Н. Ясаков,
Новороссийск 2017
В комментарии к статье «Черноморским берегам – достойный облик» резонно замечено, что в проектах укрощения морских волн приоритет должен быть отдан использованию их энергии «в мирных целях». И только остаточный её опасный потенциал при необходимости следует просто гасить.
Руководствуясь этими принципами, попытаемся обсудить эту тему с позиций самых последних технических решений в этой области.
Да, морская стихия – это бездонное вместилище громадного энергетического потенциала с его в основном разрушительными проявлениями на побережьях и островных территориях. И если это создаёт ощутимые проблемы в относительно спокойных внутренних морях, то что уж говорить об открытых океанских просторах!
Мысль о возможном использовании энергии волн зародилась на заре освоения альтернативной энергетики и по мере возможностей воплотилась в целый ряд самых различных устройств по преобразованию этой энергии в полезную работу. Среди них есть очень удачные по эффективности отбора волновой энергии (“Утка” Солтера, плот Коккерелла и др.). Однако практическая реализация подобных проектов связана с большими материальными затратами. И при этом не достигается высокая эффективность передачи энергии от воспринимающего устройства до вала генератора. Кроме того, первая из упомянутых энергоустановок не адаптирована к ориентации фронта волны, вторая же — к длине последней. Эти недостатки сдерживают широкое применение данных энергоустановок1.
Следует отметить, что сама идея использования системы связанных поплавков в виде контурного плота, предложенная ещё в 1935 году К.Э. Циолковским, является наиболее перспективной и в волновой энергетике, и в инженерной защите побережий от волновой эрозии2.
Именно такая конструкция заложена в последних разработках модульных волновых электростанций, описанных в патентах РФ №№ 2313690, 2365780 и 2374485.
Рассмотрим самую простую из них – конструкцию импульсного преобразователя волновой энергии (ИПВП). Она является источником выпрямленного электрического тока и вполне пригодна для обеспечения «неприхотливых к качеству» электроэнергии потребителей – теплоснабжение самых разных объектов, зарядка аккумуляторов, работа опреснительных и электролизных установок, а с использованием стабилизаторов и инверторов – и для любых других целей.
Эта волновая установка имеет подвижную многозвенную конструкцию, состоящую из модулей с локальными энергопреобразователями, выполненную в виде соединённых подвижно один относительно другого плавучих блоков с разъёмным сердечником (его элементы связаны со смежными блоками) и размещёнными на нём намагничивающей и силовой обмотками, при этом намагничивающие обмотки непосредственно или через регулирующий резистор соединены с общими шинами и конденсаторами, а силовые обмотки соединены с этими шинами через выпрямительные устройства.
Наиболее перспективный, по мнению автора, вариант такого устройства выполнен так: его контурный плот содержит ряд шарнирно связанных поплавков — модулей: головной 1 (см. Рис.1),
несколько промежуточных 2 и замыкающий 3. Головной модуль оснащён бампером 4 и связан с анкером (на морском дне либо сооружении) посредством вантов с использованием — при необходимости — эластичных канатов 5. Внутри модуля 1 на его торце закреплён один из элементов разъемного сердечника 6 (см. Рис.2), на котором имеется силовая обмотка 7, подключенная через выпрямительное устройство 8 к общим шинам конденсаторной установки 9, к которым непосредственно либо через регулирующий резистор присоединена намагничивающая обмотка 10, расположенная на втором элементе разъёмного сердечника 6, установленном на торце смежного промежуточного модуля 2. Модули связаны шарнирными узлами 11 с возможностью ограниченного взаимного поворота как в вертикальном, так и горизонтальном направлении. Место их подвижного соединения защищено герметичной вставкой 12. К общим шинам с конденсаторной установкой подключён отходящий кабель 13. По своему внутреннему устройству головной модуль отличается от промежуточных только тем, что не содержит элемента разъёмного сердечника 6 с намагничивающей обмоткой 10, а замыкающий модуль 3 содержит только этот элемент (см. Рис.3).
Контурный плот может иметь многорядную конструкцию.
Работает преобразователь таким образом. При спокойной поверхности моря все модули 1, 2 и 3, запас плавучести которых примерно равен их весу с равномерным распределением в плане, занимают горизонтальное положение. С появлением волнения незначительный по своей величине магнитный поток, обусловленный остаточной намагниченностью сердечников 6, претерпевает изменения, связанные с изменением суммарной величины зазоров в магнитопроводе при относительном перемещении смежных поплавков. Возникающие при этом в силовых обмотках 7 слабые импульсы проходят через выпрямительные устройства 8 и создают начальный заряд конденсаторной установки 9, что влечёт появление в намагничивающих обмотках 10 тока намагничивания. При этом э.д.с. импульсов быстро возрастает, повышая напряжение на общих шинах до такого уровня, при котором намагничивающий ток создаёт на элементах разъёмного сердечника предельное усилие, которое ещё способны преодолевать волны в данный момент.
