ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7376| Title: | Розробка пристрою для електрогенерації з використанням енергії морських хвиль |
| Authors: | Калейніков, Геннадій Євгенійович Білоус, Олег Станіславович |
| Keywords: | електрогенерація;морські хвилі |
| Issue Date: | 30-Jan-2025 |
| Abstract: | Об'єктом дослідження кваліфікованої роботи магістра є генерація електричної енергії перетворювачем енергії хвиль. Мета кваліфікаційної роботи магістра є розробка систем електрозабезпечення прибережних районів віддалених від загальної мережі енергосистеми з використанням енергії морських хвиль. В результаті виконання роботи було: 1. Проведено теоретичні дослідження параметрів морських хвиль біля узбережжя для аналізу ефективності перетворення їхньої енергії в електричну енергію. 2. Розроблено пристрій для вимірювання параметрів морських хвиль. 3. Розроблено пристрій для трансформації енергії хвиль в електричну енергію з урахуванням особливостей узбережжя. 4. Проведено експериментальні випробування розробленого перетворювача енергії хвиль в електричну енергію. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7376 |
| Appears in Collections: | 144 Теплоенергетика (Теплоенергетика) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Білоус.pdf Restricted Access | 2.87 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра Енерготехнологій
„ЗАТВЕРДЖУЮ”
Завідувач кафедри Енерготехнологій
_______________ Геннадій КАЛЕЙНІКОВ
“___” ___ 2024 р.
МАГІСТЕРСЬКА КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА
на тему:
«РОЗРОБКА ПРИСТРОЮ ДЛЯ ЕЛЕКТРОГЕНЕРАЦІЇ З
ВИКОРИСТАННЯМ ЕНЕРГІЇ МОРСЬКИХ ХВИЛЬ»
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
код роботи МКР 24.144.86 ПЗ
Спеціальність 144 - Теплоенергетика
Виконавець роботи:
_________________________ Білоус Олег Станіславович ______________________
(підпис, дата)
Науковий керівник:
_________________Калейніков Г.Е., к.т.н., доц.__________________________
(підпис, дата)
Рецензент:
____________________________________________________________________
(підпис, дата)
Черкаси, 2024 р.
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра енерготехнологій
„ЗАТВЕРДЖУЮ”
Завідувач кафедри Енерготехнологій
________________ Геннадій КАЛЕЙНІКОВ
“____” _____ 2024 р.
ЗАВДАННЯ
до магістерської кваліфікаційної роботи____ Білоус Олег Станіславович _______________
(прізвище, ім’я та по-батькові студента)
1. Тема «Розробка пристрою для електрогенерації з використанням енергії морських хвиль»
затверджена наказом ректора університету від “____”____. 2024 р., №__________
2. Термін здачі студентом завершеної роботи __10.12.2024____________________________
3. Вихідні дані: __ система електрозабезпечення прибережних районів віддалених від загальної
мережі енергосистеми
4. Перелік питань, які повинні бути розроблені в роботі: - провести теоретичні дослідження
параметрів морських хвиль біля узбережжя для аналізу ефективності перетворення їхньої
енергії в електричну енергію; - розробити пристрій для вимірювання параметрів морських
хвиль; - розробити пристрій для перетворення енергії морських хвиль в електричну енергію з
урахуванням особливостей узбережжя; - провести експериментальні випробування
розробленого перетворювача енергії хвиль в електричну енергію.
5. Перелік графічного матеріалу: тема роботи; електростанція "pelamis"; електростанція з
"качками" солтера; влаштування водяного стовпа в зоні прибою; значення потужностей у зонах
світового океану; характеристика та основні параметри морських хвиль; конструктивне виконання
вимірювача морської хвилі; ультразвуковий датчик; пристрій перетворювача енергії хвиль;
загальний вигляд дослідної моделі перетворювача; експериментальні дослідження моделі буя;
залежності ймовірностей відмови від часу.
6. Консультанти з роботи з зазначенням розділів роботи, які їх стосуються
Підпис, дата
Розділ Консультант завдання видав завдання прийняв
Розділи 1-3 Калейніков Г.Е.
ОП та безпека в НС Цікановський В.Л.
7. Дата видачі завдання “_____”______. 2024 р.
Керівник _____________________
Завдання прийняв до виконання _________________
РЕФЕРАТ
Кваліфікаційна робота магістра на тему «Розробка пристрою для
електрогенерації з використанням енергії морських хвиль» містить 93 сторінок
текстового документа, 49 використаних джерел, 26 малюнків.
Об'єктом дослідження кваліфікованої роботи магістра є генерація
електричної енергії перетворювачем енергії хвиль.
Мета кваліфікаційної роботи магістра є розробка систем електрозабезпечення
прибережних районів віддалених від загальної мережі енергосистеми з
використанням енергії морських хвиль.
В результаті виконання роботи було:
1. Проведено теоретичні дослідження параметрів морських хвиль біля
узбережжя для аналізу ефективності перетворення їхньої енергії в електричну
енергію.
2. Розроблено пристрій для вимірювання параметрів морських хвиль.
3. Розроблено пристрій для трансформації енергії хвиль в електричну
енергію з урахуванням особливостей узбережжя.
4. Проведено експериментальні випробування розробленого
перетворювача енергії хвиль в електричну енергію.
Зміст
ВСТУП ...............................................................................................................................................4
Розділ 1. АНАЛІЗ ПОТЕНЦІАЛУ ХВИЛЬОВОЇ ЕНЕРГЕТИКИ ТА РОБОТИ
ЕНЕРГОАГРЕГАТІВ .................................................................................................................... 7
1.1 Розвиток енергетичного потенціалу ................................................................................... 8
1.2 Аналіз потенціалу енергії хвиль Чорного моря ............................................................... 14
1.3 Теоретичний аналіз наявних енергоагрегатів і хвильових електростанцій .................... 16
1.3.1 Хвильова електростанція конвертерного типу "Pelamis" хвильова електростанція18
1.3.2 "Качки" Солтера ........................................................................................................... 18
1.3.3 Пристрої поплавкового типу, що мають поршневу систему ................................... 20
1.3.4 Споруди, що працюють за принципом коливного водяного стовпа в зоні
прибою ……………………………………………………………………………………...…31
1.3.5 Електростанції, водосховища яких наповнюються за рахунок перекачування
морської води під дією енергії хвилювання ........................................................................ 20
1.3.6 ВЛЕС, що працюють від кінетичної енергії хвилі в зоні прибою .......................... 21
1.3.7 Пристрій поплавкового типу, що приводить у рух лінійний генератор ................. 22
1.3.8 Осциляційна водяна колона ........................................................................................ 23
1.3.9 Хвильова електростанція: пліт Коккереля ................................................................ 23
1.4 Аналіз моделей і пристроїв ................................................................................................. 26
1.5 Оцінка ресурсів хвильової енергії Чорного моря ............................................................. 27
1.6 Характеристики морських хвиль біля узбережжя ............................................................ 37
Розділ 2. РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ І ХАРАКТЕРИСТИК МОРСЬКИХ ХВИЛЬ ... 37
2.1 Енергія морських хвиль ....................................................................................................... 38
2.2 Характеристика та основні параметри морських хвиль ................................................... 38
2.3 Модуляція хвиль .................................................................................................................. 44
Розділ 3. РОЗРОБКА ПРИСТРОЮ ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ МОРСЬКОЇ
ХВИЛІ .............................................................................................................................................. 49
3.1 Розробка схеми та структури пристрою для вимірювання параметрів морської
хвилі .............................................................................................................................................. 50
3.2 Розробка алгоритму роботи ............................................................................................. 61
Розділ 4. РОЗРОБКА ЕНЕРГОАГРЕГАТУ ДЛЯ ХВИЛЬОВОЇ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ .. 67
4.1 Принцип дії та складові частини хвильової електростанції ......................................... 68
4.2 Виготовлення діючої моделі пристрою .......................................................................... 69
4.3 Експериментальні дослідження роботи перетворювача енергії хвиль в електричну
енергію ...................................................................................................................................... 72
4.4 Експериментальні дослідження енергоагрегату ............................................................ 74
4.5 Надійність систем електропостачання енергоагрегатів ................................................ 76
Розділ 5. ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА У НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЯХ …….79
5.1. Загальні вимоги безпеки при експлуатації акумуляторів. ……………………………80
5.2. Вимоги безпеки перед початком роботи ………………………………………………83
5.3 Вимоги безпеки під час виконання роботи……………………………………………..83
5.4. Вимоги безпеки після закінчення роботи………………………………………………87
Висновок ....................................................................................................................................... 89
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ ........................................................................................................... 90
МКР 24.144.86 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Білоус Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Калейніков Зміст
Реценз. Г.Є. магістерської роботи
Н. Контр. ЧДТУ, МТЕ-35
Затверд. Калейніков
ВСТУП
Актуальність теми дослідження. Електропостачання підприємств, що
займаються сільським господарством, має цілу низку особливостей, серед яких
можна виділити розосередженість невеликих за споживаною потужністю
споживачів на території, віддаленій від системи централізованого
електропостачання. Складнощі електропостачання споживачів, розташованих на
березі морів і океанів, пов'язані, в основному, зі значною віддаленістю
генерувальних установок і, відповідно, наявністю великих втрат у процесі
передачі електроенергії. Екологічні аспекти не дають змоги будувати великі
електростанції в прибережному районі, найчастіше, через те, що він є курортним
регіоном. Слід зазначити, що серед пріоритетів державної енергетичної політики
України значиться перехід до екологічно чистої та ресурсозберігаючої енергетики.
Виходом із цієї ситуації може бути використання поновлюваних джерел
енергії, а саме – перетворювачів хвильової енергії в електричну енергію.
Розроблення і дослідження енергоагрегатів, що перетворюють енергію
морської хвилі на електричну енергію, залежить від точних і достовірних знань
про величину і характер навантажень, від висоти і сили хвиль у передбачуваному
місці їх установлення.
Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є генерація електричної енергії
перетворювачем хвильової енергії.
Предмет дослідження. Принципи функціонування перетворювача енергії
хвиль, що застосовуються для енергозабезпечення прибережних об'єктів
сільськогосподарського призначення та іншої інфраструктури.
Мета роботи. Електрозабезпечення прибережних районів віддалених від
загальної мережі енергосистеми.
Завдання роботи:
1. Провести теоретичні дослідження параметрів морських хвиль біля
узбережжя для аналізу ефективності перетворення їхньої енергії в електричну
енергію.
2. Розробити пристрій для вимірювання параметрів морських хвиль.
3. Розробити пристрій для перетворення хвильової енергії в
електроенергію з урахуванням особливостей узбережжя.
4. Провести експериментальні випробування розробленого перетворювача
енергії хвиль в електричну енергію.
Наукову новизну досліджень становлять:
1. Уперше розроблено електронний пристрій для вимірювання параметрів
морських хвиль, адаптований до умов узбережжя, і описано алгоритм його
роботи.
2. Уперше розроблено перетворювач енергії хвиль в електричну енергію
поплавкового типу з урахуванням особливостей узбережжя та описано методику
його експериментального дослідження.
3. Отримано регресійну залежність, яка достовірно описує роботу
перетворювача енергії хвиль в електричну енергію.
Розділ 1. АНАЛІЗ ПОТЕНЦІАЛУ ХВИЛЬОВОЇ ЕНЕРГЕТИКИ ТА
РОБОТИ ЕНЕРГОАГРЕГАТІВ
МКР 24.144.86 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Білоус Аналіз потенціалу хвильової Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Калейніков енергетики та роботи
Реценз. Г.Є. енергоагрегатів
Н. Контр. ЧДТУ, МТЕ-35
Затверд. Калейніков
Розділ 1. АНАЛІЗ ПОТЕНЦІАЛУ ХВИЛЬОВОЇ ЕНЕРГЕТИКИ ТА
РОБОТИ ЕНЕРГОАГРЕГАТІВ
1.1 Розвиток енергетичного потенціалу
Зараз енергетика забезпечує достатній добробут майже в рівних частках за
рахунок зростання енергогенерації і оптимізації її використання. Заходи з
використання поновлюваних джерел енергії та з енергоефектиності давали до 70%
росту ВВП. У результаті енергоємність економіки зменшувалася за цей період на
20%. Підвищення енергоефективності економіки є головним напрямом
Енергетичної стратегії України. Енергетична стратегія передбачає постійне
впровадження організаційних і технологічних заходів скорочення витрат палива
та енергії, тобто реалізацію сталої енергозберігаючої діяльності. Для цього
Україна має великий запас організаційного і технологічного енергозбереження.
Реалізація розроблених на практиці організаційних і технологічних заходів з
економії енергоресурсів дозволяє зменшити їхню витрату в країні на 50% в
еквіваленті - 400 млн. т. у. п. на рік. Близько 30% запасу з енергозбереження
мають теплоенергетичні комплекси (ПЕК), інша частина припадає на інші сфери
промисловості та будівництво, понад 25% - у комунально-господарському
секторі, 10% - на транспорт та 5% - у сільськогосподарський сектор [1].
Енергоресурсозбереження є одним із найважливіших завдань XXI століття.
Вирішення цієї проблеми визначає місце України серед економічно розвинених
країн та впливає на рівень життя її громадян. Україна має унікальні природні
ресурси та потужний інтелектуальний потенціал, що дозволяє ефективно долати
енергетичні виклики. Ба більше, наша країна є стратегічним постачальником
нафтопродуктів і природного газу для європейських та азійських держав,
забезпечуючи їхні потреби в значних обсягах. Проте наявність значних паливно-
енергетичних ресурсів не повинна призводити до енергетичного марнотратства.
Лише енергоефективне управління в умовах відкритої ринкової економіки може
стати ключовим фактором конкурентоспроможності. Перед суспільством існує
дуже важливе завдання домогтися росту валового внутрішнього продукту (ВВП) в
найближчі роки, але розв'язати це завдання, не вирішивши питання
енергоефективності поновлюваних джерел енергії, розроблення та використання
нових енергоагрегатів поновлюваної енергетики, енергоресурсозбереження, не
знизивши енергоємність виробництва, неможливо. Зазначені фактори слід
віднести до стратегічних пріоритетів держави, оскільки вони одночасно є
ключовим інструментом забезпечення енергетичної безпеки та єдиним дієвим
шляхом збереження значних доходів від експорту вуглеводневої сировини.
Енергоресурси, необхідні для внутрішнього розвитку, можна забезпечити не
лише через збільшення видобутку сировини у важкодоступних районах і
будівництво нових об'єктів. Важливим є також впровадження заходів
енергозбереження у ключових споживчих центрах, підвищення
енергоефективності, нарощування потужності установок відновлюваної
енергетики, а також розробка й впровадження нових технологій, які
використовують енергію сонця, вітру, моря та інших відновлюваних джерел.
На сучасному етапі вирішення завдань підвищення енергоефективності, коли
існує значний потенціал для впровадження маловитратних заходів, що не
потребують логістичних витрат на транспортування вуглеводневої сировини, є
особливо актуальним. Це не лише сприяє забезпеченню екологічної безпеки, а й
узгоджується з більшістю стратегічних цілей держави. Ключову роль у
підвищенні ефективності використання енергії відіграють сучасні
енергозберігаючі технології.Завдяки реалізації заходів цільової програми
проблеми електропостачання до теперішнього часу загалом вирішено -
будівництво і запуск енергетичного мосту, будівництво нових і модернізація
наявних об'єктів енергетичної інфраструктури. Однак географічне положення в
поєднанні з унікальними природними умовами роблять ідеальним полігоном для
того, щоб успішно розвивати генерацію електроенергії на основі поновлюваних
джерел енергії (ВДЕ), тому оцінка потенційних можливостей місцевих ВДЕ з
урахуванням курортно-рекреаційної специфіки регіону є актуальним завданням.
Енергетичні потужності об'єктів відновлюваної енергетики до теперішнього
часу забезпечують приблизно 7% потреб в електроенергії, переважно за рахунок
сонячних і вітрових станцій [2]. Генерація енергії на базі ВДЕ через імовірнісний
характер роботи не може бути гарантованою (виконання диспетчерського графіка
навантаження) і потребує резервування. Велика матеріаломісткість, висока
вартість конструкційних матеріалів роблять її помітно дорожчою за традиційну,
тому будівництво об'єктів ВДЕ в промислових масштабах малоймовірне. Разом з
тим, у довгостроковій перспективі використання об'єктів ВДЕ має високі
потенційні шанси на розвиток.
Будівництво сонячних електростанцій економічно рентабельне тільки в тому
разі, якщо число годин сонячного сяйва не нижче 2000 на рік, а інтенсивність
надходження сонячного світла становить 600-800 Вт/м2 [2]. Природно-кліматичні
характеристики більшої частини узбережжя відповідають цим вимогам.
Середньорічна кількість сумарної сонячної радіації в регіоні оцінюється в 1400
кВт⋅год/м2 [2]. Це дає змогу розробити перспективні програми з розвитку та
широкого впровадження геліоустановок.
Під час перебоїв з енергопостачанням працездатність системи
енергопостачання підтримувалася багато в чому завдяки сонячним
електростанціям. СЕС виробляли до 200 МВт енергії, і в результаті вдалося
повністю забезпечити мінімальні потреби в електроенергії споживачів у денний
час [2].
Собівартість електроенергії, виробленої на вітроелектростанціях (ВЕС),
безпосередньо залежить від швидкості вітру: понад 7 м/с - 5 центів за кВт⋅год;
понад 8 м/с - 4 цента за кВт⋅год; понад 9 м/с - 2,5 цента за кВт⋅год [2].
Що стосується гідроенергетичного потенціалу, то річки мають малі витрати
води. Це суттєво ускладнює експлуатацію гідроелектростанцій, але є можливості
для встановлення мікро-ГЕС (МГЕС), турбіни яких здатні працювати при
витратах води від 20 м3 /с. Будівництво таких об'єктів ВДЕ в перспективі дасть
змогу забезпечувати електроенергією населені пункти, розташовані у
важкодоступній місцевості, окремі будинки, кордони в лісгоспах і заповідниках,
туристичні об'єкти, які, як правило, позбавлені інфраструктури централізованого
енергопостачання або потребують додаткових резервних потужностей [2].
