Устройство для оценки волновых сил, действующих на волновой энергетический конвертер прибрежного волноэнергетического комплекса, и оценки эффективности преобразования энергии волнения в полезную работу
DEVICE FOR EVALUATION OF WAVE FORCES ACTING ON WAVE POWER CONVERTER OF COASTAL WAVE-ENERGY COMPLEX, AND EVALUATION OF EFFICIENCY OF WAVE ENERGY CONVERSION INTO USEFUL WORK

Изобретение относится к средствам для испытания гидротехнических сооружений, предназначенных для выработки электроэнергии, а именно к устройству, позволяющему произвести как оценку волновых сил, которые действуют на волновой энергетический конвертер прибрежного волноэнергетического комплекса, так и оценку эффективности преобразования энергии волнения в полезную работу.
Известна установка конверсии волнения моря в электроэнергию, содержащая плавучее средство с противовесом, накопитель электроэнергии, механически контактирующие с плавучим средством элементы с положительной плавучестью и преобразователи колебаний волн моря в импульсы электрической энергии в составе подвижных механических элементов, импульсно контактирующихс пьезоэлектрическими преобразователями (RU 90849, кл. F03B 13/14, опубликовано 20.01.2010).
Также известна волновая установка для защиты побережья от штормов с одновременным производством электроэнергии, содержащая несколько линий опор, соединенных между собой несущей балкой, на которой установлены средства преобразования энергии волн в электроэнергию (RU 179012, кл. Е02В 9/00, опубликовано 25.04.2018).
Задача изобретения состояла в том, чтобы разработать испытательное устройство, которое позволяло бы оценить эффективность работы известных установок.
Названная задача решена в изобретении с помощью следующей совокупности признаков.
Устройство для оценки волновых сил, действующих на волновой энергетический конвертер прибрежного волноэнергетического комплекса, и оценки эффективности преобразования энергии волнения в полезную работу, содержит опору на стойках, соединенную с рамой, установленной наклонно относительно стоек опоры и соединенную с ней посредством основных тензометрических датчиков. На раме с возможностью перемещения по направляющим установлены понтоны, связанные штоком с реечным механизмом, соединенным с валом генератора через дополнительный вал посредством цепной передачи, при этом шток состоит из двух частей, соединенных между собой дополнительным тензометрическим датчиком. Устройство снабжено измерительно-вычислительным комплексом, связанным с основными и дополнительным тензометрическими датчиками и электронным блоком, имитирующим нагрузку от внешней электрической цепи, соединенным с генератором.
Реечный механизм устройства включает две зубчатые рейки с размещенными между ними и закрепленными на валу посредством обгонных муфт двумя шестернями.
На раме устройства установлен ультразвуковой датчик перемещения понтонов.
Устройство снабжено дополнительными ультразвуковыми датчиками для измерения параметров волнения, соединенными с измерительно-вычислительным комплексом.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена схема предложенного устройства; на фиг. 2 отдельно изображена схема механической передачи предложенного устройства; на фиг. 3 - схема, поясняющая работу тензометрических датчиков, установленных на опоре; на фиг. 4 изображено устройство в сборе (вид в изометрии).
Изображенное на фиг. 1 устройство включает опорную конструкцию 1, неподвижно установленную на дне опытного бассейна, оборудованного волнопродуктором, генерирующим волны различных параметров. На опорной конструкции 1 установлена рама 2, предназначенная для крепления специального оборудования. Рама 2 соединена с опорной конструкцией 1 посредством основных тензометрических датчиков усилий 3, предназначенных для оценки волновых сил, действующих на конструкцию волноэнергетического комплекса. Эти датчики измеряют вертикальные и горизонтальные силы, а также момент сил относительно поперечной оси.
Специальное оборудование, закрепленное на раме 2, состоит из плавающих понтонов (рабочих органов) 4, выполненных с возможностью перемещения по закрепленным на раме 2 направляющим 5 и связанных штоками 6 с реечным механизмом. Штоки 6 состоят из 2-х частей, соединенных между собой дополнительными тензометрическими датчиками усилий 7.
Схематично изображенная на фиг. 2 механическая передача представляет собой реечный механизм, состоящий из 2-х зубчатых реек 8, которые при движении вращают две шестерни 9. Эти шестерни расположены на одном валу 10 и связанны с обгонными муфтами 11, установленными таким образом, чтобы при движении понтонов 4 на волне как вверх, так и вниз, вал вращался в одну сторону. Выходной конец вала связан цепной передачей 12 с генератором 13. Особенностью механической передачи является то, что между валом реечного механизма 10 и валом генератора имеется дополнительный вал 14 со сменным набором звездочек 15, предназначенным для цепной передачи и позволяющим изменять скорости вращения вала генератора и крутящий момент в зависимости от параметров волны.
