Физика процесса

Известно, что при обтекании цилиндра за ним образуются два вихря. Вихри образуются и отрываются не одновременно. В результате этого на цилиндр будет действовать в поперечном к потоку направлении подъемная сила. Эта подъемная сила имеет периодический по времени характер. Прекрасные исследования этих эффектов проводятся в Cornell University Fluid Dynamics Research Laboratories

 

Cornell University Fluid Dynamics Research Laboratories

Vortex Hydro Energy/Cornell FDRL [Research Aeroelasticity & Vortex Induced Vibration].htm

Эта сила может, если цилиндр или другое тело укреплено на подвижном креплении, приводить в колебательное движение тело или его отдельные участки (например, на упругой пластине). Если правильно организовать систему съема механической энергии, то можно рассматривать это устройство как источник энергии.

Аналоги

Известны многочисленные попытки экстрагирования кинетической энергии ветра или течений воды с помощью подвижных рабочих элементов различной конструкции.

В последнее время появились интересные проекты:

 

VIVACE converter model operating in the Low-turbulence Free Surface Re-circulating Water Tunnel
Flow Speed: 1.6 knots (0.823 m/s)

Energy Harvesting Eel Program

В Ocean Power Technologies, Inc., Energy Harvesting Eel Program разрабатывают источники энергии, экстрагирующих кинетическую энергию морских течений с помощью колеблющейся деформируемой пластинки. Морские течения обтекают жесткую неподвижную пластинку, после которой образуется вихревая дорожка. Эта вихревая дорожка обтекает пластину, поверхность которой может изгибаться под воздействием этих вихрей. Механическая энергия снимается с передней кромки этой пластинки.

В Норвегии, в фирме Ocean As ведутся работы по экстракции энергии морских течений, с помощью колеблющейся многозвенной подвижной поверхности. Механическая энергия снимается с первого звена, через угловые колебания вертикальной оси.

Работы этих фирм очень важны и имеют большие перспективы. Однако все эти устройства имеют ряд существенных недостатков:

• Малоэффективное экстрагирование кинетической энергии из набегающего потока. Экстрагирование энергии потока происходит по мере продвижения воды вдоль поверхности пластины. В результате этого, увеличивается амплитуда колебания вдоль пластины или вдоль другой деформируемой поверхности. В результате, наибольшая энергия накапливается на конце этих устройств! Однако энергия в этих устройствах снимается с передней кромки, а не с задней!? Поэтому, предложенные выше конструкции рабочего органа являются малоэффективными, в плане экстракции и передачи энергии на электрогенератор.

• Малоэффективный сбор и передача энергии с элементов приема энергии (от пластины, от частей пластины) и передача этой энергии к электрическому генератору. На пластинке механическая энергия переноситься в сторону конца пластины. А требуется наоборот, чтобы эта энергия переносилась от конца пластинки к ее началу и передавалась там электрическому генератору. Многозвенная система (пластинки, состоящие из шарнирных элементов и т.п.) является плохим передатчиком механической энергии.

• Многозвенные шарнирные устройства являются очень сложными, дорогими и ненадежными устройствами при эксплуатации в морских условиях.

Заключение

1. Начали появляться ветро-гидрогенераторы, экстрагирующие кинетическую энергию ветра и водных течений с помощью колеблющихся тел (цилиндров, упругих пластин и др.).

2. Эти генераторы имеют низкий коэффициент отбора энергии, сложную конструкцию и большую стоимость.

Причины этого следующие:

— Разработка этих генераторов проводится на основе использования квазистационарной колебательной аэро-гидромеханики (при колебании используется стационарная аэро-гидродинамика). Теория нелинейной аэро-гидродинамики только зарождается. Многие ученые и конструктора или не знают о существовании нелинейных колебательных аэро-гидродинамических явлений, или игнорируют эти явления.

— Разработка конструкции этих генераторов проводится на основе использования методов расчета стационарной механики. Это есть очень большая ошибка. Такие конструкции будут сложные, дорогие, ненадежные и будут иметь большие потери энергии и много вредных вибраций. Надо разрабатывать эти конструкции как единую колебательную систему.

— Требуются специальные методики эксперимента, расчета и конструирования этих генераторов. Таких методик и опыта очень мало.