Найперспективнішим напрямком розвитку малої гідроенергетики є
будівництво міні-гідроелектростанцій на наявних гідровузлах. Високонапірні
електростанції, із середньою потужністю 20 - 50 кВт, можна спроектувати на
водотоках, що беруть свій початок на гребенях гір на висоті більше 900 м над
рівнем моря і спускаються вниз до південного узбережжя. Станції середньої
потужності 100 - 1000 кВт можуть бути споруджені на майданчиках 22 наявних
водосховищ рівнинної частини і північного схилу гірської гряди. Високонапірні
станції потужністю 50 - 100 кВт можуть бути споруджені на напірних
трубопроводах систем водопостачання та каналізації. Необхідно зазначити, що
реалізація планів спорудження міні-гідроелектростанцій можлива тільки після
оцінки екологічних ризиків і проведення експертизи проектів. Основні проблеми
ВДЕ, що дають привід для стриманих висловлювань у питаннях розвитку галузі,
полягають у такому [2].
Вартість енергії від об'єктів ВДЕ дорожча за традиційні, тому їхнє масове
будівництво малоймовірне. Також спостерігається відсутність необхідних
потужностей ліній електропередач і підстанцій, що приймають генеровані
потужності об'єктів ВДЕ. "Зелена" енергетика потребує резервних базових
потужностей: традиційна енергогенерація має підстраховувати вітростанції,
сонячні електростанції та об'єкти малої гідроенергетики, які через сезонні
природні та погодні обмеження не завжди можуть працювати на повну
потужність. У результаті потрібні нові підходи до організації та управління
мережами. Якщо в Європі для цього успішно застосовують технології "smart-grid"
(розумні мережі) та їхні аналоги, то в Україні схожі напрями - справа
дослідницьких центрів і наукових установ, ці технології не мають практики
застосування, немає заходів державної підтримки та регулювання в цій сфері [2].
Україна має значні ресурсами ВДЕ, при цьому вони слабо розвинені у
виробництві енергії з використанням цих джерел. Хвильова енергія перевершує за
потужністю вітрову і сонячну, досягаючи ККД 85%.
Одним із можливих способів отримання електричної енергії є використання
перетворювачів енергії морських хвиль. Попередньо необхідно здійснювати
аналіз енергетичного потенціалу в зоні розташування електростанції. При цьому
слід враховувати, що є дні, коли на морі спостерігається практично штиль, а в
певну пору року можливі шторми. Оцінка енергетичних характеристик може
здійснюватися і за розрахунковими, і за експериментальними даними.
Існує декілька варіантів хвильових перетворювачів, частину з яких
впроваджено в різних варіантах. Найпоширеніші: поплавкова
гідроелектроустановка, пліт Коккереля, хитна "качка" Солтера, водяний стовп, що
осцилює, енергія повітряного потоку.
На даний момент існують різні методи і пристрої для перетворення енергії
морських хвиль [3 - 11]. Одним із таких методів є використання поплавців, тобто
елементів, що здійснюють коливальні рухи у вертикальному або горизонтальному
напрямку в залежно від конструкції. За рахунок зміни положення робочого тіла
відбувається обертання вала генератора. Розрізняють конструкції, коли поплавці
застосовують у вигляді "качок" Солтера, хвильового плота Коккереля (окремі
сегменти з'єднуються шарнірно і звиваються під дією морських хвиль).
Ще одним методом є використання пневматичних камер. У цьому разі вода
під впливом коливань хвиль надходить у камери з повітрям, де створюється
надлишковий тиск. Повітря при витісненні обертає турбіну. Існує різновид
пристроїв, коли для генерації електроенергії використовується рух води, що
переміщається всередині камери. Часто застосовуються турбіни Веллса,
особливістю яких є обертання лопатей в одному напрямку незалежно від
напрямку повітряного потоку, що набігає. Такий метод отримання електроенергії
характерний для електростанцій з осцилюючим водяним стовпом [12] і
пульсуючим водяним стовпом Массуди. У різних дослідженнях пропонуються
свої варіанти розміщення [13] і конструкції [14] турбін Веллса для збільшення
ефективності їхньої роботи [15].
Ще один метод передбачає встановлення похилої поверхні для накату хвиль і
накопичувального басейну, під час потрапляння в який вода розкручує лопаті
турбіни.
Перед тим, як розміщувати ті чи інші пристрої перетворення енергії
морських хвиль, необхідно провести оцінку технічного потенціалу та економічної
доцільності споруди [16-19]. Під час оцінювання враховується висота хвиль,
відстань до енергосистеми, характеристика зони розміщення тощо. При цьому
використовуються як реальні дані, так і апроксимації чисельної хвильової моделі
[20]. Хвильові електростанції повинні забезпечувати генерацію електроенергії з
критеріями якості, що не виходять за допустимі межі [21].
Однак до теперішнього часу пристрої, створювані на базі відомих технічних
рішень, не давали змоги достатньо адекватно вирішити завдання стійкого
перетворення хвильової енергії. Ці пристрої призначені для роботи в умовах
регулярного хвилювання, оскільки ефективність їхньої дії не може бути високою
через досить складний імовірнісний характер реального процесу хвилеутворення.
Якщо держава гарантуватиме підвищений тариф на електроенергію
інвесторам в інфраструктуру та об'єкти ВДЕ, то це привертало б іноземних
інвесторів, однак для розвитку ВДЕ потрібні поправки до закону про
електроенергетику, які запроваджують "зелений" тариф.
Разом з тим, "зелена" енергетика має враховувати значні можливості для
використання відновлюваних джерел енергії. Це передбачає стимулювання
виробництва енергії на основі ВДЕ та підтримку виробників необхідного
обладнання. Такий напрям розвитку не суперечить, а тільки зміцнює сучасні
позиції в енергетиці, забезпечує енергетичну безпеку та перспективи подальшого
соціально-економічного розвитку.
У довгостроковій перспективі використання об'єктів ВДЕ має високий
потенціал, і в зв'язку з цим відновлювальна енергетика може посісти гідне місце в
енергобалансі. Такі об'єкти будуть особливо доцільні в курортній зоні, зважаючи
на їхню екологічну безпеку. Подальше нарощування використання потенціалу
поновлюваних джерел енергії видається доречним і з урахуванням курортно-
рекреаційної специфіки [2].
Розвитку потенційних можливостей широкого використання відновлюваних
джерел енергії в регіоні можуть сприяти такі чинники:
1. За обсягом генерації електроенергії, що виробляється ВДЕ, упевнено
посідає перше місце серед усіх регіонів України.
2. Енергію відновлюваних джерел можна використовувати для
задоволення енергетичних потреб об'єктів сільського господарства, туристичної,
рекреаційної, комунальної, санаторно-курортної сфери [2].
3. На території узбережжя сприятливі природно-кліматичні умови для
функціонування об'єктів ВДЕ, що використовують енергію вітру, сонця, морських
хвиль. Завдяки цьому з'являється можливість створення науково-виробничого
територіального кластера у сфері вивчення нових технологій відновлюваної
(альтернативної) енергетики [2].
За потребою хвильові електростанції (ХВЕС) можна розділити на
одномодульні та багатомодульні. Одномодульні ВЛЕС використовують для
забезпечення електроенергією морських суден, сигнальних маяків, пристроїв
моніторингу довкілля, метеостанцій, станцій зв'язку, засобів особистого
життєзабезпечення тощо. Багатомодульні пристрої ВЛЕС можна використовувати
для забезпечення електроенергією прибережних і острівних поселень та окремих
будівель; для енергопостачання об'єктів сільськогосподарського призначення
морського і прибережного розташування.
1.2 Аналіз потенціалу енергії хвиль Чорного морів
Чорне море - внутрішнє, припливи і відливи настільки малі, що майже
непомітні. Величина припливно-відливних коливань хвиль на Чорному морі - від
4 до 9 см. Взимку у відкритому морі спостерігаються хвилі висотою 6 - 7 м.
Коливання рівня для Чорного моря найбільше трапляються зганяльно-
нагонні, їхнє утворення залежить від різних атмосферних процесів у межах
синоптичного періоду від 4 до 8 діб. Значний вплив чинить швидкість вітру та
довжина розгону в морі, найбільш характерні хвилі висотою до 3 м. У більш
відкритих акваторіях максимальні висоти хвиль можуть перевищувати 10 м, а під
час сильних штормів це значення не є межею. Середненє значення коливання
хвиль становить 0,9 м. Теорія виникнення хвильової течії була розроблена
академіком В.В. Шулейкіним [22]. На рівень моря великий вплив мають сезонні
коливання.
Одним із важливих завдань сучасної гідроенергетики є використання енергії
морських хвиль для її перетворення на електричну енергію. Для реалізації цього
необхідно володіти технічними параметрами хвиль. Оскільки хвилі мають
нерегулярний характер і змінюються непередбачувано, важливо дослідити
збурювальні фактори, що спричиняють їх утворення. Хвилі поділяються на
поздовжні та поперечні. У поздовжніх хвилях частинки води коливаються вздовж
напрямку їхнього поширення, тоді як у поперечних хвилях рух частинок
відбувається перпендикулярно до цього напрямку. Хвильові рухи поєднують як
поздовжні, так і поперечні коливання, а також гравітаційні кругові рухи частинок,
інтенсивність яких зменшується із глибиною.
Щоб визначити перенесення енергії хвилею, яке описується вектором
Пойтінга або вектором густини потоку енергії, необхідно знати такі параметри, як
довжина хвилі та її швидкість. Ці характеристики дозволяють оцінити потужність
і напрямок енергетичних потоків у хвильових процесах.
У Чорному морі течії біля берегів переважно рухаються проти годинникової
стрілки. Вони мають невелику швидкість, яка рідко перевищує 0,5 м/с. Основний
потік течій шириною 40–60 км проходить на відстані 3–7 км від узбережжя (див.
малюнок 1.1). У бухтах формуються локальні кругові течії, спрямовані за
годинниковою стрілкою, зі швидкістю до 0,5 м/с. Максимальна висота хвиль у
Чорному морі досягає 14 м, при цьому довжина таких хвиль становить близько
200 м.
Рисунок 1.1 - Течії Чорного моря [23].
Відстань між гребенями хвиль у Чорному морі становить 20–40 м, тоді як
океанські хвилі приблизно в десять разів довші. Ударні хвилі, спричинені
землетрусами, у Чорному морі досягають висоти до 1 м і мають середню
швидкість 120–160 км/год. У відкритому морі зимові хвилі сягають висоти 6–7 м.
Амплітуда припливно-відливних коливань рівня води в Чорному морі коливається
від 3 до 10 см. (рисунок 1.2).
Велика мінливість течій у Чорному морі зумовлена нестабільністю вітрового
режиму, мілководністю моря та його відносно невеликою площею. Якщо в
південній частині моря швидкість вітру перевищує швидкість у північній, у
північній частині формується циркуляція вод за годинниковою стрілкою. За
помірного вітру однакової інтенсивності по всій акваторії, у затоці
спостерігається нагін води. У цей час у північній частині моря, через значну
різницю в рівнях води між Таганрозькою затокою і західною частиною моря,
вітрова течія слабшає і змінює свій напрямок на протилежний. У центральній
частині моря вода циркулює проти годинникової стрілки. У протоці течії зазвичай
спрямовані з Чорного моря до Азовського. Швидкість течій у морі переважно
становить від 0,23 км/год до 3,2 км/год, а у протоці сягає максимальних значень.
[24, 25].
Рисунок 1.2 - Поверхневі течії Чорного моря [25].
1.3 Теоретичний аналіз наявних енергоагрегатів і хвильових
електростанцій
У механічну та електричну енергію можна перетворити тільки частину
хвильової потужності. Для води коефіцієнт перетворення вищий, ніж для повітря -
до 85% [26, 27, 28, 29].
Співробітники океанографічного інституту Скріппса (США) виконали оцінку
можливих для перетворення різних водних джерел енергії [30].
Ідеї використання енергії хвиль робили ще до двадцятого століття і
будівництва морських електростанцій розглядали в 1905 роках. Застосування
енергії морських хвиль пов'язане з нафтовою кризою 1970 р. 1985 року в Норвегії
збудували дві хвильові електростанції, що виробляли енергію в значних
масштабах, з потужністю 850 кВт перша та потужністю 450 кВт друга, їхня
конструкція передбачала установки пневматичного типу з використанням хвилі,
що набігає на поверхню конусоподібного елемента. Наприкінці 1988 року вежа
висотою 12 м і діаметром 4 м була зруйнована. Наразі станцій, що
використовують енергію хвиль, не багато, проте потенціал хвиль настільки
великий, що реалізація проєктів, які мають експериментальний характер, і
розробка нових технологій та енергоагрегатів для перетворення енергії хвиль на
електричну енергію є одним з найактуальніших завдань енергетики як для
острівних держав, так і для держав, які мають велику берегову лінію і велику
площу морських акваторій.
У 2008 році був запущений і потім припинений для модернізації хвильовий
проєкт у Португалії біля міста Агусадова потужністю 2,25 МВт, вартістю 8 млн €,
побудований за шотландським проєктом, заснованим на принципі "тіла, що
коливається". Станція була оснащена трьома змієподібними перетворювачами
енергії хвиль Pelamis P-750. Вироблювану електроенергію подавали на берег,
розташований за п'ять кілометрів від місця розміщення станції, що забезпечує
потреби 1,6 тисячі домогосподарств у населеному пункті Повуа-ді-Варзін. При
встановленні додаткових 25 перетворювачів потужність установки буде нарощено
до 21 МВт і забезпечить електроенергією 15 тисяч будинків, що еквівалентно
запобіганню викиду в атмосферу 60 тисяч тонн вуглекислого газу за рік.
Іспанська Mutriku Breakwater потужністю 300 кВт входить до топ-10 об'єктів
альтернативної енергетики. У 2009 році на узбережжі британського графства
Корнуолл розпочалося зведення найбільшої хвильової станції у світі в рамках
проекту Wave Hub. Оператором проєкту є компанія Carnegie Wave Energy
(Австрія). Конструкція генератора передбачає встановлення турбін PowerBuoy,
виробництва американської компанії Ocean Power Technologies. Станція
побудована за технологією поплавцевих робочих тіл. Проєктна потужність 50
МВт, запуск станції відбувся 2018 року, друга черга, що передбачає нарощування
потужності вироблення, розрахована на 2020-2021 роки [31].
Велике значення має і забезпечення військово-морських сил електроенергією
за рахунок проєктів хвильової енергетики та відповідно до програм розвитку
флоту в США [32].
1.3.1 Хвильова електростанція конвертерного типу "Pelamis".
Цей тип електростанції складається із секцій, у яких рзміщено гідравлічні
поршні. Кожна секція містить гідравлічні двигуни та електрогенератори. При
впливі хвиль, конвертери відносно один одного починають згинатися, при цьому
вони знаходяться на поверхні. У результаті вступають у роботу гідравлічні
поршні, які, своєю чергою, приводять у рух масло. Масло впливає на гідравлічні
двигуни, а вже гідравлічні двигуни рухають електрогенератори, що виробляють
електроенергію.
Як було зазначено вище, хвильова електростанція такого типу розташована в
районі Агусадора, Португалія. Електростанція складається з чотирьох пристроїв
під назвою Pelamis P-750 [33]. Розмір кожного: довжина 120 метрів, діаметр 3,5
метра, вага 750 тонн. Потужність одного такого конвертера 750 кВт.
При цьому "Pelamis" мають такі недоліки:
1. Коефіцієнт використання встановленої потужності (далі КВВП) не
перевищує 0,4.
2. Значна матеріаломісткість.
3. Ціна за кіловат встановленої потужності становить 6000 доларів США,
що значно більше за аналоги.
4. Через великі розміри є перешкодою і становить небезпеку для суден.
Електростанція "Pelamis" представлена на малюнку 1.3 [33].
Рисунок 1.3 - Електростанція "Pelamis" [33].
1.3.2 "Качки" Солтера
Станції цього типу являють собою пристрої, які під час набігання хвилі
відхиляються і приводять у дію насоси, що перекачують, у свою чергу, спеціально
підготовлену воду через турбіну.
Поплавці починають рухатися під дією хвиль і повертаються у вихідне
положення під силою власної ваги. За рахунок руху поплавців насоси вмикаються
в роботу всередині вала, який наповнений спеціально підготовленою водою. Для
руху турбіни використовується різниця тиску, створювана в трубах різного
діаметру. Турбіни розташовані над рівнем моря і встановлені між поплавками.
Електрика від генераторів надходить у мережу підводним кабелем.
Рекомендується для ефективнішого розподілу навантажень на валу
встановлювати 20 - 30 поплавців.
Перші випробування в умовах, близьких до морських, було проведено в
травні 1977 року на озері Лох-Несс. Хвильова електростанція працювала з ККД
близько 50 відсотків [30].
Модель установки потужністю 10 кВт, завдовжки 50 м, що складається з 20
поплавців діаметром 1 м, було випробувано 1978 року. Потужніша установка 45
МВт, що складається з 20-30 поплавців діаметром 15 м, укріплених на валу
довжиною 1200 м, розташована біля західних берегів Британських островів [34].
ВЛЕС цього типу мають такі недоліки:
1. Для роботи такої станції необхідно від 20 окремих пристроїв, з'єднаних
у гірлянду, що робить загальну конструкцію громіздкою.
2. ВЛЕС такого типу залежать від напрямку хвилювання.
3. Дорожнеча і матеріаломісткість ВЛЕС.
4. Також, як "Pelamis", є перешкодою і становлять небезпеку для суден.
Електростанція з "качками" Солтера представлена на малюнку 1.4 [35].
Рисунок 1.4 - Електростанція з "качками" Солтера [35].
1.3.3 Пристрої поплавкового типу, що мають поршневу систему
Пристрій поплавцевого типу з поршнем представлено на малюнку 1.5
Рисунок 1.5 - Пристрій поплавкового типу [5].
Принцип дії таких пристроїв полягає в перекачуванні олії за рахунок енергії
хвилювання. Так само з'являється можливість відокремити генератор від морської
води.