Для выравнивания условий работы всех модулей при затухании проходящей волны достаточно иметь различное отношение числа витков силовой и намагничивающей обмоток, повышая его в направлении от головного модуля к замыкающему. Такое выравнивание можно обеспечить и установкой ИПВЭ на неглубокой (меньше половины длины расчётной волны) воде с естественным либо искусственным уклоном дна во встречном направлении по отношению к характерному для данного места направлению хода волн.
При работе данного устройства в силу значительной массы поплавков и магнитопроводов возникают определённые инерционные силы. Будучи нежелательными в других аналогах, здесь они полезны, а именно: воздействуя через жёсткие ограничители шарнирных соединений 11 на соседние поплавки, они создают «эффект домино», усиливая динамические импульсы, размыкающие эти соседние магнитопроводы.
Предусмотренные в конструкции эластичные вставки 12 надёжно защищают торцовые части модулей от воздействия морской среды.
Гибкий силовой кабель 13, передающий электроэнергию к потребителю, не препятствует свободному перемещению плота, т.к. на участке спуска по эластичному канату 5 вантового крепления проложен с резервом длины, равномерно распределённым по этому канату. Этот резерв особо необходим при сильном волнении моря, когда плот подвержен значительным вертикальным перемещениям.
Итак, описанный импульсный преобразователь волновой энергии с предельно упрощённой конструкцией способен работать в оптимальном режиме при меняющихся интенсивности и направлении движения волн, не требуя сложных систем автоматизации, гасит (в достаточной мере для многих прибрежных акваторий) опасное волнение и, главное, как сказано выше, может обеспечивать электроэнергией потребности, как отопление, сушка материалов, опреснение воды, получение из неё водорода и кислорода и др., а с применением преобразователей и производить электроэнергию со стандартными параметрами. При этом практически все работы по изготовлению ИПВЭ могут выполняться в заводских условиях, а затраты на их установку и обслуживание минимальны.
Мощным источником электроэнергии со стандартными параметрами можно считать волновую электростанцию, описанную в патенте РФ № 2313690, 2007 г. Она выполнена (см. Рис.4) в виде контурного плота с динамическим якорем, её поплавки соединены с ним предварительно напряжёнными упругими связями, кинематическая система, как показано на Рис.5, 6 и 7, имеет общий многозвенный карданный вал, связанный с корпусом каждого поплавка кинематической парой с возрастающим от звена к звену в направлении от машинного отсека передаточным отношением и соединённый жёстко либо через муфту предельного момента с маховиком, к валу которого непосредственно либо через мультипликатор присоединён стабилизатор частоты вращения, выполненный в виде, например, динамической муфты, с которой связан ротор электрогенератора.
Итак, электростанция состоит из системы поплавков, головного 1 и секционных 2, а также машинного отсека 3, связанных шарнирными соединениями, геометрические оси которых проходят через точки перегиба установленного по продольной оси секционных поплавков 2 карданного вала 4 (см. Рис. 7).
Каждый поплавок кинематически связан с секцией карданного вала, установленной в соседнем поплавке, например, конической передачей, состоящей из пары зубчатых колёс 5 и шестерни 6 (либо фрикционной передачей), при этом передаточное отношение для каждой секции вала возрастает в направлении от машинного отсека 3, а каждое колесо 5, установленное на своей полуоси 7, оснащено муфтой свободного хода 8 с обеспечением возможности свободного вращения вала 4 в одном определённом направлении. На конце последней секции вала 4 установлена муфта предельного момента 9, связанная с главной передачей 10 привода маховика 11, к валу которого (непосредственно либо через мультипликатор) присоединён стабилизатор частоты вращения в виде, например, известной динамической муфты (муфты скольжения) 12, с которой связан ротор генератора 13. Вместо мультипликатора и стабилизатора может быть установлен один из известных вариаторов с автоматическим регулированием частоты вращения ведомого вала.
Секции карданного вала 4 соединены, например, шлицевыми муфтами 14.
Места соединения поплавков между собой и с машинным отсеком 3 герметически закрыты эластичными вставками 15, а торцы корпусов оснащены буферами 16, в носовой части головного поплавка имеется массивный бампер 17. Боковые стенки поплавков усилены вертикальными пластинами 18, проушины которых посредством упругих связей 19 соединены с динамическим якорем 20, подвижно связанным с анкерной опорой. От машинного отсека 3 до анкерной опоры и далее до места подключения проложен электрический кабель 21.
