CC BY
185
КРАТКОЕ СООБЩЕНИЕ
УДК 621.311.21 https://doi.org/10.18503/2311-8318-2017-4(37)-67-70
Гринкруг М.С., Новгородов H.A., Ткачёва H.A.
Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет
Основные проблемы, возникающие при проектировании волновых электростанций и пути их преодоления
Авторы статьи рассматривают основные типы волновых генераторов и волновых электростанций, их достоинства и недостатки, пути преодоления проблем проектирования волновых электростанций. В работе приведен пример конструкции, обеспечивающей эффективную работу волнового генератора поплавкового типа.
Ключевые слова: волновая электростанция, поплавковый волновой генератор, электрическая энергия.
Введение
В настоящее время основным источником для производства электрической энергии является углеводородное топливо - нефть, газ, уголь. Запасы всех видов топлива снижаются, появляется необходимость поиска альтернативных способов получения энергии, снижающих выбросы вредных веществ, вместо традиционных источников энергии на углеводородном топливе. Одним из альтернативных источников является волновая энергетика. Данная область техники включает волновые генераторы различных типов, в совокупности формирующие волновые электростанции (ВЭС). Волновая электростанция - это установка, преобразующая энергию морских волн в электрическую энергию напрямую или через серию различных преобразователей. Перспективы развития волновой энергетики в первую очередь связаны с большим значением плотности потока исходной энергии, получаемой от морских волн, которая в несколько раз превышает плотность потока энергии для ветрогенераторов и солнечных батарей. Из этого следует, что при одинаковой мощности размер и стоимость волновых генераторов будет ниже.
Анализ существующих волновых электростанций
Все известные волновые установки состоят из следующих основных компонентов:
• рабочего органа - устройства, преобразующего колебания волны в собственные колебания;
• рабочего тела - среды, воспринимающей энергию колебаний рабочего органа;
• силового преобразователя - устройства, преобразующего механическую энергию в электрическую;
• преобразовательной, аккумулирующей, распределительной и крепежной систем.
По используемым компонентам различают следующие основные типы конструкций волновых генераторов:
• поплавковые - гидроэлектрическая установка, содержащая поплавок, связанный с электрогенератором, в которой колебания поплавка на волнах преобразуются в движение индуктора, вырабатывающего импульсный переменный ток;
• использующие насосы - плот Коккереля, качающаяся «утка» Солтера - в конструкции используются насосы, связанные с поплавками, с одной стороны, и с электрогенераторами - с другой;
© Гринкруг М.С., Новгородов H.A., Ткачёва H.A., 2017
• использующие изменение объема и давления воздуха - осциллирующий водяной столб, пульсирующий водяной столб Масуды, преобразователь Рассела - устройства содержат бак или камеру, помещенные по ходу волны или под водой, образующиеся от сжатия и расширения воздушные потоки вращают лопасти турбины.
К достоинствам волновых генераторов первого типа относятся:
1) сравнительно высокий КПД, порядка 80% [1];
2) возможность установки на опорах мостов, причалов с целью их защиты;
3) использование в качестве элемента питания для устройств и систем, удаленных от берега и не имеющих традиционного электроснабжения;
4) возможность увеличения мощности ВЭС и количества подключаемых потребителей за счет увеличения числа входящих в ВЭС поплавковых генераторов, вплоть до создания «полей» связанных между собой генераторов.
основными недостатками поплавковых волновых генераторов являются:
1) при малой скорости колебания поплавка необходим индуктор большого размера для обеспечения требуемых энергетических показателей;
2) возможные проблемы, возникающие при использовании большого количества генераторов, ограничивающих судоходство и рыболовецкий промысел;
3) возможные экологические проблемы, связанные со снижением амплитуды волны, необходимой в процессе газообмена океана, очищения его поверхности.
К недостаткам прочих конструкций волновых установок относятся:
1) сложность, большое количество элементов генератора, в связи с чем стоимость конечного устройства возрастает;
2) КПД установок существенно ниже, чем у поплавковых генераторов вследствие двукратного преобразования энергии;
3) снижение КПД или полное отсутствие работоспособности при изменении параметров волны (длины, частоты и амплитуды);
4) потери мощности генератора растут с увеличением количества ступеней преобразования.
Ввиду сложности конструкции и высокой стоимости большинства волновых генераторов их распространение в мире ограничено. На настоящий момент
существует несколько примеров успешной работы волновых электростанций различных типов:
1. Норвегия - в 1985 году впервые введены в строй две промышленные ВЭС суммарной мощностью 950 кВт (рис. 1), относятся ко второму и третьему типу установок [1].
2. Оркнейские острова (Шотландия) - ВЭС «Oyster» (рис. 2) относится к третьему типу установок, мощность 300-600 кВт [1].
