Содержание к диссертации
Введение
Современная энергетика, электроэнергетика, волновая энергетика 12
Состояние глобальной энергетики 12
Структура современного энергопроизводства 16
Энергетика в России 18
Волноэнергетические ресурсы мирового океана 22
Использование волноэнергетических ресурсов Мирового Океана 22
Механизм возникновения и энергетика ветровых волн 25
Концепции устройства преобразователей энергии волн . 32
Разрабатываемые технические решения 35
Устройства, разрабатываемые для преобразования энергии волн 40
Выводы по главе 1. Постановка задачи исследования 48
Проектно-конструктивное решение поплавковой волновой электростанции 50
Поплавковая Волновая Электростанция 50
Прототип Поплавковой Волновой Электростанции 56
Выводы по второй главе 69
Динамическая модель привода ПВЭС 71
Общее описание модели 71
Свободные колебания системы без демпфирования 74
Свободные колебания в модели ПВЭС с демпфированием 85
Вынужденные колебания в модели с демпфированием 90
Средние мощности за период колебаний и КПД МП ПВЭС 94
Основные характеристики МП энергии волн ПВЭС. 98
Инженерная методика расчёта основных параметров МП энергии 105
волн ПВЭС.
Разработка модели взаимодействия колеблющейся капсулы водой с 108
Компьютерная оценка мощности и эффективности привода 113
Выводы по третьей главе 116
Экспериментальные исследования динамической модели модуля ПВЭС 118
Испытательный стенд 118
Проведение эксперимента 124
Результаты экспериментов 127
Выводы по четвертой главе 131
Заключение 132
Список использованной литературы 135
- Использование волноэнергетических ресурсов Мирового Океана
- Прототип Поплавковой Волновой Электростанции
- Вынужденные колебания в модели с демпфированием
- Разработка модели взаимодействия колеблющейся капсулы водой
Введение к работе
Актуальность темы
Энергетика в значительной степени определяет уровень развития экономики, качество жизни и состояние окружающей среды. Современное энергопроизводство характеризуется доминированием технологий, базирующихся на сжигании угля, нефтепродуктов, газа и лишь 0,4% энергобаланса приходится на возобновляемые энергоресурсы (ВЭР). В России доля использования ВЭР еще меньше. Чем больше производится энергии на основе топливосжигающих технологий, тем более дорогую цену приходится платить за сохранение на Земле условий, необходимых для здоровой и полноценной жизни. Очевидно, что энергетические проблемы следует решать в тесной связи с экологическими, шире используя технологии на базе ВЭР.
Среди ВЭР морские ветровые волны обладают наибольшей удельной мощностью. Использование лишь доли совокупной энергии волн Мирового Океана для преобразования в электроэнергию позволит существенно увеличить современное производство электроэнергии на планете без какого-либо ущерба её экосистеме. Поэтому разработка преобразователей энергии волн в электроэнергию, осуществляемая в настоящее время в различных странах, весьма актуальна.
Одним из перспективных устройств, создаваемых для этой цели, является «Поплавковая Волновая Электростанция» (ПВЭС). Основным конкурентным преимуществом ПВЭС, по сравнению с другими преобразователями энергии волн, является использование колебательного механического привода, что позволяет согласовывать работу устройства с внешним волновым полем и, тем самым, обеспечивать наилучшие условия для отбора энергии.
В диссертационной работе поставлена и рассмотрена актуальная научная задача построения и исследования динамической модели механического преобразователя энергии для модуля ПВЭС.
Разработка, создание и использование ПВЭС будет способствовать решению энергетических, производственно-технических и социально-экономических проблем, как в России, так и за рубежом.
Целями работы являются:
разработка динамической модели механического привода для модуля ПВЭС, использующего колебательный механизм отбора энергии от волнового поля;
изучение условий эффективной работы устройства.
Научная новизна работы
Впервые разработана динамическая модель механического привода для модуля ПВЭС -принципиально нового устройства для преобразования энергии волн.