Волновая электростанция работает так. При отсутствии волнения осадка поплавков минимальна из-за предельно малой массы их и связанного с ними динамического якоря. В силу этого резерв подъёмной силы поплавков максимальный. Начальное усилие упругих связей 19 определяется их предварительно напряжённым состоянием с обеспечением суммарного усилия, равного половине подъёмной силы плота (с равномерным распределением между всеми связями).
При наличии волн время нахождения поплавков на гребне намного меньше, чем в ложбине, поэтому динамический якорь самоустанавливается на уровне, соответствующем нахождению поплавков вблизи средней отметки впадин, обеспечивая максимальную амплитуду колебания поплавков 1 и 2. Благодаря предельно малой массе последних подъёмная сила волн, обусловленная их как потенциальной, так и отчасти кинетической энергией, а также противоположно направленное усилие упругих связей с максимально достижимой эффективностью передаётся на вал 4 при наименьших затратах на преодоление инерционных сил, связанных с переменным движением (линейным и угловым) шарнирно соединённых элементов плота.
Передача принятой от волн энергии на электрический генератор осуществляется при изменении взаимного положения в каждой паре шарнирно связанных элементов плота: поворот одного элемента относительно другого в любую сторону приводит во вращение соответствующее колесо 5, установленное на полуоси 7, жёстко связанной с “приводным” поплавком, с передачей момента на сопряжённую шестерню 6, при этом второе колесо, также находящееся в зацеплении с этой шестерней, муфтой свободного хода 8 освобождается от кинематической связи с “приводным” поплавком и вращается вхолостую.
Передаточное отношение в кинематических парах не одинаково: оно снижается от звена к звену в направлении хода волны — от носовой части плота к его “корме”, соответственно в любой рассматриваемый момент при работе электростанции снижается и мгновенная угловая скорость их приводных колёс, поскольку ведомый вал у них общий. Следовательно, волна практически любой амплитуды начинает свою “работу” с того поплавка, скорость поворота которого относительно соседнего окажется больше угловой скорости соответствующего колеса 5 непосредственно перед проходом данной волны под этим поплавком.
Шарнирное соединение последней пары элементов плота, состоящей из секционного поплавка 2 и машинного отсека 3, отбирает часть остаточной энергии волны, хотя последний не меняет своей ориентации относительно горизонта, удерживаемый гироскопическими силами вращающегося маховика 11, его вертикальные колебания также незначительны (т.к. масса его большая, а волна уже предельно ослаблена), и это снижает механические нагрузки на кабель 21.
При ударе по плоту опасной (крутой) волны либо тяжёлого плавающего предмета по бамперу 17 головного поплавка 1 установленная на карданном валу 4 муфта предельного момента 9 защитит вал с соединительными муфтами 14, главную передачу 10 и другие элементы кинематики от запредельных и ударных нагрузок. В нормальном же режиме вес бампера 17 обеспечивает достаточный вращающий момент для работы этого поплавка на заднем склоне волны.
Предельный угол сгиба в шарнирном соединении пары поплавков ограничен буферами 16.
Необходимый запас энергии, аккумулированный маховиком 11, необходим не столько для выравнивания частоты вращения его вала, сколько для покрытия кратковременного недостатка в энергии, связанного с превышением реальных интервалов времени между приходом достаточно мощных волн. Хотя длина плота принимается примерно равной наибольшей расчётной длине γ волн, характерных для данного места установки ВЭС, всегда вероятны нарушения их ритмичности, связанные как с их интерференцией, так и с другими случайными процессами. Оптимальный режим отбора мощности электрогенератором 13 осуществляется с помощью динамической муфты 12 либо других известных устройств с автоматическим поддержанием частоты вращения и достаточно высоким к.п.д.
Эластичные вставки 15 изолируют элементы кинематики, расположенные между поплавками, от внешней среды, увеличивают плавучесть и улучшают обтекаемость плота.
Боковые пластины 18 препятствуют поперечному перемещению воды под плотом, что повышает к.п.д. отбора энергии, а также положительно влияют на процесс самопроизвольной установки плота по направлению движения волн.
Рассмотренная ВЭС способна снабжать электроэнергией как стационарных потребителей (на берегу или на морских промысловых платформах), так и мобильных (морская геология, плавучие средства добычи и переработки морепродуктов и др.). Система прибрежных ВЭС, к тому же, защитит берег и находящиеся в прибойной зоне сооружения от разрушения волнами, сохраняя в то же время необходимое для экосистемы мелководья малое волнение моря.
Однако, такая ВЭС может надёжно работать и даже защищать берега от волновой эрозии только при отсутствии угрозы штормовых волн, представляющих опасность для самой станции.
В этой ситуации может быть использована ВЭС с собственной защитой от опасных волн (патент РФ №2365780). Она оснащена самонастраивающимся пневматическим волноломом с нагнетателями воздуха на первых, считая с головного, поплавках контурного плота, воздуховодом и воздухораспределительной системой, размещённой на консолях динамического якоря в водном пространстве перед головным поплавком, а также устройством автоматического управления сбросом воздуха в этом пространстве.
