Welcome to
June 29, 2017  
 .:Billing


 .:Language
Выберете язык интерфейса:



 .:О нас

Home. Наши предложения

Этапы развития наших исследований

Ген.д-р, к.т.н.,
Евгений Дмитриевич Сорокодум


Контакты

Пресса о нас

Видео о нашей лаборатории


Гидрогенератор с колеблющимся цилиндрическим телом





Документ Без Имени








1. Обоснование целесообразности создания

гидроэлектростанций с колеблющимися цилиндрами

Сейчас, для решения энергетических проблем, делается большая ставка на традиционные возобновляемые источники энергии: использование энергии ветра, течений и морских волн, энергии солнца и т. п. Разрабатывается большое число различных типов ветроэлектростанций, гидроэлектростанций использующих энергию течений и волн, солнечных электростанций, биотоплива и др. Но широкое распространение эти электростанции не получают потому, что имеют ряд серьезных недостатков:
1. Большая цена электростанций и большая цена электроэнергии.
2. Необходимость строительства плотин или других сложных сооружений.
3. Отрицательное влияние на окружающую среду.
4. Сложность конструкции и эксплуатации.
5. Длительный и трудоемкий процесс сооружения электростанций.

В связи с этими недостатками во всех странах ведется поиск более экономичных, конструктивно простых электростанций. Но этот поиск до настоящего времени не дал больших положительных результатов.

Поэтому необходим поиск и разработка новых типов источников возобновляемой энергии, которые не имели бы этих недостатков.

Одним из таких новых типов электростанций могут быть гидроэлектростанции экстрагирующие энергию течений рек и морей с помощью цилиндров приводимых в колебательное движение кинетической энергией течений. Экономическое обоснование дано в разделах 5 и 6 , см. ниже. Разработке и внедрению гидроэлектростанций такого типа и предназначен данный проект.

Эти гидроэлектростанции бесплотинные и могут устанавливаться на больших и малых реках, в прибрежных зонах морей, где имеются течения от 0.5 до 3 м/с и выше.




2. Принцип экстракции энергии течений с помощью цилиндра приводимого в колебание течением

Известно, что при обтекании цилиндра за ним образуется Кармановская вихревая дорожка, - два вихря, которые образуются и отрываются не одновременно. В результате этого на цилиндр будет действовать в поперечном к потоку направлении знакопеременная сила.


Эта сила может, если цилиндр укреплен на подвижном креплении, приводить в колебательное движение цилиндр. Если правильно организовать систему съема механической энергии, то эту механическую энергию можно преобразовать в электрическую. Это будет источник энергии.




3. Аналоги

Традиционные ветрогидроэлектростанции, использующие вращающиеся лопасти имеют ряд существенных недостатков, из-за которых они не могут найти широкого применение (очень высокая стоимость, громоздкость, низкое кпд, сложность конструкции, необходимость строить плотины и др.).
Сейчас начинают первые образцы ветрогидроэлектростанций с колеблющимися рабочими органами (крыльями, цилиндрами, пластинками и др. формы).

Электростанции с колеблющимися крыльями или цилиндрами обладают следующими преимуществами по сравнению с традиционными:
- В отборе энергии от потока участвует равномерно вся поверхность крыла или цилиндра (в отличие от этого поверхность лопасти винта участвует неравномерно).
- Установка гидроэлектростанций бес плотинная.
- Легко управляется и согласуется с микропроцессорной системой управления и обеспечивает оптимальные режимы работы электростанции во всем диапазоне скоростей течений.
- Проще конструкция ориентации по потоку воды или по ветру.
- Меньшие размеры по высоте; легко согласуется с горизонтальным рельефом земли или дна реки.
- Высокая надежность.
- Возможность изготовления в виде модулей и компактной их установки.

