Энэргия и мощность волн

Из других преобразователей с качающимся элементом (элементами) необходимо отметить различные варианты аттенюаторов типа «гибкий рукав», устанавливаемых таким образом, чтобы энергия волны передавалась к упругим элементам устройств  по мере прохождения волны. Одним  из наиболее известных устройств  этого типа является «гибкий рукав», разработанный профессором Ланкастерского университета М. Д. Френчем. В этом рукаве энергия накапливается вдоль него за счет деформации гибких резиновых секций, последовательно перекачивающих воздух в турбину, размещенную в центре. Такие устройства могут оказаться наиболее широкополосными, причем полоса рабочих частот увеличивается с увеличением длины, если только в конструкцию не заложено каких-либо ограничений движения.

Отечественная конструкция  такого типа разработана, например И. И. Пятницким. Она представляет собой  гибкий металлический рукав из отдельных  секций, выполненных из сильфонов, наполовину заполненных трансформаторным маслом, со встроенными турбинами, подключенными  к электрогенераторам. При изменении положения гибких секций масло перетекает из верхних в нижние, приводя в движение турбины.

5.2 Точечные преобразователи

Для того чтобы считать  устройство точечным преобразователем, вовсе не важно, какой принцип  лежит в основе его работы. Достаточно, чтобы длина и ширина устройства были значительно меньше длины волны  и чтобы эффективность работы его либо принципиально не зависела от направления движения волн, либо устройство могло самостоятельно отслеживать  изменение этого направления  и переориентироваться в пространстве. Особенный интерес к точечным преобразователям связан с тем, что они не только могут обладать достаточно высокими КПД преобразования, использоваться как в одиночку, так и совместно, образуя целые энергосистемы, но и с тем, что они собирают энергию с участка фронта волны, превышающего их линейные размеры и могут применяться в качестве волнозащитных устройств.

Чтобы точечный преобразователь  был достаточно эффективным, движение его поглощающего элемента должно быть согласовано с движением водной поверхности. Этот элемент должен быть непременно подключен к демпфирующей системе, извлекающей полезную мощность, а механические характеристики устройства должны перестраиваться при изменении волновых условий.

В общем случае для системы  типа точечного цилиндрического  буя уравнение движения может  быть записано в виде:

где а — присоединенная масса жидкости, кг; D — диаметр; F (t) — сила, создаваемая волнами; g — гравитационная постоянная; т — масса; Ье — потери энергии на преобразование в полезную; br - потери на отражение; 6ν —потери на вязкое трение; Ьс — потери на тепло, выделяющееся в электрической цепи; — перемещение в волне, скорость и ускорение соответственно; ρ — плотность морской воды. В этом выражении коэффициенты, описывающие различные потери энергии, являются функциями частоты колебаний.

Рис. 8

Точечные преобразователи  являются устройствами, имеющими характерные  рабочие частоты. Если такое устройство рассчитано для работы при определенной доминирующей частоте волн, то эффективность его падает при изменении волновых условий. При настройке в резонанс с падающей волной, наоборот, происходит увеличение волновой энергии, выделяющейся на преобразователе. Такая настройка производится за счет изменения механических (воздействие на величину br) и электрических характеристик bс. В первом случае для устройств, колеблющихся вдоль вертикальной оси (различного вида буи), рекомендуют изменение массы за счет заполнения балластных цистерн, а для устройств с вращающимися элементами («утка», плот) — моментов инерции путем изменения распределения масс. В последнем случае может, кроме того, быть изменено передаточное число привода электрогенератора, индуктивность, емкость и сопротивление электрических цепей генераторов.

Наиболее уязвимый элемент  преобразователя — захват, который  должен выдерживать в среднем  до 6∙106 срабатываний в год. Но без  управления движением мощность, поглощаемая  буем, снижается примерно в 5 раз. Поэтому  авторы устройства считают, что имеет  смысл преодолеть технические трудности  и создать долгоживущий захват.

Испытания преобразователя  были выполнены на модели в масштабе 1: 10 на нерегулярных волнах. Испытания  дали довольно хорошие результаты, хотя из-за несовершенства системы  управления в некоторых случаях  фазы колебаний буя и волн несколько  отличались. В настоящее время разрабатывается полноразмерная модель буя и проектируется воздушная турбина, рассчитанная на вращение с частотой вращения 50 с-1 и непосредственно связанная с асинхронным трехфазным электрогенератором установленной мощностью 400 кВт.

В случае сильного шторма достаточно отключить автоматику захвата этого  преобразователя, чтобы, снизив его  эффективность, предохранить от разрушения.

Несмотря на достоинства, описанная выше система не свободна от недостатков. Наиболее серьезные  из них — наличие «мертвого» достаточно массивного якоря, сложного узла универсального шарнира, работающего под водой в условиях знакопеременных нагрузок, наличие прочной штанги, которая должна выдерживать значительные напряжения при верхнем положении буя. Вообще, и это отмечают многие исследователи, якорные устройства плавучих волновых преобразователей — элемент, надежность работы которого зачастую определяет саму возможность применения некоторых из них. В этой связи большое значение приобретают поиски технических решений, позволяющих упростить якорные устройства, снизить их массу и требуемую прочность тросов.

К таким решениям относятся  конструкции самопозиционирующихся преобразователей, снабженные заглубленными платформами, относительно которых происходит перемещение плавучих буев, либо даже динамическими якорями и не требующие значительных усилий для удержания.

К достоинствам систем с  динамическим удержанием относится  возможность использовать их в условиях действия приливов и длиннопериодных волн зыби. В этом случае они как бы выполняют роль низкочастотных фильтров, не реагирующих на медленное изменение возбуждающей колебания силы.

Динамическое удержание  можно обеспечить как за счет использования  инерционной массы платформы, так  и за счет применения динамического  якоря, представляющего собой достаточно жесткий плоский элемент, сопротивление  которого при ускорении в воде возрастает за счет присоединенной массы. Этот эффект исследований учтен авторами цитировавшейся выше статьи. На его использовании строится ряд отечественных разработок.

Интересная особенность  систем с динамическими якорями  — снижение их поглощающей энергию  способности начиная с некоторой  величины длины волны за счет того, что с ростом ее в движение начинают вовлекаться все более заглубленные слои жидкости. Динамические устройства хорошо зарекомендовали себя как  защитные элементы якорных систем океанских буев, предохраняя якорные тросы и цепи от динамических нагрузок и тем самым повышая их живучесть.