"Гидроэлектробашня"- проточная ГЭС IV поколения для зарядной инфраструктуры электроснабжения подводных и надводных транспортных средств.

Проект предлагает новое решение задачи создания подводной инфраструктуры электроснабжения, в том числе питания для зарядки аккумуляторов подводных автоматических дронов с использованием возобновляемого источника энергии океана (ВИЭО) микро-ГЭС типа "Гидро-электро-башни (ГЭБ)", мощностью от 5 до 100 кВт и напряжением 24 и 110 В.

Автором предложения Г.Ш. Мамулашвили получены несколько авторских свидетельств на воздушные электростанции башенного типа, в которых заявлены спиральные турбины, как основа изобретения, имеющего мировую новизну. Эффективность такого предложения для восприятия кинетической энергии океанических течений подтверждается проработками зарубежных стран, осуществленными в конкретных устройствах и имеющих открытые патенты США, Англии и Германии, в связи с чем данная тема вошла в федеральную целевую программу Министерства образования и науки Российской Федерации «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» отдельным лотом № 3943 «Разработка технологии морских без топливных генераторов электрической энергии, так называемых вихревых «аэро- и гидробашен» для плавучих нефте-газодобывающих платформ».

Проект стал финалистом Всероссийского стартап-тур 2015 и Федерального

Акселератора технологических стартапов GENERATION S 2017 в Специальной номинации Рынка Маринет НТИ.

Технология ВИЭО ГЭБ преобразует естественные горизонтальные течения в океане в искусственно восходящий поток. Такой подход к решению в области морской энергетики уникален, в связи с чем требовалось применить научно-технические мульти-дисциплинарные исследовательские методы. Система работает при малых скоростях течений со скоростью страгивания от 0,7 м/сек.

Технология использует вертикальную спиральную турбину, которая позволяет ВИЭО работать как в условиях естественного морского течения, так и возникающего водоворота у берегов поймы реке или рельефных морских сужений в проливах.

Разработано более 63 типов гидротурбин и большинство из них относятся к вертикальным турбинам подъемного (лифтового) типа, некоторые из которые характеризуется наличием лезвия аэродинамического профиля.

Эти турбины могут работать при различных скоростях потока.

По сравнению с нагнетательной турбиной, турбина лифтового типа может работать лучше в свободном потоке без строительства плотин для отделения водного объема, тем самым оказывая меньшее влияние на прибрежные экосистемы.

Кроме того, поскольку спиральные лопастные и винтовые турбины могут работать в обычном приливно-отливном потоке, период генерации ГЭБ может быть больше чем 4 раза в сутки,что более удобно для подключения к электрической сети, то есть нет нужды ждать пока вода наберется в бассейне и потом ее сливать на турбину.

На основе фундаментальных и прикладных методик, была предусмотрена разработка методологических, инженерно-физических и технологических основ создания технологии ГЭБ и систем управления автономного энергоснабжения при преобразовании кинетической энергии придонных и поверхностных течений, возникающих из-за разности температур, солености и давлений на различных глубинах мирового океана, в том числе подо льдом.

Центральная проблема использования технологии требует рассмотрения и решения ряда под- проблем:

А) Разработки и развития современных вычислительных методов и средств для расчета, цифровых методов проектирования, материалов и технологий для создания подводных ГЭС со спиральными лопастными турбинами средней и большой мощности с высокими гидродинамическими характеристиками и структурной прочностью для условий реального придонного и поверхностного водяного потока, а также климатических условий, присущих северному Ледовитому океану и Антарктиде.

Б) Анализа, исследования и развития теории интеллектуального управления подводной энергетической сетью циклонных гидроэлектростанций на примере использования источника первичной энергии со «случайным» или «стабильным» характером прихода, его достоверного прогнозирования для разных временных интервалов и разработка ПО и технологий для его эффективного использования.