Электростанции с колеблющимися цилиндрами (или тросами) по сравнению с колеблющимися крыльями обладают следующими преимуществами:
- Не требуется механизм изменения угла атаки (как в случае крыла).
- Простота и дешевизна конструкции.
- Эти электростанции имеют меньший кпд, чем лопастные электростанции или с колеблющимися крыльями. Но они, в связи с простой конструкции и возможности отбора большой мощности, могут иметь цену за установочную мощность и цену электроэнергии намного меньшую традиционные источники электроэнергии и гидроэлектростанции с колеблющимися крыльями. Это главный факт для массового потребителя.
Поэтому за рубежом уже ряд лабораторий начали исследования и разработку электростанций для экстракции энергии течений с помощью колеблющихся цилиндров.
Австралийская фирма BioPower Systems разрабатывает подводные электростанции, экстрагирующие энергию подводных течений с помощью колеблющихся цилиндров и других форм.



http://www.biopowersystems.com/

Работы находятся в стадии развития

В США Marine Renewable Energy Lab провела многолетние исследования экстракции энергии течений с помощью цилиндра приводимого в колебание течениями.
Website: http://www.energy.umich.edu/res/center.html



Американская фирма Vortex Hydro Energy разработала гидроэлектростанцию с колеблющимися цилиндрами



В августе 2010 года был спуск первой в мире гидроэлектростанции с колеблющимися цилиндрами. После испытания этой гидроэлектростанции фирма Vortex Hydro Energy планирует установить такие электростанции на многих реках США. По оценке фирмы Vortex Hydro Energy стоимость электроэнергии будет намного меньше по сравнению со многими типа электростанций (см. раздел 5).
http://www.vortexhydroenergy.com/

Норвежская лаборатория the Marine Cybernetics Laboratory at NTNU также проводит исследования экстракции энергии течений с помощью колеблющегося цилиндра.




Website: http://www.ntnu.no/imt/lab/kybernetikk

David Labrecque and a team of University of Maine students (Eugene Katsman, Dan Wheeler, Nate Laspina, Eric Lovejoy, Ben Commeau and others) have developed a revolutionary, low-cost, high efficiency, vortex-driven water turbine. The energy system consists of a wing that “swims” through water like a fish following a figure-eight trajectory. Experiments show 30% efficiency at converting the energy in the water to a pumping motion. This is comparable with traditional turbines, yet hydroflexors have several advantages: They are low-cost, the mechanical systems are on the surface where they can be easily serviced and they are environmentally friendly. The system can be used in streams, rivers and tidal flows.
Utilizing vortices to propel a wing along a figure-eight trajectory is a new approach. The Flexor team encourages and will provide support to researchers who want to study this phenomenon and publish their findings. They are also looking for established manufacturers interested in manufacturing and marketing products that utilize this new patent-pending technology. The Flexor team can provide scientific and technical assistance to research and engineer groups.

http://flexorenergy.com/



4. Наши результаты (KNOW HOW)

В течении нескольких десятилетий нами проделаны теоретические и экспериментальные исследования колеблющихся тел, плавающих и летающих животных в жидкости и воздухе, результаты которых приведены ниже:
1. Проведен большой цикл экспериментальных исследований течений и сил при колебании цилиндра в широком диапазоне изменения частоты и амплитуды колебания. Выявлены не известные ранее науке закономерности.



Фиг. 1. Кинематика вихрей в течение периода колебаний.


2. Обнаружены режимы, когда за счет структуры вихрей около колеблющегося цилиндра можно увеличить эффективную гидравлическую площадь (поперечная площадь потока, с которой экстрагируется кинетическая энергия потока) в несколько раз, см. фиг. 2.

Фиг. 2. Обычная гидравлическая площадь ометаемая колеблющимся цилиндром и гидравлическая площадь расширенная при использовании специальных режимов колебания и структуры вихрей (внешние границы потока на рисунке).