Недоліками цієї схеми є:
1. Мала потужність однієї установки (не більше 100 кВт) порівняно з
аналогами.
2. Для вироблення більшої потужності необхідна велика кількість
установок, через що станція займає велику площу.
1.3.4 Споруди, що працюють за принципом коливного водяного стовпа
в зоні прибою, що коливається
Споруда, що працює за принципом коливного водяного стовпа в зоні
прибою, показана на малюнку 1.6 [5].
Ці пристрої являють собою порожнисті залізобетонні конструкції. Хвиля,
напираючи на внутрішню стінку, піднімається вгору по шахті, витісняючи повітря
і прокачуючи його через турбіну. На відміну від буїв, що працюють за тим самим
принципом, така схема має значно більшу потужність, але менший коефіцієнт
використання встановленої потужності (КВВП). Вироблення енергії починається з
певної висоти хвилі, решту часу ВЛЕС простоює. На сьогодні у світі споруджено
дві подібні установки, вони розташовані в Австралії. Одну ВЛЕС було
побудовано в масштабі 1:10 і, після проведення випробувань, було побудовано
другу станцію в масштабі 1:2. Її потужність становила 1 МВт, а вартість 8 млн
доларів [5].
Рисунок 1.6 - Влаштування водяного стовпа в зоні прибою [5].
1.3.5 Електростанції, водосховища яких наповнюються за рахунок
перекачування морської води під дією енергії хвилювання
Зовні ВЛЕС цього типу схожі на гідроелектростанцію, але їхні водосховища
наповнюються не завдяки опадам або річкам, а за рахунок морської води, яку
перекачують на велику висоту за допомогою буїв або інших установок, що
перетворюють енергію морського хвилювання. Схему станції наведено на
малюнку 1.7 [5].
Рисунок 1.7 - ВлЕС із використанням водосховища [5].
Станції такого типу мають такі переваги:
1. Уся електрична частина ВлЕС розташована на березі і не має контакту з
морською водою.
2. Оскільки в наявності є водойма, що постійно наповнюється за рахунок
енергії хвиль, то вирішується проблема з мінливістю хвилювання. Так само така
станція може виконувати роль провідної за частотою, як інші ГЕС.
Недоліки цієї конструкції:
1. Потрібна велика площа для водойми на необхідній висоті.
2. Маленький коефіцієнт корисного дії, так як є великі
втрати під час перекачування води у водойму.
3. Затоплення території.
4. Велика підсумкова вартість проєкту.
1.3.6 ВЛЕС, що працюють від кінетичної енергії хвилі в зоні прибою
Ці станції являють собою споруди, встановлені на палях у зоні прибою.
Хвилі приводять у рух поплавці, з'єднані з поршнем, який, зі свого боку,
перекачує олію і сприяє обертанню турбіни. Кампанія "Wave Star" побудувала
ВЛЕС такого типу 2005 року в районі міста Ніссумбренінг у Данії та 2009 року
поблизу міста Ханстхолм. Фотографію станції представлено на рисунку 1.8 [5].
Основним недоліком станції є її ресурсоємність і висока ціна.
Рисунок 1.8 - ВлЕС, що працюють від кінетичної енергії прибою
1.3.7 Пристрій поплавкового типу, що приводить у рух лінійний
генератор
Установка такого типу являє собою склопластиковий корпус, усередині якого
розміщені котушка і стрижень із постійними магнітами. Стрижень за допомогою
троса кріпиться до палі. Буй, коливаючись на хвилях, рухає стрижень щодо
котушки, виробляючи електроенергію потужністю до 100 кВт. Схему пристрою
наведено на малюнку 1.9 [5].
Рисунок 1.9 - Пристрій поплавкового типу [5]: 1 - корпус; 2 - магнітний
стрижень; 3 - статор; 4 - паля
Основна перевага такої схеми - це її простота і надійність. Сам генератор і
електрична частина буя ізольовані від морської води, що мінімізує ймовірність
поломки. Але при цьому такий генератор має великі розміри і високу вартість.
1.3.8 Осциляційна водяна колона
Осциляційна водяна колона споруджується зі сталі або з бетону, при цьому
вона порожниста і частково занурена у воду, має отвір під водою. У внутрішній
частині, над стовпом води, знаходиться повітря. Робота осциляційної водяної
колони будується за принципом рідкого поршня.
Вода під час потрапляння в колону утворює стиснене повітря і тим самим
обертає турбіну, яка кріпиться до генератора. Коли тиск води зменшується,
повітря проходить назад через турбіну.
У цій установці використовується турбіна Веллса, особливість якої полягає в
тому, що її лопаті обертаються в одному напрямку незалежно від напряму руху
повітряного потоку (малюнок 1.10) [30].
Рисунок 1.10 - Схема установки, в якій використовується принцип коливного
водного стовпа, що коливається [30]:
1 - хвильовий підйом; 2 - повітропотік; 3 - турбіна; 4 - вихід повітря; 5 -
вектор хвилі; 6 - зниження рівня; 7 - впуск повітря
На сьогоднішній день одна з найуспішніших хвильових електростанцій це -
"Oceanlinx", яка працює в акваторії міста Порт-Кембл (Австралія). Її потужність
налічує до 1,5 МВт (рисунок 1.11) [5].
Рисунок 1.11 - Хвильова електростанція "Oceanlinx" в акваторії міста Порт-
Кембл (Австралія) [5].
1.3.9 Хвильова електростанція: пліт Коккереля
Перша конструкція цього хвильового плота Коккереля була запатентована
ще в 1920-тих роках. Схема хвильового плота Коккереля доволі таки нескладна. В
її основі шарнірно об'єднані секції, пересування яких відносно одна одної
передається насосам з електрогенераторами. Допомагають такій конструкції
утримуватися на місці - якорі (малюнок 1.12), [6].
Рисунок 1.12 - Варіант виконання контурного плота Коккерелля [36]: 1 –
коливальна секція; 2 - перетворювач; 3 - привід; 4 - шарнір
У СРСР було ухвалено рішення провести випробування ще в 70-х роках у
прибережній зоні Чорного моря. Модель хвильового плота становила в довжину
10 м, мала ширину 0,5 м, за цих параметрів пліт розвивав потужність 150 кВт.
Результати тестів у лабораторних умовах показали, що модель у масштабі
1:100 мала ККД 45 %.
1978 року у Великій Британії проводили випробування дослідних моделей
океанських електростанцій, в основі яких лежить рішення використання
хвильового плота Коккереля, що складається з шарнірно з'єднаних секцій,
переміщення яких відносно одна одної передають насоси з електрогенераторами,
а конструкцію утримують на місці якорями. Трисекційний хвильовий пліт
Коккереля завдовжки 100 м, завширшки 50 м і заввишки 10 м може дати
потужність до 2 МВт [34,36].
1.4 Аналіз моделей і пристроїв
Характеристика хвильової енергетики, технології перетворення енергії хвиль,
розвиток хвильової енергетики та перспективи її використання подано в
національних програмах розвинених країн: Швеції, Норвегії, Данії, Ірландії,
Великобританії [ 45]. Опис пристроїв хвильової
енергетики, генератори, які використовують у хвильовій енергетиці,
технології, які використовують у Норвегії, Ірландії, США, Великій Британії,
Австралії, Японії, подано в літературі [46, 47, 48].
У роботі [47] подано короткий огляд планування, переваг, ризиків і впливу
на навколишнє середовище морської хвильової електростанції. Вироблення
електроенергії від морських хвиль має величезний потенціал. Оскільки
експлуатаційні витрати на морські хвильові електростанції низькі, то
використовуючи енергоагрегати відновлюваної енергетики, можна виробляти
електроенергію за низькою ціною.
Характеристики хвиль, енергія хвиль, технології хвильової енергетики,
конструкції перетворювачів і використання перетворювачів постійного і змінного
струму в хвильовій енергетиці показано в роботах [49, 50, 51]. У джерелі [50]
висвітлено перетворення енергії хвиль, а також огляд наявних станцій і пристроїв.
У роботі [52] наведено огляд моделей хвилепроводів для перетворювачів енергії
хвиль. Розглядаються всі етапи перетворення енергії хвиль на електричну енергію
за допомогою хвилепроводів. Визначаються необхідні компоненти та матеріали,
управління та обмеження.
Методика, наведена в джерелі для поплавцевої хвильової електростанції
(ПХЕС), дає змогу провести розрахунки перетворювачів
енергії хвиль, що включають лінійний електрогенератор, індуктор,
виконаний у вигляді інерційної маси з постійними магнітами, встановленими з
можливістю вертикального зворотно-поступального переміщення за допомогою
пружних елементів [57]. У патенті показано, що залежно від призначення
можливе створення ПВЕС на малі (<1кВт) і великі (>1кВт) потужності. Малі
ПВЕС можуть встановлюватися на суднах як допоміжні джерела струму, а
потужні ПВЕС створюються шляхом складання багатомодульних зв'язок з
оптимальних за характеристиками ПВЕС. Автори пропонують шляхом таких
зв'язок досягати потужностей у десятки мегаватів і розташовувати ці зв'язки в
акваторіях світового океану з високою штормовою і хвилеутворювальною
активністю, у місцях, непридатних або мало придатних для проживання людини
або мореплавства, і наведення таких комплексів судно-зв'язка ПВЕС на штормові
акваторії за допомогою супутників Землі. Ідея використання ПВЕС [57] у
штормовому океані для одержання електричної енергії десятків МВт хороша, але
виникає низка запитань: як накопичувати і використовувати отриману
електроенергію в штормовому океані; можливість обриву від якорів ПВЕС,
причому зіткнення з будь-яким судном у штормовому океані може призвести до
непередбачуваних наслідків. Якби автори навели приклад використання розробки
для нафто- або газовидобувної платформи, то з цим можна було б погодитися, але
й тоді ПВЕС має бути жорстко закріплена.
У патенті [58] наведено хвильову електростанцію, побудовану на основі двох
тіл, які встановлені з можливістю коливань у протилежних фазах. Показана
хвильова електростанція являє собою конструкцію складного типу.
1.5 Оцінка ресурсів хвильової енергії Чорного моря
Хвилі на воді виникають за допомогою сил гравітації та потоку вітру, який,
своєю чергою, проходить доволі велику відстань над поверхнею води. Деякі хвилі
проходять тисячі миль, досягаючи суші. Вітер утворює хвилі різних розмірів,
починаючи від невеликих брижів, закінчуючи величезними хвилями. Частинки
води збігаються з більшою сукупною енергією, яка створюється хвилею. Також
характер коливань хвиль різний, що призводить до різних законів дисперсії і до
всілякої поведінки хвиль.
На створення хвиль повітряним потоком впливають такі чинники, як:
швидкість руху вітру; зусилля; час проходження потоку вітру; водна глибина.
Основні параметри хвиль: висота хвилі; довжина хвилі; період. Механізм
поширення хвилі показано на малюнку 1.13, [60].
Під час підходу хвилі до берега, її довжина зменшується, а висота і крутизна
збільшуються.
Здебільшого електростанції, що застосовують хвильову енергію,
сконструйовані для отримання енергії на глибокій воді. Для таких електростанцій
має бути дотримана умова, що глибина моря D має перевищувати половину
довжини хвилі λ/2.
Рисунок 1.13 - Профіль хвилі [60].
Існують деякі особливості поверхневих хвиль на глибокій воді:
1. Нерегулярна довжина, фаза, і напрямок приходу.
2. Круговий рух кожної частинки рідини.
3. Зменшення амплітуди частинок рідини з глибиною.
4. Амплітуда хвилі залежить від характеру попереднього взаємодії вітру
з морською поверхнею.
Унаслідок відсутності поступальних рухів на глибокій воді, для неї більше
властивий круговий рух із радіусом орбіти r. Висота хвилі H від вершини гребеня
до основи однакова і дорівнює її подвоєній амплітуді (H = 2r). Кутова швидкість
руху частинок ��.
Основні характеристики хвилі подано на малюнку 1.14 [60].
Рисунок 1.14 - Основні характеристики хвилі [61].
Виходячи з гідродинамічної теорії, енергія хвилі складається з кінетичної
енергії ���� частинок рідини, що беруть участь у хвильовому русі, і потенціальної
енергії ��р , яка визначається положенням маси рідини, піднятої над рівнем
спокійної поверхні. Потік енергії, що переноситься хвилею в напрямку її
поширення, через смугу вертикальної площини одиничної ширини та
нескінченної глибини, можна визначити як роботу сил тиску за обраним
напрямком в одиницю часу, усереднену за період хвилі, або як швидкість
перенесення хвильової енергії.
Таким чином, потужність, яку переносять хвилі на глибокій воді,
пропорційна квадрату їхньої амплітуди і періоду. Наведений вираз придатний для
опису енергетичних характеристик хвиль, профіль яких викреслено за
синусоїдою. У природі синусоїдальний профіль мають тільки хвилі вельми
великого періоду - приливні, у яких дійсно довжина хвиль незрівнянно більша за
висоту. Для поверхневих хвиль, створюваних вітром, таке спрощене припущення
є незаконним, а тому аналіз коливального руху водних частинок проводиться
іншим шляхом, класичну теорію модифікують, використовуючи статистичний і
спектральний підходи.
Спочатку як оціночні значення в нерегулярному хвилюванні прийнято
параметри Hs і Ts значного хвилювання [61]. Таким чином, були оцінені запаси
хвильової енергії в прибережних зонах Світового океану.
В основі цього принципу лежали візуальні спостереження за хвилюванням
морів і океанів. Далі вони були виправлені методом розрахунку хвильової
обстановки за метеорологічними даними. За результатами дослідження було
виявлено, що майже у всіх прибережних зонах Світового океану потужність
перевищила 15 кВт/м (рисунок 1.15). У високих широтах північної та південної
півкуль Землі було виявлено максимальні значення потужності хвилювання - до
70-90 кВт/м.
Рисунок 1.15 - Значення потужностей у зонах Світового океану [61].
Було виявлено, що головним недоліком цього методу є те, що розрахунок
проводиться за фіксований момент часу. Роботу з усунення цього недоліку провів
Г.В. Матушевський [61]. Для цього він впровадив метод середніх багаторічних
даних характеристик хвилювання. Таким чином запровадили режимну кліматичну
функцію густини розподілу висот (h) і періодів (T).
Значення потоку хвильової енергії в Чорному морі - 6-8 кВт/м.
Наразі у світовій практиці для розрахунку хвильового клімату
використовують підхід, заснований на отриманні режимних відомостей шляхом
обчислень за гідродинамічними спектральними моделями.
Найбільш популярними є вітро-хвильові моделі третього покоління WAM,
SWAN, WaveWatch тощо. Однак вони насамперед орієнтовані на опис
хвилювання у відкритій частині моря [62], тому для моделювання хвилювання в
прибережній зоні Чорного моря (рисунок 1.16) застосовувалася спектральна
хвильова модель Mike 21 SW, розроблена спеціально для морських і прибережних
районів.
Рисунок 1.16 - Середній розподіл енергії хвиль у Чорному морі за 13 років
(кВт/м)
Переходячи від аналізу методів оцінки потенціалу хвильової енергії до
оцінки її запасів у прибережній зоні, можна констатувати таке [61]: у Чорному
морі питома середньорічна потужність хвиль становить близько 6-8 кВт/м.
Відповідно до особливостей режиму вітру, максимальна інтенсивність
вітрового хвилювання припадає на холодний період року - з жовтня по березень.
Тобто можна очікувати, що в зимові місяці середній потенціал хвильової енергії
Чорного моря становитиме 8-9 кВт/м, а в літні - 5-6 кВт/м.
Значні розміри моря, великі глибини, слабка порізаність берегової риси,
незважаючи на рідкісну повторюваність сильних вітрів, сприяють розвитку
штормового хвилювання. При цьому в прибережній зоні режим хвилювання дуже
мінливий і залежить від особливостей конкретного району.
За даними Г.В. Матушевського [63] поновлювана потужність становить
усього 0,026-0,040 % повної потужності хвилювання. Таким чином, навіть повний
відбір відновлюваної потужності призводить лише до незначної зміни повної
потужності хвилювання і відповідно до малого екологічного впливу.
Розрахунки показують, що для Чорного моря щільність відновлюваної
потужності хвилювання становить 29,4 кВт на 1 км2 акваторії.
На найкращих установках ККД відбору хвильової енергії доволі високий
(близько 70-95%), проте з урахуванням неминучих втрат під час перетворення
енергії в електричну підсумковий ККД знижується до 30-80%. Якщо взяти за
основу ККД, що дорівнює 60%, то потужність хвильових електростанцій на
акваторіях Чорного моря може скласти відповідно 7,45 і 0,38 ГВт, а сумарні
технічні ресурси хвильової енергії можна оцінити приблизно в 68,6 ТВт⋅год на
рік. На малюнку 1.17 наведено схему районів Чорного моря за Земляковим [64].
Рисунок 1.17 - Схема районів Чорного моря за Земляковим [64].
На схемі показано переважне використання енергії хвиль на акваторіях з
малими і середніми хвилями. Однак за безлічі принципових конструкторських
рішень, для всіх видів ВЛЕС характерний один загальний недолік, який обмежує
ефективність їх застосування. Це відсутність властивості адаптації до мінливих
зовнішніх умов морського середовища і, насамперед, до нестаціонарності
параметрів морських хвиль: довжини, амплітуди і частоти проходження
(швидкості поширення), що істотно знижує загальну ефективність застосування
ВЛЕС. На акваторії Чорного моря можливе існування вітрових хвиль
максимальною висотою до 5,1...20,0 м. Однак, як випливає з таблиці 1.3, такі
хвилі утворюються надзвичайно рідко. Хвилі з 3%-ю і більшою забезпеченістю
мають висоту 1,5...3,0 м, що дає змогу говорити про доцільність створення
морських ВЛЕС для роботи на малих і середніх хвилях. Попередній аналіз
наявних принципів побудови ВЛЕС дав змогу вибрати як один із варіантів ВЛЕС
для роботи на Чорному морі енергоагрегат поплавцевого виду. У таблиці 1.3
наведено дані щодо висоти хвиль у Чорному морі протягом року [65].
Таблиця 1.3 - Характеристики хвиль Чорного моря [31].