Известно, что моделирование - это целесообразно адекватное информационное отображение реального объекта, например в данной работе, механического привода модуля ПВЭС. Следует заметить, что ПВЭС сложная агрегатированная система и её декомпозиция до определенного уровня, в частности до уровня привода модуля ПВЭС является ответственной исследовательской процедурой, существенно влияющей на конечные результаты. Одному и тому же приводу модуля ПВЭС и всей электростанции в целом могут быть поставлены в соответствие совершенно разные математические и физические модели.
Предполагается, что наилучшим механизмом отбора энергии от волнового поля является колебательный. В соответствии с этим подходом, в качестве одного из основных узлов привода в модуле ПВЭС используется колебательная система. В работе рассмотрена динамическая модель механического привода.
Принято во внимание, что в исходной структурной модели модуля ПВЭС отчетливо прослеживаются действующие на него сосредоточенные, поверхностные и объемные силы, а также факторы различной физической природы. К ним относятся: силы тяжести; гидростатические силы; силы нормального гидродинамического давления; гидродинамические силы трения корпуса о воду; натяжение буй-репа; натяжение вантов сети, удерживающей модули; силы Кориолиса; действие сил поверхностных течений на подводную часть; ветровые нагрузки надводной части; силы трения механизмов; внутреннее трение в конструкционных материалах и др.
Анализ указанного многообразия факторов взаимодействия можно вести двояко.
Можно основываться на дифференциальных принципах векторной силовой механики Ньютона. При этом основная тяжесть моделирования ложится на обеспечение адекватности математических моделей отдельных подсистем преобразователя энергии волн, которых, вообще много, что увеличивает порядок исследуемой системы привода модуля и которые, кроме того, трудно выделить на начальном этапе исследования. Векторно-силовой подход более детально отражает физическую механику взаимодействия разнородных компонентов преобразователя энергии волн, но требует обоснованного задания сил.
Анализ динамики волнового электрогенератора также можно вести на основе обобщенного энергетического подхода аналитической механики Лагранжа. При этом вовлекаются в обращение: работа на возможных перемещениях системы; потенциальная энергия системы (при определенных условиях); кинетическая энергия системы. Используются также понятия
обобщенной силы и обобщенной координаты. При этом обобщенные силы могут иметь вид совершенно не соответствующий известным типам сил различной физической природы. Размерность обобщенной силы и её вид зависят от произвола выбора обобщенной координаты, что делает этот выбор существенно значимым.
В данной работе используется математическая модель привода модуля ПВЭС в виде двухстепенной колебательной системы, полученной с использованием уравнений Лагранжа II рода. Предпочтение обобщенного энергетического подхода к составлению уравнений движения волнового электрогенератора, в сопоставлении с векторным силовым подходом, обусловлено функциональным энергетическим предназначением исследуемой системы и стремлением исключить из рассмотрения на начальном этапе синтеза ПВЭС силовые факторы влияния второго порядка малости.
Показано, что достоинством преобразователя энергии волн, в основу работы которого положен колебательный механизм взаимодействия с волной (переменной составляющей силы Архимеда), является его чувствительность по отношению к первопричине движения и способность к взаимодействию с волной даже в случае срыва колебательного процесса в одной из колебательных подсистем. Благодаря указанному принципу действия и устройству, такой преобразователь способен обеспечить наилучшие условия для эффективного отбора энергии путем подстройки и согласования его параметров с параметрами внешнего волнового поля.
Проведенное математическое моделирование динамических процессов в преобразователе позволяет оценивать основные проектные параметры модуля ПВЭС.
Разработана методика и представлен пример расчета основных параметров колебательного привода и модуля ПВЭС в целом.
Для лабораторных исследований динамической модели механического привода модуля ПВЭС был создан действующий макет, позволяющий изучать основные рабочие функции реального устройства. К таким функциям относятся возбуждение и установление вынужденных колебаний груза упругого осциллятора при гармонических колебаниях, а также пондеромоторное возбуждение тока в электрогенераторе за счет энергии осциллятора.
