - себестоимость электричества от дизельной электроустановки около 50 центов за 1 кВтч. Такая дешевая и, главное, чистая энергия дает возможность создавать эко-промышленные зоны, особенно в курортных местах, на побережье Крыма, Азовского моря. При минимальных затратах можно обеспечить освещением, отоплением и кондиционированием, горячей водой пионерские лагеря, дома отдыха, дачные поселки и даже одиночные коттеджи на берегу моря.

Цель исследования

Целью данной работы является анализ возможности создания автономных энергоустановок, работающих только на возобновляемых источниках энергии, среди которых волновая энергия является наиболее универсальной и повсеместно доступной, поскольку Украина, как и другие страны, располагает значительными водными ресурсами.

Объект исследования. Описание установки.

При известных промышленных прототипах на кафедре ОПП ХНТУ, была сконструирована лабораторная установка, позволившая провести достаточно надежные исследования и расчеты экономической эффективности переобразователя энергии.

На рис. 1 представлена конструкция лабораторной установки.

Рис. 1. Общий вид лабораторной установки с поплавковой зоной

Ниже представлено соотношение, устанавливающее связь между величиной генерируемой электромагнитной мощности, с одной стороны, и амплитудой и частотой колебаний ротора генератора, с другой стороны:

Ре ^Еу т А ш? (2)

где Ре - электромагнитная мощность, Вт,

Еуш - амплитуда электродвижущей силы (ЭДС), В,

1ш - амплитуда тока генератора, А, при этом ток ^ пропорционален произведению

тЬщод 3Х1т, (3)

где ш - эквивалентная масса ротора генератора со ступенчатым валом вибратора, Ьт - ширина постоянного магнита, щ- круговая частота периодического возмущения,

Х1ш - амплитуда колебаний ротора [1 ]

Из соотношения следует, что электромагнитная мощность пропорциональна амплитуде колебаний ротора и круговой частоте колебаний ротора в третьей степени, т.е. вклад высокочастотных колебаний в генерирование электрической мощности является определяющим фактором.

Рис. 2. Гидравлическая схема установки: 1 - поплавок, 2 - гидроцилиндр, 3 - клапан, 4 - устройство для слива воды, 5 - реле давления, 6 - гидроаккумулятор, 7 - гидромотор, 8 - муфта, 9 - генератор, 10 - инвектор

На рис. 2 представлена гидравлическая схема установки. Произведена оценка эффективности предлагаемого преобразователя энергии морских волн применительно к режиму волнения.

Существенным недостатком ВЭУ является их нерегулярность и зависимость от сезонных и погодных условий. В такой ситуации основной научно-технической проблемой создания эффективных автономных энергоустановок на основе энергии волны является проблема аккумулирования энергии и возможность бесперебойной подачи потребителю. Для обеспечения наиболее эффективного преобразования первичных источников энергии, энергоустановка должна быть снабжена «умной» системой автоматического управления. Для краткосрочного аккумулирования электроэнергии (до нескольких часов) в составе ВЭУ перспективно использовать электрохимические аккумуляторы. Однако их размеры, стоимость и надежность становятся, как правило, неприемлемыми при попытке построить систему аккумулирования долгосрочного хранения энергии.

Согласовать режимы работы источников энергии и мощности можно с помощью соответствующих электронных преобразователей. Разработка полностью автономной эффективной энергоустановки, использующей в качестве первичных источников энергии - энергию волны, связана с поиском и обоснованием ее оптимальной конфигурации и состава с учетом реальных климатических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая ожидаемые переменные графики потребления энергии. Критерием оптимальности должна быть минимальная стоимость энергоустановки при гарантированном энергообеспечении потребителя.

Решение задачи создания таких оптимальных автономных ВЭУ возможно лишь на основе сочетания расчетно-теоретических и экспериментальных исследований. Для построения математической модели работы автономной ВЭУ, прежде всего, необходимо обеспечить возможность моделирования первичных возобновляемых источников с характерной для них неравномерной генерируемой мощности в зависимости от географической точки, сезона и времени суток. Для этой цели можно использовать климатическую базу среднемесячных данных на основе обобщения результатов метеорологических наблюдений на отечественных метеостанциях и спутниковых данных NASA [5]. Программы расчета отдельных блоков модели позволяют произвольно задавать основные технологические параметры устройств: КПД, коэффициенты потребления мощности, минимальные уровни потребления в ждущем режиме, производительности и удельные потребления (в том числе нулевые значения, фактически исключающие отдельные блоки из конфигурации энергоустановки), а также уровни максимальной емкости и интенсивности.

На рис. 3 представлена электронная схема устройства контроля и программирования оптимальных значений факторов - давлений на крыло, длины и частоты волны, влияющих на отклик.