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. Это может привести к двух кратному увеличению экстрагированной энергии потока при одних и тех же амплитудах колебания цилиндра.
3. Разработан способ и устройство для отбора кинетической энергии течений с помощью специальной конфигурации колеблющегося тела и закона колебания (Know-How).
4. Открыты режимы колебания, когда образуется присоединенная упругость (упругость, вызванная вихревой структурой жидкости около колеблющегося цилиндра). Использование этой упругости может привести к использовании этой упругости для нейтрализации инерционных сил от массы цилиндра и присоединенной массы воды.
5. Разработаны принципы конструирования специальных передаточных 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) и к увеличению коэффициента передачи энергии от потока в нагрузку.
6. Использование специального распределения упругих и массовых характеристик цилиндра для согласования внешнего источника энергии с входными характеристиками механо-электрического преобразователя. Благодаря этому увеличится отбор кинематической энергии потока.
7. 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.
8. Снижение гидродинамического и аэродинамического сопротивления с помощью применения элементов волнового обтекания и колебаний.
9. Применение адаптивной микропроцессорной системы управления приведет к получению максимальной мощности на выходе установки при различных скоростях течений.
10. Использование физических эффектов для получения дополнительной кинетической энергии от скрытой тепловой энергии и потенциальной энергии давления столба воды или давления атмосферы.
11. Разработана методика экспериментального исследования кинематических, динамических и энергетических характеристик колеблющегося цилиндра как колебательной системы.
12. Разработан метод и программа расчета гидроэлектростанции как единой колебательной системы.
13. Разработан способ преобразования механической энергии в электрическую энергию.
14. Разработаны начала теории ветрогидрогенераторов с колеблющимся цилиндром.
15. Собрана база экспериментальных результатов колебания цилиндра в нелинейном колебательном режиме.
16. Собрана база патентов по ветрогидрогенераторам с колеблющимся рабочим органом (крыльям, цилиндрам, пластинкам и др. формам) за 80 лет.



5. Экономические преимущества гидроэлектростанций с колеблющимися цилиндрами по сравнению с существующими электростанциями.

В лаборатории (Marine Renewable Energy Lab Университет Мичиган) под руководством Майкла Бернитсаса были определены основные экономические показатели в области возобновляемой и не возобновляемой энергетики (см. табл. 1 и 2).

Таблица 1. Сравнение цен на установочную мощность и стоимости электроэнергии для различных типов источников энергии.

Технология получения энергии
Установочная (доллары США/кВт)
Затраты на установку устройства (доллары США/кВт)
Стоимость топлива (доллары США/КВт*час)
Пригодность (%)
Стоимость электро энергии (доллары США/кВт*час)

Мелкозернистый уголь





0.04

Уголь высшего качества





0.041

Угольная биомасса





0.046

уголь





0.06

Синтезированные газовые смеси





0.052

Твердое топливо





0.046

Обычные гидроэлектростанции

6800 - 8700





Атомная энергетика





0.062

Природный газ

1200

100

0.018

90

0.187

Ветроэнергетика

1200

156

0

25

0.069

Солнечная энергия

6000

125

0

20

0.489

Водородная энергетика





0.069

Биогаз





0.066

Аноэробный синтез





0.071

Гидроэлектростанции

с колеблющимися цилиндрами разработки США Vortex Hydro Energy

3000

71

0

90

0.055

Гидроэлектростанции

с колеблющимися цилиндрами по предложению Сорокодума Е.Д.

500

15

0


0.01

Оценки, сделанные в США, см. таблицу 1, показывают, что гидроэлектростанции с колеблющимися цилиндрами могут иметь стоимость электроэнергии дешевле, чем сжигания топлива (за исключением угля), биогаза и всех видов возобновляемых источников энергии!
Эта оценка произведена в лаборатории, которая занималась разработкой электростанций в течение несколько лет и в 2010 году уже запустить первую электростанцию. По данным лаборатории «Marine Renewable Energy Lab», технические решения и принципы работы, заложенные в данных устройствах, являются наиболее передовыми и перспективными в области возобновляемой и альтернативной энергетики. По экспертным данным, заявленным представителями Департамента Военно-морской Архитектуры и Морской Техники, Университета Мичигана на рубеже 2012-2015 годов устройства использующие принципы экстракции кинетической энергии потока воды с помощью колеблющихся цилиндров начнут поступать на рынок возобновляемых источников энергии в промышленных масштабах.




