CC BY
6УДК 621.314.26:001.891.5
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВОЛН
Циперко Л.Н. Муртазаев Э.Р.
Физико-технический институт КФУ им. В. И. Вернадского
Аннотация: Использование преобразователей энергии морских волн может стать решением как вопросов электроснабжения потребителей, расположенных на берегу, так и вопросов снижения выбросов при производстве энергии. На данный момент разработан целый ряд устройств для преобразования энергии волн. Однако, они не позволяют достаточно адекватно решить задачу устойчивого преобразования волновой энергии. Целью данной работы является разработка устройства для преобразования энергии волн в электрическую энергию и его экспериментальное исследование. В данной работе представляется схема и принцип работы устройства. Испытание устройства состоит из двух этапов: исследование работы буя при наполнении воздухом, а затем углекислым газом. В результате эксперимента следует, что при наполнении буя углекислым газом эффективность работы преобразователя энергии волн примерно в 1,5 раза выше, чем наполнение воздухом.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, преобразователи энергии волн, результаты эксперимента.
Введение
Электроснабжение прибрежных районов зачастую связано с определенными трудностями, связанными с их значительной удаленностью от источников энергии. Строительство и функционирование генерирующих установок, использующих ископаемое топливо, вблизи морей и океанов может негативно сказаться на экологической обстановке этих регионов. Альтернативным вариантом обеспечения потребителей необходимой электроэнергией может стать использование возобновляемых источников, таких как преобразователи энергии волн в электрическую энергию.
Существует целый ряд устройств для преобразования энергии волн. Их разделяют на несколько типов: преобразователь колеблющегося тела, колеблющийся столб воды и устройства перелива [1-4]. К первому типу относятся устройства, находящиеся на поверхности воды или под ней, использующие движение волн для выработки электроэнергии. Колеблющийся столб воды - это частично погруженная под воду камера, открытая морю ниже уровня воды, в которой над столбом воды расположен столб воздуха. Под действием набегающих волн столб воды перемещается вверх и вниз, тем самым вытесняя и втягивая воздух в камеру. Движущийся воздух вращается воздушную турбину, которая генерирует электрическую энергию. Резервуар переливающегося устройства расположен выше средняя свободная поверхность воды. Он наполняется за счет набегающих волн, обратно в море вода возвращается проходя через турбину, генерирующую электрическую энергию [5-7].
Однако до настоящего времени устройства, создаваемые на базе известных технических решений, не позволяли достаточно адекватно решить задачу устойчивого
преобразования волновой энергии. Эти устройства предназначены для работы в условиях регулярного волнения так как эффективность их действия не может быть высокой в силу довольно сложного вероятностного характера реального процесса волнообразования.
Целью работы является разработка устройства для преобразования энергии волн в электрическую энергии с перспективой его использования в прибрежных районах Черного моря.
Материалы и методы
Конструкция устройства представляет собой буй внутри которого расположен поршень с пружиной. Такое устройство имеет сравнительно небольшие размеры, что позволяет применять его вблизи берега. Такая схема имеет следующие преимущества:
1. Вблизи берега волна имеет как потенциальную, так и кинетическую энергию.
2. Несколько таких устройств, установленных в ряд помимо своей основной задачи по выработке электрической энергии, будут выполнять функцию волнорезов, уменьшая неблагоприятное воздействие волн на побережье.
3. Расположенная у побережья станция не представляет угрозы для судов;
4. При расположении станции вблизи берега удастся сократить затраты на кабельную линию.
Общий вид устройства представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 - Общий вид устройства преобразования энергии волн: 1 - буй; 2 - плавучий якорь; 3 - свая. Устройство буя в разрезе представлено на рисунке 2.
Рисунок 2 - Устройство буя: 1.1-1.4 - впускные и выпускные клапаны; 2 - обтекатель; 3 - турбина; 4 - генератор; 5
поплавок; 6 - диффузор; 7 - балласт; 8 - воздуховоды; 9 - пружина; 10 - пружины для гашения удара.
Принцип действия устройства представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 - Принцип действия устройства преобразования энергии волн Под действием волны буй начинает всплывать, при этом балласт (7), имея большую инерцию остается на месте и сжимает пружину (9). В этот момент воздух под давлением вытесняется из полости под поршнем в воздуховод (8) и через обратный клапан (1.1) попадает в диффузор (6). Затем приводит в движение турбину 3 и генератор 4, после чего через обратный клапан (1.3) попадает в полость над поршнем. После того как буй прошел гребень волны, пружина (9) возвращает поршень в исходное положение, при этом вытесняя воздух из полости над поршнем через обратный клапан (1.4) в диффузор (6), вращая турбину (3) и генератор (4) в том же направлении. Далее через обратный клапан (1.2) и воздуховод (8), воздух поступает в пространство под поршнем. Далее цикл повторяется.
Был изготовлен опытный экземпляр описанного устройства преобразования энергии волн. Корпус модели был выполнен из пластиковой трубы диаметром 100 мм, поршень изготовлен из стеклопластика и утяжелен металлическим балластом. 3D модель устройства представлена на рисунке 4.
>
" < 9
ч
Рисунок 4 - Модель устройства преобразования энергии волн Диффузор, конфузор и турбина были изготовлены на 3D принтере из ABS пластика и представлены на рисунках 5 и 6 соответственно.
Рисунок 6 - Модель турбины устройства преобразования энергии волн К выходам диффузора подсоединяются обратные клапаны и воздуховоды как показано на рисунке 7.
Рисунок 7 - Обратные клапаны и воздуховода на выходе диффузора Для проведения эксперимента и определения оптимального соотношения расхода и давления при заданных условиях было установлено устройство для регулировки сечения диффузора, генератор был установлен внутри корпуса диффузора, как показано на рисунке 8.
