5.4. В энергетике

Энергообеспечение автономных необслуживаемых источников информации морского базирования, например буйковых автоматических метеорологических станций, предполагает использование сменных элементов электропитания, что и трудоемко, и экономически невыгодно и экологически небезопасно. Пьезоэлектрики находят широкое применение в качестве преобразователей неэлектрических величин в электрические. Альтернативой сменным гальваническим элементам электропитания или аккумуляторам, нуждающимся в периодической подзарядке, может стать устройство с пьезоэлектрическими преобразователями волнения поверхности моря в электрическую энергию.

Известны экологически чистые способы и устройства преобразования тепловой и других видов энергии в электрическую энергию.

Так способ и устройство преобразования энергии гравитации, заключающиеся в перемещении масс вещества и за счет разности произведения масс на плечи рычагов вращения ротора генератора электроэнергии, обладают значительными сложностью и себестоимостью, ограниченностью срока функционирования и надежности в работе при незначительной выходной мощности.

Способ и устройство преобразования тепловой энергии окружающей среды состоит в использовании известных свойств ферромагнитных материалов, способных генерировать или поглощать электроэнергию при изменении их температуры, но их сложность технической реализации, незначительная мощность и значительная себестоимость часто оказываются неприемлемыми.

Энергетическая установка морского базирования, содержащая заякоренное плавучее средство с противовесом, в корпусе плавучего средства сквозную шахту и турбоэлектрогенератор постоянного тока, отличается значительными габаритно-весовыми характеристиками, сложностью аппаратурной реализации, высокой себестоимостью и необходимостью в заякорении, что ограничивает её применение.

Энергетическая установка сухопутного базирования, содержащая ротор с радиально расположенными спицами, с размещенными на них, по легкоходовой возвратно-поступательной посадке массами, нитиноловыми элементы, обладающими эффектом памяти формы и соединенными концами со ступицей и массами, и пьезоэлектрическими элементами, электрически соединенными с концами нитиноловых элементов способна работать только при использовании пьезоэлектрических и нитиноловых элементов с коэффициентами полезного действия, значительно (на 2÷3 порядка) превышающими единицу, что существенно препятствует её реализации для практических целей.

Известно устройство преобразования энергии волн моря в электрическую энергию, содержащее плавучее, с противовесом, средство, состоящее из двух и более подвижно сопряженных элементов, способных при волнении моря совершать вращательные или возвратно-поступательные колебания друг относительно друга, и накопитель электрической энергии (НЭ), один на всё устройство. В элементах плавучего средства вмонтированы пьезоэлектрические преобразователи (ПП), преобразователи механических колебаний сопряженных элементов плавучего средства в дискретные силовые воздействия на пьезоэлектрические преобразователи, механически контактирующие с сопряженными элементами плавучего средства и одноименными пьезоэлектрическими преобразователями, и выпрямители тока (ВТ), соединенные входами с электродами одноименных пьезоэлектрических преобразователей, а выходами с накопителем электрической энергии (рис. 5.4.1 и рис. 5.4.2).

Рис. 5.4.1

Рис. 5.4.2

В этом устройстве, при волнении поверхности моря, элементы плавучего средства совершают колебания друг относительно друга, которые преобразуются в дискретные силовые воздействия F(t) на пьезоэлектрические преобразователи, по каждому воздействию F(t) генерируется электродвижущая сила Е(t), на выходе выпрямителя протекает ток I(t), а в накопителе накапливается электроэнергия W(t). Накопленная в накопителе электроэнергия постоянного тока приемлема для использования потребителями.

Эпюры сил, э. д. с., токов и мощности приведены на рис. 5.4.3

Будучи установленным на необслуживаемом объекте морского базирования, устройство, даже при коэффициенте полезного действия пьезоэлектрических преобразователей в пределах 0,10–0,20, за счет последовательно во времени генерируемых импульсов тока накапливает электрическую энергию, достаточную для информирования потребителя, например буйковой автоматической метеорологической станции для передачи информации о метеорологическом и/или сейсмическом состоянии района её пребывания, об опасности района плавания в точке установке буя, или о динамике перемещении плавучего автономного научно-исследовательского объекта (о координатах пребывания, направлении и скорости, перемещения).

Рис. 5.4.3

Преимущества использования предлагаемых способа и устройства преобразования энергии волн моря в электрическую энергию состоят в том, что они работоспособны в автономном режиме неограниченно долго по времени суток и года, просты по применению, реализуемы на современной элементной базе в произвольных условиях их производства, надежны и долговечны в эксплуатации, не нуждаются в обслуживании до физического износа, обладают экологической чистотой, имеют пониженную себестоимость.