Висота Повторюваність за місяцями та річна, %
хвиль, м 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Рік
0,0...0,5 40,7 41,0 47,7 62,2 71,4 68,9 62,7 58,4 54,7 48,2 43,7 39,2 53,3
0,6...1,0 23,6 23,9 23,6 21,0 17,4 18,9 21,4 22,7 22,7 23,9 24,8 24,9 22,4
1,1...1,5 15,6 15,8 14,1 9,1 6,8 7,4 9,5 11,0 11,9 13,3 14,8 16,3 12,1
1,6...2,0 9,4 9,5 7,3 4,2 2,8 3,0 4,0 4,9 6,3 7,5 8,2 9,4 6,4
2,1...2,5 4,6 4,2 3,2 1,7 0,9 1,0 1,6 1,7 2,1 3,3 4,1 4,5 2,7
2,6...3,0 3,4 2,9 2,0 0,9 0,4 0,4 0,5 0,8 1,2 2,1 2,6 3,0 1,7
3,1...3,5 0,8 1,2 0,6 0,3 0,1 0,1 0,1 0,2 0,4 0,6 0,7 1,0 0,5
3,6...4,0 1,2 0,8 0,7 0,3 0,1 0,2 0,2 0,1 0,4 0,6 0,7 0,9 0,5
4,1...4,5 0,2 0,2 0,2 0,1 0,1 0,1 0,0 0,0 0,1 0,1 0,1 0,3 0,1
4,6...5,0 0,3 0,3 0,3 0,1 0,0 0,0 0,0 0,1 0,1 0,2 0,2 0,2 0,1
5,1...20,0 0,2 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0 0,1 0,0 0,1 0,2 0,1 0,2 0,1
У таблиці 1.4 показано межу сезонних змін швидкості вітру в різних районах.
Таблиця 1.4 - Межа сезонних змін швидкості вітру в різних районах Чорного
моря [65].
Район січень липень Район січень липень
Північно- 4,4-8,8 3,5-5,4 Південно- 4,0-8,5 3,0-4,3
західний західний
Кримський 3,3-8,3 2,5-4,6 Центральний 4,7-7,5 3,0-4,9
Північно- 3,6-7,7 2,3-4,8 Південно- 1,6-6,8 1,8-3,9
східний східний
Аналізуючи дані, наведені в таблиці 1.3, можна дійти висновку, що
найперспективнішим для спорудження ВЛЕС є Північно-західний район Чорного
моря, у зв'язку з найвищими показниками швидкості вітру.
На рисунках 1.18 - 1.20 наведено дані повторюваності (%) різних градацій
висот хвиль (м) за місяцями на берегових станціях. Градації хвиль обрано на
підставі стандартної шкали ступеня хвилювання і відповідають балам
хвилювання.
Рисунок 1.18 - Повторюваність (%) різних градацій висот хвиль (м) за
місяцями на береговій станції МГС Чорноморське [65].
Рисунок 1.19 - Повторюваність (%) різних градацій висот хвиль (м) за
місяцями на береговій станції МГС Тарханкут [65].
Рисунок 1.20 - Повторюваність (%) різних градацій висот хвиль (м) за
місяцями на береговій станції МГС Євпаторія [65].
Детальніший аналіз показав, що найбільший інтерес представляє прибережна
зона між м. Євпаторія та м. Севастополь. Технічні ресурси хвильової енергії в
смузі завширшки 10 км становлять близько 83 ГВт⋅ год/рік.
Відповідно, потужність хвильової електростанцій у зазначеній зоні може
становити 10 МВт.
1.6 Характеристики морських хвиль біля узбережжя
Згідно зі статистичними даними середнє хвилювання біля узбережжя не
перевищує 0,25 м у літній і 0,4 м у зимовий період, але, для окремо взятих
регіонах, як і для відкритих морів та океанів, середнє значення може сягати 1
метра, що відповідає 3 балам у таблиці 1.5 [66].
Морські хвилі поділяються за такими категоріями:
Вітрові;
Корабельні;
Сейсмічні;
Анемобатичні;
Приливні.
Таблиця 1.5 - Параметри морської хвилі [66].
Хвилювання в Опис Характеристики хвилі
балах
Висота (м) Довжина (м) Період (с)
0 відсутня 0 0 0
1 слабке менше 0,25 5 2
2 помірне 0,25-0,75 5 - 15 2 - 3
3 значне 0,75 - 1,25 15 - 25 3 - 4
4
5 сильне 2 - 3,5 40 - 75 5 - 7
6 3,5 - 6 75 - 125 7 - 9
7 дуже сильне 6 - 8,5 125 - 170 9 - 11
8 8,5 - 11 170 - 220 11 - 12
9 виняткове 11 220 12
Для вироблення електроенергії на ВЛЕС підходять вітрові хвилі, і викликані
ними брижі та прибій. Оскільки біля узбережжя хвильовий потенціал невеликий,
доцільно розміщувати установки перед зоною прибою, де хвиля значно більша і
має крім потенційної енергії ще й кінетичну, але при цьому не пошкоджуватиме
установку.
Подальші розрахунки в роботі будуть виконані з урахуванням умов
таблиці 1.6.
Таблиця 1.6 - Висота, довжина та період хвилі
Висота хвилі, м 1
Довжина хвилі, м 15-25
Період, с 3-4
Висновки за розділом
Оцінено ресурси хвильової енергії Чорного моря та наведено характеристики
морських хвиль біля узбережжя.
Таким чином, аналіз наявних даних для хвиль показує, що потрібно для
розроблення ВЛЕС. Тобто, для розроблення та підбору параметрів
енергоагрегатів для ВЛЕС необхідно враховувати наступні критерії:
- вартість має бути нижчою за існуючі;
- хвильова електроустановка (ХВЕУ) має бути не матеріаломісткою і
складатися з комплектуючих, що серійно випускаються.
- ВЛЕУ повинна мати масогабаритні розміри, що дають змогу
транспортувати її залізничним і автотранспортом;
- ВЛЕУ повинна мати високий початковий коефіцієнт потужності.
Цим критеріям відповідає ВЛЕУ поплавкового типу, розрахунок і
моделювання якої проведено в четвертому розділі.
Розділ 2. РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ І ХАРАКТЕРИСТИК
МОРСЬКИХ ХВИЛЬ
МКР 24.144.86 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Білоус Розрахунок параметрів і Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Калейніков характеристик морських хвиль
Реценз. Г .Є.
Н. Контр. ЧДТУ, МТЕ-35
Затверд. Калейніков
Розділ 2. РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ І ХАРАКТЕРИСТИК
МОРСЬКИХ ХВИЛЬ
2.1 Енергія морських хвиль
Хвильова енергія характеризується високою питомою потужністю, яка
вимірюється в кіловатах на погонний метр (кВт/м). Середновзважена потужність
хвиль у світовому океані перевищує 15 кВт/м, що значно перевищує показники
вітрової та сонячної енергії. При збільшенні висоти хвиль до 2 метрів питома
потужність може досягати 80 кВт/м. Такий високий енергетичний потенціал
хвиль обумовлений їхньою здатністю акумулювати значну кількість енергії, що
робить океани практично невичерпним джерелом енергії. [61].
Хвильова енергетика – перспективний напрямок у відновлюваній енергетиці.
Кінетична енергія морських хвиль, яка передається через поверхню води, може
бути перетворена в електричну енергію. Питома потужність хвиль значна: один
метр хвилі здатен переносити від 40 до 100 кіловат. На відміну від енергії
припливів і відливів, яка залежить від місячних циклів, хвильова енергія є більш
стабільною і практично невичерпною. Завдяки своїм характеристикам, хвильові
електростанції можуть забезпечувати енергією різноманітні об’єкти, від морських
буїв до сільськогосподарських підприємств у прибережних зонах.
Хоча хвильова енергетика сьогодні знаходиться на ранніх етапах розвитку, її
потенціал є величезним. Незважаючи на високу вартість обладнання та низький
ККД, численні дослідження доводять, що енергія хвиль може стати важливим
джерелом альтернативної енергетики. Однак, для реалізації цього потенціалу
необхідні значні інвестиції в наукові дослідження та розробку нових технологій.
2.2 Характеристика та основні параметри морських хвиль
Морські хвилі класифікуються на два основні типи: поверхневі та
внутрішні. Поверхневі хвилі, що виникають внаслідок дії вітру, припливних сил,
атмосферних збурень, сейсмічних явищ або руху суден, є найбільш вивченим
типом. Внутрішні хвилі, які поширюються на глибині і мають незначний вплив
на поверхню, менш вивчені, але відіграють важливу роль у динаміці океану.
Незважаючи на відмінності в масштабі та механізмах утворення, обидва типи
хвиль є компонентами єдиної системи океанічних хвилювань.
Морська хвиля характеризується такими елементами: гребінь (найвища
точка), улоговина (найнижча точка), висота хвилі (відстань між гребенем і
улоговиною) та довжина хвилі (відстань між двома сусідніми гребенями).
(рисунок 2.1) [66].
Рисунок 2.1. - Елементи хвилі [66].
Висота хвилі, яка визначається як перевищення гребеня над підошвою, є
важливим параметром, що характеризує амплітуду коливань водних частинок.
Довжина хвилі, виміряна як відстань між двома сусідніми гребенями, визначає
масштаб хвильового процесу. Крутизна хвилі, що дорівнює відношенню висоти
до довжини, є безрозмірною величиною, яка характеризує форму хвильового
профілю. Для більшості природних хвиль крутизна є невеликою величиною,
однак у випадку хвиль, що рухаються на мілководді, вона може значно
збільшуватися. Перелічені елементи визначають геометричні характеристики
хвилі.
Крім геометричних характеристик хвиль, визначальними є кінематичні
елементи. Серед них: період хвилі Т - інтервал часу між проходженням двох
зміщених вершин хвиль через фіксовану вертикаль; частота хвиль у часі, або
кутова швидкість трохоїдальної хвилі ω. Період хвилі Т можна визначити за її
орбітою, а для стоячої хвилі період визначається проміжком часу, за який
відбувається повне коливання рівня. Швидкість поширення хвилі або фазова
швидкість ��ф - швидкість переміщення гребеня хвилі в напрямку її поширення,
тобто за період хвилі Т профіль хвилі зміститься на відстань, що дорівнює
довжині хвилі λ. Фазова швидкість поширення хвилі:
(2.1)
Де Т - період хвилі, с.
Під час вивчення елементів окремої хвилі та їхньої зміни зазвичай
використовують ідеалізовану хвилю, за яку обирають трохоїдальну. Це двомірна
хвиля, частинки якої обертаються по правильних колах, причому частинки, що
знаходяться на одній вертикалі, коливаються синфазно. Запишемо параметри
трохоїдальної хвилі. Кутову швидкість об'єму води ω знаходимо за формулою:
(2.2)
Довжина хвилі:
де g - прискорення вільного падіння, м⁄с .2
Швидкість переміщення в напрямку її рузу з урахуванням виразу (2.3), тобто
фазова, ��Ф , м/с:
(2.4)
Фазова швидкість трохоїдальної хвилі залежить від довжини і майже не
змінюється з висотою хвилі. Хвилі з більшою довжини рухаються з більшою
фазовою швидкістю. Запишемо співвідношення для періоду хвилі T, с.
(2.5)
і кутової швидкості хвилі ω, 1/с:
(2.6)
Довжина хвилі, а отже, їхня швидкість і період із глибиною не змінюються.
Під час хвилювання частинки води рухаються по кругових орбітах; радіуси орбіт,
по яких обертаються частинки, зменшуються з глибиною за експоненціальним
законом і тим швидше, чим коротша хвиля. При цьому радіус орбіти, по яких
обертаються частинки, r1 , м, визначиться як:
(2.7)
Де Z - вертикальна відстань донизу від поверхні води, м.
Висота хвилі H = 2��. Радіус орбіти частинок дорівнює половині висоти хвилі
на даній глибині. Замінюючи ��0 = H0⁄2, отримаємо вираз, що визначає зміну висоти
хвилі з глибиною:
(2.8)
де H0 - висота хвилі на поверхні моря, м.
Отже, зі зменшенням радіусів орбіт частинок скорочується і висота хвилі. На
глибині, що становить половину довжини (Z = λ⁄2), висота хвилі скорочується в 23
рази, а на глибині, що дорівнює довжині хвилі (Z = λ), - у 6535 разів.
За глибини Z, яка набагато більша за довжину хвилі λ (Z> λ), хвильові
коливання відсутні [66]. За глибини Z = λ хвильові коливання незначні, і при Z =1
λ хвильові коливання мають найбільше значення, при тому, що Z доходить із
глибини до центру хвилі.
Енергія частинок під час хвилювання складається з кінетичної енергії, яка не
змінюється під час їхнього руху орбітою (коло трохоїди), і потенційної, яка
змінюється, оскільки під час руху орбітою зростає висота частинок над рівнем
моря.
Рисунок 2.2 - Зображення профілю для розрахунку потенційної енергії [67].
Потенційна енергія елементарного об'єму води масою m дорівнюватиме mgh.
Математично визначено [67], що середнє перевищення частинки h для трохоїди
(2.9)
Потенційна енергія ∆Eп , Дж, об'єму води масою m, кг, дорівнюватиме:
(2.10)
Кінетична енергія ∆Eк , Дж, елементарного об'єму води масою m
(2.11)
де v - лінійна швидкість руху частинки по орбіті, м/с.
(2.12)
З урахуванням формул (2.12) кінетична енергія об'єму води масою m
дорівнюватиме:
(2.13)
Кінетична енергія об'єму води масою m дорівнює його ж потенційній енергії
∆��к = ∆��п . Повна енергія дорівнює сумі кінетичної та потенційної енергії:
(2.14)
Кількість енергії ��E, Дж, яку має хвиля води завширшки ����, з основою, що
дорівнює одиниці, і густиною морської хвилі �� можна визначити за формулою:
(2.15)
Для отримання повної енергії, укладеної у хвилі води з одиничною основою,
тобто енергії, що припадає на одиницю поверхні хвилі, проінтегруємо цей вираз
по всій товщі від нуля до нескінченності:
(2.16)
оскільки
(2.17)
тут величина
то енергія, укладена під одиничною площею, E, Дж/м :2
(2.18)
Енергія, укладена під одиничною площею, залежить тільки від висоти хвилі.
Швидке зростання енергії при зростанні висоти хвилі визначається величиною h2 .
Основна енергія хвилі зосереджена на поверхні води.
0
Глибину моря будемо вважати нескінченною. Робота сил тиску, що
розглядається на всій нескінченній смузі, W, Дж, визначається формулою,
встановленою в гідромеханіці [66]:
(2.19)
Потужність хвилі N, Вт, знаходиться за формулою:
(2.20)
Отже, з урахуванням раніше наведених формул:
(2.21)
Повна механічна енергія хвилі переноситься зі швидкістю вдвічі меншою за
фазову швидкість хвилі. Підставляючи в наведений вираз (2.21) значення енергії,
що міститься під одиничною площею (2.18), фазову швидкість хвилі (2.4), і
враховуючи (2.5), а також, що �� =h/2 , отримаємо вираз для потужності, що
переноситься хвилею в напрямку її поширення N�� , Дж/с⋅м, на одиницю ширини
хвильового фронту:
(2.22)
Швидкість хвилі:
У випадку, коли Z⁄�� велике, гіперболічний тангенс прагне до одиниці
і формула (2.23) набуває вигляду:
(2.24)
Хвилі, що задовольняють відношенню Z> 0,5��, називаються короткими. Для
хвиль, що мають довжину, меншу за подвоєну глибину моря, у разі знаходження
параметрів поверхневих хвиль на деякій відстані від берегової риси за умови, Z⁄��
< 0,1, значення тангенса та його аргументу стають рівними одне одному. З
формули (2.23) отримують формулу для фазової швидкості таких хвиль:
(2.25)
2.3 Модуляція хвиль
Обвідна групи хвиль переміщається разом із рухом результуючої хвилі.
Групова швидкість, не збігається з фазовою швидкістю хвиль, що інтерферують,
vф1 і vф2 . Періоди інтерферуючих хвиль близькі між собою і, якщо прийняти
vф1 = vф2 і рівними їхній середній швидкості vф , то
де �� ф гр. - групова швидкість хвиль, м/с.
Швидкість переміщення ��ф гр. дорівнює половині фазової швидкості
складових.
Таблиця 2.1 - Оцінка морських хвиль із періодами від 1 до 15 секунд [68].
Т, сек 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
λ, м 1,6 6,2 14,1 25 39 56 77 100 126 156 189 225 264 351 451
v ф, м/с 1,6 3,1 4,7 6,2 7,0 9,4 10,9 12,5 14,1 15,6 17,2 18,7 20,3 21,9 23,4
Amax, м 0,2 0,7 1,7 3,0 4,7 6,7 9,2 12 15 18 23 27 32 42 54
У відкритому океані період хвиль може сягати понад 15 секунд, але тільки
для хвиль брижів, що мають малу амплітуду і не мають гребенів, що падають.
На узбережжі відкритого океану під час проходження штормів
спостерігаються хвилі з періодами 10 с, висота яких істотно вища, ніж у хвиль
відкритого моря.
Осереднена за період хвилі швидкість хвильової течії ��ф на поверхні
визначається формулою Стокса через радіус орбіти частинки на поверхні ��0 , її
швидкість ��в і довжину хвилі λ
(2.26)
Оскільки радіус орбіт частинок зменшується з глибиною за
експоненціальним законом , то швидкість хвильового течії vв.Z на
глибині Z визначається формулою:
(2.27)
середня її величина за повний період хвилі залежить від висоти та довжини
хвилі і швидко зменшується з глибиною, але на поверхні може бути суттєвою.
Якщо застосувати принцип накладення до хвиль із різними амплітудами и
істотно відмінними частотами, що поширюються в одному напрямку, то
результуючу криву, якщо профіль результуючої хвилі піддамо гармонійному
аналізу, можна представити як суму деякої кількості простих гармонійних
складових з різними частотами і різними амплітудами. Принцип суперпозиції
лежить в основі спектрального методу розрахунку морського вітрового
хвилювання. Хвильова поверхня виходить як результат накладення великої
кількості вітрових хвиль з різними довжинами і напрямками поширення. Для
повної кількісної оцінки необхідно мати дані амплітуди і початкові фази кожної
гармонійної складової, що поширюється в певному напрямку. Кількісні оцінки
хвилювання здійснюються спектральним методом за допомогою енергетичних
співвідношень.