С помощью экспериментального макета были изучены различные режимы возбуждения колебаний осциллятора и способы отбора энергии с помощью различных типов электрогенераторов и нагрузочных устройств. При различных значениях частот и амплитуд возбуждающего воздействия, масс грузов и жесткостей пружин подвески груза в ходе экспериментов определялись амплитудно-частотные характеристики колебаний системы, выходные параметры электрогенераторов и оценивалась эффективность преобразования энергии. Достоверность экспериментальных данных была обеспечена путем применения
апробированных методик измерения и обработки данных, отладки режимов совместной работы узлов и измерительных устройств, а также проведения экспериментов на повторяемость и воспроизводимость результатов измерений.
Данные, полученные в ходе экспериментального моделирования в пределах возможностей лабораторного макета, находятся в хорошем соответствии с результатами исследования разрабатываемой в работе динамической модели.
Практическая ценность
Исследования, результаты которых изложены в диссертации, будут использованы для:
разработки и создания полноразмерных модулей ПВЭС различного назначения;
разработки технологий изготовления элементов и узлов проектируемых устройств;
усовершенствования аналитических и численных методик расчёта характеристик рабочего процесса и параметров устройств;
усовершенствования лабораторной базы для проведения экспериментальных исследований и определения эксплуатационных характеристик узлов и модулей в целом.
Из результатов патентного поиска и анализа следует, что ПВЭС не имеет мировых аналогов и создание её будет иметь большое прикладное значение. В зависимости от назначения, возможно создание как одномодульных, рассчитанных на мощность до 50 кВт, так и многомодульных установок в виде сетей, которые могут быть собраны из большого количества десяти - пятидесяти киловаттных модулей с суммарной электрической мощностью до десятков мегаватт. Одномодульные устройства могут использоваться в качестве источников электропитания для морских судов, световых и радио маяков, в средствах мониторинга окружающей среды, метеозондирования, навигации, связи, телекоммуникации, в средствах индивидуального жизнеобеспечения и др. Многомодульные устройства могут быть использованы для энергообеспечения прибрежных и островных поселений; для энергообеспечения объектов перерабатывающей промышленности морского и прибрежного базирования, для электролизного производства водорода и кислорода, что будет стимулировать становление экологически безопасной водородной энергетики на Земле.
Результаты диссертации были использованы (внедрены) при выполнении:
Работы по теме "Разработка компонентов системы, совместимой с окружающей средой, для
развития экономики прибрежных районов Арктики на базе использования региональных
возобновляемых ресурсов" на основе контракта с Европейской Комиссией № ICA2-CT-2000-
10049;
Работы по теме " Co-ordinated Action on Ocean Energy " на основе контракта с Европейской Комиссии № SES6-502701;
Работы по теме "Моделирование процессов в Поплавковой Волновой Электростанции" с Федеральным агентством по науке и инновациям РФ на основании контракта № 02.516.11.6108.
Достоверность
Достоверность разработанных в диссертации методов и полученных результатов подтверждается:
о использованием достаточно строгого, обоснованного и апробированного физико-математического подхода к построению и рассмотрению динамической модели;
о непротиворечивостью рассмотренной динамической модели другим моделям поведения колебательных систем, изложенным в литературе, а также соответствием результатов данным, полученным другими авторами;
о соответствием характеристик привода, определяемых расчетом на основе математической модели, и данных, получаемых в ходе экспериментального моделирования.
Личный вклад автора
Конкретное участие автора заключалось в реализации поставленных в работе задач, разработке методов их решения; обработке, анализе, интерпретации получаемых результатов.
