Научные публикации

  • Морской Дрон

    Морской Дрон 24.02.2015

    Проект Морской Дрон
    г. Екатеринбург

    Термин.

    Морской Дрон (англ. drone — трутень, бездельник) — морской беспилотный аппарат,
    разновидность роботов, в том числе и для использования в военных целях. В задачу этих
    автономных систем, входит выполнение миссий, потенциально опасных для человека или
    невозможных выполнить человеком. В более широком смысле: мобильный, автономный
    аппарат, запрограммированный на выполнение каких-либо задач в море или океане.
    Морские Дроны бывают двух типов: подводные и надводные. В науке относятся к
    Технической Океанологии изучающей приборы используемые в океанологии; их
    применение в научных экспедициях. Наука об оптимальном выборе комплексов
    технических средств, для эффективного решения конкретных исследовательских задач
    любого из разделов океанологии.

  • РАЗРАБОТКА ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ПОПЛАВКОВО - ВОЛНОВОЙ МИКРО-ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

    РАЗРАБОТКА ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ПОПЛАВКОВО - ВОЛНОВОЙ МИКРО-ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ 19.11.2014

    Приведены данные о состоянии волновой энергетики и основные конструкции разработок в мире. Описана конструкция разрабатываемого отечественного модуля волновой ЭС. Показаны принцип работы, достоинства разрабатываемой волновой установки и её преимущества по сравнению с имеющимися аналогами за рубежом. Приведена схема экспериментального стенда- имитатора волн, а также результаты исследований..

    УДК 620.91 

    РАЗРАБОТКА ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ПОПЛАВКОВО - ВОЛНОВОЙ МИКРО-ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ 

    1. Елисеев А.В., 2 Велькин В.И., 2 Щеклеин С.Е., 2 Лаврешин А.С.
     1-  «OceanRusEnergy», 2-Уральский федеральный университет (г. Екатеринбург)

     Аннотация:
     Приведены данные о состоянии волновой энергетики и основные конструкции разработок в мире. Описана конструкция разрабатываемого отечественного модуля волновой ЭС. Показаны принцип работы, достоинства разрабатываемой волновой установки и её преимущества по сравнению с имеющимися аналогами за рубежом. Приведена схема экспериментального стенда- имитатора волн, а также результаты исследований.

     Ключевые слова: волновая энергетика, возобновляемые источники энергии, волновой энергомодуль. 

     Среди разнообразных видов возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в России особняком стоит волновая энергетика. Между тем, в последнее время, она вызывает все больший интерес у специалистов во всем мире [1].

     Состояние вопроса 
     Первая заявка на патент волновой электростанции была подана в Париже в 1799 г. Уже в 1890 г. была предпринята первая попытка практического использования энергии волн.
     В Норвегии с 1985 года действует первая в мире промышленная волновая электростанция мощностью 850 кВт [2].
     Следующая волновая электростанция мощностью 2,25 МВт вошла в коммерческую эксплуатацию только в 2008 г. в районе Агусадора (Португалия) на расстоянии 5 км от берега. Проект электростанции принадлежит шотландской компании Pelamis Wave Power, которая в 2005 г. заключила контракт с португальской энергетической компанией Enersis на строительство волновой электростанции. Стоимость контракта составила 8 млн. евро. В 2009 г. волновая электростанция была введена в эксплуатацию на Оркнейских островах. В Великобритании строится волновая электростанция мощностью в 20 МВт [3]. 

    Энергетическая эффективность волн 
    Энергетический потенциал волны зависит от ее высоты, ширины и периода волновых процессов. Все эти параметры в свою очередь в сильной степени зависят от метеорологических условий и географического положения поверхности волнения.
     Расчеты специалистов показали, что средняя удельная мощность ветровых волн для стран северного полушария составляет около 25 кВт/м. В Атлантическом океане для волны высотой 2,7 м при периоде волны в 7,1 с за 60 ч с 1 погонного метра фронта волны можно получить до 30 000 кВт∙ч[4].

