lecture13 (Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Курс лекций. В.А. Агеев, 2004), страница 2

Общая характеристика технических решенийПо аналогии с ВЭУ существующие преобразователи энергии теченийможно условно разделить на две группы. К первой целесообразно отнести теиз них, в основу которых положен принцип преобразования скоростного напора во вращательное движение турбин. Ко второй, менее многочисленной,группе относят преобразователи, основанные на других физических принципах (объемные насосы, упругие преобразователи и др.).Для характеристики схем установки преобразователей можно выделитьдве основные схемы – сооружений, закрепляемых на морском дне, и сооружений, плавающих в толще воды и заякоренных к дну.Родоначальником устройств первой группы по праву считают водяноеколесо (рис.

13.4.1, а). В совершенствовании водяного колеса наблюдаютсядве основные тенденции. Одна – собственно улучшение показателей колеса(за счет оптимизации конструкции ферм, лопастей, механизмов передачиэнергии, расположения по отношению к потоку, применения современныхматериалов и т.п.), другая – принципиальное изменение представлений о колесе.©Кафедра теплоэнергетических систем, 20047Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)Рис. 13.4.1. Эволюция водяного колеса: а – колесо-прототип; б – ленточноеколесо на плавучем основании; в – ленточное колесо в толще потока; г – ленточное колесо со складными лопастями.Ленточное колесо (рис.

13.2.1, б) оказывается более компактным, требует меньше материалов, менее подвержено воздействию атмосферы. Подобное устройство может быть установлено в потоке на понтонах с такимрасчетом, чтобы нижние лопасти входили в воду, а верхние оставались «сухими». Эффективность преобразования скоростного напора повышается засчет того, что сразу несколько лопастей оказываются под воздействием потока. Однако, простое увеличение числа лопастей ленточного колеса не приведет к существенному увеличению момента на валах.На базе ленточного колеса созданы устройства, полностью погружаемые в толщу потоков (рис. 13.4.1, в, г).

Для таких устройств предлагается несколько способов уменьшения сопротивления движению ленты во время холостого хода. Это и сооружение воздушной камеры над колесом и применение различных вариантов механизмов складывания лопастей.Наибольшие надежды гидроэнергетики, занимающиеся разработкойпреобразователей энергетики океанских течений, связывают с агрегатами, спомощью которых могут быть получены значительные единичные мощности. В качестве вариантов таких устройств рассматриваются рабочее колесо ввиде свободного пропеллера, пропеллера в насадке, водяной аналог турбины©Кафедра теплоэнергетических систем, 20048Агеев В.А.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)Дарье, системы с управляемым крылом (рис. 13.4.2, а–в). Во всех этих конструкциях, так же как и у перспективных ветровых турбин, главный преобразующий элемент – крыловой профиль, обтекание которого потоком создаетгидродинамическую силу, заставляющую турбины вращаться.13.4.2. Варианты схем перспективных турбин для ОГЭС: а – свободный ротор; б – ротор в насадке; в – ротор, устанавливаемый поперек потока.Наилучшими показателями обладает турбина, выполненная в виде рабочего колеса с горизонтальной осью в насадке.

Это объясняется тем, что такое рабочее колесо меньше возмущает поток, не так сильно, как свободное,вовлекая жидкость во вращательное движение. Насадок как бы отделяет возмущенную часть потока от невозмущенной и в то же время обеспечивает некоторую концентрацию энергии. Форму насадка выбирают из такого расчета,чтобы обеспечить плавное безотрывное течение потока на подходе к турбине, сделать всю систему устойчивой на потоке, максимально снизить завихренность потока на выходе из нее.Увеличения мощности одного такого агрегата можно достигнуть засчет удлинения крыла.

По сравнению с ветровыми преобразователями океанские турбины в этом плане имеют преимущество: критический размер крыла,при котором в нем достигается предел прочности материалов для такой турбины выше. Но есть ограничения и в воде: при слишком большой длине крыла на смену изгибающим моментам, создаваемым под воздействием силы©Кафедра теплоэнергетических систем, 20049Агеев В.А.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)тяжести, приходят моменты, создаваемые силой давления потока.Другое ограничение диаметра рабочего колеса связано с технологическими трудностями при постройке и установке столь громоздких сооруженийв океане.