Кроме того, на раме 2 устройства установлен ультразвуковой датчик перемещения 16 понтона 4, который в совокупности с тензометрическим датчиком усилий 7, установленным на штоке 6, при соответствующем сопротивлении генератора, обеспеченном специальным электронным блоком нагрузки 17, имитирующим внешнюю электрическую цепь, позволяет определить эффективность преобразования энергии волнения в полезную работу и мощность.
Для определения параметров волнения в состав устройства включены специальные ультразвуковые датчики 18, измеряющие параметры волнения, как в лабораторных, так и в натурных условиях.
В состав устройства также входит измерительно-вычислительный комплекс (ИВК), состоящий из аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 19 и персонального компьютера 20 (ПК), который позволяет ИВК получать информацию в числовом и графическом виде.
н
в
1
2
3
С помощью фиг. 3 поясняется работа тензометрических датчиков 3, где: Р - сила напора волны, Р - выталкивающая сила, Q, Q и Q - реакции опор (тензометрических датчиков).
н
в
1
2
3
Силы Р и Р вызывают реакции в датчиках Q, Q и Q.
1
Для расчета опорной конструкции необходимо знать момент сил относительно поперечной (направлению движения волн) оси, проходящей через любую точку опорной конструкции. Например, выбираем ось, проходящую через шарнир O.
2
о2
1
3
Если выбираем ось, проходящую через шарнир O, тогда момент М относительно этой оси будет равен сумме моментов сил Q и Q.
Устройство работает следующим образом.
Волна толкает понтон 4 вверх по направляющей 5 рамы 2. Вниз понтон опускается за счет собственного веса. Усилие передается через шток 6 двум зубчатым рейкам 8, которые, перемещаясь, вращают соединенные с обгонными муфтами 11 шестерни 9. Обгонные муфты установлены так, что при вращении шестерен в одну сторону работает одна муфта, а при вращении в другую сторону - другая. Таким образом, при вращении шестерен как в одну, так и в другую сторону вал 10 вращается всегда в одну сторону. При этом тензометрические датчики 7 измеряют усилие F, толкающее шток, а ультразвуковые датчики 16 определяют величину перемещения понтона за один волновой период τ(скорость ν).
1
По этим данным определяется мощность N сопротивления движения понтона
.
Эффективность работы определяется коэффициентом
,
где N - мощность волны.
Для регулярной волны
,
h - высота волны, ρ - плотность жидкости, g - ускорение земного притяжения, В - ширина понтона.
Сопротивление движению понтона, а значит гашению волны и выработке электроэнергии, осуществляет генератор 13, ротор которого вращается от вала 10 реечного механизма посредством цепной передачи 12. С ростом скорости вращения ротора растет выработка электроэнергии и сопротивление движению понтона. С ростом мощности волны растет скорость перемещения понтона и, следовательно, скорость вращения ротора генератора. Однако при возрастании мощности волны скорость растет значительно медленнее мощности. Поэтому для увеличения съема электроэнергии на генераторе (увеличении кпд) осуществляется изменение передаточного числа цепной передачи за счет подбора звездочек 15 на дополнительном валу 14.
Таким образом, при возрастании мощности волны увеличивается скорость вращения ротора, а вместе с этим выработка электроэнергии и гашение волны, так, например, при высоте волны 0,2 м и периоде 1,822 с мощность волны равна 167,3 Вт.
Механическая мощность, определенная путем интегрирования за период произведения усилий в штанга и перемещений понтона, равна 56,9 Вт.
Электрическая мощность, определенная путем интегрирования, за период произведения тока и напряжения, равна 49 Вт. Таким образом КПД преобразования энергии волнения в механическую работу равен 56,9/167,3=0,34. КПД преобразования энергии волнения в электроэнергию равен 49/167,3=0,29.
На фиг. 4 дан пространственный вид устройство в сборе. Так, помещенная в опытный бассейн 21 (фиг. 1) опорная конструкция 1, состоит из горизонтальных балок 22, жестко соединенных с несколькими рядами вертикальных стоек 23. Рамы 2 с установленными на них с возможностью поступательного перемещения понтонами 4 установлены в каждом ряду стоек 23 и расположены под заданным наклоном к ним.