Личный вклад автора был определяющим при:
1. обосновании актуальности и целесообразности постановки задачи разработки
высокоэффективного преобразователя энергии волн, предназначенного для работы в
различных морских акваториях и при различных условиях формирования волн;
разработке технической и конструктивной концепции, схемы устройства и принципа действия преобразователя энергии волн поплавкового типа на основе двухстепенной колебательной системы, пригодного для эффективной работы в условиях непостоянства аплитуд, фаз и направлений распространения волн в пределах спектров рабочих частот, характернных для морских акваторий; определении и оценке конкурентных преимуществ ПВЭС по сравнению с другими разрабатываемыми для этой цели устройствами;
разработке динамической физической и математической модели колебательного привода модуля преобразователя энергии волн на основе двухстепенной колебательной системы, позволяющей проводить анализ процессов отбора энергии от волны, адекватных явлению;
создании лабораторной установки для экспериментальных исследований динамической
модели механического привода модуля ПВЭС, позволяющей изучать основные рабочие
функции устройства, такие как возбуждение и установление вынужденных колебаний груза упругого осциллятора, приведение в движение электрогенератора и пондеромоторное возбуждение тока в нём за счет энергии осциллятора, согласование электрогенератора с нагрузкой.
5. проведении экспериментального моделирования на лабораторном аналоге механического привода для модуля ПВЭС, показавшем, что поведение динамической модели, рассмотренной в данной работе, находятся в хорошем согласии с поведением реальных устройств. В целом, конкретный вклад автора заключался в реализации поставленных в работе задач,
разработке методов решения, обработке, анализе и интерпретации результатов.
Апробация результатов работы.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
о IV и V Межведомственных (Международных) симпозиумах «Динамические и
технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред», (Россия, 1998 и 1999
гг.), о 33 и 34 Международных конференциях по преобразованию энергии (США, 1998 г. и Канада,
1999 г.), о 5-й Международной конференции по Волновой Энергии (Ирландия, 2003), о 8-м всемирном конгрессе по возобновляемым источникам энергии (США, 2004), о 4-м Международном семинаре по скоординированным действиям в области волновой
энергии (Португалия, 2006), о Международной конференции и выставке по возобновляемой энергетике (Япония, 2006), о Международном семинаре: сотрудничество в области энергетических технологий,
глобальные вызовы и согласованные действия (Россия, 2008), о Российской национальной выставке (Индия, 2008).
На защиту выносятся:
Физическая и математическая модели действия колебательного привода для модуля ПВЭС, позволяющие проводить адекватный анализ процессов отбора энергии от волнового поля, а также рассчитывать параметры устройства и условия его эффективной работы;
Результаты экспериментального изучения процесса преобразования энергии возвратно-поступательного движения упругого осциллятора в электричество на лабораторной модели.
Публикации
Основные результаты исследований, составляющие основу диссертации, опубликованы в 11 печатных работах и содержатся в 14 технических отчетах ООО «Компании «Прикладные Технологии».
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы. Работа изложена на 142 стр. машинописного текста, содержит 1 таблицу, 65 рисунка; библиография включает 92 наименования.
Использование волноэнергетических ресурсов Мирового Океана
В структуре возобновляемых, энергоресурсов океанские волны являются весьма перспективным энергоносителем. Простираясь на огромные пространства земной поверхности и участвуя в глобальных солнечно-земных процессах океаны, по оценкам различных источников, обладают совокупной, доступной для утилизации волновой мощностью порядка 10ю кВт. При этом океанские волны способны развивать наибольшую для» возобновляемых источников; удельную мощность. Так плотность потока; солнечного излучения в среднем по? году - 250 Вт/м2, ветрового-потока (при скорости ветра 7,3 м/с) - около 250 Вт/м2, водного потока, (при скорости-1 м/с) - 500? Вт/м2, в то- времякак, средняя значение потока энергии набегающей волны при периоде Т = 7... 10 с и сравнительно небольшой высоте Н - 2 м в расчете: на Г м фронта волны составляет 40:..50 кВт/м. В отдельных акваториях на средних широтах обоих полушарий Земли волновая активность характеризуется значениями потоков 70... 100 кВт/м (Рис. 1.7).