Рис. 3. Электронная схема устройства контроля и программирования оптимальных значений факторов - давлений на крыло, длины и частоты волны, влияющих на отклик

Рис. 4. Снимок с осциллографа

На рис. 5 по результатам исследования построен фрагмент расчетной схемы фрагмента волны.

Рис. 5. Фрагмент расчетной схемы протекающих процессов в волновом пространстве

Ниже приведен анализ состояния динамической расчетной схемы (рис. 5) устанавливающий закономерность изменяющих свойств в потоке волновых возмущений действительных переменных параметров (А - амплитуды, В - длины волны, Р - давление, и др.). Описываются действительными функциями, например у=/{х) и др. [8], выраженным дифференцируемыми в фиксированной точке М, поскольку она определена в ограниченной заданной фиксированной окрестности нагруженной зоны волнового колебания параметров ds, для которых существуют их приращения [9]:

Лу = /(х - Ах) -/(х), и др.

Если исходить из общепринятых правил [8], целесообразно упростить и принять условие дифференциала независимости переменного [3], с учетом приращения аргумента Дл" с обозначением через dx , что позволяет записать:

йу = /'(х) йх, и др.

Следовательно, тогда /'(х)=йу(йу), т.е. производная равна отношению дифференциала, как главной линейной части приращения функции переменных параметров волновых колебаний dx и dy. Если АБ=0, то Луйу ^ 1, при Ах ^ 0, т. е. Лу и йу при Ах ^ 0 является случайное Л8^0, т.е. эквивалентными бесконечно малыми, которые представлены как простой структурой дифференциала в виде линейности по /1х, которой воспользуемся в приближенных вычислениях изменений параметров в волновой среде, полагая Лу ^ <1у при малых Ах. В том случае, когда необходимо ограничиться вычислениями, то

/(г - ¿1} ^ /(г) - йу, и др.

Такое представление используется, если необходимо оценить соответствующую погрешность параметров А,В,Р в возмущенной волновой среде при установлении конкретных числовых значений.

Геометрическое представление изменения значения параметров в волновом потоке будет выражено дифференциалом . Уравнение у =/(х) в точке М (ха у а) будет иметь вид:

У - Уо - Г - ^о)-

Тогда х = ж0 — йх, а у — у0 = Г Сх^Мх. Правая часть и есть значение дифференциал функции /(х) в точке х0, отвечающее рассматриваемому значению Ах. В этом случае дифференциал совпадает с соответствующим приращением изменений параметров волновых колебаний по ординате, касательной к кривой у = /(х), отрезка ВР. В этом случае значение [а], т.е. а = Ау - йу, совпадает с длиной отрезка ЛББ. Затем, если обобщить действительные функции от п действительных переменных, то в случае учета только п=2 действительная функция г = / (х, у) будет дифференцируемой в точке М(х,у) по совокупности ск этой точки и ее полное приращение:

= - &Х.у - йу) - /Ог, у) (6)

может быть представлено в виде:

А = А Ах - БАу - а.

Считается, что А,В - конкретные числа длины и амплитуды волны 2р—>0. При р—>0, ; = ._■.-- 1; ■- , следовательно, имеет место принадлежность точки М (х - Лх, у - Ау) окрестности ds.

Затем, введя полный дифференциал:

йг = й/(х, у) = А Ах - Бу

для фиксированной точки (М(х,у^)), выраженной линейной функцией от Ах и Лу, а разность а = Аг - йг, как бесконечно малой величиной более высокого порядка по сравнению с р, тогда имеем сЬ, которая и есть главной линейной частью приращения Аг £ Ртах.

Поскольку f(x,y) дифференцируема в точке M(x,y), значит она непрерывна в этой точке, поэтому имеет в ней конечные частные производные:

dz = dfbc, у) = £ (х, у)Д* - £ Сж, >0 Ду (7)

Основная задача при исследовании поведения механической системы в рамках статики - определение положений ее равновесия, соответствующих заданным значениям внешних нагрузок.

На рис.1 представлена конструкция лабораторной установки. На крыле установлены датчики, контролирующие оптимальные значения исследуемых значений факторов: А1 - длины, В1 - частоты и С1 - давления волны на крыло (рис. 3). Прежде чем приступить к экспериментам и к выводу уравнений, описывающих состояния волнового колебания по аналогии, как и автоматического регулирования, проведем статический анализ всей системы регулирования, потому что в результате статического расчета удается выяснить установившиеся значения всех координат рассматриваемой системы на каком-либо фиксированном исследуемом режиме [1].

