Спосіб перетворення кінетичної енергії довгоперіодних водяних хвиль в електричну енергію

Реферат: UA 90545 U UA 90545 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до гідротехнічного будівництва, зокрема до електростанцій, що використовують енергію хвиль, а саме до способів їх розміщування. Відомий спосіб перетворення кінетичної енергії довгоперіодних водяних хвиль в електричну енергію, який використовує засоби перетворення, розміщені в отворах стримуючої припливну хвилю греблі [1]. До недоліків відомого способу перетворення кінетичної енергії довгоперіодних водяних хвиль в електричну енергію належить його висока вартість, яку обумовлює будівництво греблі. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним за прототип, є спосіб перетворення кінетичної енергії довгоперіодних водяних хвиль в електричну енергію, який використовує засоби перетворення, розміщені в зоні високих припливних хвиль [2]. До недоліків відомого способу перетворення кінетичної енергії довгоперіодних водяних хвиль в електричну енергію, вибраного за прототип, належить те, що він не враховує коливань сейшевих хвиль, висота яких у водоймі може бути порівняною із висотою припливних хвиль, і навіть більшою за них. В основу корисної моделі поставлено задачу шляхом використання закономірності модуляції амплітуди коливань сейшів, що оббігають навколо амфідромічної точки, показаної в [3], забезпечити підвищення ефективності перетворення кінетичної енергії довгоперіодних сейшевих хвиль. Суть корисної моделі в способі перетворення кінетичної енергії довгоперіодних водяних хвиль в електричну енергію вирішується тим, що засоби перетворення розміщуються в зоні високих сейшевих хвиль, яка утворюється при оббіганні ними навколо амфідромічної точки. Порівняльний аналіз технічного рішення, яке заявляється, із прототипом, дозволяє зробити висновок, що спосіб перетворення кінетичної енергії довгоперіодних водяних хвиль в електричну енергію, який заявляється, відрізняється тим, що засоби перетворення розміщуються в зоні високих сейшевих хвиль, яка утворюється при оббіганні ними навколо амфідромічної точки. Спосіб перетворення кінетичної енергії довгоперіодних водяних хвиль в електричну енергію пояснюється за допомогою креслень, де на фіг. 1 показано спектр коливань рівня води на морській гідрометеорологічній станції "Севастополь", розрахований по 90-добовій реалізації за період з 02 травня по 30 червня 2001 року [4]; на фіг. 2 показана котидальна карта одновузлових поверхневих поздовжніх сейшевих хвиль оз. Тріхоніс (Греція), які утворюються при оббіганні ними навколо амфідромічної точки: суцільні - лінії рівних фаз (котидальні лінії), в градусах; пунктирні - лінії рівних амплітуд, в умовних одиницях [5]; на фіг. 3 показані фази довгоперіодної стоячої хвилі в прямокутному басейні з горизонтальним дном, яка утворюється при оббіганні хвилі проти годинникової стрілки навколо амфідромічної точки [6]; на фіг. 4 показано зміни амплітуд сейшів оз. Тріхоніс при оббіганні навколо амфідромічної точки (а спектр f f f f f частот сейшів; б, в, г, д, е - амплітудна модуляція мод S10 , S20 , S30 , S40 , S50 , відповідно). Висота сейшевих хвиль у водоймі може бути порівняною із висотою припливних хвиль, і навіть більшою за них. На фіг. 1 для прикладу показано спектр коливань рівня води на берегу Севастопольської бухти. На фіг. 1 цифрами позначено: 1 - припливоутворюючий період f  0,042 обертання Сонця навколо Землі (частота коливань T1 cph - циклів/год.); 2 f  0,081 припливоутворюючий період обертання Місяця навколо Землі (частота коливань T2 f  0,400 циклів/год.); 3 - одновузлові поздовжні сейшеві коливання частотою S10 циклів/год.; 4 fS 20  0,800 двовузлові поздовжні сейшеві коливання частотою циклів/год.; 5 - тривузлові f  1111 , поздовжні сейшеві коливання частотою S30 циклів/год. Якщо визначальний лінійний розмір водойми (довжина L чи ширина W ) порівняний із радіусом деформації Росбі, або більший за нього, тоді обертальний рух Землі викликає оббігання сейшів навколо амфідромічної точки [7]. Карта оббігання одновузлових поверхневих поздовжніх сейшів озера Тріхоніс навколо амфідромічної точки представлена на фіг. 2. Фази (з кроком 1/8 циклу - від 0 до 7) довгоперіодної поверхневої стоячої хвилі в прямокутному басейні з горизонтальним дном, яка утворюється при оббіганні хвилі проти годинникової стрілки навколо амфідромічної точки Р (по К. Мортимеру), показані на фіг. 3. Формула розрахунку власних частот поверхневих сейшів у прямокутному басейні з горизонтальним дном має вигляд [8]: 1 UA 90545 U fS mn  5 10 15 20 gD 2 L2  n2 ,..., W 2 ; m  0,1..., m ; n  0,1 n , (1) 2 де m , n - номери вузлів поздовжньої та поперечної сейші, відповідно; g  9,81 м/с прискорення вільного падіння; D , L , W глибина, довжина, ширина басейну, відповідно. На озері Тріхоніс спостережено одно-, дво-, три-, чотири- і п'яти-вузлові моди поверхневих f  1736 , TS10  34,57 f  3,720 поздовжніх ссйінів частотами S10 cph (період хв.); S 20 cph T  16,13 f  4,988 T  12,03 f  6,479 T  9,26 ( S20 хв.); S30 