Использование энергии океанских волн позволило бы существенно увеличить мировое производство электроэнергии при полном отсутствии экологического дисбаланса, без загрязнения окружающей среды, без вывода из хозяйственного использования плодородных земель и лесных угодий, без каких-либо других негативных последствий. Более того, акватории океанов с высокой штормовой активностью, сами по себе являясь районами весьма неудобными для обитания и деятельности человека, с помощью электростанций, преобразующих энергию волн, могут превратиться в регионы, где разрушительная энергия природных стихий использовалась бы для целей созидания и жизнеустройства [1,2,81].
Основная доля энергии, поступающей в Мировой океан, - результат поглощения им солнечного излучения. Энергетические ресурсы океана также создаются в результате гравитационного взаимодействия космических тел и водных масс планеты, создающего приливы, и поступления тепла из глубины планеты.
Поверхность Мирового Океана занимает около 70 % поверхности планеты, составляя примерно 360 млн. км2. Большая часть этой поверхности постоянно свободна ото льда и хорошо поглощает солнечное излучение. В океанской воде примерно 65 % солнечного излучения поглощается первым верхним метром водной толщи и до 90 % - верхним десятиметровым слоем. В дневное время в низких широтах вода прогревается на глубину примерно на 10 м и более за счет процессов теплопроводности и турбулентного перемешивания (твердая поверхность суши прогревается не более чем на 0,5 м).
Запасенное океаном тепло частично в виде длинноволнового излучения (X 10 мкм) переизлучается, а частично передается в атмосферу теплопроводным пограничным слоем и вследствие испарения. Относительная роль этих процессов различна для разных районов планеты , но на широтах от 70с.ш. до 70 ю.ш. характеризуется примерно одинаковыми значениями: длинноволновое излучение в атмосферу и космическое пространство 41 %; передача тепла атмосфере за счет теплопроводности 5 %; потери на испарение 54 %.
За счет движения воздушных и водных масс запасенная океаном энергия переносится по всей.планете, причем в области между экватором и 70 с.ш. в среднем 40 % тепла переносится океанскими течениями, а на 20 с. ш. вклад океана в перенос энергии составляет до 74%. Ежегодно с поверхности океана испаряется слой воды толщиной примерно 1 м (около 340-1012 т) и около 36-1012 т воды возвращается со стоком рек, ледников и т.п.
Примерно 2/3 суммарного солнечного излучения в океане и на поверхности суши преобразуются в тепло - 43 %; расходуются на испарение, образование осадков - 22 %; сообщение энергии рекам, ветру, волнам, различным видам течений в океане - 0,2 %. Примерно 0,02 % всей энергии , воспринятого солнечного излучения идет на образование продукции фотосинтеза и частично на образование ископаемого топлива. С этой величиной соизмерим суммарный поток энергии, поступающей из недр Земли и в виде приливной энергии.
В целом, формирование потоков энергии, определяющих энергетику Океана, зависит от разных факторов и взаимосвязи явлений. Для энергетики важны лишь величины мощностей различных источников, которые можно преобразовать в требуемые для хозяйственной деятельности виды энергии.
Прототип Поплавковой Волновой Электростанции
Демонстрация пригодности данного устройства для осуществления процесса преобразования энергии морских волн в электроэнергию; 2. Экспериментальное исследование и отработка динамической модели механического преобразователя энергии волн; проведение моделирования гидродинамического взаимодействия капсулы-поплавка с водой; 3. Уточнение методик расчёта характеристик рабочего процесса и параметров узлов и устройства в целом; 4. Экспериментальная отработка конструкции элементов и устройства в целом; 5. Отработка технологии изготовления элементов и узлов разрабатываемых устройств; 6. Отработка методики экспериментального определения эксплуатационных характеристик и оценки эффективности модуля ПВЭС. Мощность модуля начальная N = 100 Вт с возможностью наращивания до 1000 Вт. Масса груза внутреннего маятника m = 300 кг с возможностью увеличения до 2000 кг. Период колебаний внутреннего маятника Т = 4,5 .. .5,0 сек. Максимальная амплитуда колебаний груза А = 1,5 м. Наружный диаметр капсулы Dout = 1,2 м. Осадка буя на тихой воде в состоянии покоя h = 7 м. Полная высота капсулы Н = 11 м. Масса балласта - до 4 тонн. Полная масса прототипа - до 7 тонн. Тип сочленения привода с электрогенератором непосредственное сочленение груза внутреннего маятника с возбудителем линейного электрогенератора. Корпус прототипа (рис. 2.34.) преобразователя состоит из 2 отсеков, выполненных в виде цилиндрических оболочек с набором шпангоутов и стрингеров, образующих внутренний каркас. Все элементы корпуса изготовлены из обычной стали. Соединение отсеков корпуса фланцевые.
