Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивный рост энергопотребления ставит задачу поиска альтернативных источников, способных заменить органическое топливо, которое, по самым оптимистическим прогнозам, сможет обеспечивать человечество энергией еще только 100-150 лет. Кроме того, любая электростанция, работающая на органическом или ядерном топливе, способствует ухудшению экологической обстановки. Эти две проблемы заставляют вплотную заняться исследованиями по вовлечению в энергобаланс возобновляющихся источников, которые, по мнению многих специалистов, на уровне 2100 года будут покрывать около 18% энергетических потребностей. В основе возобновляющихся источников лежит энергия солнечного излучения, основная часть которого аккумулируется в Мировом океане. Техническую готовность к практическому применению из океанских источников имеют пока только энергия приливов и ветровых волн.
Широкомасштабное строительство волновых энергетических установок (ВЭУ) ограничивается пока из-за их сравнительно высокой стоимости, которая часто является результатом недостаточной изученности физических процессов, происходящих при взаимодействии волны с ВЭУ. Поэтому изучение рабочего процесса, типичного для большого класса поплавковых ВЭУ, с целью создания энергоустановок, конкурентоспособных с традиционными, представляется актуальной проблемой. В России ее актуальность определяется также значительным числом регионов, имеющих выход к морю и испытывающих дефицит топливно-энергепгческих ресурсов.
Целью работы является разработка научно обоснованного метода выбора оптимальных параметров поплавковых инерционных волновых энергетических установок, предназначенных для получения энергии различных видов в соответствии с нуждами потребителей, основанная на детальном изучении рабочего процесса волнового инерционного насоса (ВИН).
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
-
Разработана классификация волновых энергетических установок по их потребительским свойствам.
-
Разработаны физическая и математическая модели рабочего процесса ВИН, создан математический аппарат для расчета рабочего процесса, реализованный в программе для ПЭВМ, с подтверждением адекватности разработанного метода расчета физическим экспериментом на моделях и в натурных условиях.
-
Исследован рабочий процесс ВИН с выявлением оптимальных физических и конструктивных параметров, обеспечивающих его максимальную эффективность.
-
Разработан инженерный метод расчета основных характеристик и параметров ВИН.
4 5. Разработана методика оптимизации параметров волновых поплавковых энергетических установок, определены граничные условия оптимизации параметров ВИН и оценена экономическая эффективность применения ВЭУ автономными потребителями для условий России. Научная новизна работы состоит в:
—формулировке признаков классификации волновых энергетических установок по потребительским свойствам и их количественной оценке для волновых установок известных типов;
разработке математической модели рабочего процесса поплавковых инерционных ВЭУ с четырьмя колеблющимися системами и переменной массой в течение одного периода колебаний и создании программы, реализующей ее на ПЭВМ;
проведении полного факторного анализа рабочего процесса ВИН, на основании которого рекомендованы его оптимальные физические и конструктивные параметры и их соотношения;
разработке на основании ранжирования сил, участвующих в рабочем процессе ВИН, инженерного метода расчета, позволяющего получить зависимости для определения основных временных характеристик рабочего процесса, некоторых конструктивных параметров, а также производительности и КПД ВИН;
предложении упрощенной методики определения энергетических характеристик ветрового волнения, хорошо согласующейся с данными других авторов; разработке и апробировании в натурных условиях методики измерения характеристик ветрового волнения с колеблющегося объекта и создании математического аппарата для обработки результатов измерений.
На защиту выносятся*.
— метод расчета рабочего процесса инерционных поплавковых ВЭУ;
—результаты исследования влияния характеристик и параметров ВИН на его рабочий процесс;
— методика оптимизации параметров поплавковых ВЭУ;
—результаты натурных исследований опытно-промышленной установки ВИН. Практическое значение работы определяется разработанной методикой расчета рабочего процесса инерционных поплавковых ВЭУ, которая может быть использована для расчета любых поплавковых ЮУ, имеющих переменную массу и несколько колеблющихся систем. Методики определения физических и энергетических параметров ветрового волнения при измерениях с колеблющегося объекта могут быть использованы в океанографических исследованиях. Результаты работы использованы:
— в проекте Тугурской приливной электростанции, разрабатываемом в АО
"Гидропроект";
в виде технического устройства для создания искусственного апвеллинга на мидийной плантации Научно-экспериментального комплекса марикультурм Всероссийского НИИ морского рыбного хозяйства и океанографии;
при создании натурного образца светового навигационного буя и в проекте шумового буя;
в разработке ЦКБ "Коралл" при определении эффективности использования ВЭУ на морских нефтегазопромысловых сооружениях.
В ближайшей перспективе возможно использование результатов работы при расчете ВЭУ для локального регулирования климата отдельных районов, для энергообеспечения добычи и переработки глубоководных полезных ископаемых и металлоносных рассолов, для создания искусственного апвеллинга в рыбоводстве и на объектах марикультуры, в проектах океанских тепловых электростанций, для увеличения выработки энергии на прибрежных ГЭС и ГАЭС, в экологических проектах защиты морских акваторий от загрязнения и улучшения качества воды.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены: на Всесоюзной конференции "Опыт использования нетрадиционных источников энергии", Душанбе, 1988 г., на XX конгрессе по гидравлике, Лион, 1989 г., на Всесоюзном семинаре молодых ученых, Светлогорск, 1989 г., на Всесоюзном совещании "Физическое и математическое моделирование гидравлических процессов", Дивиогорск, 1989 г., на III Всесоюзной конференции по энергетике океана, Владивосток, 1991 г., на Международной конференции Тидромехаїшка, гидромашины, гидропривод и пщропневмоав-томатика", Москва, 1996 г., на научном семинаре лаборатории возобновляемых источников энергии МГУ, Москва, январь 1997 г., на научно-технических конференциях Московского государственного строительного университета в 1986-1990 гг., на заседании кафедры использования водной энергии МГСУ в январе 1997 г.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и списка литературы из 181 наименования. Работа изложена на 244 страницах машинописного текста, включает 56 рисунков и 16 таблиц.