Актуальность проблемы для морской энергетики не вызывает сомнений, а научная значимость решения проблемы очень высока, поэтому многие глобальные энергетические компании не останавливаются перед существенными затратами на освоение различных ВИЭО. Разрабатываемая технология в перспективе создается для конкуренции с надводными ветро- генераторами, которые пока не обладают расчетной рентабельностью для обеспечения зарядки аккумуляторов надводных объектов транспорта.

В технологии ГЭБ искусственно создаваемый вертикальный поток за счет принципа Вентури и сил Кариолиса образует вращающийся водоворот, описываемый вихрем Рэнкина. Используя значения Рэнкина

- радиус сердце вихря (m); кинематическая вязкость жидкости (m²/c); глубины сердца вихря

(m) рассчитана геометрия турбины, которая теоретически должна будет воспринимать 85% мощности потока ометаемой площадью винтовой лопасти.

На рис. указана карусельная турбина, установленная в горизонтальном придонном течении со скоростью 1,41 м/сек., имеющая при радиусе 0,05 м на валу 270 об/мин, угловую скорость 28,27 радиан в секунду и линейную скорость - 5,09 км/час. Исходя из предварительных расчетов по сравнению со спиральными ( Gorlova) и карусельными (Sovinius) турбинами наиболее эффективной работой в ГЭБ может отличаться вертикальная винтовая турбина Venturi, технология которой развивалась в течение более длительного периода времени, чем горизонтальная пропеллерная, начиная с ротора Дарье, и, тем самым, имеющая более всеобъемлющую операционную информацию, чем другие типы турбин; кроме того, стоимость ее производства и установки относительно невысокая.

По сравнению с горизонтальными или возвратно-поступательными турбинами она характеризуется наличием осью ротора, перпендикулярной направлению закрученного вокруг ротора водяного потока, что делает ненужной изменять угол рыскания, во время изменения направления потока, так что можно исключить из себестоимости стоимость рулевого механизма и управляющую автоматику.

Поскольку начальный крутящий момент относительно невелик, вертикальный турбинный блок может быть спроектирован меньшим; то есть турбинные блоки могут комбинироваться и устанавливаться по высоте для усиления мощности станции и удовлетворения различных других требований в зависимости от морского или речного базирования.

Поскольку ось ротора перпендикулярна направлению потока, наибольшей слабостью при использовании вертикальной карусельной гидротурбины с прямым лезвием является его периодическая сила и изменение крутящего момента от угла атаки, меняющегося с вращающимся азимутальным углом, что может вызвать механическую усталость материала лопастей.

Для преодоления этой проблемы существуют два основных решения. В турбине «Kobold» разработаны пассивные переменные лопастей, чтобы изменить угол тангажа лопасти для уменьшения изменения угла атаки.

С другой стороны, турбины Gorlova используют лопасти спиральной формы, которые покрывают турбину при каждом изменении азимутального угла, чтобы составить суперпозицию крутящему моменту.

Спиральная турбина Gorlova запатентована в 1995-2001 гг., то есть сразу после патентования автором проекта станций со спиральными винтовыми турбинами с грифом «Для служебного пользования» и получила патентную премию ASME Thomas A. Edison в 2001 году. Первый отчет об испытаниях турбин Gorlova был опубликован еще в 1998 году и написаны статьи об операционных тестах и анализе рынка в 2004 и 2010 годах. Эти статьи включают отчеты о четырех испытаниях приливной мощности в канале Кейп-Код, штат Массачусетс, который проходил с 1996 по 1998 год. Следующий патент теперь принадлежит компаниям GCK и Ocean Renewable Power Company (ORPC).

Однако при высоких скоростях и больших объемах спиральные турбины Gorlova прокручиваются, а при низких останавливаются, так имеют недостаточную площадь ометания при прохождении больших объемов водяного потока. Исследованный диапазон их эффективной работы при скорости придонного потока от 2,5 до 7-8 м/сек.