Герметичность соединений отсеков обеспечивается торцевым уплотнением с помощью резинового шнура. Масса корпуса составляет » 1200кг. Нижний отсек предназначен для размещения пружинного блока и линейного электрогенератора. К нижнему фланцу отсека крепится основание пружинного блока, а к верхнему фланцу крепится платформа для стыковки с центральной стойкой пружинного блока. Верхний агрегатный отсек предназначен для размещения аппаратуры для контроля работы устройства. Он оснащен люком и внутренней лестницей для осуществления визуального контроля и ремонта оборудования, размещенного внутри корпуса, а также наружной лестницей и причальным кольцом. К верхней части отсека крепится пирамидальная палубная надстройка для размещения навигационных знаков (поз. 4 на рис. 2.33). Тип пружин - металлические, цилиндрические, винтовые, сжатия. Выносливость пружин - 10 циклов при допускаемом касательном напряжении т2 = 960 Н/мм . Пружинный блок состоит из следующих основных частей: - основания, представляющего собой круглую плиту толщиной 45 мм, в центре которой закреплена центральная стойка в виде 12-ти гранной трубы; - восьми вертикально расположенных рядов пружин, по 3 пружины в ряду, симметрично расположенных относительно центральной стойки; - семи опорных разделительных кареток, предназначенных для фиксации положения пружин и их центровки относительно стойки; - груза маятника массой 500кг и 3 кареток обеспечивающих центровку груза относительно центральной стойки.
Вынужденные колебания в модели с демпфированием
Это отношение определяет вертикальную устойчивость капсулы при совершении колебаний. Значение д0 должно быть много меньше единицы. Практически можно поступить так: выбрать q0=0,25, по методике произвести расчёт геометрических параметров и масс, а затем уточнить значение д0 и вновь произвести расчёт. 3.7.2. Значения относительных коэффициентов демпфирования выбираем из условия обеспечения колебательного режима, то есть коэффициент затухания (3.51) должен удовлетворять неравенству S р. В случае S-p имеем границу колебательного режима. Для вынужденных колебаний роль р выполняет величина Z = Е,х, которая обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии волны. Поэтому для границы колебательного режима с учётом (3.51) и p = Z = /5» получаем соотношение V l Г ї из которого находим оценку для проверки правильности выбора величины ц/2: Так как величина имеет значение порядка единицы, то в качестве величины у/г достаточно выбрать величину в 2-3 раза меньшую единицы, то есть у/2 = 0,4, например. А в качестве у/х можно выбрать величину такого же значения или меньше (больше), что следует из (3.51). После вычисления величины по формуле (3.101) с помощью соотношения (3.119) можно произвести проверку и уточнить выбор Ц/} и у/г. 3.7.3. С помощью выражений (3.99), (3.100) и (3.101) вычисляем значения коэффициента оптимальной расстройки , парциальных подсистем. ZJ 3.7.4. Для высоты волны Я и её амплитуды Д, =— в случае гармонических волн (Н«Л) с учётом (3.94) находим значение амплитуды колебаний капсулы где коэффициент распределения амплитуд определяется соотношением и коэффициент полезного действия 3.7.5. Высота капсулы определяется из соотношений (3.111),(3.112).