Для пояснения конструкции данной энергоустановки на Рис.8 показан общий вид ВЭС; на Рис.9 — продольное сечение головного поплавка по осям пневмоцилиндров, расположенных вблизи его боковых стенок; на Рис.10 — вид «А» на комбинированную муфту, показанную на Рис.9.
ВЭС, как и выше описанный её аналог, состоит из поплавков 1 (Рис.8), объединённых в контурный плот, оснащённый трансмиссией с маховиком и электрогенератором, а также динамическим якорем. Первые (считая с головного) поплавки снабжены пневмонагнетателями 2 (см. Рис.9), например поршневыми, с воздузозаборными трубами 3 и клапанами: впускными 4 и выпускными 5, воздуховодами 6, подключёнными к ресиверу, представленному в данном случае головным поплавком, а также расположенной на установленных консолях 7 динамического якоря воздухораспределительной системой 8 с запорной арматурой 9, связанной с датчиками высоты волны в виде, например, буёв 10 с регулировочными противовесами 11. Упомянутые первые поплавки оснащены муфтами предельного момента, содержащими ведущий диск 12 (см. Рис.10), ведомый диск 13, поджатый, например, тарельчатой пружиной 14, фрикционную вставку 15, и конструктивно объединёнными с муфтами свободного хода в комбинированную муфту, через которую корпус поплавка кинематически связан с каждым своим приводным колесом.
Волновая электростанция работает так. В нормальных условиях, когда высота волн не превышает расчётное значение, работа ВЭС практически не отличается от работы её аналога: продольный контур плота повторяет профиль движущейся волны, затухающей по мере отбора её энергии, из-за чего скорость относительного поворота смежных поплавков в направлении от головного к машинному снижается, что компенсируется изменяющимся передаточным отношением в звеньях трансмиссии. Этим обеспечивается отбор энергии всеми поплавками, скорость поворота которых отстаёт от скорости изменения профиля проходящей под ними волны. При такой интенсивности волнения упоры буферов у поплавков даже первой пары, включающей головной, не доходят до штоков нагнетателей 2, а усилия в трансмиссии остаются в расчётных пределах.
С усилением волнения упоры буферов у первых пар поплавков начинают воздействовать на подпружиненные штоки нагнетателей 2, и атмосферный воздух через заборные трубы 3 и клапаны 4 и 5 подаётся во внутреннее пространство головного поплавка-ресивера, соединённого воздуховодами 6 с установленной на консолях 7 воздухораспределительной системой 8. При этом датчики высоты волны — буи 10, настроенные с помощью противовесов 17, отслеживают высоту приходящей волны и в соответствии с ней подают через запорную арматуру 9 необходимый объем воздуха (мелкими струями) в водное пространство перед плотом электростанции. Образующаяся водовоздушная смесь благодаря малой плотности и хорошей сжимаемости эффективно гасит волну до безопасного уровня. При этом, если плоты установлены с определённым шагом, необходимым для их манёвра, связанного с изменением направления волн, воздухораспределительные трубы с длиной, превосходящей в данном случае ширину плота, способны гасить волну между плотами, а дальше – на пути к защищаемому побережью – они дополнительно гасятся дифракцией за плотами ВЭС.
В случае особо резких воздействий на головной поплавок крутой волны или тяжёлых плавающих предметов энергия при его повороте аккумулируется в пневмоамортизаторах. Они исключают ударные нагрузки на шарнирные соединения поплавков и возвращают запасённую ими энергию при реверсе поворота последних при уже перекрытых выпускных клапанах 5.
Всякие перегрузки, связанные с резким ускорением поворота поплавков, снимаются муфтами предельного момента в самом начале силовой трансмиссии, чем обеспечивается её защита от поломок и интенсивного изнашивания. Величина предельного момента определяется усилием пружины 14 и коэффициентом трения рабочих поверхностей дисков 12 и 13 с фрикционной вставкой 15.
Оснащение волновых электростанций описанными устройствами полностью решат проблему защиты самих ВЭС и расположенного за ними побережья практически в любых экстремальных ситуациях. Кроме того, рассмотренная здесь идея использования поплавковых пневмонагнетателей для воздухоснабжения пневматических волноломов найдёт широкое применение в инженерной защите береговых и морских сооружений.
Таким образом, на базе описанных преобразователей волновой энергии жителям побережья, как принято говорить, сам Бог велел брать эту дармовую энергию, успешно покрывая все житейские потребности, сводя до минимума зависимость от сетей энергоснабжения и внося свой посильный вклад в защиту окружающей среды.