Значительно более высоким коэффициентом полезного действия (КПД) обладает индукционный преобразователь механической энергии в электрическую.

Величина электродвижущей силы (ЭДС) индукции ξ, генерируемой индукционным преобразователем механической энергии в электрическую зависит от магнитной индукции B его постоянного магнита, индуктивности его катушки и скорости ξ изменения магнитного потока Ф через площадь S, ограниченную витком катушки.

Но ξ = –ΔФ/Δt, где Ф=BS cos α, здесь α – угол наклона магнитного поля к поверхности витка катушки; а L=4kπμSN²/l, где μ – магнитная проницаемость, N – число витков катушки индуктивности, l – длина намотки катушки, а k=f(l/d) – коэффициент, зависящий от отношения длины l намотки к диаметру d катушки. Реально КПД_. индукционного преобразователя в 3÷4 раза выше, чем КПД пьезоэлектрического преобразователя.

Повышение коэффициента полезного действия и надежности в работе, а так же упрощение конструкции, преобразователя энергии волн моря в электроэнергию при одновременном повышении долговечности и надежности в работе достижимо при преобразовании колебаний волн моря в колебания постоянного магнита в пространстве катушки индуктивности, генерировании ЭДС индукции.

Такой преобразователь энергии волн моря в электроэнергию содержит плавучее средство, на котором закреплен герметичный корпус, в котором расположены (рис. 5.4.4) шарнир 1, маятник 2, подвешенный на шарнире 1, с постоянными магнитами 3 на концах коромысла, катушки 4 индуктивности, расположенные соосно по ходу магнитов 3, и ограничители 5 хода маятника 2. Катушки индуктивности 4 соединены (рис. 5.4.5) последовательно со входами выпрямителя 6, выход которого соединен со входами накопителя электроэнергии 7.

Рис. 5.4.4. Рис. 5.4.5

Этот преобразователь энергии волн моря в электроэнергию работает следующим образом.

При волнении поверхности моря плавучее средство совершает колебания относительно горизонтальной плоскости. При этом корпус преобразователя также изменяет угол наклона к горизонту, а маятник 2, отклоняясь от вертикали, перемещает магниты 3 в катушках 4. Возвратно-поступательные движения магнитов 3 в катушках 4 наводят импульсы переменной электродвижущей силы, амплитуда которых пропорциональна намагниченности магнитов 3, скорости их перемещения в катушках и числу витков катушек 4. ЭДС с выхода катушек 4 переменного напряжения преобразуются выпрямителем 6 в однополярные импульсы электроэнергии, которая накапливается в накопителе 7. С выходов накопителя 7 электроэнергия поступает на входы потребителя.

Для мелководья приемлема и конструкция преобразователя энергии волн моря в электроэнергию, приведенная на рис. 5.4.6. В нем постоянный магнит, под действием поплавка 8, повторяющего уровень воды в точке установки, совершает вертикальные возвратно-поступательные перемещения в полости катушки 4, на клеммах которой генерируется ЭДС. Электроэнергия которой через выпрямитель 6, поступает в накопитель 7.

Преобразователь энергии волн моря в электроэнергию» применим в научно-исследовательских, технологических и бытовых целях. При эксплуатации на объекте морского базирования, он, за счет последовательно во времени генерируемых импульсов тока накапливает электрическую энергию, достаточную для информирования потребителя, например, метеорологической информацией о метеорологическом состоянии района пребывания буйковой навигационной или автоматической метеорологической станции, об опасности района плавания в точке установки буя, или о перемещении плавучего автономного научно-исследовательского объекта (о координатах пребывания, динамике, направлении и скорости перемещения его носителя).

Рис. 5.4.6

Преимущества использования предлагаемого преобразователя энергии волн моря в электроэнергию состоят в том, что он работоспособен в автономном режиме неограниченно по времени суток и года, прост по применению, реализуем на современной элементной базе в произвольных условиях их производства, надежен и долговечен в эксплуатации, не нуждается в обслуживании до физического износа, обладает невысокой себестоимостью и повышенным коэффициентом полезного действия.

Следует подчеркнуть и возможность повышения мощности такого рода энергоустановок, например, для нужд прибрежных населенных пунктов.

В свете сказанного вопрос о необходимости строительства мощных энергоустановках морского базирования, в т. ч. и приливных электростанциях, в районах с незначительной плотности населения остаётся проблематичным.