Методика визначення сил та моментів, що діють на поверхню енергопоглинального елемента морської хвильової електростанції при різному збуренні поверхні моря

Abstract

Marine energy (also sometimes referred to as Global Ocean power) contains enormous energy potential carried by ocean waves, tides, salinity and temperatures differences. This is a vast and mostly untapped source of renewable and clean energy that can provide 20,000—80,000 terawatt-hours per year (TWh/y) of electricity (according to the year 2007 International Energy Agency annual report on Ocean Energy Systems IEA-OES). When evaluating wave energy as a source of electricity it is important to understand the engineering challenges of the chosen approach. A common flaw of typical wave energy converters designed and currently in use around the world is a vulnerability to sudden changes in environmental conditions during storms that could greatly differ from conditions used for calculations. The problem of the destructive influence of waves during sudden changes in wind force and direction is solved by flooding of a power take-off element and a platform to the depth where parameters of waves met calculation values, without station operational mode change. Thus consumers stably receive the declared quantity of the electric power. The important issue is to choose correct materials for parts of a wave energy converter, especially power take-off element, use to increased forces applied during storms. Environmental concerns of marine energy developments are to consider the influence of engineered structure on ocean fauna and flora, therefore: −wave converters have to take away energy from the ecosystem without disrupting usual nature processes; − consider the risk of marine mammal, fish, and plants being struck by energy converter's turbine blades; physical presence of marine energy project to alter the behavior of ecosystem flora and fauna by attraction or avoidance; − potential effect on nearfield and far-field marine environment and processes as sediment transport or water quality. The suggested method allows creating water energy converter according to water area seasonal conditions and atmospheric environmental conditions. Using this method will determine forces that affect the power take-off element. After calculations are finished the information about velocity diagrams and stress-strain curves along power take-off element radius will allow to engineer the form of power take-off element and choose corresponding materials for certain parts.

Світовий океан містить велетенський енергетичний потенціал, який формується під дією енергії Сонця та енергії тяжіння Місяця. Використовується цей великий і екологічно чистий потенціал ще вкрай мало. Вміння реалізовувати енергію морської хвилі в любий інший вид роботи для відтворення нетрадиційного джерела енергії – задача найважливіша. Загальним недоліком всіх створених у світі хвильових станцій незалежно від їх принципу дії є нестійкість до руйнівного впливу морських хвиль в період різкого підвищення сили вітру, коли умови роботи станції сильно відрізняються від розрахункових значень. Проблема руйнівного впливу хвиль в період різкого змінення сили вітру і, відповідно, амплітуди коливань поверхні моря, розв’язано шляхом підтоплення станції на глибину, де коливання хвиль відповідають розрахунковим значенням, без змінення режиму роботи самої станції. При цьому споживачі стабільно получають заявлену кількість електроенергії при любих погодних умовах. Існує проблема з визначенням композитних матеріалів для виробництва окремих вузлів хвильової електростанції, особливо енергопоглинального елемента, оскільки при збільшенні розрахункової потужності значно зростають вимоги до їх міцності. Розроблено методику, яка в залежності від акваторії моря, сезонного впливу атмосфери, потреби споживачів електроенергії дає змогу приймати рішення на визначення геометричних параметрів станції (довжина, радіус енергопоглинального елемента та ін.). Користуючись методикою, визначаються складові сили, що діє на поверхню енергопоглинального елемента, та обертальний момент. Після проведення розрахунку епюр сил та моментів вздовж радіуса енергопоглинального елемента з метою визначення критичних перерізів та найслабших місць приймаються конструкторські рішення щодо форми енергопоглинального елемента та композитних матеріалів для виробництва окремих вузлів хвильової електростанції.

Мировой океан имеет огромный энергетический потенциал, который формируется под воздействием энергии Солнца и энергии притяжения Луны. Используется этот большой и экологически чистый потенциал еще крайне мало. Умение реализовать энергию морской волны в любой другой вид роботы для создания нетрадиционного источника энергии – задача наиважнейшая. Общим недостатком всех созданных в мире волновых станций независимо от их принципа действия является неустойчивость к разрушительному воздействию морских волн в период резкого повышения силы ветра, когда условия работы станции сильно отличаются от расчетных значений. Проблема разрушительного воздействия волн в период резкого изменения силы ветра и, соответственно, амплитуды колебаний поверхности моря, решена путем подтопления энергопоглощающего элемента и платформы станции на глубину, где колебания волн соответствуют расчетным значениям, без изменения режима работы самой станции. При этом потребители стабильно получают заявленное количество электроэнергии при любых погодных условиях. Существует проблема с определением композитных материалов для производства отдельных узлов волновой электростанции, особенно энергопоглощающего элемента, так как при увеличении расчетной мощности возрастают требования к их прочности. Разработана методика, которая в зависимости от акватории моря, сезонного влияния атмосферы, потребности потребителей электроэнергии дает возможность для принятия решений на определение герметических параметров станции (длина, радиус энергопоглощающего элемента и т.д). Используя методику, определяют составляющие силы, которая действует на поверхность энергопоглощающего элемента, и вращательный момент. После проведения расчета эпюр сил и моментов вдоль радиуса энергопоглощающего элемента с целью определения критических сечений принимаются конструкторские решения по форме энергопоглощающего элемента и композитных материалов для производства отдельных узлов волновой электростанции.