6. Экономические преимущества, которые может дать наша разработка гидроэлектростанций с колеблющимися цилиндрами по сравнению с разработкой фирмы США Vortex Hydro Energy.

Фирмой США Vortex Hydro Energy был получен коэффициент использования энергии течений 0.07 и с учетом кпд мехоэлектрического преобразователя 0.045.
Используя наши результаты (см. раздел 4) и НОУ-ХАУ, мы можем еще намного более улучшить технические и экономические характеристики гидроэлектростанций предлагаемых фирмой Vortex Hydro Energy (см. табл. 1 и 2). Нами может быть получен коэффициент использования энергии течений 0.45 и с учетом кпд мехоэлектрического преобразователя 0.045.
Предлагаемое нами устройство может иметь в 6.4 раза большую энергию от течении, чем получено фирмой Vortex Hydro Energy. При одних тех же скоростях течений, диаметрах и длинах цилиндров для нашего варианта гидроэлектростанции для получения такой же мощности потребуется в 6 раз меньшее количество цилиндров. Это приведет к уменьшению установочной цены, стоимости электроэнергии, габаритов и веса в 6 раз! В таблице 2 приведены данные фирмы Vortex Hydro Energy и наши.

Таблица 2. Количество и геометрические размеры цилиндров для создания гидроэлектростанций различной мощности (В этой таблице приведены также наши данные полученные расчетным путем).

Класс

гидро

электро

станции

Мощность

(МВт)

Диаметр

колеблю

щегося

цилиндра

(м)

Длина

цилиндра

(м)

Высота устройства

(м)

Ометаемая площадь

цилиндра

(м2)

Количество колеблющихся цилиндров

Вес устройства

(тонн)

США Vortex Hydro Energy

Сорокодум

США Vortex Hydro Energy

Сорокодум

Гига

1000

2

40

60

1497

32800

102

1775

276

Мега

100

2

40

30

258.9

6500

1011

159

24.7

Большая

10

1

20

15

14.5

1314

204

11.4

1.77

Средняя

1

0.5

10

15

2.4

526

82

1.1

0.171

Малая

0.1

0.2

4

5

0.92

328

51

0.1

0.016

Микро

0.05

0.1

2

5

0.45

657

102

0.05

0.01


0.005

0.1

2




10




Расчеты проводились для скорости течений 2 м/с.
Таблица 3. Цена на разработку гидроэлектростанции на 1 МВт и цена электроэнергии.

п/п

Разработчики

Стоимость проекта,

$ млн.

цена установочная

серийно выпускаемых гидроэлектростанций

$/кВт

Стоимость

серийно выпускаемых гидроэлектростанций

млн $

цена электро энергии

$/кВт•ч

1

Новосооружаемая обычная

гидроэлектростанция

от 6,8 до 8,7

6800 - 8700

6,8-8,7

от 0,046 и более

2

Гидроэлектростанция с колеблющимися цилиндрами в США Vortex Hydro Energy

20

3000

3

0,055

3

Наша разработка гидроэлектростанции с колеблющимися цилиндрами (проект)

2

500

0.5

0,01

Из таблицы 3 видно, что с учетом наших результатов и НОУ-ХАУ, мы можем разработать гидроэлектростанцию с колеблющимися гидроцилиндрами, стоимость кВт*час которой будет намного дешевле не только по сравнению с традиционными возобновляемыми источниками энергии, но и по сравнению с гидроэлектростанцией, разработанной фирмой Vortex Hydro Energy .
Из сравнения видно (см. таблицу 1, 2 и 3), что с учетом наших предложений и НОУ-ХАУ можно создать гидроэлектростанцию с установочной ценой 500 долларов США/кВт и ценой электроэнергии 0.01 долларов США/кВт*час. Это самые низкие цены по сравнению с традиционными электростанциями и на основе возобновляемой энергетике.