Использование трех типов турбин в ГЭБ возможно в зависимости от различных факторов, что будет определено в ходе исследований. В любом случае при проведении исследований будет необходимо провести испытания различного типа турбин, для оптимизации КПД ГЭБ.


Теория динамического анализа вертикальных водяных турбин, созданная Бетцем в 1919 г., использующего предположение привода и потоковой трубки, чтобы оценить эффективность, позже распространилась и на двойную многопоточную теорию течения (DMS ).

Другим методом анализа турбины является вихревой метод, который оценивает вихревой след с лезвия от скорости индукции потока с помощью BEM (теория импульсов лезвийного элемента), а затем сохраняет циркуляцию для расчета линий полосы и потока следа.

В последние годы динамика вычислительного флюида (CFD) доминирует в области динамического анализа жидкости.

Используя методы конечного объема или конечных элементов, анализ с помощью CFD имеет преимущества в том, что он более гибкий для настройки граничных условий и более точен, чем другие методы, но он расходует больше аппаратных ресурсов и требует более длительного времени сравнения.

В результате программный комплекс ANSYS Fluent может быть использован в качестве основного вычислителя в этом исследовании; это программное обеспечение использует методы конечных объемов и усреднение Рейнольдса для решения уравнения неразрывности, уравнения момента и уравнения турбулентности.

Уравнение турбулентности в этом исследовании будет использовать модель k-ω для сдвигового напряжения (SST k-ω) , которая считается очень устойчивой при применении к аэродинамическим и градиентным характеристикам высокого давления.

Рассмотрим модель вращения спиральных турбин, схему элементов и размер всей вычислительной области.

Согласно оригинальной конструкции турбина имеет диаметр 2 м и высоту 50 м с тремя винтовыми лопастями, покрывающими 120 градусов, соответственно. При замене на Gorlova профиль лопатки турбины может быть NACA0020 с длиной хорды 1 м.

Этот турбинный анализ был разделен на несколько частей: три винтовых лопасти, вращающиеся оси и верхние и нижние пластины.

Верхняя секция имеет длину 35 м, а нижняя - 15 м, ширина модельной области – 30 м, а высота

– 7м. Спиральная турбина была смоделирована с частотой вращения 100 об / мин (TSR = 3,65), а границы ее стенки установлены в нескользкое состояние без деформации, теплопередачи и кавитации на границах.

Кроме того, поток принимался в направлении х , тогда как турбина вращалась вокруг z. Для обеих сторон и граничного условия восходящего потока была установлена скорость потока 4 м / сек, постоянной кинетической энергией турбулентности (5%) и удельной скоростью диссипации (3), а нижняя граница сохраняла массу вычислительной области. В этой модели вода находилась в предположении о несжимаемой жидкости, и ее плотность и вязкость считались постоянными; однако его гравитационный член также считался несуществующим. Кроме того, для передачи данных был выполнен интерфейс цилиндра вне турбины. Интерфейс может поддерживать структуру сетки внутри цилиндра при использовании метода скользящей сетки и избегать огромных потерь ресурсов при повторном анализе на каждом временном шаге. Для дальнейшего понимания динамических явлений винтовой лопастной турбины она была разрезана на пять горизонтальных поперечных сечений длиной 10 м, а начало координат установлено в середине турбины. Чтобы сравнить поперечное сечение турбинных элементов, все поперечные сечения заданы толщиной 0,01 м. Результаты проведенного анализа, показали увеличение скорости восходящего потока в гиперболической башне почти до 11 м/сек.

Наблюдая за изменением осевой скорости при использовании винтовой турбины на разных высотах, было обнаружено, что спиральные лопасти выталкивают поток вверх.