     Регионы мира с максимальной удельной энергией волн (млн кВт∙ч/ п. м фронта волны в год)
     табл 1.png

    Регионы мира и моря с максимальной удельной энергией волн (кВт/п. м фронта волны)
    табл 2.png 

     Целесообразность использования энергии волн определяется их высокой удельной мощностью. В открытом море при высоте волны более 10 м удельная мощность может достигать 2 МВт/м. Технически можно использовать энергию волн лишь в прибрежных зонах, где удельная мощность не превышает 80 кВт/м. Удельная мощность ветрового волнения составляет [5]:

     Каспийское море ……………… 7…11 кВт/м.
     Баренцево море …………………. 22…29 кВт/м.
     Балтийское море ……………… 7…8 кВт/м. 
    Охотское море ………………. 12…20 кВт/м.

     Существуют множество разработок волновых преобразователей, часть из которых реализованы в той или иной мере. Наиболее известные: поплавковая ГЭУ, плот Коккереля, качающаяся «утка» Солтера, осциллирующий водяной столб, пульсирующий водяной столб Массуды [6].

     Волновые установки поплавкового типа при испытаниях показывают
     - хороший уровень КПД (80%);
     - возможность полного отбора энергии волны;
     - на сегодняшний день являются наиболее распространенными. 

    Установки на основе «осциллирующих водных столбов» при испытаниях, например, в Японии («Каймей», 1980 год) показали довольно низкий уровень КПД (15-25 %). Однако разработки по данному типу ВлЭС продолжаются. Установки типа «Упругая труба» и «Плот Коккерелля» 
    - в настоящее время не рентабельны 
    - не получают распространения из-за своих громоздких конструкций, 
    - выявлены сложности с укреплением в определенной точке поверхности (заякориванием)
     - низкая эффективность. 

    Конструкция разрабатываемого волнового модуля Волновой мГЭС 
    Разрабатываемый образец волновой энергоустановки поплавкового типа представляет собой закрытую металлическую капсулу отрицательной плавучести для испытаний в имитирующих морское волнение условиях. 
    Корпус ВлмЭС выполнен из стального трубного проката диаметром 180мм, внутри которого подпружинен маятник. Внутри корпуса маятника закреплен небольшой трехобмоточный генератор переменного тока. На приводном валу генератора расположено зубчатое колесо, которое перемещается в зацеплении с рейкой, продольно закрепленной внутри корпуса волногенератора. 
    Волновая электрогенерирующая установка состоит из вертикально расположенного цилиндрического корпуса с размещенными в нем механическим преобразователем энергии морских волн. Последний включает в себя пружину с грузилом, винтовую пару, муфты, переходник, паразитную шестерню, генератор. Конструкция имеет встроенный мультипликатор, при этом вращение генератору передается от винтовой пары через муфты, шестерни и мультипликатор, а муфты выполнены шестеренчатыми обгонными. Особенностью цилиндрического корпуса ВлмГЭС является то, что он содержит в себе два блока, разделённых перегородкой: разгонный, включающий винтовую пару, пружину и грузило (рис.1.) и генерирующий, включающий шестеренчатые обгонные муфты, переходник, паразитную шестерню, мультипликатор и генератор [7]. 

    СБ. ОБ. 010. 000. 000.JPG
    Рис.1.Вид расположения элементов конструкции блока Вл мЭС 

    При создании волнового движения в верхней и нижней точках прохождения волны, маятник совершает возвратно-поступательные движения, аккумулируя потенциальную энергию в пружине. При вращении вала генератора вырабатывается переменный ток. Для создания постоянного тока предусмотрены небольшие выпрямители (например, по схеме Ларионова), что позволяет осуществлять зарядку АКБ. 
    Схема воздействия волны на поплавковый микромодуль волновой микро ЭС (ВлмЭС) представлена на рис.2. 
    генератор 640 в воде .JPG
    Рис.2 Схема воздействия волны на микромодуль ВлмЭС 

    При испытаниях модуля ВлмЭС имитировалась волновая качка Баренцева моря с периодом колебания волны от 1 до 3,5 секунд, среднегодовой скоростью ветра 7-9 м/с, расчетной гарантированной амплитудой колебаний (высота волны) 20 см и 30 см.
     Для имитации волны была создана установка, представленная на рис. 3. 
    табл 5.png
    Рис.3. Имитатор волнообразования для Вл мГЭС. 