Оскільки повна механічна енергія хвилі, що припадає на одиницю довжини її
гребеня, пропорційна квадрату її амплітуди:
(2.28)
енергію кожної i-тої гармонійної складової хвилі, що має j-той напрямок
поширення, яка припадає на кожну гармонійну складову спектра, можна
розрахувати в такий спосіб. Розглянемо елементарну ділянку поверхні моря, на
межах якої розташовані системи хвиль із частотами від ω до ω + ∆ω і з
напрямками поширення від U до U + ∆U. Позначимо через S питому енергію
хвиль - кількість енергії, що припадає на одиницю площі поверхні моря, яка
залежить від того, яка з гармонійних складових хвилі розташовується на
виділеному одиничному майданчику S = S(ω, u). Енергія i-тої гармонійної
складової з j-тим напрямком, що припадає на нескінченно малий інтервал частот
∆ω і напрямків поширення ∆U дорівнюватиме:
Eij = S(ω, u)∆ω∆u. (2.29)
З урахуванням (2.29) амплітуда цієї складової:
(2.30)
деS(ω, u) - двовимірна спектральна густина хвилювання або двовимірний
енергетичний спектр, м2 с.
Формула (2.30) дає змогу визначити амплітуди гармонійних складових через
їхню питому енергію S. Функція S(��, ��), що характеризує розподіл питомої
енергії хвиль за частотами та напрямками поширення, називається двовимірною
спектральною густиною хвилювання або двовимірним енергетичним спектром.
Якщо цю функцію проінтегрувати за всіма можливими кутами U, наприклад від 0
до 2π, то отримаємо одновимірний енергетичний спектр, який називається
частотним. У гідромеханіці, за допомогою двовимірного енергетичного спектра
заведено кількісно оцінювати тривимірне морське хвилювання, а за допомогою
частотного - двовимірне. Спектральна щільність вимірюється в м2 ∙ с; S(��)[м2 ∙ с].
Як і будь-яке коливання, хвилі можна представляти у вигляді накладення
гармонійних хвиль, що змінюються за синусоїдальним законом із різними
параметрами. Рівняння одновимірної гармонійної хвилі:
(2.31)
Або
(2.32) де А - амплітуда коливань, м;
k = , - хвильове число (кількість хвиль, що зменшують), 1/м;
�� - циклічна частота, 1/с;
Т - період хвилі, с,
ν - лінійна частота коливання частинки у хвилі, 1/с;
�� - довжина хвилі, м;
�� - відхилення частинок від положень у хвилі.
У хвильовому русі в пружному середовищі відсутнє перенесення матерії. Під
час коливання хвиль морської води присутнє перенесення матерії. Залежно від
напрямку коливання в хвилі частинок середовища (води), хвилі бувають
поздовжніми і поперечними. У поздовжніх частинки коливаються вздовж
поширення хвилі. У поперечних хвилях коливання частинок перпендикулярно до
напрямку хвилі. У гравітаційних хвилях, що містять у собі компоненти і
поздовжніх, і поперечних коливань, наприклад, частинки, що виникають на
поверхні вод, здійснюють вертикальні рухи по колу з радіусом, що зменшується з
глибиною [69].
Під час поширення поздовжньої хвилі, що характеризується рівнянням (2.32),
можна визначити зміну енергії об'єму dV. Як об'єм dV виберемо елементарний
циліндр (рисунок 2.4). Хвиля ваги P і радіуса r приводиться в рух під дією сили
хвилі F1 і сили вітру F .2
Рисунок 2.4 - Характеристика поздовжньої хвилі
R - нормальна сила реакції площини води, зміщена відносно центру інерції С
хвилі на величину коефіцієнта тертя кочення fk у бік руху;
F - сила реакції гребеня хвилі, що дорівнює за модулем силі, прикладеній до
хвилі;
Fтр - сила тертя хвилі об горизонтальну площину водної поверхні.
Висновки за розділом
Отримано математичний опис швидкості та сили поздовжньої хвилі в процесі
її руху.
Виведено рівняння хвилі в параметричному вигляді як функції її довжини λ і
висоти H, кінетичної енергії трохоїдальної хвилі через фазову швидкість. При
поданні трохоїди параметричним рівнянням за заданих параметрів профілю хвилі
виведено формулу площі перерізу трохоїдальної хвилі.
Розділ 3. РОЗРОБКА ПРИСТРОЮ ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ
МОРСЬКОЇ ХВИЛІ
МКР 24.144.86 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Білоус Розробка пристрою Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Калейніков вимірювання параметрів
Реценз. Г.Є. морської хвилі
Н. Контр. ЧДТУ, МТЕ-35
Затверд. Калейніков
Розділ 3. РОЗРОБКА ПРИСТРОЮ ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ
МОРСЬКОЇ ХВИЛІ
3.1 Розробка схеми та структури пристрою для вимірювання
параметрів морської хвилі
Для вимірювання енергії хвилі розроблено різні пристрої [71-80], які не
дають змоги одержувати необхідні дані оперативно, точність цих пристроїв
невелика, є складні схемотехнічні рішення зі складним опрацюванням сигналу.
З метою підвищення точності вимірювання, постійного контролю
параметрів хвиль, зберігання і передавання інформації про швидкість, висоту і
довжину хвилі на відстані розроблено електронний пристрій вимірювання
параметрів морської хвилі, який може бути використаний як у прибережній зоні,
так і за значного віддалення від берегової смуги.
Розроблений пристрій (рисунок 3.1) для вимірювання параметрів хвилі
містить: 1 - датчик вимірювання швидкості хвилі; 2 - датчик висоти хвилі; 3 - блок
вимірювання висоти хвилі; 4 - інфрачервоний датчик; 5 - кодувальний пристрій; 6
- дешифратор; 7 - панель керування; 8 - мікроконтролер; 9 - генератор частоти; 10
- індикатор; 11 - блок передачі даних. Датчик вимірювання швидкості хвилі 1,
інфрачервоний датчик 4; кодувальний пристрій 5; дешифратор 6; панель
керування 7; мікроконтролер 8; та індикатор 10 з'єднані послідовно, датчик
висоти хвилі 2 сполучено через блок вимірювання висоти хвилі 3 з інфрачервоним
датчиком 4, генератор частоти 9 і блок передавання даних 11 сполучено з
мікроконтролером 8.
9
1 4 5 6 7 8 10
2 3 11
Рисунок 3.1 - Блок-схема пристрою вимірювання параметрів морської хвилі.
Розроблення такого пристрою дасть змогу підвищити точність вимірювання
параметрів завдяки спрощенню схемотехнічного рішення та застосуванню
сучасних електронних блоків і мікроконтролера.
Поставлене завдання вирішується за рахунок того, що до пристрою
вимірювання параметрів морських хвиль, який складається з блоків вимірювання
швидкості та висоти хвилі, блоку приймання - передавання даних параметрів
хвиль, включено ультразвуковий датчик для вимірювання рівня висоти хвиль,
який своїм виходом сполучено через кодувальний пристрій, обчислювач із входом
мікроконтролера, а також датчик інфрачервоного випромінювання, сигнал з якого
подають на енкодер диска, який має отвори, через які світловий сигнал від
датчика інфрачервоного випромінювання потрапляє на прийомник, а потім через
дешифратор потрапляє на індикатор; на другий вхід мікроконтролера, який
здійснює обробку надходження сигналів. Дані з приймача інфрачервоного
випромінювання потрапляють на другий вхід мікроконтролера, який здійснює
обробку сигналів, що надходять, далі через дешифратор надходить на індикатор;
на рахунковий вхід мікроконтролера надходять імпульси мегагерцової частоти з
еталонного генератора частоти; мікроконтролер здійснює зберігання інформації в
буферному пристрої та передавання приймально-передавальним пристроям
стільниковими мережами GSM/GPRS на відстань.
На рисунку 3.2 представлено конструктивне рішення розробленого
пристрою для вимірювання сили хвилі, який містить: 1 - поплавок; 2 - панель
керування з рідкокристалічним дисплеєм; 3 - диск; 4 - гвинт; 5 - панель
керування; 6 - інфрачервоний датчик; 7 - редуктор; 8 - гідроциліндр; 9 - труба
захисна; 10 - пружний елемент - пружина; 11 - датчик ультразвуковий; 12 -
стрижень; 13 - якір.
Рисунок 3.2 - Конструктивне виконання вимірювача морської хвилі
Для вимірювання швидкості хвилі використано такі елементи: гвинт (4),
редуктор (7), диск (3), інфрачервоний датчик (6). При збільшенні швидкості хвилі
збільшується частота обертання гвинта. Гвинт через редуктор приводить в
обертання диск, що має отвори (рисунок 3.3).
Рисунок 3.3 - Диск інкрементний енкодер
Диск являє собою інкрементний енкодер, який дає змогу здійснювати
шифрування. Кроковий оптичний енкодер складається з таких компонентів
(рисунок 3.3): джерела світла, диска з мітками, фоточутливого датчика та диска,
що має певну кількість отворів, через який світло від джерела потрапляє на
фоточутливий датчик. Під час обертання диска з фоточутливого датчика маємо
серію імпульсів (�� = ��(��)), частота яких прямопропорційна швидкості хвилі. Якби
на валу диска було встановлено черв'ячну передачу та інтегрувальний механізм
для лічби імпульсів, то в цьому разі можна було б оцінити середнє значення зміни
швидкості хвилі в тому чи іншому місці моря за певний інтервал часу.
Під час обертання диска з датчика (рисунок 3.4, а) отримуємо модульовані
імпульси (рисунок 3.4, б), які надходять на мікроконтролер (рисунок 3.5)
електронного блоку вимірювального пристрою.
Вимірювач швидкості хвилі працює в режимі частотно-імпульсної
модуляції, тобто на виході маємо імпульси, модульовані за частотою, залежно від
швидкості, довжини та напору хвилі. Збільшення швидкості хвилі призводить до
збільшення частоти обертання гвинта і відповідно збільшення кількості імпульсів.
б)
а)
Рисунок 3.4 - Схема пристрою для вимірювання швидкості хвилі (а) та
імпульси на приймачі (б)
Рисунок 3.5 - Блок-схема електронного блоку вимірювального пристрою
�� = ��(��), (3.1)
де n - частота обертання диска (за 1 м/с), 1/с;
ν - швидкість, м/с.
(3.2)
де k - постійна диска;nд - кількість міток на диску, mд - число імпульсів,
створюваних за секунду, 1/с.
Якщо кількість міток на диску дорівнює 72, то це означає, що за кожних 72
імпульсів від датчика диск завершує повний цикл. Для вимірювання імпульсної
циркуляції хвилі необхідно розрахувати кількість імпульсів, що генеруються
датчиками. Припустимо, що кількість імпульсів, створюваних за секунду,
дорівнює 360. Ділимо його на число отворів у диску, щоб отримати число циклів
диска (k дорівнює 5 циклам на секунду):
Отже, швидкість хвилі становитиме ν=18 км/год.
За радіуса диска, що дорівнює 25 см, і кількості міток на диску, що
дорівнює 72, кут між кожною парою міток становить 5 градусів. Визначимо за
заданих значень довжину хвилі
�� = 2����, (3.3)
�� = 2�� ∙ 25 = 157 см.
Припустимо, що диск здійснює п'ять повних обертів θ=5-360=1800º,
тоді
Вимірювання довжини хвилі
(3.4)
або
(3.5)
(3.6)
деТ - період хвилі, с; f - частота хвилі, 1/с.
Довжина хвилі прямо пропорційна квадрату періоду хвилі. Похибка
вимірювання швидкості хвилі при m д =72.
Для визначення довжини хвилі за допомогою розробленого пристрою -
відстані за горизонталлю між двома послідовними гребенями хвилі, виміряної
уздовж напряму поширення, висловимо формулами частоту (ω), довжину хвилі
(λ), м, і період хвиль (Т), с, за розгляду параметрів трохоїдальної хвилі. Кутова
швидкість руху хвилі:
(3.7)
Довжина хвилі
(3.8)
Період - інтервал часу між двома послідовними гребенями хвилі у
фіксованій точці:
(3.9)
Швидкість хвилі
(3.10)
Інтервал часу між двома послідовними гребенями хвилі у фіксованій точці
визначаємо за формулою
(3.11)
Отримані дані про швидкість хвилі та довжину хвилі надходять на блок 3 -
мікроконтролер (рисунок 3.5). Вихід мікроконтролера (блок 3) з'єднаний із
входом рідкокристалічного дисплея (блок 4) (рисунок 3.5), і на
рідкокристалічному дисплеї відображаються результати швидкості та довжини
хвилі. За необхідності дані цих величин можуть бути передані через передавач
або стільниковим зв'язком на реєструвальний прилад станції контролю
метеорологічного спостереження, якщо пропонований пристрій перебуває на
невеликій відстані від берега.
Для визначення рівня гребеня хвилі - висоти хвилі, пропонується
використовувати ультразвуковий далекомір, який дає змогу визначити висоту
хвилі H (рисунок 3.6) за принципом роботи ехолота.
Ультразвуковий датчик 11 (рисунок 3.6) пов'язаний із поплавком 1 і
кріпиться в гідроциліндрі 8, захищений трубою 9 (позначення відповідають
рисунку 3.2). Принцип його дії полягає в тому, що під час зміни висоти хвилі,
одночасно змінюється положення поплавка і ультразвукові імпульси передаються
на панель управління від датчика ультразвукових сигналів (блок 2 на малюнку
3.5) на вхід мікроконтролера (блок 3 на малюнку 3.5). Мікроконтролер 4 обробляє
сигнал, калібрує і з виходу мікроконтролера цей ультразвуковий сигнал,
відколібрований у параметр висоти хвилі в метрах, передається на відліковий
пристрій - рідкокристалічний дисплей 4 (рисунок 3.5).
Ультразвуковий датчик (рисунок 3.6) випромінює ультразвукові хвилі
частотою 40 кГц. Він видає сигнал, що дає змогу визначити відстань, а отже, і
висоту хвилі H=2r.
Рисунок 3.6 - Ультразвуковий датчик
Ультразвуковий датчик являє собою ультразвуковий модуль HC-SR04
(рисунок 3.7), що має 4 контакти. На перший контакт - 1 (рисунок 3.7) подається
напруга живлення - 5 В; на контакт 2 - позитивний випромінювальний імпульс 10
мкс, він працює в режимі тригера; на контакт 3 - ехо-пін, надходить відбитий
сигнал; до контакту 4 під'єднується земля.
Рисунок 3.7 - Ультразвуковий модуль НС-SR04
Сенсор випромінює короткий ультразвуковий імпульс на початку відліку (в
момент часу 0), який відбивається від об'єкта і приймається сенсором назад.
Відстань розраховується з моменту початку випромінювання сигналу, який
відбивається від об'єкта і приймається сенсором, і до отримання луни, що
поширюється зі швидкістю звуку у водному середовищі. На малюнку 3.8 показано
епюри вихідних напруг та імпульси сигналів, що відповідають виміряним даним.
Рисунок 3.8 - Епюри вихідних напруг
Датчик реєструє відбитий сигнал і перетворює час його повернення на
електричний сигнал пропорційної тривалості. Мінімальний інтервал між
послідовними випромінюваннями імпульсів (період циклу) визначається часом
поширення ультразвуку до об'єкта і назад, і зазвичай становить не менше 50 мс.
Якщо на сигнальний пін (Trigger) (рис. 3.8) подають імпульс тривалістю 10 мкс,
то ультразвуковий модуль випромінюватиме вісім пачок ультразвукового сигналу
з частотою 40 кГц і реєструватиме їхнє ЕХО. Відстань до об'єкта може бути
розрахована за формулою
де t - час таймера (ехо-сигнал), 58 - калібрування.
Висота гребеня хвилі, яка визначається пристроєм, відповідає формулі:
r=t/58*2 , оскільки Hr = 2��.
Отримані величини швидкості хвилі, довжини хвилі та висоти хвилі від
датчиків подаються на мікроконтролер - 3 (рисунок 3.5) і реєструються на
індикаторі - 4. Для роботи мікроконтролера передбачено еталонний генератор - 5
(рисунок 3.5).
Датчик приладу для вимірювання висоти хвиль встановлюють над
поверхнею води, перпендикулярно до неї, на відстані, що забезпечує
функціонування приладу і не дає змоги хвилям досягти датчика. Як датчик для
вимірювання відстані до поверхні води обрано ультразвуковий датчик відстані.
Вибір датчика зумовлений доступністю, простотою функціонування, надійністю,
невисокими вимогами до живлення. Надійність є наслідком відсутності рухомих
частин у датчику. До недоліків датчика можна віднести не надто високу точність
обраної моделі та залежність датчиків подібного типу від параметрів
навколишнього середовища: атмосферного тиску, температури, вологості. Проте,
для описаного типу вимірювань цієї точності достатньо. Датчик періодично
вимірює відстань до поверхні води. Таким чином за наявності хвиль отримане
значення відстані циклічно змінюється з періодом проходження хвиль, а за
виміряною відстанню можна судити про висоту хвиль. Отримання значення
довжини хвилі здійснюється розрахунковим методом залежно від виміряного
періоду.
Ультразвукові датчики працюють найкраще, коли вони розміщуються перед
матеріалами, які легко відбивають ультразвукові хвилі, такими як метал, пластик і
скло. Це дає змогу датчику давати точні свідчення на більшій відстані від об'єкта
перед ним. Однак, коли датчик поміщається перед об'єктом, який легко поглинає
ультразвукові хвилі, наприклад, волокнистим матеріалом, датчик повинен
наблизитися до об'єкта, щоб дати точні свідчення. Кут нахилу об'єкта також
впливає на точність зчитування, оскільки плоска поверхня розташована під
прямим кутом до датчика, забезпечуючи найбільший діапазон чутливості. Ця
точність знижується в разі зміни кута нахилу об'єкта щодо датчика.