3. Португалия - ВЭС, состоящая из трех волновых генераторов Pelamis-P750 (рис. 3), мощностью по 750 кВт каждый, относится ко второму типу генераторов [1].
4. Порт-Кембл (Австралия) - ВЭС «Oceanlinx» (рис. 4), по принципу действия относится к волновым генераторам третьего типа, мощность ВЭС находится в диапазоне 0,1-1,5 МВт [2].
5. Южное побережье Великобритании - ВЭС «Wave Hub» (рис. 5), на настоящий момент включает в себя около 400 волновых генераторов-буев первого типа, планируемая суммарная мощность ВЭС - около 20 МВт [1, 3].
6. Полуостров Гамова (Приморский край, Россия) -отечественный генератор Ocean 160 (рис. 6) мощностью до 160 Вт, относящийся к первому типу устройств [4].
Рис. 1. Одна из ВЭС в Норвегии
Рис. 2. Генератор ВЭС «Oyster» 120 м
Трехфазный Силовой модуль Трансформатор кабель 15 кВ на 250 кВт на 950 кВт 6.6/15 кВ
Рис. 3. Генератор Pelamis-P750
Рис. 4. ВЭС «Oceanlinx»
Рис. 5. Генераторы ВЭС Wave Hub
Рис. 6. Генератор Ocean 160
К общим недостаткам волновых генераторов всех перечисленных типов можно отнести:
• неотработанность конструкций, ввиду малого времени работы в данной сфере энергетики;
• снижение КПД ВЭС вследствие преобразования импульсного переменного тока в постоянный, его аккумулирование и обратное преобразование в переменный ток с учетом повышения значения напряжения до требуемого потребителю уровня;
• применение механических и электрических автоматических устройств и систем, необходимых как для снижения потерь в механических передачах при преобразовании энергии волн в электрическую энергию, так и для снижения потерь при преобразовании и аккумулировании электрической энергии.
Ввиду сравнительно малого КПД установок второго и третьего типов, формирующих соответствующие ВЭС, наиболее эффективными считаются волновые генераторы первого типа, в особенности в прибрежной
инфраструктуре, удаленной от централизованных источников электроснабжения и характеризующейся относительно малыми мощностями электроприемников.
Для преодоления перечисленных недостатков поплавковых волновых генераторов необходимо:
• создавать наиболее простую конструкцию генераторов, обеспечивающую «гибкость» механизма, т.е. возможность его быстрой адаптации к изменению параметров волны, за счет поворота поплавка, изменения его формы и т.д.;
• модернизировать индуктор генератора путем внедрения в него большого числа катушек для повышения напряжения, снижая тем самым потери от рассеивания магнитного поля.
Поплавковый волновой генератор собственной конструкции
Перечисленные решения реализованы в конструкции волнового генератора, изложенной в [5] и изображенной на рис. 7, 8. Разработанная конструкция относится к поплавковым волновым генераторам, содержит каркас 3, цилиндрический шток 4, прикрепленный к нему поплавок 5, герметично закрепленный к каркасу кожух 1 с расположенным внутри электрогенератором 2 со шкивом и обгонной муфтой 6 на его валу, преобразующими возвратно-поступательное движение штока 4 во вращательное движение ротора 10 электрогенератора 2, на котором закреплены постоянные магниты 7, создающие магнитное поле 12, которое при пересечении полюсов статора 11 создает электродвижущую силу в катушке 8 статора 9.
Поплавок 5 представляет собой алюминиевый цилиндрический бак с образующей в форме двояковыпуклой линзы, частично заполненный изнутри крупноячеистым пенополиуретаном и водой. При наличии волн закрепленный к штоку 4 поплавок 5 совершает возвратно-поступательное перемещение относительно каркаса 3. При вертикальном перемещении вверх поплавок 5 развивает осевую силу и создает крутящий момент, передаваемый ротору электрогенератора 2 через шкив 6 с обгонной муфтой на валу, тем самым преобразуя поступательное движение поплавка 5 во вращательное движение закрепленного в корпусе 5 ротора 6, на котором крепятся постоянные магниты 7, создающие магнитное поле 12, индуцирующее электродвижущую силу в обмотке статора 8.
При движении вниз поплавок 5 опускается под действием силы тяжести. В результате перемещения поплавка 5 вниз создается крутящий момент, передаваемый ротору электрогенератора 2 за счет шкива с обгонной муфтой 6. При вращении ротора вместе с установленными на нем постоянными магнитами 7 в катушке 8 статора возникает электрический ток, который подается потребителю электрической энергии.
Эффективность выработки электрической энергии генератором повышается за счет:
• использования в конструкции электрогенератора статора с замкнутым магнитопроводом, снижает потери энергии вследствие уменьшения рассеяния магнитного поля;
• возможности поворота поплавка и изменения его массы путем наполнения или слива воды. Это улучшает работу волнового генератора на волне с изменяющимися параметрами: длины, амплитуды и частоты.