    Для имитации волн был использован кривошипно– шатунный механизм (КШМ) с продольным движением конечного звена –тяги. КШМ преобразовывал вращение вала двигателя в возвратно-поступательное движение тяги. В качестве привода был выбран асинхронный двигатель мощностью Р= 1 кВт и частотой вращения n0 не менее 3000 об/мин. Редуктор был подобран из расчета передаточного отношения Z=25.

     Использование в исследовании режимов имитации волн с амплитудой А=20, А=30, и периодом колебаний Т=2, 3, 3.5 с позволило получить необходимые электротехнические значения и характеристики для оценки генерируемой мощности и определить оптимальные и эффективные режимы работы исследуемой поплавковой ВлмЭС.

     Испытания на стенде проводились в лаборатории волновой энергетики Евроазиатского центра ВИЭ УрФУ. Испытуемый образец ВЛмЭС представлен на рис. 4. 
    табл 6.png
    Рис.4. Фото исследовательского образца Вл мЭС в лаборатории УрФУ 

    Пример электротехнических параметров генерирующего модуля при постоянном токе(DC) представлен на рисунке 5.
    табл 7.png
     Рис. 5. Показатели мощности Вл мГЭС при амплитуде колебаний 0,2м и периоде 1 с. 

    Результаты экспериментов с имитацией волн разной амплитуды и периода колебаний волн Т показали, что генерируемая мощность одного модуля Вл мГЭС составляет 15-60 Вт. Увеличение мощности до уровня, нескольких кВт, решается за счет использования нескольких микромодулей Вл мГЭС, объединенных в единый кластер (рис.6) 
    art1-2.jpg
    Рис.6. Схема кластера Вл мЭС из 4-х микромодулей. 

    Дальнейшее наращивание мощности Вл мЭС до нескольких десятков и сотен кВт может быть реализовано путем сборки большего числа микромодулей в кластеры ВИЭ на базе волновых микроводулей (рис. 7).
    art1-4.jpg
     Рис. 7. Схема энергетической фермы на базе волновых микромодулей 

    Выводы 

    1. Разработанный микромодуль волновой мГЭС продемонстрировал возможность генерации энергии при амплитудах волн от 20 см и более с периодом колебаний волн Т в диапазоне 1-5 с. 

    2. Экспериментальные исследования с имитатором волновых колебаний подтвердили значения генерации одного микромодуля в диапазоне мощностей от 20 до 60 Вт.

     3. Наращивание мощности Вл мГЭС до уровня нескольких десяткой и сотен кВт возможно при формировании микромодулей в кластеры и создании волновых энергетических ферм. 

    4. Диапазон применения волнового микромодуля для генерации энергии включает в себя потребности Министерств обороны, чрезвычайных ситуаций и многих других заказчиков, нуждающихся в автономном, топливо независимом и долговременном источнике энергии.