Для використання в пристрої обрано вологозахищений ультразвуковий
датчик AJ-SR04T.
З метою передавання параметрів хвилі на відстань, тобто на берег,
необхідно здійснити модуляцію даних сигналу параметрів хвилі до 150 МГц для
радіопередавача і на березі встановити демодулювальний пристрій. Живлення
передавача на напругу 9 В можна здійснювати за допомогою батарей.
Передавання сигналів про параметри хвилі - висоту, довжину і швидкість
морської хвилі за значної віддаленості від берега, можна здійснювати за
допомогою бездротового зв'язку стільниковими мережами з подальшим
передаванням в інтернет. Здійснювати передачу даних стільниковими мережами
GSM/GPRS можна за допомогою обладнання, розробленого ТОВ " Енергія -
Джерело". Структурну блок-схему наведено нижче (рисунок 3.9).
На представленій блок-схемі (рисунок 3.9) бездротового передавання
даних:
– Ен І-405 (GSM/GPRS - RS 485/232) - кінцевий пристрій (модем)
стільникового зв'язку f=900/1800 МГц з SIM картою;
– Ен І-750 - програмований логічний контролер, що здійснює керування
опитуванням датчиків, формування, пошук інформації або сигналу on-line (за
запитом);
– ПЛК - програмований логічний контролер;
– Ен И-751 - блоки перетворення - вимірюють струм I= 4-20 mA від
датчиків блоку передачі імпульсів (БПІ) і передають в Ен И-750;
– БПІ - блоки перетворення інформації (БПІ).
ЕнІ-405
ЕнІ-751 ЕнІ-751
вимірювач вимірювач
БПІ БПІ БПІ БПІ БПІ БПІ
ЕіН-405
Передавальна частина f (900/1800МГц)
Рисунок 3.9 - Структурна блок-схема бездротового передавання даних
стільниковими мережами
Приймальна частина на основі Ен І - 405 з використанням мережі RS 485
для підключення до ноутбука або персонального комп'ютера (ПК).
Далі дані з мережі можна використовувати в будь-якому зручному
місці.Розроблений пристрій дає змогу виміряти характеристики хвиль на поверхні
води з подальшою передачею отриманої інформації за допомогою мереж GSM.
Пристрій автономний, живлення здійснюється від кислотного акумулятора.
Підзарядка акумулятора здійснюється за допомогою сонячної батареї.
3.2 Розробка алгоритму роботи
На контакт 2 рис.3.7. (Trig) подається імпульс тривалістю не менше 10 мкс.
У відповідь на це датчик передає звуковий пакет із восьми імпульсів із частотою
40 кГц. Цей 8-імпульсний шаблон робить "ультразвукову сигнатуру" пристрою
унікальною, даючи змогу приймачу відрізняти переданий шаблон від
навколишнього ультразвукового шуму. Вісім ультразвукових імпульсів проходять
повітрям від передавача. Тим часом, вивід 3 рис.3.7. (Echo) переходить у HIGH,
щоб почати формування сигналу ехо-відповіді. У разі, якщо ці імпульси не
відбиваються назад, то сигнал Echo буде вимкнено через 38 мс і повернеться на
низький рівень. Таким чином, імпульс 38 мс вказує на відсутність перешкод у зоні
дії датчика. Якщо ці імпульси відбиваються назад, вивід Echo переходить у
низький рівень, щойно сигнал отримано. Це створює імпульс, ширина якого
варіюється від 150 мкс до 25 мс, залежно від часу, необхідного для приймання
сигналу. Потім ширина отриманого імпульсу використовується для розрахунку
відстані до відбитого об'єкта. Її можна обчислити, використовуючи просте
рівняння відстань=швидкість ∙ час.
Швидкість звуку за нормальних умов становить 340м/с. Таким чином,
рівняння розрахунку відстані виглядатиме так: відстань = 340(м/с) ∙ час
Для передачі зібраної інформації скористаємося модулем модему SIM800L.
Модуль SIM800L GSM/GPRS - це мініатюрний GSM-модем, який може
бути інтегрований у велику кількість IoT-проектів. Можна використовувати цей
модуль для виконання майже всього, що може зробити звичайний стільниковий
телефон; SMS-повідомлення, здійснювати або приймати телефонні дзвінки,
підключатися до Інтернету через GPRS, TCP/IP і багато іншого. На довершення
всього, модуль підтримує чотиридіапазонну мережу GSM/GPRS, що означає, що
він працює практично в будь-якій точці світу.
Проведемо огляд обладнання SIM800L GSM/GPRS модуля.
В основі модуля лежить стільниковий чип SIM800L GSM від SimCom.
Робоча напруга чіпа становить від 3,4 В до 4,4 В, що робить його ідеальним
елементом для прямого живлення від LiPo батареї.
Усі необхідні виводи даних мікросхеми SIM800L GSM розбиті на групи з
кроком 2,54 мм. Сюди входять контакти, необхідні для зв'язку з
мікроконтролером через UART. Модуль підтримує швидкість передачі від 1200
до 115200 біт/с з автоматичним визначенням швидкості передачі.
Модулю потрібна зовнішня антена для під'єднання до мережі. Модуль
зазвичай постачається зі спіральною антеною і припаюється безпосередньо до
контакту NET на друкованій платі. На платі також є роз'єм для під'єднання
виносної антени.
На зворотному боці модуля розташоване гніздо для SIM-карти. Будь-яка
активована мікро-SIM-карта 2G буде працездатною. Правильний напрямок
вставки SIM-карти зазвичай вигравірувано на поверхні гнізда для SIM-карти.
Цей модуль має розміри всього 6,5 см², але в ньому зібрано велику кількість
функцій. Деякі з них перелічено нижче:
- Підтримка чотирьох діапазонів: GSM850, EGSM900, DCS1800 і
PCS1900;
- Підключення до будь-якої глобальної мережі GSM з будь-якою SIM-
картою 2G;
- Здійснення і прийняття голосових викликів за допомогою зовнішнього
динаміка 8 Ом і електретного мікрофона;
- Надсилання та отримання SMS-повідомлень;
- Надсилання та отримання даних GPRS (TCP/IP, HTTP тощо);
- Сканування та приймання радіопередач FM;
- Потужність передачі:
- Клас 4 (2 Вт) для GSM850;
- Клас 1 (1 Вт) для DCS1800;
- Послідовний набір AT-команд;
- Роз'єм FL для стільникових антен;
- Micro SIM-карта;
- Світлодіодні індикатори стану.
У правому верхньому кутку модуля стільникового зв'язку SIM800L є
світлодіод, який показує стан стільникової мережі. Він блиматиме з різною
частотою, показуючи, в якому стані перебуває модуль.
Антена необхідна для використання модуля для будь-якого типу передачі
голосу або даних, а також для деяких команд SIM. Таким чином, вибір антени є
вирішальним. Є два способи додати антену до модуля SIM800L.
Перша - це спіральна GSM-антена, яка зазвичай йде в комплекті з модулем і
припаюється безпосередньо до контакту NET на друкованій платі. Ця антена дуже
корисна для проєктів, які потребують економії місця. Друга - це будь-яка антена
GSM 3дБ разом з адаптером U.FL-SMA. Цю антену с засувкою можна прикріпити
к невеликого роз'єму u.fl, розташованого у верхньому лівому кутку модуля. Цей
тип антени має кращі характеристики і дає змогу помістити модуль у металевий
корпус.
корпус, якщо антена розташована зовні.
Одна з найважливіших складових роботи модуля SIM800L - це подача на
нього достатньої кількості енергії.
Залежно від того, в якому стані перебуває модуль, SIM800L може бути
відносно енергоємним пристроєм. Максимальний струм, споживаний модулем,
становить близько 2 А під час пакетної передачі.
Зазвичай він не споживає так багато, але може потребувати близько 216 мА
під час телефонних дзвінків або 80 мА під час передавання через мережу. Таблиця
3.1 підсумовує споживання струму модулем.
Оскільки модуль SIM800L не має вбудованого регулятора напруги, потрібне
зовнішнє джерело живлення, налаштоване на напругу від 3,4 В до 4,4 В (в ідеалі
4,1 В). Джерело живлення також має бути здатним видавати імпульсний струм
2А, інакше модуль буде постійно вимикатися.
Таблиця 3.1 - Споживання струму в різних режимах
Режими Споживання струму
Вимкнення 60 мкА
Сплячий режим 1 мА
Очікування 18 мА
Робота в GSM850 199 мА
Робота в EGSM900 216 мА
Робота в DCS1800 146 мА
Робота в PCS1900 131 мА
Робота в GPRS 453 мА
Пакетне передавання 2 А
Модуль SIM800L має всього 12 контактів, які з'єднують його із зовнішнім
світом. Розпіновка GSM модуля SIM800L:
NET - це контакт, до якого можна припаяти спіральну антену, що
постачається разом із модулем.
VCC забезпечує живлення модуля. Це може бути від 3,4 В до 4,4 В. Підійде
зовнішнє джерело живлення, таке як батарея Li-Po або понижувальні
перетворювачі постійного струму з номіналом 3,7 В 2 А.
RST (Reset) - вивід для апаратного скидання. У разі зависання модуля
потрібно встановити на цьому вході високий рівень сигналу на 100 мс, щоб
виконати повне скидання.
Вивід RxD (приймач) використовується для послідовного зв'язку.
Вивід TxD (передавач) використовується для послідовного зв'язку.
GND - це контакт заземлення, загальний.
RING діє як індикатор дзвінка. По суті, це вивід "переривання" модуля. За
замовчуванням на ньому високий рівень і пульсуватиме на низькому рівні
впродовж 120 мс у разі отримання виклику. Його також можна налаштувати на
імпульс при отриманні SMS.
Вивід DTR вмикає / вимикає сплячий режим. Якщо встановити високе
значення, модуль перейде в сплячий режим, відключивши послідовний зв'язок.
Подача на нього низького значення розбудить модуль.
MIC ± - це диференціальний мікрофонний вхід. Два мікрофонні контакти
можуть бути під'єднані безпосередньо до цих контактів.
SPK ± - це диференціальний інтерфейс динаміка. Два контакти динаміка
можна прив'язати безпосередньо до цих двох контактів.
Як контролер, що обробляє інформацію з датчика і керує модемом, будемо
використовувати Arduino MEGA 2560.
Дані, які надіслано в СМС: H - висота хвилі; A - амплітуда хвилі; T - це
період хвилі; λ - це довжина хвилі.
На рисунку 3.10 показано розроблений алгоритм роботи вимірювача хвиль.
Рисунок 3.10 - Алгоритм роботи вимірювача хвиль
Реалізація алгоритму дає змогу визначати необхідні параметри.
Висновки за розділом
Розроблено електронний пристрій з мікроконтролером для вимірювання
параметрів морської хвилі, що забезпечує постійний контроль, зберігання і
передачу інформації про швидкість, висоту і довжину хвилі, який може бути
використаний як у прибережній зоні, так і на значній відстані від берегової смуги.
Запропоновано блок-схему та конструктивне рішення пристрою вимірювання
параметрів морської хвилі. Вимірювач швидкості хвиль працює в режимі
частотно-імпульсної модуляції, унаслідок чого на виході відповідного датчика
імпульси модульовані за частотою залежно від швидкості, довжини та напору
хвилі. Похибка вимірювання становить 1,4%.
Запропоновано структурну блок-схему бездротового передавання даних з
електронного пристрою вимірювача параметрів хвиль стільниковою мережею.
Розроблено алгоритм роботи вимірювача параметрів хвиль.
Розділ 4. РОЗРОБКА ЕНЕРГОАГРЕГАТУ ДЛЯ ХВИЛЬОВОЇ
ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ
МКР 24.144.86 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Білоус Розробка енергоагрегату для Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Калейніков хвильової електростанції
Реценз. Г.Є.
Н. Контр. ЧДТУ, МТЕ-35
Затверд. Калейніков
Розділ 4. РОЗРОБКА ЕНЕРГОАГРЕГАТУ ДЛЯ ХВИЛЬОВОЇ
ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ
4.1 Принцип дії та складові частини хвильової електростанції
Для перетворення хвильової енергії в електроенергію було розроблено
відповідну енергоустановку (рисунок 4.1).
Рисунок 4.1 - Пристрій перетворювача енергії хвиль:
1.1-1.4 – клапан впускний та випускний; 2 - обтічник; 3 - турбіна; 4 -
генератор; 5 - поплавок; 6 - дифузор; 7 - поршень; 8 - повітропроводи; 9 -
пружина; 10 - пружини для гасіння удару
Пристрій являє собою герметичний поплавок, який під впливом хвиль
здійснює вертикальні коливання. Ці коливання передаються поршню всередині
поплавка, викликаючи зміну об'єму повітря в замкнутому просторі. Під час
підйому поплавка поршень, завдяки інерції, стискає пружину, виштовхуючи
повітря через повітропровід до турбіни. Обертання турбіни приводить в дію
генератор, виробляючи електричну енергію. Після зміни напрямку руху хвилі,
цикл повторюється в зворотному порядку
Під час набігання хвилі буй починає спливати, при цьому більш інерційний
поршень не рухається і стискає пружину 9. Повітря витісняється з об’єму під
поршнем 7 у повітропровід 8, рукаючись крізь зворотний клапан 1.1-1.2 потрапляє
в дифузор 6. Активує турбіну 3 і генератор 4 і рухаючись крізь зворотний клапан
1.3-.14 потрапляє в обє’м над поршнем 7[84].
4.2 Виготовлення діючої моделі пристрою
Корпус моделі виконано з пластикової труби розміром 100 мм, поршень
виготовлено зі склопластику і обтяжено металевим грузом. Знаючи витрату і тиск,
були розраховані параметри конфузора і дифузора. 3D модель пристрою
представлено далі.
Рисунок 4.2 - Конфузор
Рисунок 4.3 – Дифузор
Рисунок 4.4 - Модель дифузора і конфузора [84].
Дифузор, конфузор і турбіна були виготовлені на 3D принтері з ABS-
пластику і представлені на малюнках 4.4 і 4.5 [84].
Рисунок 4.5 - Модель турбіни [84].
До виходів дифузора приєднано зворотні клапани і повітропроводи, як
наведено на малюнку 4.6 [84].
Зворотні
клапани
1
Рисунок 4.6 - Зворотні клапани та повітропроводи на виході дифузора [84]: 1
- зворотні клапани
Для проведення експерименту і визначення оптимального співвідношення
витрати і тиску за заданих умов було встановлено пристрій для регулювання
перерізу дифузора, генератор був встановлений усередині корпусу дифузора, як
показано на малюнку 4.7 [84], а загальний вигляд перетворювача показано на
малюнку 4.8.
Рисунок 4.7 - Встановлення генератора: 1 - генератор; 2 - турбіна
Рисунок 4.8 - Загальний вигляд дослідної моделі перетворювача
4.3 Експериментальні дослідження роботи перетворювача енергії
хвиль в електричну енергію
Для визначення характеристик турбіни і генератора, що використовуються в
перетворювачі енергії хвиль, було проведено експериментальні дослідження.
Турбіну помістили на вал генератора, який, своєю чергою, було закріплено на
стенді. Вентилятор створював спрямований потік повітря, який, впливаючи на
лопатки турбіни, приводив її в обертальний рух. Обертання турбіни передавалося
на вал генератора, виробляючи електричну енергію. Для кількісної оцінки
процесу використовували анемометр для вимірювання швидкості повітряного
потоку та ватметр для вимірювання електричної потужності. На основі
експериментальних даних була побудована графічна залежність, що відображає
зміну потужності генератора при зміні швидкості повітряного потоку. Ця
залежність була аппроксимована математичною моделлю.
Для розрахунку швидкості потоку повітря в повітропроводі проведено
математичне моделювання.
Результати розрахунку за координатою х подано в таблиці 4.1.
Таблиця 4.1 - Результати розрахунку
х, см p1, Па v, м/с
0 1,013∙ 105 0
0,1 1,126∙ 105 1,975
0,2 1,267∙ 105 3,058
0,3 1,447∙ 105 4,159
0,4 1,689∙ 105 5,436
0,5 2,026∙ 105 7,062
0,6 2,533∙ 105 9,342
0,7 3,377∙ 105 12,96
0,8 5,066∙ 105 19,97
0,9 1,013∙ 106 30,57
З графіка (рис.4.9):
P(v)=0,004V2 +1,4616V-1,7652 (4.4)
Для розрахунку залежності потужності на виході від швидкості повітря в
повітропроводі беремо вираз (4.4)
Рисунок 4.9 - Залежність потужності генератора від руху повітря в
енергоагрегаті
Величина достовірності апроксимації ��2 теоретичної кривої
експериментальною становить 0,9857.
4.4 Експериментальні дослідження енергоагрегату
Буй являє собою герметичну посудину, всередині якої під дією хвилювання
рухається газ.
Випробування розділено на дві частини:
I етап. Експеримент був спрямований на дослідження характеристик моделі
ВЛЕУ в умовах, що імітують морське хвилювання. Модель буя, заповнена
атмосферним повітрям, підвішувалась на гумових тросах і відхилялась на різну
висоту. Під час вільних коливань буя, поршень всередині нього приводив у рух
турбіну і генератор. Вимірювалися електричні характеристики генератора (струм і
напруга) при різних амплітудах коливань буя. Отримані дані дозволили оцінити
ефективність перетворення механічної енергії хвиль в електричну.
Рисунок 4.10 - Експериментальні дослідження буя
Таблиця 4.2 - Експериментальні дослідження повітряної моделі буя
Висота Сила струму, I, A Напруга, U, В Потужність, P, Вт
коливання буя, h,
м
0,05 2 0,1 0,2
0,1 3 0,14 0,42
0,15 5 0,2 1
0,2 9 0,35 3,15
0,25 11 0,4 4,4
II етап. Дослідження характеристик моделі ВЛЕУ під час роботи з
вуглекислим газом. Буй встановлюється на еластичних тросах, але водночас у
нього закачується газ із більшою густиною, ніж у повітря. У цьому випадку
експеримент проводився з вуглекислим газом. Його густина 1,96 кг/м3 . Далі
експеримент повторюють для тих самих значень висот хвиль, знімають показання
і заносять у таблицю 4.3, за якою будують залежність N = f(h).