Рисунок 8 - Устройство для регулировки сечения диффузора.
Буй представляет собой герметичный сосуд, внутри которого под действием волнения перекачивается газ. Такая схема обеспечивает высокую надежность, так как она имеет минимум деталей и не имеет контакта с морской водой.
Испытание устройства включает в себя два этапа: исследование характеристик модели устройства при работе с воздухом и с углекислым газом.
Модель буя наполняется воздухом под атмосферным давлением. Далее буй помещают в резервуар с водой и совершают вертикальные колебательные движения аналогичные тем, которые вызваны морским волнением. При этом поршень перекачивает воздух, приводя в движение турбину и генератор. К генератору подсоединен амперметр, вольтметр и нагрузка в виде реостата. После того как буй сделал несколько колебаний и выходной сигнал с генератора стабилизировался производим замеры тока и напряжения под нагрузкой. Далее опыт повторяется еще для четырех значений высот волны с учетом масштаба. Эксперимент повторяется, при этом в буй закачивается углекислый газ с плотностью 1,97 кг/м , что больше плотности воздуха. Результаты экспериментов представлены в таблице 1 и на рисунке 9.
Результаты и их анализ
Таблица 1. Результаты исследования работы буя при наполнении воздухом и
углекислым газом
Высота Сила тока, мЛ Напряжение, В Мощность, мВт
колебания буя, воздух углекислый воздух углекислый воздух углекислый
к, м газ газ газ
0,05 2 3,28 0,1 0,11 0,2 0,36
0,1 3 4,92 0,14 0,14 0,42 0,68
0,15 5 8,2 0,2 0,2 1 1,64
0,2 9 14,7 0,35 0,35 3,15 5,14
0,25 11 18 0,4 0,4 4,4 7,2
воздух углекислый газ
0,05 ОД 0Д5 0,2 0,25
Высота колебания буя, h, м
Рисунок 9 - Зависимость мощности на выходе генератора преобразователя энергии
волн от высоты колебания буя
Как видно из результатов эксперимента, при наполнении буя газом большей плотности, в нашем случае использовались углекислый газ и воздух, эффективность работы преобразователя энергии волн выше. С увеличением высоты колебания буя, разность выходных характеристик возрастает.
Выводы
Решением проблемы электроснабжения потребителей, расположенных в прибрежной зоне, может стать использование преобразователей энергии волн в электрическую энергию. Они смогут обеспечить электроэнергией в необходимых объемах не загрязняя при этом окружающую среду.
В результате испытаний разработанного устройства преобразования энергии волн была получена линейная зависимость изменения мощности от плотности рабочего тела. Следовательно, целесообразнее использовать в качестве рабочего тела газы большей плотности, при условии обеспечения скорости потока достаточной для вращения турбины с частотой 1500 об/мин. Такая частота вращения турбины позволяет применять серийно выпускаемый генератор с минимальным числом пар полюсов, что в свою очередь уменьшает его стоимость и необходимый запас плавучести устройства преобразования.
Список использованной литературы:
1. Kempener R. and Neumann F. Wave Energy. Technology brief. - Abu Dhabi: IRENA, 2014. - 28 p.
2. Joubert J. R., van Niekerk J. L., Reinecke J. and Meyer I. Wave Energy Converters (WECs). - Matieland: Centre for Renewable and Sustainable Energy Studies, 2013. - 96 p.
3. Blaabjerg F. and Ionel D. M. Renewable Energy Devices and Systems with Simulations in MATLAB® and ANSYS®. Boca Raton: Taylor & Francis Group, 2017. - 412p.
4. Hodge B. K. Alternative Energy Systems and Applications. - Chichester: John Wiley & Sons, Ltd, 2017. - 416 p.
5. Aderinto T. and Li H. Review on Power Performance and Effiency of Wave Energy Converters // Energies. - 2019. - 12. - 4329.
6. Bekirov, E.A., Voskresenskaya, S.N., Asanov, M.M., Murtazaev. E.R. Analysis of the
Sea Waves Energy Characteristics in the Black Sea Region // 2020 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies, FarEastCon 2020. - 9271464
7. Bekirov, E.A., Asanov, M.M., Murtazaev. E.R. Mathematical description of wave propagation in order to assess the efficiency of the wave energy converter and find its optimal characteristics // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2021. - 1089 (1). -012036.
Циперко Л.Н. Муртазаев Э.Р.
Физико-технический институт КФУ им. В. И. Вернадского, 295007, Республика Крым, г. Симферополь, просп. Академика Вернадского, д. 4.
EXPERIMENTAL STUDY OF THE WAVE ENERGY CONVERSION DEVICE
Tsiperko L.N. Murtazaev E.R.
Physics and Technology Institute V.I. Vernadsky Crimean Federal University
Annotation: The use of marine wave energy converters can be a solution to both issues of power supply to consumers located on the shore and issues of reducing emissions during energy production. At the moment, a number of devices for converting wave energy have been developed. However, they do not allow us to adequately solve the problem of stable wave energy conversion. The purpose of this work is to develop a device for converting wave energy into electrical energy and its experimental study. In this paper, the scheme and principle of operation of the device is presented. The test of the device consists of two stages: the study of the operation of the buoy when filled with air, and then with carbon dioxide. As a result of the experiment, it follows that when filling the buoy with carbon dioxide, the efficiency of the wave energy converter is about 1.5 times higher than filling with air.
Key words: renewable energy sources, wave energy converters, experimental results.
Tsiperko L.N. Murtazaev E.R.
Physics and Technology Institute V.I. Vernadsky Crimean Federal University, 295007, Republic of Crimea, Simferopol, p. Vernadsky, 4.