Знание установившихся значений координат необходимо для вывода уравнений движения. Чтобы вывести дифференциальные уравнения, удобно по единообразным правилам расчленить систему на части и записать уравнения регулирования для каждой части системы порознь. Система (рис. 3) автоматического регулирования стабилизации состояния волновых колебаний расчленяется на три элемента. Колебания крыла, под воздействием волновых изменений с датчиками А1, В1 ти С1, являются входными, а движение якоря генератора - выходными откликами параметров системы. За нуль отчета каждой из координат выбираем значения, которые они имеют при установившемся режиме работы замкнутой системы, а направление отсчета обобщенных координат выбираем по такому правилу знаков, чтобы выходная координата предыдущего элемента совпадала с входной координатой последующего элемента не только по величине, но и по знаку. Тогда процесс автоматического регулирования преобразования волновых колебаний в энергию в рассматриваемой нелинейной астатической системе с двумя нелинейностями опишется уравнениями:

Т1 *1 + *1 + СХз = 0, х2 = к (Nx3 + x3 = F( x), (8)

где т1 - постоянная времени регулирования;

С - коэффициент усиления регулирования;

N - постоянная времени сервопривода;

Х1 - приращение координаты регулируемого параметра;

Х1 - приращение координаты регулируемого параметра;

Х^Х^), Х^) = dx / dt ф 0, x1(t) = d2x1 / dt2 - функции, заданные с помощью параметра t;

k(x1) - нелинейная характеристика волнового трения;

Х2 - приращение координаты чувствительного элемента;

Х3 - приращение координаты регулирующего органа;

F(x2) - нелинейная характеристика зоны нечувствительности второго рода.

В рассматриваемом случае гармоническая линеаризация нелинейных характеристик k(x1) и F(x2) принимает следующий вид:

к (x1) = [h0 (A) + ^^ hc (A)]x1, F(x2)=h(A)x3, m

где

1 +П 1 +П

h0( A) = n J к (A sin z)sin zdz, hc (A) = — J к (A sin z)cos zdz,

1 +n i_

h( A) = — J F (A sin z) sin zdz = —ST^A2 -^Д nA nA

где h - коэффициент гармонической линеаризации;

А - величина фазового периодического движения элемента на рассматриваемых конечных участках;

TJ — абсолютное значение входной величины;

S - амплитуда колебаний выходной величины;

m — значение порождающей частоты колебаний;

Z - переменная интегрирования.

После того, как произведена указанная гармоническая линеаризация, исследование нелинейных дифференциальных уравнений регулирования сводится к исследованию линеаризованного уравнения

Chh и

T1Nx1 + (т + N )x1 + (1 +--) x1 + C(hs--hc )hx1 = 0.

m m

Этому уравнению соответствует характеристическое уравнение:

L(p) = гтNp3 + (тт + N)p2 + (1 +-с-)p + C(hs - Uhc )к = 0. (9)

5 С '

со а

Решение линеаризованного дифференциального уравнения может быть формально произведено также, как и линейного дифференциального уравнения в полных производных с постоянными коэффициентами. Форма общего уравнения может быть использована для решения линеаризованного дифференциального уравнения, если учесть зависимость Рт, Р2, Р3 от амплитуды колебаний (или отклонений) Хт. Однако, при инженерных расчетах можно форму решения уравнения (1) можно принять в таком же виде, как и для дифференциального уравнения второго порядка, что соответствует:

Р = и + Ю, (10)

где Р = - оператор дифференцирования.

Для определения решения в указанной форме достаточно знать величины и=и(А) и О = о(А). Подставляя (3) в характеристическое уравнение (2) и отдельно приравнивания к нулю действительную и мнимую часть характеристического уравнения, после вычислений получим два основных расчетных уравнения Х=0 и У=0.

В рассматриваемом случае имеем:

[ Чр)] р=и = ттЫи3 + (тт + М)и2 + и + Скк,

[ Щр±] Ри = 2(т + N )и +1 + О др а

[ ^ р=и = б^и + 2(т + N X [ ^ р=и = ,

[^1 = 0;

гэ4др)п

др4

X = ЯеЬ(и + га) = r1Nu3 + (тт + Щи2 + + и + Ск5к - а2 (3т1 Ш + т1 N) = 0;

У = Ьт(и + га) = 3т1 Ш2а + 2(т1 + Ы)иа + а + Скск -аът1N = 0. Из уравнения (4) и (5) нетрудно получить неизвестные и(А) ио(А). Однако, практически более удобно для дальнейших расчетов эти уравнения заменить двумя другими. Первое уравнение получается путем исключения коэффициента С из уравнений (4) и (5):

2 3 2 а (3т Nu + т + Ю-т + Щи - и а т N - 3т и а-2(т + Щиа 2 1_1 1 _= 1_1_ 1 (11)

Это уравнение используется в дальнейшем для определения зависимости декремента затухания иот частоты колебаний а. Вторым уравнением при расчете колебательных переходных процессов является уравнение (5), а при расчете апериодических переходных процессов - уравнение (4).