     Библиография 

    1.Дьяков А. Ф., Морозкина М. В. Проблемы использования энергии волн. -М.: Энергоатомиздат, 1993. 176с. 
    2.Жарков С. В. Энергия морских волн и ВЛЭС // Энергия: Экономика, Техника, Экология. 2008. №4. С. 11-18.
     3.Сичкарев В. И., Акуличев В. А. Волновые энергетические станции в океане. Л.: Наука, 1989. 134 с.3. Акуличев В.А. Методы преобразования энергии океана. М.: Наука 1983.-120с. 4.Резникова Л. Н., Сичкарев В. И. Оценка потока волновой энергии бассейна Тихого океана // Использование энергии приливных и ветровых волн в океане. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1984. С. 25-32.
     5.Резникова Л. Н., Сичкарев В. И., Кукушкин И. В. Оценка энергетических запасов волнения Мирового океана // Тезисы докладов 1У Всесоюзной конференции "Проблемы научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана": Гидрофизические поля океана и методы их исследования, ч. 2. Владивосток: МВССО, ДВНЦ-АНСССР, 1983. С. 3-5. 
    6. Виссарионов В.И., Волшаник В.В., Золотов Л.А. Использование волновой энергии. - М: Издательство МЭИ, 2002.-144с. 
    7. Патент РФ № 2006121511, 2006, Алексеев А.В. Волновая энергетическая установка. Патент России №023345, 2006 г. 
    8.Елисеев А.В., Велькин В.И., Щеклеин С.Е,. Разработка исследовательского волнового буя для мониторинга акватории мира.//Сб. трудов Всероссийской НПК «Развитие Арктики и приполярных регионов», Екатеринбург, УрФУ, 2014.-С.214-216.
  • РАЗРАБОТКА ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ВОЛНОВОГО БУЯ ДЛЯ МОНИТОРИНГА АКВАТОРИЙ МИРА

    РАЗРАБОТКА ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ВОЛНОВОГО БУЯ ДЛЯ МОНИТОРИНГА АКВАТОРИЙ МИРА 26.09.2014

    Спрос на возобновляемые источники энергии с каждым годом возрастает. Все большему числу не специалистов сегодня становится известно о волновых энергетических установках. Волновая энергия является более надежным источником энергии в сравнении с солнечной по причине суточного постоянства, а в сравнении с ветровой – ввиду большей плотности [1].





    РАЗВИТИЕ АРКТИКИ И ПРИПОЛЯРНЫХ РЕГИОНОВ 
    Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции
     (Екатеринбург, 15 -16 мая 2014 г.)
     Стр. 214 – 217.

     УДК 551.507.2:551.466 
    А.В. Елисеев, директор
     «OceanRusEnergy»
     В.И. Велькин, канд. Техн. Наук, доцент.
     С.Е. Щеклеин, д-р техн. Наук, проф., 
    Уральский Федеральный Университет
    г. Екатеринбург,

     РАЗРАБОТКА ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ВОЛНОВОГО БУЯ ДЛЯ МОНИТОРИНГА АКВАТОРИЙ МИРА

     Спрос на возобновляемые источники энергии с каждым годом возрастает. Все большему числу не специалистов сегодня становится известно о волновых энергетических установках. Волновая энергия является более надежным источником энергии в сравнении с солнечной по причине суточного постоянства, а в сравнении с ветровой – ввиду большей плотности [1].
     Недостатком волновой энергии является стохастичность, переменная амплитуда и частота волн, которые, в свою очередь, являются также вероятностными [2].
     Расчет и измерение волнового потенциала в настоящее время затруднены отсутствием статистических данных о характеристиках волн в каких-либо акваториях. Данные о волновом потенциале базируются на результатах измерений гидрометеослужб, но чаще всего на визуальном восприятии наблюдателя или потенциального потребителя волновых генераторов.
     Гидрометеослужбы ведут наблюдения в специализированных комплексах. Высота волн измеряется волномером, таким же, который устанавливается на судах [3]. Имеется возможность измерять характеристики волн через спутники, находящиеся на орбите Земли. Принцип спутникового измерения характеристик основан на анализе цветового спектра: соотношение цветов зависят от поверхности гребней и впадин волны. Поскольку предназначение волновой электростанции – выработка электрической энергии, подобные методы анализа волн не являются исчерпывающими из-за отсутствия точности в показателях. 
    На Российском предприятии «OceanRusEnergy» разработана конструкция волнового буя для проведения исследований волнового потенциала акваторий (рис. 1.)