12
Рис. 8. Поперечное сечение А электрогенератора с замкнутым магнитопроводом
При работе устройства достигается эффективная генерация электроэнергии в результате использования замкнутого магнитопровода электрогенератора. Предлагаемое устройство позволяет обеспечить электроэнергией объекты морского и прибрежного базирования. В настоящее время конструкция генератора изготовлена и планируется провести ее испытания.
Заключение
В работе рассмотрены три типа волновых установок. Наибольшим КПД и удобством применения обладают волновые генераторы поплавкового типа. Эффективность работы таких устройств можно повысить путем разработки конструкции, подстраивающейся под параметры волны, снижением потерь при преобразовании видов энергии. В работе предложен способ, реализующий данные направления.
Список литературы 1. Разработка отечественной поплавково-волновой микроэлектростанции / A.B. Елисеев, В.И. Велькин, С.Е. Щекле-
INFORMATION IN ENGLISH
E-mail: medlashka@mail.ru
The authors consider the main types of wave generators and wave power plants, their advantages and disadvantages, ways to overcome the problems of designing wave power plants. In this work, an example of designs that ensure efficient effective operation of a float type wave generator is given.
Keywords: Wave power plant, float-operated wave generator, electric energy.
References
1. Yeliseyev A.V., Vel'kin V.I., Shcheklein S.Ye., Lavreshin A.S. Development of a domestic float-wave micro-power plant. OceanRusEnergy official website. URL: http://oceanrusenergy.ru/information/articles (Accessed July 13, 2017). (In Russian)
2. Tidal and wave power stations. Educational materials of the department "Atomic and thermal power engineering" of Pe-
Гринкруг М.С., Новгородов H.A., Ткачёва H.A. Основные проблемы, возникающие при проектировании волновых электростанций и пути их преодоления // Электротехнические системы и комплексы. 2017. № 4(37). С. 67-70. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2017-4(37)-67-70
ин, A.C. Лаврешин // Официальный сайт компании OceanRusEnergy. URL:
http://oceanrusenergy.ru/information/articles (дата обращения: 13.07.2017).
2. Приливные и волновые электростанции // Учебные материалы кафедры «Атомная и тепловая энергетика» СПбПУ им. Петра Великого. URL: http://nnhpe.spbstu.ru/prilivnye-i-volnovye-elektrostancii (дата обращения: 13.07.2017).
3. Концентратор энергии волн Wave Hub // Информационный портал о датчиках температуры. URL: http://temperatures.ru/articles/concentrator_voln (дата обращения: 13.07.2017).
4. В России появилась первая экспериментальная волновая электростанция // Официальный сайт НПФ Политехника. URL: http://poli.ru/story/v-rossii-volnovaja-jelektrostancija (дата обращения: 13.07.2017).
5. Заявка на патент 2017122412 Российская Федерация. Поплавковый генератор электрической энергии / Новго-родов H.A., Гринкруг М.С., Ткачева Ю.И., Гордин С.А.; патентообладатель - ООО «УНИЦЭ».
Поступила в редакцию 1 июля 2017 г.
Russia.
Russia.
Russia.
ter the Great St.Petersburg Polytechnic University. URL: http://nnhpe.spbstu.ru/prilivnye-i-volnovye-elektrostancii (Accessed July 13, 2017). (In Russian)
3. Wave Hub Wave Energy Concentrator. Information Portal about temperature sensors. URL: http://temperatures.ru/articles/concentrator_voln (Accessed July 13, 2017). (In Russian)
4. In Russia there was the first experimental wave power station. RPC Polytechnica official website. URL: http://poli.ru/story/v-rossii-volnovaja-jelektrostancija (Accessed July 13, 2017). (In Russian)
5. Novgorodov N.A., Grinkrug M.S., Tkacheva YU.I., Gordin S.A. Poplavkovyy generator elektricheskoy energii [Electrical energy float generator]. Patent RF, no. 2017122412. (In Russian)
Grinkrug M.S., Novgorodov N.A., Tkachova N.A. Main Problems Arising in the Design of Wave Power Plants and Ways to Overcome it. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy [Electrotechnical Systems and Complexes], 2017, no. 4(37), pp. 67-70 (In Russian). https://doi.org/10.18503/2311-8318-2017-4(37)-67-70
Main Problems Arising in the Design of Wave Power Plants and Ways to Overcome it
Miron S. Grinkrug
Ph.D. (Eng.), Professor, Komsomolsk-na-Amure State Technical University, Komsomolsk-on-Amur, E-mail: grin@knastu.ru
Nikita A. Novgorodov
Associate Professor, Komsomolsk-na-Amure State Technical University, Komsomolsk-on-Amur, E-mail: nikitakms@yandex.ru
Nina A. Tkachova
Graduate student, Komsomolsk-na-Amure State Technical University, Komsomolsk-on-Amur,