При помощи этих уравнений производится исследование динамики автоматического регулирования. Исследование динамики автоматического регулирования в системе волновых преобразований факторов в отклики производим для следующих случаев регулирования:

1. Граница автоколебаний и=0, а = а0 > 0;

2. Область устойчивых переходных процессов и<0, а < а0;

3. Граница апериодических переходных процессов и=и0, а = 0.

При исследовании устойчивости регулирования воспользуемся значениями декремента затухания и частоты колебаний на границе автоколебаний. При указанных условиях основные расчетные уравнения примут вид о0 + - о^^ттN = 0 или 1 = с

аC¡т1N -а0

После умножения обеих частей этого уравнения на одинаковую величину 0 получим:

0 = 0 2 Скск , (12)

а0ттN -о0

где 0 = к!/ к - коэффициент гармонической линеаризации на границе колебательной

кр'

неустойчивости.

В качестве коэффициента и Икр целесообразно принять к = т1 - N / Ст1 N, ккр = 2, / пт]х. Эти значения коэффициентов соответствуют условию к(х1)х, т.е. п2 = 0.

Произведя несложные преобразования уравнения (7), получим первое основное уравнение для расчета устойчивости регулирования волновых колебаний:

0 = Я{а0)у( А), (13)

где

= - - N) .

Н - коэффициент, учитывающий воздействие по производной (второй импульс) ¥( А) = [1 - (Ь / Ах1 А2 х3-п2(1/Ах1 А2 х3).

Второе основное расчетное уравнение получается после преобразования уравнения (6):

^(Т + N) = (14)

К К '

которое можно представить в виде:

т1Иа02 - ^ (т + N)а0 -1 = 0. (15)

К

Из уравнений (8) и (10) можно определить при заданных параметрах системы величину

безразмерного коэффициента 00 на гране устойчивости. Так как величина 00 зависит от амплитуд Ах

и Ах3, то при расчете следует принять Ах3=С0Ах1, где С0=Ьс(Лх1).

Условие устойчивости может быть выражено неравенством

0 >00,

где 0 - фактическое значение безразмерного коэффициента для заданных параметров системы;

00 - коэффициент при амплитуде колебаний, соответствующей максимальной величине произведения.

Уравнение (10) используется для построения границы автоколебаний на обобщенной диаграмме качества автоматического регулирования, обеспечивающей устойчивость контроля в системе преобразований волновых колебаний - факторов в энергию - отклики.

Исходя из изложенного, выбор функционального описания устройств энергоустановки определялся основными целями моделирования:

- отработка вариантов алгоритма управления режимами работы устройств ВЭУ;

- минимизация мощности первичных источников энергии;

- получение ориентировочной стоимости установки и отдельных устройств;

- определение основных динамических характеристик установки.

Выводы

В случае непосредственного использования электроэнергии, вырабатываемой волновой станцией, как самостоятельный источник для хозяйственных нужд ее рассматривать нельзя. Непостоянство во времени и пространстве, сезонный характер самого ресурса требуют иметь в резерве какой-то дополнительный источник электроэнергии, либо подключать волновую электростанцию к энергосети, позволяющей за счет сторонних источников компенсировать снижение мощности из-за уменьшения волнения, либо, наконец, использовать аккумулирование энергии.

Список использованной литературы

1. http://rus.ferhri.ru/okhotsk/Meteo/Meteo Volnenye regim.htm. Охотское море/ Метеорология/ Волнение/ Режим волнения).

2. Костогрыз А.П. Анализ механизма скольжения с автоматическим регулированием волны в зазоре (Машиностроение АН СССР// 1971. - №6. - С.94-98.

3. Попель О.С. Автономные энергоустановки на возобновляемых источниках энергии. Энергосбережение. Специализированный журнал www.abok. ru.

4. Толстов Г.П. Элементы математического анализа 2изд. т. 1-2.-М://Тр. Матем. ин-та АНССР. - 1974. - 794 с.

5. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления 7 изд. Т.1. - М://Тр. Матем. ин-та АНСССР. - 1969. - 532с.

6. The NASA Surface Meteorology and Solar Energy Data Set //http://eosweb.larc.gov/sse/.

7. TRNSYS - The Transient System Simulation // http://sel.me.wisc.edu/TRNSYS/.

8. Костогрыз А.П. Функциональная зависимость несущей нагрузки силы от безразмерных коэффициентов давления, текущих координат и относительной глубины микрорельефа поверхностей центрально-фиксирующих опорных механизмов / Международный журнал: The international scientific journal - Problems of tribology: №2 - 2007. - р.77-90