7. Наши предложения

На основе наших теоретических и экспериментальных исследований мы можем провести научно-исследовательскую и опытно-конструкторскую работу по созданию первых образцов новой высокоэффективной техники. Мы ищем инвесторов и партнеров для создания первых образцов этой новой техники.

Разработать бесплотинную гидроэлектростанцию нового типа дающую электроэнергию намного дешевле, чем электроэнергия на других источниках энергии (солнечная, ветровая, гидро, дизельном топливе и другие электростанции).
Установочная стоимость 500 $/кВт и стоимость электроэнергии 0.3 руб./кВт*час.
На основе этой работы планируется разработать серию гидроэлектростанций мощностью
от 500 Вт до 100 МВт и обеспечить энергией большое число потребителей.
Предлагаются гидроэлектростанции экстрагируют кинетическую энергию течений с помощью цилиндров приводимых в поперечное колебательное движение течением рек или морей двух вариантов: придонная и на плаву.

Придонная гидроэлектростанция

Кинетическая энергия подводных течений приводит в колебательное движение цилиндр, при этом передавая ему часть своей энергии. Цилиндр закрепляется на упругой подвеске. При колебании цилиндр приводит в колебательное движение штоки гидроцилиндров, а те в свою очередь в колебательное движение масло в гидроцилиндрах. Колебательное движение масла выпрямляется с помощью специального выпрямителя и подается на гидромотор. Гидромотор вращает вал электрогенератора, который вырабатывает электрическую энергию. Схема станции показана на сл. фиг. 4.

Фиг. 4


Гидроэлектростанция на плаву




Гидроэлектростанция на плаву

Фиг. 5. Макет гидроэлектростанции находящейся на поверхности воды (создан дизайнером Анной Едаловой, e-mail: anna_edalova@mail.ru).
Гидроэлектростанция удерживается на месте с помощью якорей или закреплением за берег.




8. Мы также по вашим заказам можем выполнить следующие научно-исследовательские и конструкторские работы:


    1. Провести анализ вашей разработки гидроэлектростанции с колеблющимися элементами (цилиндр, крыло и другие формы) и дать рекомендации по улучшению их характеристик.
    2. Разработка программы обработки экспериментальных данных при экстракции энергии течений с помощью колеблющегося цилиндра или упругой пластины.
    3. Обработка экспериментальных данных при экстракции энергии течений с помощью колеблющегося цилиндра или упругой пластины.
    4. Расчет геометрических, кинематических, динамических и энергетических характеристик ветро-гидрогенератора с колеблющимся цилиндром, крылом или упругой пластиной.
    5. Расчет и конструирование передаточных элементов, для передачи и согласования энергии от колеблющегося цилиндра или упругой пластины к электрогенератору.
    6. Обзор ветрогидрогенераторов с колеблющимся крылом, цилиндром или упругой пластиной.
    7. Атлас аэро-гидродинамических характеристик колеблющегося цилиндра (теоретический).
    8. Атлас гидродинамических характеристик колеблющегося цилиндра или упругой пластины (по экспериментальным данным).
    9. Обзор патентов по ветрогидрогенераторам с колеблющимся цилиндром или упругой пластиной (копии патентов).


Нажмите, чтобы скачать презентацию:

Гэс с колеблющимися цилиндрами


















Copyright © "Vortex Oscillation Technology Ltd" Все права защищены.

Опубликовано на: 2004-09-12 (12488 Прочтено)

[ Вернуться назад ]
Content ©

 
Копирование и перепечатка материалов, статей и файлов с данного сайта допускается только с письменного согласия Сорокодума Е.Д. и ООО "Вихре-Колебательные Технологии" (С) 2000-2013
Copying and reprinting materials, articles and files from this site is permitted only with the written consent of Sorokodum Evgeny and "Vortex Oscillation Technology Ltd." (C) 2000-2013