    39b3211cc4.JPG
     Рис. 1. Фото исследовательского волнового буя на испытаниях 

    Назначение исследовательского буя 
    Волновой исследовательский буй (ВИБ) предназначен для изучения стохастических процессов волновой обстановки в заданной акватории. ВИБ может работать как в моно исполнении, так и в составе кластера из нескольких буев. Это позволит осуществлять анализ получаемых данных вплоть до трехмерных. 
    Исследовательский буй, воспринимая стохастические воздействия волны, формирует статистические данные, графики энергетического распределения во времени. Впоследствии обработки данные могут быть использованы при составлении технико-экономического обоснования строительства волновой электростанции.
     Исследовательский буй является альтернативой методу спутникового мониторирования волн. Механическим способом исследования является более точным, информативным и достаточным для построения долгосрочных прогнозов волнового энергетического потенциала. 
    Схема воздействия волны на поплавковый микромодуль микроГЭС (ВлмГЭС) представлена на рис. 2. 

    генератор 640 в воде .JPG
     Рис. 2. Схема воздействия волны на волновой микромодуль микроГЭС 
    Прибор ВИБ измеряет с высокой точностью высоту, амплитуду и частоту, накапливает статистическую информацию и способен передать ее по команде для обработки. 
    Особенностью цилиндрического корпуса ВИБ является то, что он содержит в себе два блока, разделенных перегородкой (рис. 3.): разгонный, включающий винтовую пару; пружину и грузило, и генерирующий, включающий шестеренчатые обгонные муфты, переходник, паразитную шестерню, мультипликатор и генератор. 

    Новый рисунок (1).png
     Рис. 3. Схема расположения разгонного и генерирующего блоков волнового микромодуля

     Достоинства ВИБ
     Исследовательский буй выполнен на основе волнового генератора, имеет собственный возобновляемый источник энергии – морскую волну, снабжен аккумуляторной батареей, вмещает на своем борту измерительные датчики и передающий блок. Последний предназначен для передачи данных на сервер, находящийся на суше, по спутниковым Глонасс – GPSканалам связи. Фиксация буя в море обеспечивается якорем. 

     Литература 
    1. Дьяков А.Ф., Морозкина М.В. Проблемы использования энергии волн. М.: Энергоатомиздат, 1993. 176 с. 
    2. Жарков С.В. Энергия морских волн и ВЛЭС // Энергия: Экономика, Техника, Экология. 2008. № 4. С. 11-18. 
    3. Триккер Р. Бор, прибой, волнение и корабельные волны. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 286 с.
     4. Сичкарев В.И., Акуличев В.А. Волновые энергетические станции в океане. Л.: Наука, 1989. 134 с. 
    5. Патент РФ № 2006121511, 2006, Алексеев А.В. Волновая энергетическая установка. Патент России № 023345, 2006 г.
  • РАЗРАБОТКА ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ПОПЛАВКОК-ВОЛНОВОЙ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

    РАЗРАБОТКА ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ПОПЛАВКОК-ВОЛНОВОЙ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ 26.09.2014

    Конструкция волнового модуля Волновая электрогенерирующая отечественная установка Уральской фирмы «OceanRusEnergy» состоит из удлиненного вертикально расположенного цилиндрического корпуса с размещенным в нем механическим преобразователем энергии морских волн. Волновой преобразователь внутри корпуса включает в себя пружину с грузилом, винтовую пару, муфты, переходник, паразитную шестерню, генератор (рис.1.).



    РАЗВИТИЕ АРКТИКИ И ПРИПОЛЯРНЫХ РЕГИОНОВ 
    Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции
     (Екатеринбург, 15 -16 мая 2014 г.) 
    Стр. 211 – 213. 

    УДК 621.311.21-827 
    А.В. Елисеев, директор 
    «OceanRusEnergy» 
    В.И. Велькин, канд. Техн. Наук, доцент. 
    С.Е. Щеклеин, д-р техн. Наук, проф., 
    Уральский Федеральный Университет 
    г. Екатеринбург, 

    РАЗРАБОТКА ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ПОПЛАВКОВО-ВОЛНОВОЙ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ.

    Среди разнообразных видов возобновляемых источников энергии (ВИЭ) волновая энергетика в России стоит особняком. Между тем в последнее время она вызывает все больший интерес у специалистов [1]. 