Окончательная величина L уточняется на этапе конструирования и компановки узлов во внутреннем объёме капсулы. 3.7.6. Из соотношения (3.110) вычисляем диаметр капсулы D. Ъ.1.1. Формулы (3.113) используем для расчета масс {т\- т2 тк) и коэффициентов квазиупругих сил (к{,к2) колебательных подсистем. Изложенная методика позволяет вычислить параметры механического преобразователя энергии волн и тем самым сформулировать требования к преобразователю механической энергии в электрическую в виде величины коэффициента сопротивления С2 и гидродинамическим характеристикам капсулы, обеспечивающим её движение в жидкости с коэффициентом сопротивления с,. В заключение рассмотрим пример расчёта параметров МП ПВЭС для волн типа зыби с характеристиками представленными в п. 3.6.9 для высоты волны Н = \м. 1. Выбираем значение q0 =- - = 0,25. Щ 2. Значения относительных коэффициентов демпфирования полагаем равными у, =0,2 и у/2 =0,4. 3. По формулам (3.99),(3.100) и (3.101) для коэффициента оптимальной расстройки находим значение: , = 0,583. ТТ 4. Для амплитуды волны А = — = 0,5л , используя соотношения (3.115) и (3.116), вычисляем амплитуды колебаний капсулы и тела массы m2: Л,о =0,952 (м) и Д0 = 2,15 (м). 5. В качестве высоты капсулы выбираем наибольшее значение из (3.111),(3.112) L = (4o + 4o), =6,20(л0 6. Из соотношения (3.110) вычисляем величину диаметра капсулы D = 1,37 (м).
Разработка модели взаимодействия колеблющейся капсулы водой
Для проведения численных оценок энергетических параметров и эффективности модели привода была разработана программа на базе системы MATLAB. Средняя за период колебаний Т мощность вынуждающей силы действующей на поплавок равна [53]: где: F" 0 - вынуждающая сила, uosc - скорость осциллятора. Средняя мощность сил демпфирования идущая в основном на раскрутку электрогенератора (полезная мощность) за тот же промежуток времени будет [53]: Как видно, в принятой математической модели средняя полезная мощность модуля ПВЭС является функцией девяти переменных Наличие большого числа независимых переменных, определяющих работу преобразователя волновой энергии, делает задачу моделирования процессов в двухстепенной колебательной системе весьма трудной. Так, предварительное определение коэффициента гидродинамического сопротивления с, требует знания закономерноятей или наличия экспериментальных данных по колебательному взаимодействию плавающих объектов с водой. На характер взаимодействия корпуса с водой влияют форма подводной части; скорость перемещения; частота колебаний; соотношения между характерными размерами поплавка, амплитудой его колебаний и длиной волны; динамика взаимодействия корпуса с вязкими волнами
Стокса и вихрями Кармана; другие факторы. Поэтому при разработке модели процесса целесообразно использовать взаимообусловленность его характеристик. Так, при использовании безразмерных масс т2/тх и жесткостей пружин к2/кх, приемлемых конструктивно, можно оценивать достижимые расчетные мощности устройства. Последние будут определять как облик, так и работоспособность преобразователя. Для иллюстрации представим в виде трехмерного графика результаты численного моделирования параметров устройства в диалоговой программе, работающей в среде MATLAB. На рисунке 3.57 по оси абсцисс отложена безразмерная жесткость k2jkx, по оси ординат - безразмерная масса m2/ml, а по оси аппликат - полезная мощность устройства при периоде колебаний вынуждающей силы Т=5с. Пример соответствует безразмерным коэффициентам сопротивления с\ = с2 /т2С1 = 0,4 и с = с, 1тхС1 =0,2. Как видно, зависимость Р(т2/т1,к2/к1) при фиксированных остальных параметрах, характеризующих систему, имеет вид поверхности, дающей наглядное представление о характере изменения средней полезной мощности модели и позволяющей определять зону рабочих режимов устройства. Эта зависимость носит быстроизменяющийся характер с ярко выраженными экстремумами в околорезонансных областях. Расчеты показывают, что даже незначительные изменения коэффициентов демпфирования дают принципиально разные поверхности средней полезной мощности.
Похожие диссертации на Динамическая модель механического привода модуля поплавковой волновой электростанции