Таблиця 4.3 - Експериментальні порівняння моделі буя з вуглекислим газом
Висота коливання Сила струму, I, A Напруга, U, В Потужність, P, Вт
буя,h, м
0,05 3,28 0,11 0,36
0,1 4,92 0,14 0,68
0,15 8,2 0,2 1,64
0,2 14,7 0,35 5,14
0,25 18 0,4 7,2
Результати експериментів, представлені в таблицях 4.2 та 4.3, свідчать про
пряму пропорційність між потужністю установки та густиною робочого тіла
(повітря або вуглекислого газу). Отримані дані вказують на доцільність
використання газів з більшою густиною для забезпечення необхідної частоти
обертання турбіни (1500 об/хв). Це дозволить застосувати стандартні генератори з
меншою кількістю полюсів, що знизить вартість установки та необхідний запас
плавучості.
Рисунок 4.11 - Експериментальні дослідження моделі буя з вуглекислим
газом
Експериментальні моделі вимірювача параметрів хвиль і пристрій для
перетворення хвиль показано на рисунку 4.12.
Рисунок 4.12 - Експериментальні моделі вимірювача параметрів хвиль і
пристрій для перетворення хвиль
4.5 Надійність систем електропостачання енергоагрегатів.
Базовими компонентами розглянутого перетворювача енергії хвиль в
електричну енергію є редуктор, електричний генератор і турбіна. Їх скомпоновано
послідовно, з точки зору теорії надійності (рисунок 4.13).
Т Р Г
Т Р Г 3-1
1 А
Т Р Г
Т Р Г 4 5 II
И Тр П С
Т Р Г
Т Р Г 3-2
2 А
Т Р Г
Т Р Г I
Рисунок 4.13 - Блок-схема електропостачання від централізованої
енергосистеми та генерувального пристрою:
Т - турбіна; А - акумуляторна батарея; Р - редуктор; Тр - трансформатор; Г -
генератор; І - інвертор; С - загальна енергосистема; П - споживач;
Розглянемо енергетичну систему, що складається з двох блоків по чотири
хвильових перетворювача. Вироблена енергія накопичується в акумуляторних
батареях та перетворюється в необхідний формат за допомогою інвертора і
трансформатора. Для забезпечення безперебійного електропостачання споживача
передбачено автоматичне перемикання на загальну енергомережу в разі
відсутності або недостатньої потужності від хвильових перетворювачів. У
дослідженні аналізується сім типових режимів роботи системи, які гарантують
безперебійне енергопостачання споживача.
Рисунок 4.14 - Графік роботи системи електропостачання споживача:
λi - інтенсивність відмов i-тої компоненти перетворювача енергії хвиль
Імовірність Р(t) практично дорівнює 1 незалежно від розглянутого проміжку
часу, що пов'язано з високою надійністю загальної енергосистеми як резервного
джерела живлення для споживача.
Залежності ймовірностей гіпотез від часу наведено на рисунок 4.15.
Додаткову вертикальну вісь додано для побудови залежностей ймовірності
гіпотез Г, Д, Ж від часу.
Аналіз моделювання свідчить про те, що інтенсивність відмов інвертора є
найвищою серед усіх компонентів системи. Зі збільшенням терміну експлуатації,
саме зростання ймовірності відмови інвертора призводить до зниження загальної
надійності системи електропостачання споживача.
Рисунок 4.15 - Залежності ймовірностей гіпотез від часу
Висновки за розділом
Розроблено енергоагрегат для хвильової електростанції. Створено модель
пристрою. Проведено експериментальні дослідження розробленої моделі
енергоагрегату. У результаті випробувань було отримано значення потужності.
Проведено оцінку надійності роботи системи електрогенерації хвильової
електростанції (ХЕЕС).
Розділ 5 ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА У НАДЗВИЧАЙНИХ
СИТУАЦІЯХ
МКР 24.144.86 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Білоус Охорона праці та безпека у Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Цікановський надзвичайних ситуаціях
Реценз.
Н. Контр. ЧДТУ, МТЕ-35
Затверд. Калейніков
Розділ 5 ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА У НАДЗВИЧАЙНИХ
СИТУАЦІЯХ
5.1. Загальні вимоги безпеки при експлуатації акумуляторів.
Ці вимоги розроблені на основі Правил охорони праці, затверджених
наказом Держнаглядохоронпраці України від 13.01.97 N 5, визначає обов'язки
акумуляторників, установлює вимоги безпеки під час виконання робіт з
обслуговування, ремонту та зарядження кислотних і лужних акумуляторних
батарей.
На основі цих вимог на підприємствах в залежності від наявної виробничої
бази і технології розробляється і затверджується відповідно до встановленого
порядку вимоги з охорони праці для акумуляторника конкретного підприємства.
Для виконання акумуляторних робіт власник зобов'язаний призначити
акумуляторників, які пройшли навчання за спеціальною програмою,
затвердженою Міністерством освіти або міністерствами (відомствами) і
погодженою з Держнаглядохоронпраці України, та які мають посвідчення на
право виконання даних робіт.
Навчання та атестація акумуляторників проводиться в порядку,
визначеному для працівників, що виконують роботи з підвищеною небезпекою.
Для виконання акумуляторних робіт допускаються робітники, яким
виповнилося 18 років. До виконання акумуляторних робіт не допускаються жінки.
Перед призначенням на роботу і щорічно в строки, встановлені власником,
акумуляторники повинні проходити медичний огляд для визначення відповідності
їх фізичного стану вимогам, що ставляться до цієї професії (цього виду робіт).
Особи, які мають медичні протипоказання, до виконання даного виду робіт не
допускаються.
Допуск до роботи акумуляторників (акумуляторних робіт) оформляється
наказом по підприємству.
Перед допуском до роботи акумуляторник проходить вступний та
первинний інструктаж з охорони праці, перевірку знань вимог безпеки під час
виконання акумуляторних робіт, а також стажування з відповідним оформленням
у спеціальних журналах.
Акумуляторнику повинна видаватися під розписку інструкція з охорони
праці під час виконання цих робіт або вивішуватися на його робочому місці.
Повторний інструктаж проводиться не рідше одного разу на три місяці.
Періодична перевірка знань з охорони праці акумуляторників проводиться
комісією підприємства кожні 12 місяців.
У разі, коли на підприємстві відсутня така комісія, періодичну перевірку
знань акумуляторників проводять в комісіях споріднених підприємств.
Позачергова перевірка знань проводиться в таких випадках:
- у разі переходу з одного підприємства на інше;
- на вимогу працівників органу державного управління або нагляду за
охороною праці;
- у разі перерви в роботі за спеціальністю більше одного року.
Перевірка знань проводиться за відповідною програмою з урахуванням
вимог інструкції з охорони праці акумуляторника конкретного підприємства.
Допущений до самостійної роботи акумуляторник повинен знати:
- технологію (технологічну карту) обслуговування і ремонту
акумуляторних батарей;
- будову і принципи роботи акумуляторних батарей різних типів і
ємностей;
- будову і правила безпечної експлуатації обладнання, пристроїв, приладів
та інструменту, що використовується під час виконання акумуляторних робіт;
- фізичні і хімічні властивості кислот, лугів, свинцю, мастик, що
застосовуються під час ремонту акумуляторних батарей, та способи подання
першої допомоги від дії цих речовин;
- безпечні прийоми робіт під час проведення акумуляторних робіт;
- що під час зарядження акумуляторних батарей виділяється водень, який в
суміші з повітрям може досягнути вибухонебезпечної концентрації ("гримучий
газ");
- норми напруги під час зарядження і розрядження батарей;
- методи і порядок нейтралізації дії шкідливих речовин у разі попадання їх
на тіло.
Акумуляторник зобов'язаний:
- знати і виконувати вимоги інструкцій і нормативних актів про охорону
праці, пожежної безпеки, правила поводження з машинами, механізмами,
устаткуванням та іншими засобами виробництва, користуватися засобами
колективного та індивідуального захисту;
- додержуватися зобов'язань щодо охорони праці, передбачених
колективним договором (угодою, трудовим договором) та правилами
внутрішнього трудового розпорядку підприємства;
- співробітничати з власником у справі організації безпечних і нешкідливих
умов праці, особисто вживати посильних заходів щодо усунення будь-якої
виробничої ситуації, що створює загрозу його життю чи здоров'ю або оточуючих
його людей та навколишньому середовищу, повідомляти про небезпеку свого
безпосереднього керівника або іншу посадову особу.
Акумуляторник повинен пам'ятати, що під час виконання робіт з
обслуговування, ремонту і зарядження акумуляторних батарей внаслідок
невиконання вимог безпеки можуть мати місце такі небезпечні та шкідливі
виробничі фактори:
− термічні фактори (вибухи під час зарядження батарей;
− опіки кислотою, електролітом, розплавленим свинцем або мастикою);
− ураження електричним струмом;
− наявність у повітрі робочої зони шкідливих речовин (пари кислот, лугу,
аерозолю свинцю тощо).
Ремонт та зарядження акумуляторних батарей на підприємстві повинні
проводитись в окремих приміщеннях, спеціально обладнаних і укомплектованих
необхідним для цієї мети обладнанням, пристосуваннями, інструментами.
Розміщення постів, а також розстановка обладнання в акумуляторному
відділенні повинна забезпечувати технологічну послідовність операцій, а також
безпечну роботу акумуляторника.
На вхідних дверях в акумуляторну дільницю повинні бути встановлені такі
знаки безпеки: "Вхід заборонено" і "Палити заборонено", а на дверях зарядного
відділення - "Користуватися відкритим вогнем заборонено".
Обладнання (стенд для розбирання і складання акумуляторних батарей,
стенд для зливу електроліту, підставка для плавлення свинцю і мастики,
установка приготування і шафи для зберігання електроліту, стенд для відновлення
і виготовлення деталей, обладнання для зарядження акумуляторів тощо), під час
роботи на якому виділяються шкідливі речовини, повинно бути
обладнано місцевою вентиляцією (відсмоктувачами).
Вміст шкідливих речовин у повітрі робочої зони повинен перевірятися у
визначені терміни і не повинен перевищувати встановлених гранично-допустимих
концентрацій: свинцю і його неорганічних сполук - 0,01/0,005 мг/куб.м, сірчаної
кислоти - 1 мг/куб.м, лугів їдких (розчини в перерахунку на NaOH) - 0,5 мг/куб.м,
водню миш'якового - 0,1 мг/куб.м.
Ці шкідливі речовини є небезпечними внаслідок отруйної дії свинцю і його
сполук, подразнювальної дії сірчаної кислоти на слизисту оболонку і дихальні
шляхи, опіків, що завдаються сірчаною кислотою під час попадання її на шкіру.
Технологічна оснастка (пристрої, пристосування та інструмент), що
застосовується для обслуговування і ремонту акумуляторних батарей, повинна
відповідати виду робіт, бути справною і підлягає щомісячно контролю та
вибраковуванню.
Акумуляторники, зайняті ремонтом і зарядженням акумуляторів та
приготуванням електроліту, повинні бути забезпечені засобами
індивідуального захисту з такими термінами носіння:
− костюм бавовняний з кислототривким просоченням - 12 міс;
− чоботи гумові - 12 міс;
− рукавиці гумові - чергові;
− фартух прогумований - черговий;
− окуляри захисні - до зносу;
− іншими засобами індивідуального захисту згідно з колективним
договором.
Температура, вологість і швидкість повітря в робочих приміщеннях
дільниці повинні відповідати допустимим нормам:
− в холодний період року - відповідно 15-21 град.С, 75%, не більше 0,4
м/с;
− в теплий період року відповідно - 16-27 град.С, 75%, 0,2-0,5 м/с.
В приміщеннях (робочій зоні) обслуговування та ремонту акумуляторних
батарей повинна бути освітленість не менше 200 лк (у разі застосування
люмінесцентних ламп) в системі комбінованого освітлення.
Все електрообладнання (корпуси електричних машин, апаратів, шафи
випрямних пристроїв тощо) повинно мати надійне захисне заземлення.
Перебуваючи на території підприємства і у виробничих приміщеннях,
акумуляторник повинен ходити по пішохідних доріжках, бути уважним до руху
транспорту, не перебігати дорогу близько від транспорту, що рухається, не їздити
в кузовах самоскидів, причепів, на підніжках автомобілів тощо.
Переходити через оглядові канави треба по перехідних містках, не
дозволяється їх перестрибувати.
Акумуляторник повинен виконувати тільки ту роботу, яка доручена його
безпосереднім керівником (бригадиром, майстром, начальником дільниці), не
передоручати її виконання іншій особі, а також виконувати вимоги правил
внутрішнього трудового розпорядку підприємства, режим праці і відпочинку.
Не дозволяється наступати на електричні кабелі, знаходитись під піднятим
вантажем, підходити до відкритих люків, наближатися до місць проведення
вантажно-розвантажувальних і будівельних робіт тощо.
Акумуляторник, навчений та атестований в установленому порядку згідно з
нормативними документами, несе особисту відповідальність за порушення вимог,
викладених у цій Примірній інструкції, згідно з чинним законодавством України.
5.2. Вимоги безпеки перед початком роботи
Перед тим як стати до роботи, акумуляторник повинен:
Перевірити справність і одягнути костюм бавовняний з кислотним
просоченням, напівчоботи і фартух гумовий, підготувати гумові рукавиці та
захисні окуляри. Фартух (нижній його край) повинен бути нижче верхнього краю
халяв напівчобіт.
Уважно оглянути робоче місце, привести його в порядок, прибрати всі
предмети, що заважають роботі.
Перевірити справність інструментів і пристосувань, розташувати їх і
матеріали у зручному і безпечному для користування порядку.
Перевірити і переконатись у справності:
- технологічного обладнання, пристроїв, приладів, транспортних засобів,
стелажів, укриття шинопроводів і електролітних шлангів;
- переносного ручного світильника, який повинен бути у ибухозахисному
виконанні;
- роботи загальнообмінної і місцевої вентиляції.
- освітлення робочого місця (зони).
У разі виявлення під час огляду устаткування, приладів, пристроїв, систем
(освітлення, вентиляції тощо) несправностей чи недоліків, які перешкоджають
безпечній роботі, і неможливості їх усунення своїми силами акумуляторник, не
приступаючи до роботи, повинен доповісти про це майстру (бригадиру) та в інші
служби в установленому на підприємстві порядку.
Акумуляторник не повинен приступати до роботи за відсутності вентиляції,
освітлення на робочому місці, а також передбачених технологічною
документацією устаткування, приладів, інструментів.
5.3 Вимоги безпеки під час виконання роботи
Виконання робіт з технічного обслуговування, ремонту та зарядженню
кислотних і лужних акумуляторних батарей на підприємстві необхідно проводити
в окремих приміщеннях, в кожному із яких повинні бути три поєднані між собою
відділення, ізольовані від інших виробництв: одне - для ремонту, друге - для
зарядження, третє - для зберігання кислоти (лугу) і приготування електроліту.
Приміщення для зберігання і приготування електроліту повинні бути
обладнані витяжними шафами.
Робота на акумуляторній дільниці повинна проводитися тільки за
працюючої загальної припливно-витяжної і місцевої вентиляціях.
Приплив повітря із вентиляційних каналів не повинен бути направленим
безпосередньо на поверхню електроліту акумуляторів.
Під час кожного технічного обслуговування акумулятора необхідно
прочистити вентиляційні отвори в його пробках або кришках.
Перед розбиранням акумуляторної батареї необхідно злити електроліт.
У разі використання для ремонту акумуляторів газових пальників, що
працюють на пропан-бутані, балони з ним повинні знаходитися поза
приміщенням у спеціальній шафі.
Подача пропан-бутану від балонів до пальників повинна здійснюватися
через рідинний запобіжний затвор.
Зберігання і транспортування балонів повинно здійснюватися з
навернутими на вентилі ковпаками.
Балони повинні бути чистими і мати добре видимий напис найменування
газу.
Забороняється повністю витрачати газ з балонів. Залишковий тиск повинен
складати 0,1-0,3 МПа (1-3 кгс/кв.см).
До роботи з газовим пальником акумуляторник допускається після
проходження навчання правилам безпечного його застосування.
Для переміщення акумуляторних батарей по території та в приміщеннях
підприємства необхідно користуватися спеціальними візками, платформа яких
виключає можливість падіння батарей.
Під час перенесення вручну малогабаритних акумуляторних батарей
необхідно використовувати пристрої (захвати) і дотримуватися застережних
заходів, щоб уникнути обливання електролітом.
Розбирання пластин акумуляторних батарей повинно проводитися тільки
після їх промивання.
Травити і паяти необхідно тільки біля відсмоктувача витяжної вентиляції.
Під час плавлення свинцю окисли, що утворюються на його поверхні,
необхідно видаляти сухим металевим черпаком в ящик із кришкою, яка щільно
закривається. Відкривати кришку слід тільки під час скидання окислу.
Під час відливання свинцевих деталей охолоджувати їх водою
забороняється, оскільки вода, що потрапляє в розплавлений свинець, інтенсивно
випаровується і захоплює з собою частинки свинцю, які у разі потрапляння на
шкіру можуть спричинити опіки.
Під час приготування свинцево-сурм'яного сплаву для відливання деталей
необхідно засипати його поверхню деревним вугіллям для зменшення виділення
пари свинцю.
Заливати розплавлений свинець слід сухим черпаком у сухі і прогріті
форми.
Для захисту тіла від можливих опіків під час роботи з розплавленим
свинцем, під час виконання паяльних робіт, під час приготування заливної
мастики і роботи з нею акумуляторник повинен одягати передбачені засоби
індивідуального захисту.
Вирівнювати полум'ям пальника залиту мастикою поверхню акумуляторних
батарей не дозволяється.
Готувати кислотний електроліт необхідно в спеціальних посудинах із
спеціальних матеріалів (керамічних, фаянсових тощо). Не дозволяється для
приготування електроліту користуватися скляною посудиною, оскільки вона від
розігрівання може лопнути.
Для змішування кислоти з водою необхідно спочатку налити в ємність
дистильовану воду, а потім до неї лити кислоту тонким струменем, періодично
перемішуючи розчин скляною або ебонітовою паличкою.