    Теоретические предпосылки 
    Энергетический потенциал волны зависит от ее высоты, ширины и периода волновых процессов. Все эти параметры, в свою очередь, в сильной степени зависят от метеорологических условий и географического положения поверхности волнения [2]. 
    Расчеты специалистов показали, что средняя удельная мощность ветровых волн для стран северного полушария составляет около 25 кВт/м. В Атлантическом океане для волны высотой 2,7 м при периоде в 7,1 с за 60 ч с 1 погонного метра фронта волны можно получить до 30 000 кВт/ч [3].
     Существуют множество разработок волновых преобразователей, часть из которых реализуется в той или иной мере. Наиболее известные – поплавковая ГЭУ, плот Коккерелля, качающаяся «утка» Сотлера, осциллирующий водяной столб, пульсирующий водяной столб Массуды.

     Первые волновые ЭС 
    Первая заявка на патент волновой электростанции была подана в Париже в 1799 г. Уже в 1890 г. была предпринята первая попытка практического использования энергии волн.
     В Норвегии с 1985 года действует первая в мире промышленная волновая электростанция мощностью 850 кВт [4].

     Конструкция волнового модуля 
    Волновая электрогенерирующая отечественная установка Уральской фирмы «OceanRusEnergy» состоит из удлиненного вертикально расположенного цилиндрического корпуса с размещенным в нем механическим преобразователем энергии морских волн. 
    Волновой преобразователь внутри корпуса включает в себя пружину с грузилом, винтовую пару, муфты, переходник, паразитную шестерню, генератор (рис.1.).

    СБ. ОБ. 010. 000. 000.JPG
     Рис.1. Внутренний вид блока ВлЭС
     Конструкция имеет встроенный мультипликатор, при этом вращение передается генератору от винтовой пары через муфты, шестерни и мультипликатор, а сами муфты выполнены шестеренчатыми обгонными. Особенностью цилиндрического корпуса является то, что он содержит в себе два блока, разделенных перегородкой: разгонный, включающий винтовую пару, пружину и грузило, и генерирующий, включающий шестеренчатые обгонные муфты, переходник, паразитную шестерню, мультипликатор и генератор. 
    Мощность одного микроблока ВлЭС составляет 640 Вт. Соединение четырех микроблоков в единый модуль – кластер ВлЭС (рис. 2), позволяет вырабатывать около 2 кВТ/ч.
    art1-2.jpg

     Рис.2. Схема кластера ВлЭС из 4-х микромодулей 
    Использование микро-кластеров ВлмГЭС с последовательным соединением позволяет наращивать их в волновые энергетические фермы любой мощности вплоть до нескольких МВт (рис. 3.).
    art1-4.jpg

     Рис. 3. Схема волновой энергетической фермы в составе микро-кластеров ВлмГЭС 
    Достоинством ВлмГЭС является компактность и простота конструкции микромодуля, возможность наращивания мощности волновой фермы в зависимости от потребностей, относительная простота монтажа и замены отдельных кластеров ВлмГЭС. 

    Литератора 
    1. Дьяков А.Ф., Морозкина М.В. Проблемы использования энергии волн. М.: Энергоатомиздат, 1993. 176 с. 
    2. Жарков С.В. Энергия морских волн и ВЛЭС // Энергия: Экономика, Техника, Экология. 2008. № 4. С. 11-18. 
    3. Резниковая Л.Н., Сичкарев В.И. Оценка потока волновой энергии бассейна Тихого океана // Использование энергии приливных и ветровых волн в океане. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1984. С. 25-32. 
    4. Сичкарев В.И., Акуличев В.А. Волновые энергетические станции в океане. Л.: Наука, 1989. 134 с. 5. Патент РФ № 2006121511, 2006, Алексеев А.В. Волновая энергетическая установка. Патент России № 023345, 2006 г.

Статьи 1 - 4 из 4
Начало | Пред. | 1 | След. | Конец