3. Ветро-гидрогенераторы с колеблющимися цилиндрами или упругими пластинами могут быть очень эффективными и дешевыми. Но для этого надо поднять наши знания и умение (для устранения недостатков по п.2).

4. Надо сделать срочно сделать научную кооперацию между фирмами, разрабатывающими ветро-гидрогенераторы с колеблющимися телами.

Наши исследования и разработки

Можно существенно развить успех применения колеблющихся рабочих органов фирм, приведенных выше. В основу наших высоких технологий положена работа ветро-гидрогенератора в области нелинейных колебательных аэрогидродинамических режимов и конструирование устройства как единой колебательной системы (НОУ-ХАУ).

Преимущества использования нелинейных колебательных аэрогидродинамических режимов:

1. Увеличится коэффициент подъемной силы. Срыв обтекания крыла происходит при значительно больших углах атаки. Как следствие этого увеличится отбор энергии потока, и работа генератора начнется при меньших скоростях потока.

2. Применение более эффективных законов колебания цилиндра. Отбор энергии одновременно с помощью подъемных сил и сил трения, действующих на цилиндр. Это приведет к увеличению отбора кинетической энергии потока.

Рис.1

3. Снижение гидродинамического и аэродинамического сопротивления с помощью применения элементов волнового обтекания и колебаний.

4. Использование присоединенной упругости (упругость, вызванная вихревой структурой жидкости около колеблющегося цилиндра или пластины). Это приведет к увеличению объема текущей среды, участвующей в аэрогидродинамическом взаимодействии с колеблющимся цилиндром и, как следствие этого, в увеличении эффективной гидравлической площади и коэффициента отбора энергии потока.

5. За счет структуры вихрей около колеблющегося цилиндра можно увеличить эффективную гидравлическую площадь в несколько раз, см. рис. 2 и 3.

Рис.2

Рис.3

Это приведет к увеличению съема энергии при тех же амплитудах колебания цилиндра. Одновременно силовая нагрузка на единицу эффективной гидравлической площади уменьшится, что приведет к увеличению коэффициента использования энергии набегающего потока.

Конструирование устройства как единой колебательной системы даст следующие преимущества:

1. Приведет к повышению отбора энергии из потока и удешевлению конструкции.

2. Использование присоединенной упругости вместо (или дополнительно) упругих элементов конструкции цилиндра. Это приведет к упрощению и удешевлению конструкции.

3. Использование специального распределения упругих и массовых характеристик цилиндра и упругой пластины для согласования внешнего источника энергии с входными характеристиками передаточно-согласующего элемента. Благодаря этим элементам увеличится отбор кинематической энергии потока.

4. Применение специальных передаточно-согласующих элементов для согласования динамических и кинематических характеристик потока с нагрузкой (с потребителем энергии). Это приведет к согласованию передачи энергии от источника энергии к электрогенератору (в противном случае энергия вернется назад в поток). Также с помощью этих элементов создается сложная пространственная траектория цилиндра, которая производит отбор энергии не только с помощью подъемной силы, но и с помощью сил трения.

5. Применение адаптивной микропроцессорной системы управления приведет к получению максимальной мощности на выходе установки.

6. Использование физических эффектов для получения дополнительной кинетической энергии от скрытой тепловой энергии и потенциальной энергии столба воды или давления атмосферы:

1.Родионов Б.Н., Сорокодум Е.Д. Вихревая энергетика // Строительные материалы, оборудование, технологии ХХ века. — 2001, 3(26). с.28,29.

2. Sorokodoum E. Vortex heat-generators // New Energy Technologies. Issue # 2(5), March—Aprel 2002, p.17-18.).

См. наш сайт

Ветро-гидро электростанции с колеблющимися цилиндрами или упругими пластинками, с учетом наших результатов и предложений, будут иметь по сравнению с аналогами, намного лучшие аэрогидродинамические и энергетические характеристики.

Ветро-гидро генераторы с колеблющимися рабочими органами могут в несколько раз снизить установочную стоимость и цену электроэнергии. Можно освоить выпуск генераторов предлагаемого типа от 0.1 Квт до 100 Мвт. Применять их можно для получения энергии от ветра, течений малых и больших рек, приливно-отливных и других морских течений.

Будет возможно создание автономного энергообеспечения!