cph ( S30 хв.); S 40 cph ( S 40 хв.); fS50  7,979 TS 50  7,52 cph ( хв.) [5]. Результати розрахунків для прямокутного басейну з лінійними розмірами, які відповідають 2 морфометричним характеристикам оз. Тріхоніс (L=20 км; площа водної поверхні S=96,9 км ; середня ширина W  S / L  4,85 км; середня глибина D  40 м), дають наступні, порівняні зі f  1783 , f  3,566 f  5,348 f  7,131 спостереженими, результати: S10 cph; S 20 cph; S30 cph; S 40 cph; fS50  8,914 cph. На фіг. 4 показано закон зміни довжини, без урахування викривлень котидальної лінії і відповідної траєкторії розповсюдження хвилі, прямокутної моделі оз. Тріхоніс при обертанні з постійною швидкістю. Відгуком на зміни довжини мають бути, у відповідності до формули (1), зміни частоти коливань. При оббіганні поздовжніх сейшів навколо амфідромічної точки утворюється поліхромна хвиля 1 (фіг. 4а), обмежена знизу частотою f10 , яка варіює. Отже, при оббіганні поперечних сейшів навколо амфідромічної точки також утворюється поліхромна хвиля 2 (фіг. 4а), зі зсувом фази  відносно поздовжньої хвилі на 90°. Спектр частот коливань представлено заштрихованою ділянкою. Відповідні зміни амплітуд мод, без урахування перехідної характеристики наростання/спаду імпульсу модулюючої функції, представлені на фіг. f f f f f 4б (мода S10 ), 4в ( S20 ), 4г ( S30 ), 4д ( S40 ), 4е ( S50 ). Результуюча висота рівня місячно-сонячного припливу в будь-який момент часу може бути розрахована по формулі [9]: i 25 m2  hT  h0   A Ti cos Ti t  Ti i1  , , i  12,..., i , (2) де h0 - висота середнього рівня над нулем глибин; A - амплітуда хвилі;   2f - кутова швидкість хвилі; t - середній сонячний час;  - початкова фаза хвилі. Аналогічно, результуюча висота рівня сейшевого хвилювання j  hS  h0   A S j cos S j t  S j 30  , , j  12,..., j . (3) Максимально можлива потужність в одному циклі приплив-відплив розраховується по формулі [10]: j1 WT  gS hT 2 , (4) 35 де  - густина води; g - прискорення вільного падіння; S - площа водного басейну; h різниця рівнів води в циклі. Аналогічно, потужність в циклі сейшевого хвилювання WS  gS hS 2 . (5) 40 45 Порівняння отриманих значень може бути критерієм при оцінці і виборі місця розміщення засобів перетворення кінетичної енергії довгоперіодних водяних хвиль в електричну енергію. Підвищення ефективності застосування способу перетворення кінетичної енергії довгоперіодних водяних хвиль в електричну енергію, який заявляється, у порівнянні з прототипом, полягає в тому, що засоби перетворення розміщуються в зоні високих сейшевих хвиль, яка утворюється при оббіганні ними навколо амфідромічної точки. Джерела інформації: 1. European Patent EP 0 909 365 B1, Int. C1. F 03 В 13/26. Tidal Current Energy Converter / Hulsbergen С.H, Steijn R.С. - Priority NL 1003516; 05.07.1996; Publication 21.04.1999; Bull. 1999/16. - аналог. 2 UA 90545 U 5 10 15 20 2. Усачев И.H. Приливные электростанции (ПЭС) - источник энергии, запасаемый в водороде /И.Н. Усачев, Ю.Б. Шполянский, Б.Л. Историк и др. // Малая энергетика. - 2008. -№ 12. - С. 31-38. - прототип. 3. Анахов П.В. Амплітудна модуляція сейшів при обертанні в прямокутному басейні // Сборник научных трудов Sworld. Материалы международной научно-практической конференции "Современные направления теоретических и прикладных исследований '2013". Выпуск 1. Том 46. - Одесса: КУПРИЕНКО, 2013. - ЦИТ: 113-0026. - С. 48-51. 4. Горячкин Ю.Н. Сейши в Севастопольской бухте / Ю.Н. Горячкин, В.А. Иванов, Л.Н. Репетин, Т.В. Хмара // Наукові праці УкрНДГМІ. - 2002. - Вип. 250. - С. 342-353. 5. Zacharias I. Verification of seiching processes in a large and deep lake (Trichonis, Greece) / I. Zacharias // Mediterranean Marine Science. - Vol. 1/1. - 2000. - Pp. 79-89. 6. Hutter K. Physics of Lakes. Vol. 2: Lakes as oscillators / K. Нutter, Y. Wang, I.P. Chubarenko. Berlin: Springer-Verlag, 2011. - 646 p. 7. Guilbaud C. Eurolakes. D28: Internal seiche mixing study. Work package No. 7. Integrated Water Resource Management for Important Deep European Lakes and their Catchment Areas / C. Guilbaud, E. Hollan, B. Wahl et al. - SOG, 2004. - 92 p. 8. Rabinovich A.B. Seiches and Harbor Oscillations / Handbook of Coastal and Ocean Engineering (ed. by Y. C. Kim). - Singapoure: World Scientific Publ., 2009. - P. 193-236. 9. Безруков Ю.Ф. Океанология. Ч. II. Динамические явления и процессы в океане / К). Ф. Безруков. - Симферополь: Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского, 2006. - 123 с. 10. Городов Р.В. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии / Р.В. Городов, В.Е. Губин, А.С. Матвеев. - 1-е изд. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. 294 с. 25 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 Спосіб перетворення кінетичної енергії довгоперіодних водяних хвиль в електричну енергію, який характеризується тим, що засоби перетворення розміщуються в зоні високих сейшевих хвиль, яка утворюється при оббіганні ними навколо амфідромічної точки. 3 UA 90545 U 4 UA 90545 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5