РАЗРАБОТКА  ВОЛНОВОГО  ГЕНЕРАТОРА  КОЛЕБАНИЙ  —  ИСТОЧНИКА  ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ  ДЛЯ  ОБОРУДОВАНИЯ  МОРСКИХ  БУЙКОВЫХ  СТАНЦИЙ

Колп  Олег  Альбертович

cтудент,  кафедра  общегуманитарных  и  социально-экономических  дисциплин,  ЧГПУ,  РФ,  Челябинская  область,  г.  Миасс

E-mail:  okolp@mail.  ru

Хабибуллин  Фаргат  Хадиятович

научный  руководитель,  доцент,  канд.  пед.  наук,  кафедра  общегуманитарных  и  социально-экономических  дисциплин,  ЧГПУ,  РФ,  Челябинская  область,  г.  Миасс

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,  гидро-пневматическая  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  вышеперечисленных  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  JP,  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  001027400879109).  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

Таблица  1.

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). 

Заключение

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).

Список  литературы:

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  №  AИ-B-47478/90.  Acceptance  №  638442.  (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  89/00303;  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/  00962,  24.01.91,  Gazette  91/  03).