Источник: Использование энергии волн на судах Михайлова Анастасия Олеговна, гр. 6КСм Чижиумов С.Д., канд.технич.наук, доцент Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет

Постановка проблемы Поверхностное противоречие Судно в океане постоянно встречается с волнами. Их энергия вызывает качку. Для уменьшения качки применяются различные виды успокоителей, гасящих энергию качки. Но почему бы не использовать волновую энергию на пользу, например для движения судна? В принципе, все способы преобразования энергии волн можно с различной степенью эффективности применить в судоходстве. Попробуем выделить и обосновать наиболее приемлемые из них. АРИЗ 1. Аналитическая стадия

Наиболее известные и распространённые предложения по использованию энергии волн на судне касаются различных крыльевых систем в подводной части корпуса судна. При этом расчётные модели таких систем предполагают движение крыла в бесконечном потоке, без учёта свободной поверхности. Жестко закрепленное крыло, преобразующее энергию волн в поступательное движение судна, получило название линейной турбины Уэллса.

Системный анализ проблемы Развитие энергетических установок традиционных типов (ДВС, ПТУ и ГТУ) достигло вершины. Дальнейшее их совершенствование не приводит к существенным улучшениям. Заканчивается этап их эволюции. Следующим этапом должно быть качественное изменение. Закон перехода в надсистему. Даже достигая 100% к.п.д. двигателей, проблема принципиально не решается. Существует ряд других проблем: дороговизна топлива; экология; ограниченная мореходность и прочность корпуса на волнении. Следовательно, необходимо выйти на уровень надсистемы, рассматривая судно вместе с окружающим его взволнованным морем. Закон перехода к управляемым ресурсам. Развитие судов идет в направлении применения ресурсов с более высоким уровнем организации. Для обеспечения эффективного использования волновой энергии необходимо обеспечить управление потоками волновой энергии, имеющими нерегулярный характер по времени и месту взаимодействия с корпусом судна.

Закон увеличения степени динамичности систем. В условиях динамичной внешней среды (взволнованного моря) судно должно также динамично (оперативно) реагировать на волны. Судно должно не противодействовать окружающей динамичной среде (посредством своей инертности и расхода внутренних ресурсов), а использовать эту среду. Закон согласования частей системы. Новые элементы системы (преобразователи энергии волн) и их функции должны быть согласованы с другими элементами и функциями судна. В частности, элементы, извлекающие энергию волн должны одновременно успокаивать качку судна и обеспечивать его остойчивость на волнении. Они не должны создавать большого дополнительного сопротивления движению судна и, по возможности, взять на себя роль движителя. Таким образом, введение новых элементов потребует пересмотра состава и компоновки других элементов судна (движителей, двигателей, трансмиссий, успокоителей качки и др.) Системный анализ проблемы

Недостаток подводных крыльевых энергетических систем, а также всех других устройств, предложенных на основе успокоителей качки. Успокоители качки гасят (а в энергетических системах и полезно используют) энергию волн опосредованно. Другими словами, они гасят (используют) не волны, а качку судна. Снижение качки судна успокоителями осуществляется лишь частично, так как для снижения качки предусматривается комплекс мер, в частности, проектируются соответствующие мореходные обводы и другие особенности корпуса. Поэтому для максимального использования энергии качки потребуется форму корпуса и весовую нагрузку спроектировать так, чтобы они способствовали наибольшей качке, что противоречит требованиям мореходности и безопасности. В связи с этим, например, вызывает сомнение эффективность экологически чистого судна в проекте «Orcelle», у которого крыльевые волновые преобразователи – движители расположены под днищем

Таким образом, необходимо преобразовывать в полезную энергию не энергию качки судна, а непосредственно энергию подходящих к нему волн. Такой подход позволит также более глубоко решать проблемы мореходности судов на волнении, так как он направлен на устранение их причин (волн) а не следствия (качки). Известно, что основная часть энергии волн сконцентрирована вблизи уровня свободной поверхности тихой воды: Естественно предположить, что для наиболее эффективного отбора этой энергии необходимы устройства, расположенные в районе ватерлинии судна.

Идеальный конечный результат Энергия волн полностью (к.п.д. = 100%) и непосредственно через рабочие органы (без промежуточных преобразователей и проводников энергии) формирует тягу и гасит качку судна на волнении. Излишки энергии от рабочего органа через генератор преобразуются в потенциальную энергию и накапливаются в аккумуляторах. В штилевую погоду накопленная энергия может приводить в движение рабочие органы, выполняющие роль движителя.

Аналог 1 - установка Oyster (Великобритания) мощность одной установки – от 300 до 600 к Вт.

Возможные предварительные варианты конструкций

Установки типа Oyster (в виде качающихся волнами пластин) могут быть установлены по сторонам от бортов судна: Углублённое противоречие 1 Однако такая система будет создавать большое дополнительное сопротивление движению судна.

Качающиеся пластины для увеличения эффективности на длинных волнах должны быть установлены подальше от бортов судна, однако при этом возникнет большая проблема обеспечения прочности конструкций от волновых нагрузок. Углублённое противоречие 2

2. Оперативная стадия После прохождения нескольких шагов АРИЗ на оперативной стадии, которые приводили к некоторым уже известным решениям, мы подошли к следующему шагу: Проверка возможности изменений в соседних объектах: 1) взаимосвязь соседних объектов 2) удаление одного объекта за счёт передачи его функций другому объекту. Решение 1: пусть роль консольных балок, на которых держатся рабочие пластины, выполняют конструкции самого корпуса судна. В результате получим тримаран с подвижными крайними корпусами. Достоинства: повышается остойчивость, увеличивается площадь верхней палубы для размещения грузов, ширину среднего корпуса можно уменьшить (компенсируя рост сопротивления трения уменьшением волнового сопротивления) Решение 2: убрать традиционные движители, передав их функцию рабочим органам преобразователя энергии волн. Преобразователь энергии волн должен сам создавать тягу. Вытекающая отсюда проблема: как создать тягу?

Решение 1: прототипы: Dubrovsky V., Matveev K., 2007 BMT Nigel Gee and Associates Ltd предложение:

Решение 2: Движение пластин сделать взаимосвязанным и управляемым интеллектуальной системой посредством их связи между собой гидравлической системой, включающей трубопроводы и клапаны. В результате энергия волн перераспределяется через трубопроводы рабочей жидкостью таким образом, чтобы система пластин -плавников формировала силу тяги (аналог: рабочая жидкость в гидравлической системе – мышцы, система измерения давлений и управления клапанами – нервная система).

Дополнительное предложение: Пусть не дополнительные элементы, а борта судна, испытывающие воздействие волн, сами являются рабочими органами преобразователя энергии. Для этого сделаем их подвижными (состоящими из соединённых шарнирно перекрытий и сегментов), приводящими в движение гидравлические преобразователи. Такая система может использоваться в комплексе с другими энергетическими установками судна или плавучего сооружения, попутно являясь успокоителем качки.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