Забороняється наливати в ємність спочатку кислоту, а потім воду, оскільки
при цьому станеться закипання і бурхливе розбризкування гарячої кислоти, що
призведе до важких опіків.
Під час приготування, заливання та доливання кислотного електроліту в
батареї необхідно обов'язково користуватися захисними окулярами і гумовими
рукавицями.
Перед приготуванням лужного електроліту і під час роботи з ним необхідно
одягати захисні окуляри, гумові рукавиці. Брати сухий луг необхідно щипцями
або пінцетом. Дроблення сухого їдкого лугу слід проводити із застосуванням
спеціального совка і мішковини. Для розчинення лугу слід використовувати
тільки холодну воду.
Переливати кислоту із бутлів в ємність слід тільки за допомогою
спеціальних пристроїв (качалок, сифонів тощо).
Забороняється переливати кислоту вручну.
Під час роботи біля баку з електролітом не дозволяється перемішувати його
шляхом вдування повітря через гумовий шланг.
Проводити зміну електроліту або доливання його в акумулятори слід за
допомогою спеціального обладнання, гумової груші, скляного кухля тощо.
Бутлі з кислотою і електролітом необхідно переносити на спеціальних
ношах або перевозити на візках, міцно закріпивши їх, що виключає падіння
бутлів, і тільки в спеціальних обрешітках. Перед підійманням бутлів слід
переконатися в справності обрешітки, звернувши особливу увагу на міцність
кріплення її днища.
Відчиняти скляні бутлі з кислотою, лугом необхідно обережно, без
застосування великих зусиль; перед відчиненням попередньо прогріти горловину
бутлів ганчіркою, змоченою в гарячій воді.
Під час зберігання і транспортування бутлів пробки на них повинні бути
щільно закриті.
Кислоту і рідкий луг слід зберігати тільки в окремих приміщеннях, що
провітрюються, в бутлях з обрешітками, встановленими на підлозі в один ряд.
Порожні бутлі зберігати в налогічних умовах.
Всі посудини з кислотою, лугом та електролітом повинні мати відповідні
написи з зазначенням вмісту.
Не допускається зберігати кислоту в металевій посудині.
Акумуляторні батареї, що встановлюються для зарядження, повинні
з'єднуватись між собою тільки проводами з наконечниками, які щільно
прилягають до клем батарей і виключають можливість іскріння. З'єднувати
наконечники акумуляторних батарей дротом "закруткою" забороняється, оскільки
іскра, утворена внаслідок поганого контакту, може викликати вибух газів, що
виділилися під час зарядження батарей.
Приєднання акумуляторних батарей до зарядного пристрою і від'єднання їх
повинно проводитися тільки за виключеного зарядного обладнання.
Приєднання батарей до зарядного пристрою і з'єднання кумуляторів між
собою слід виконувати в гумових рукавицях.
Не дозволяється торкатися руками без гумових рукавиць до струмоведучих
частин (клем, контактів, електропроводів). У разі необхідності застосування
інструменту, користуватися тільки інструментом з ізольованими рукоятками.
Перед постановкою акумуляторних батарей на зарядження необхідно
прочистити вентиляційні отвори і вивернути пробки, щоб не допустити
накопичення всередині елементів великої кількості "гримучого газу", що
призводить до розриву кришок акумуляторів.
Зарядження акумуляторних батарей необхідно проводити в окремому
відділенні тільки за працюючої витяжної вентиляції, яка відсмоктує небезпечні та
вибухонебезпечні речовини і гази від місць зарядження батарей.
За одночасного зарядження не більше 10 батарей, як виняток, дозволяється
здійснювати їх зарядження в приміщеннях для ремонту, у витяжних шафах з
індивідуальною витяжкою, включення якої зблоковано із зарядним пристроєм.
Припливно-витяжна вентиляція зарядної повинна включатися
акумуляторником перед початком зарядження батарей і відключатися після
повного видалення газів, але не раніш, як через 1,5 години після закінчення
зарядження.
Вентиляція зарядного відділення блокується із зарядним пристроєм:
зарядний струм не подається до акумуляторних батарей за непрацюючої
вентиляції.
Для зменшення потрапляння шкідливих речовин у приміщення зарядження
батарей рекомендується здійснювати в пристроях, які обладнані місцевими
відсмоктувачами.
Контроль за ходом зарядження повинен здійснюватись за допомогою
спеціальних приладів (термометра, навантажувальної вилки, ареометра тощо).
Перевіряти акумуляторну батарею коротким замиканням забороняється.
Під час роботи з навантажувальною вилкою, щоб уникнути опіку, не слід
торкатися до опору (резистора) вилки.
Під час зарядження батарей не нахилятися близько до акумуляторів, щоб
уникнути опіку бризками кислоти, яка вилітає з його отворів.
Для огляду акумуляторних батарей необхідно використовувати переносні
світильники у вибухобезпечному виконанні напругою не більше 42 В.
Під час проведення акумуляторних робіт не дозволяється:
- палити, входити в зарядну з відкритим вогнем (запаленим сірником,
цигаркою тощо);
- користуватися в зарядній електронагрівальними приладами;
- зберігати в акумуляторному приміщенні бутлі з сірчаною кислотою і
флакони з їдким калієм більше добової потреби, а також порожню посудину, їх
необхідно зберігати в спеціальному приміщенні;
- спільно зберігати та заряджати кислотні та лужні акумуляторні батареї в
одному приміщенні;
- перебування людей в приміщенні для зарядження акумуляторних
батарей, крім, обслуговуючого персоналу;
- проводити будь-які сторонні роботи в приміщенні зарядження
акумуляторних батарей.
В акумуляторному відділенні повинен знаходитись умивальник, мило, вата
в упаковці або разовий комплект, рушник і закриті посудини з 5-10%
нейтралізуючим розчином питної соди (для шкіри тіла) і 2-3% розчином питної
соди (для очей) - під час обслуговування та ремонту кислотних акумуляторів.
Під час обслуговування та ремонту лужних акумуляторів у якості
нейтралізуючого розчину застосовується 5-10% розчин борної кислоти (для шкіри
тіла) та 2-3 % борної кислоти (для очей).
Для попередження отруєння свинцем або парами сірчаної кислоти
акумуляторник повинен слідкувати за справністю вентиляції, щоденно прибирати
робочі місця і стелажі, не рідше одного разу на тиждень протирати стіни, стелю,
шафи і вікна вологою ганчіркою.
Для прибирання стружки й пилу слід користуватися щіткою, не
дозволяється здувати їх стиснутим повітрям.
Забороняється зберігати продукти харчування і приймати їжу в
приміщеннях акумуляторної дільниці.
5.4. Вимоги безпеки після закінчення роботи
Після закінчення роботи акумуляторник зобов'язаний додержуватися
таких вимог:
Припинити зарядження акумуляторів і відключити зарядне обладнання за
1,5 години до закінчення роботи.
Привести в порядок робоче місце. Інструмент і пристосування протерти і
скласти на відведене для них місце.
Доповісти майстру (бригадиру) про всі несправності і недоліки, виявлені під
час роботи, і про вжиті заходи щодо їх усунення.
Зняти і покласти (здати) на зберігання у встановленому місці засоби
індивідуального захисту.
Відключити споживачі електроенергії у всіх приміщеннях акумуляторного
відділення.
Ретельно вимити з милом обличчя і руки та прийняти душ.
5.5. Вимоги безпеки в аварійних ситуаціях
Про нещасний випадок з ним акумуляторник повинен за можливості сам
або через інших працівників) доповісти безпосередньому керівникові або іншим
посадовим особам і звернутися за допомогою в медпункт або до лікаря.
У разі потрапляння кислоти, лугу або електроліту на відкриті частини тіла
необхідно негайно промити цю ділянку тіла проточною водою, а потім 5-10%
нейтралізуючим розчином.
У разі потрапляння кислоти, лугу або електроліту в очі необхідно промити
їх проточною водою, потім 2-3% нейтралізуючим розчином і негайно звернутися
до лікаря.
Електроліт, пролитий на стелаж, верстак і т.ін. необхідно витерти ганчір'ям,
змоченим у 5-10% нейтралізуючому розчині, а пролитий на підлогу - спочатку
посипати тирсою, зібрати її, а потім це місце змочити нейтралізуючим розчином і
протерти насухо.
У разі отруєння свинцем або парами електроліту, сірчаної кислоти
необхідно негайно звернутися до лікаря.
У разі несправності електрообладнання, виходу з ладу місцевої або
загальної припливно-витяжної вентиляції необхідно негайно припинити роботу,
відключити обладнання від джерел живлення і доповісти про несправності
безпосередньому керівникові або звернутися в установленому порядку до
відповідної служби.
У разі виникнення пожежі необхідно знеструмити устаткування, повідомити
про це безпосередньому керівникові (бригадиру, майстру, начальнику колони) або
іншому керівникові і приступити до ліквідації пожежі.
За неможливості ліквідації пожежі чи усунення несправності власними
силами необхідно повідомити про це безпосереднього керівника або звернутися в
установленому порядку до відповідної служби підприємства.
Припинити виконання робіт у разі несправності чи відключення роботи
вентиляції.
ВИСНОВКИ
Розроблений електронний пристрій для вимірювання параметрів морських
хвиль дає змогу зберігати і передавати виміряну інформацію і може бути
встановлений як у прибережній зоні, так і на значній відстані від берегової смуги.
Підвищення точності вимірювань вдається домогтися завдяки спрощенню
схемотехнічного рішення пристрою і застосування сучасних електронних блоків і
мікроконтролера. Похибка вимірювання швидкості хвилі становить 1,4%.
Описаний алгоритм роботи вимірювача параметрів хвиль дає змогу встановити
порядок спрацьовування і визначення параметрів хвилі.
Розроблений перетворювач енергії хвиль, що працює на принципі
перекачування газу поршнем, забезпечує високу надійність експлуатації.
Експерименти показали, що заміна робочого тіла (повітря) на вуглекислий газ з
більшою густиною призвела до збільшення вихідної потужності з 4,4 Вт до 7,2 Вт
при амплітуді коливань 0,25 метра. Це свідчить про ефективність використання
газів з більшою густиною як робочого середовища.
Складена математична модель перетворювача енергії хвиль в електричну
енергію описує його роботу за заданих характеристик хвиль і параметрів самого
перетворювача. За висоти і періоду хвилі, які дорівнюють до 1,9 м і 1,8 с,
відповідно, що спостерігається для прибережних вод Чорноморського узбережжя,
вироблення розробленого перетворювача становило 72 кВт⋅год/добу.
Список використаної літератури
1. Guillermo Valencia, José Núñez and Jorge Duarte “Multiobjective
2. Optimization of a Plate Heat Exchanger in aWaste Heat Recovery Organic
3. Rankine Cycle System for Natural Gas Engines” Entropy 2019, 21, 655
4. Andrzej Jedlikowski, Sergey Anisimov “Analysis of the frost formation and
freeze protection with bypass for cross-flow recuperators” Applied Thermal
Engineering 116 (2017) 731–765
5. Raphael Mandel, Martinus Arie, Amir Shooshtari, Michael Ohadi
6. “A Heat Spreading Model for Double-Sided, Cross-Flow, Manifold-
7. Microchannel Heat Exchangers” 2018 17th IEEE Intersociety Conference on
Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic System
8. Junqi, Dong, Zhang Xianhui, and Wang Jianzhang. "Experimental Study on
Thermal Hydraulic Performance of Plate-Type Heat Exchanger Applied in Engine
Waste Heat Recovery." Arabian Journal for Science and Engineering 2018; 43(3):
1153-1163.
9. Vaclav Dvoraka, TomasVita "CAE methods for plate heat exchanger design"
9th International Conference on Sustainability in Energy and Buildings, SEB-17, 5-7
July 2017, Chania, Crete, Greece
10. Dan Zheng, Jin Wang, Zhanxiu Chen, Jakov Baleta, Bengt Sundén
11. "Performance analysis of a plate heat exchanger using various nanofluids"
12. International Journal of Heat and Mass Transfer 158 (2020) 119993
13. Khan T. S., M. S. Khan, Ming-C. Chyu,et al. "Experimental investigation of
single phase convective heat transfer coefficient in a corrugated plate heat exchanger for
multiple plate configurations." Applied Thermal Engineering 2010; 30(8-9): 1058-1065.
14. Faizal, M., & Ahmed, M. R. Experimental studies on a corrugated plate heat
exchanger for small temperature difference applications. Experimental Thermal and
Fluid Science, 2012; 36: 242-248.
15. Islamoglu, Y., & Kurt, A. Heat transfer analysis using ANNs with
experimental data for air flowing in corrugated channels. International Journal of Heat
and Mass Transfer,2004; 47(6-7), 1361-1365.
16. Sharif Asal, Bernd Ameel, Ilya T'Jollyn,et al. "Comparative performance
assessment of plate heat exchangers with triangular corrugation." Applied Thermal
Engineering 2018.
17. Majdi, H., & Abed, A. M. (2014). Effect of nanofluids, on the performance of -
corrugated channel within outof-phase arrangement. International Journal of Scientific
and Technology Research, 3(1).
18. Maddali V. S. Murali Krishna et al., Heat Transfer Enhancement in Corrugated
Plate Heat Exchanger, BritishJournal of Applied Science & Technology 18(3):2016;
Articleno.BJAST.28438 ISSN: 2231-0843, NLM ID:
19. 101664541, 1-14.
20. SDPandey, VKNema. “Investigation of the Performance,
21. Parameter sofan Experimental Plate Heat Exchanger in Single Phase Flow”
.International Journal of Energy Engineering.2011;1(1):19-24.
22. Ranganayakulu Ch, Panigrahi A. Influence of header design on pressure drop
and thermal performance of a compact heat. In: Proceedings of the 3rd international
Conference on compact heat exchangers and enhancement technology for process
industries, Davos, Switzerland; 2001. p. 251–8.
23. Zhang Z, Yanzhong L. CFD simulation on inlet configuration of platefin heat
exchanger. J Cryogenics 2003;43(673):67–8.
24. Lalot S, Florent P, Lang SK, Bergles AE. Flow maldistribution in heat
exchangers. J Appl Thermal Eng 1999;19:847–63.
25. M.V.V. Morteana, L.H.R. Cisternab, K.V. Paivaa, M.B.H. Mantellib “Thermal
and hydrodynamic analysis of a cross-flow compact heat exchanger” Applied Thermal
Engineering 150 (2019) 750–761
26. Ahmed Y Taha Al-Zubaydi, Guang Hongb and W. John Dartnallc
27. “CFD Modelling and Analysis of Different Plate Heat Exchangers”
Australasian Fluid and Thermal Engineering Society (AFTES)
28. Miha Bobi, Bojan Gjerek, Iztok Golobi, Ivan Bajsi “Dynamic behaviour of a
plate heat exchanger: Influence of temperature disturbances and flow configurations”
International Journal of Heat and Mass Transfer 163 (2020) 120439
29. Naseem Ahmad Khan and Wasi ur Rahman. Modelling and Simulation of Plate
Heat Exchanger. International Journal of Mechanical
30. Engineering. Vol. 2. Issue 1. P. 22‒30. ISSN 2277-7059.
31. Lienhard John H. A heat transfer textbook. 3rd ed. Cambridge, MA:
Phologiston Press. 2004. 749 p.
32. Eckert E. R. and Drake R. M. Jr. Analysis of Heat and Mass transfer. McCraw-
Hill Book Company, New York. 1972.
33. Kays W. M., London A. L. Copmpact Heat Exchangers. McCrawHill Book
Company, New York. 1967. 226 p.
34. Screwed plate heat exchanger [Електрон. Ресурс. Режим доступу:
https://universalhydraulik.com/products-solutions/heatexchanger/plate-
heatexchanger/screwed-plate-heat-exchanger (дата звернення: 08.04.2024).
35. Arsenyeva O., Kapustenko P., Tovazhnyanskyy L., Khavin G. The influence of
plate corrugations geometry on plate heat exchanger performance in specified process
conditions. Energy. No 57. 2013. P. 201‒207.
36. ДСТУ 2293: 2014 Охорона праці. Терміни та визначення основних понять
(від 01.05.2015).
37. ДСанПіН 3.3.2-007-98 Державні санітарні правила і норми. Гігієнічні
вимоги до організації роботи з візуальними дисплейними терміналами
електронно-обчислювальних машин.
38. ДСТУ EN 61140:2015 Захист проти ураження електричним струмом.
Загальні аспекти щодо установок та обладнання (EN 61140:2002, IDT).
39. ДСН 3.3.6.042-99 Санітарні норми мікроклімату виробничих приміщень.
40. ДБН В.2.5-28:2018 Природне і штучне освітлення.
41. CFD-моделювання процесів теплообміну і гідродинаміки засобами
програмного комплексу : монографія / О. В. Баранюк, М. В. Воробйов, А. Ю.
Рачинський. – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, Вид-во «Політехніка», 2023. –
164 с.
42. Bradhurst D, Heuer P, Stolarski G. Hydrogen production and storage; 2021
43. Abad AV, Dodds PE. Production of hydrogen, vol. 3, no. 2015. Elsevier; 201
44. Chen HL, Lee HM, Chen SH, Chao Y, Chang MB. Review of plasma catalysis
on hydrocarbon reforming for hydrogen production-Interaction, integration, and
prospects. Appl Catal B Environ 2008;85(1–2):1–9.
45. Krumpelt M, Krause TR, Carter JD, Kopasz JP, Ahmed S. Fuel processing for
fuel cell systems in transportation and portable power applications. Catal Today
46. 2002;77(1–2):3–
47. Ehsan S, Wahid MA. Hydrogen production from renewable and sustainable
energy resources : Promising green energy carrier for clean development. Renew
Sustain Energy Rev 2016;57:850–66.
48. BP. Statistical Review of World Energy 2020; BP: London, UK, 2020.
49. Pan, J.P.; Yang, L.L.; Wang, L.X.; Lou, Y.; Wang, S.Y. Strategy on the
development of natural gas resources in China under the new situation. Int. Pet. Econ.
2017, 25, 12–18.