Специалисты сходятся во мнении, что диаметр турбин в насадкахвряд ли превысит 200 м (по габаритам подобное сооружение напоминаеткрытый стадион на 20 тысяч зрителей). Накопленный к настоящему времениопыт строительства эксплуатационных платформ для добычи нефти и тазаводоизмещением в сотни тысяч тонн показывает, что такие объекты могутбыть созданы.Рассмотрим преобразователи энергии потоков, относящиеся по нашейклассификации ко второй группе, и, прежде всего, устройства типа объемного насоса. На рис. 13.4.3 изображена одна из схем такого устройства, в основе которого – неподвижно закрепленное в потоке сопло Вентури. В пережатом сечении сопла из-за увеличения скорости жидкости происходит падениестатического давления, которое может быть использовано, например, для засасывания воздуха с поверхности.

В выходном сечении уже сжатый воздухвытесняется из потока в напорную камеру, откуда по ступает в воздуховодтурбины, соединенной с электрогенератором. При умеренных степенях пережатия потока работа такого устройства может быть описана с помощьюуравнения Бернулли.

В этом случае перепад давлений, который создается насосом,⎡⎛ A ⎞ 2 ⎤∆p = p1 − p2 = 0,5 ρv ⎢⎜⎜ 1 ⎟⎟ − 1⎥ ,⎢⎣⎝ A2 ⎠⎥⎦2где(13.4.1)A1– отношение площадей входного и минимального сечений конфузоA2ра.Производительность такого насоса зависит от расхода жидкости черезсечение насоса и может быть доведена примерно до 20 % объемного расхода.Эжекционные свойства сильно зависят от способа ввода в поток подсасывае©Кафедра теплоэнергетических систем, 200410Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)мого газа.Рис. 13.2.3. Схема объемного насоса: 1 – профилированный корпус; 2 – шахта воздухозаборника; 3 – воздухосборник; 4 – выхлопная шахта; 5 – воздушная турбина с электрогенератором.Перечень различных вариантов преобразователей можно продолжить,но важно отметить, что со временем могут быть открыты как более эффективные способы преобразования энергии потоков в океане, так и новые гидродинамические явления, которые потребуют принципиально новых разработок.

Уже сейчас можно обратить внимание на энергию океанских противотечений, скрытых толщей поверхностных вод и часто лишь достаточнотонкими пограничными слоями отделенных от поверхностных; энергию различных вихрей, возникающих в открытом океане под воздействием метеорологических возмущений и крупномасштабной гидродинамической неустойчивости в океанах.

Известны даже постоянно действующие вихри. Один изних находится в 400 км от Огасавары (Япония) в Тихом океане. Он представляет собой водоворот диаметром около 200 км, поднимающийся с глубины 3км почти до самой поверхности. Примечательна одна из особенностей водоворота – примерно через каждые 100 дней он изменяет направление вращения на обратное. По оценкам японских ученых удельные энергетические характеристики этого водоворота значительно выше, чем у ряда океанских течений.©Кафедра теплоэнергетических систем, 200411Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)Литература1. Бернштейн. Л.Б.

и др. Приливные электростанции.2. Коробков В.А. Преобразование энергии океана. – Л.: Судостроение, 1986.– 280 с.3. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. –М. Энергоатомиздат, 1990. – 392 с.4. http://acre.murdoch.edu.au/ – The Australian Renewable Energy Website.Содержание13. Использование энергии приливов и морских течений.................................. 113.1. Общие сведения об использовании энергии приливов..............................

113.2. Мощность приливных течений и приливного подъема воды ................... 313.3. Использование энергии океанских течений................................................ 613.4. Общая характеристика технических решений............................................

7Литература ............................................................................................................. 12©Кафедра теплоэнергетических систем, 200412.