Конкретно, винтовая лопастная турбина во время работы более плавно переходит в мощность и момент, что может эффективно повысить надежность и долговечность турбины. Однако из- за геометрии винтовой турбины момент вокруг направлений x и y увеличивается, а поток через турбину движется вверх. Кроме того, лопасти винтовой турбины могут быть дополнительно модифицированы по сравнению с предыдущей конструкцией, в которой соотношение сторон, очевидно, больше, чем современные, что приводит к снижению энергоэффективности.

Из результата CFD известны геометрические и динамическая характеристика турбины. В этом разделе напряжение и деформация турбины при работе будут обсуждаться с твердой механической стороны. Численным инструментом для твердотельной механики является программное обеспечение ANSYS, которое решает управляющее уравнение, основанное на методе конечных элементов.

При расчетах предполагается, что турбина представляет собой конструкционный стальной материал, свойства которого известны и работают при 22 ° C. Чтобы упростить задачу, деформация турбины считается пренебрежимо малой и не влияет на поле потока. Более того, верхняя и нижняя стороны оси турбины находятся в предположении нулевого смещения, но имеют вращающуюся степень свободы.

Процесс расчета представляет собой своеобразное взаимодействие жидкость - твердое тело, в результате чего результатом вычисления флюидных полей было граничное условие твердотельного расчета. В этом случае физическая величина, подлежащая передаче, представляет собой давление, когда лицо отправителя является жидкостной сеткой, а приемник - сплошными сетками, и система будет сохранять общее значение силы. Если приемник грубее, чем отправитель, данные силы в сетке отправителя будут разделены до ближайших сеток приемника для сохранения общей силы; в противном случае, если приемник будет более тонким, чем отправитель, данные силы в сетях отправителя также будут разделены около сетки приемника. Кроме того, считается, что процесс преобразования данных между разделами жидкость - твердое вещество не влияет на реальную физику.

Используя встроенные инструменты сетки в ANSYS, были построены треугольные сетки второго порядка, и каждая сетка имела десять узлов. Поскольку разница между более крупной сеткой и более мелкой сеткой составляла менее 3% при общем тестировании плотности сетки, более грубая была использована при общей установке сетки. Чтобы избежать влияния концентрации напряжений на большую кривизну, вызывающую числовые неустойчивости, область большой кривизны была локально уточнена. Также рассмотрена вертикальная осевая турбина с пассивным углом переменного шага лопастей. Эта турбина использует пассивные переменные лопасти, чтобы изменить угол тангажа лопастей, чтобы достичь наилучшего угла атаки. В соответствии с характеристикой аэродинамического профиля турбина с переменным шагом наклона удерживает аэродинамический профиль в положении наибольшего подъема, регулируя угол тангажа лопасти, обеспечивая максимальную касательную силу для максимального производства мощности. Этот тип турбины также называется турбиной «Kobold», которая была разработана компанией

«Ponte di Archimede» в Италии. Преимуществом этой турбины является конструкция с низкой проницаемостью, так что ее коэффициент мощности на 5% выше, чем у винтовой лопастной турбины, а конструкция с регулируемым шагом наклона дополнительно повысит эффективность примерно на 3%, доведя ее общий коэффициент мощности до 30%. Хотя стоимость производства карусельной турбины может быть примерно на 20% больше, чем винтовой лопастной турбиныа, стоимость строительства должна быть одинаковой. Если используются турбины с переменным углом тангажа, приливная электростанция может генерировать больше количество электроэнергии в год, однако она будет сложнее в эксплуатации.

Рассматривается также вариант турбины гидрореактора с горизонтальной осью, при расположении их по периметру коллектора, этот тип турбины отличается от описанного выше, поскольку ось ротора проходит параллельно потоку воды. Поскольку коэффициент мощности турбины с горизонтальной осью составляет до 40%, в большинстве приливных электростанций используется турбина с горизонтальной осью; однако недостатком является то, что стоимость турбины и конструкции выше, чем у вертикальных турбин. Другим недостатком является то, что турбина с горизонтальной осью может генерировать электричество только из потока в определенном направлении; другими словами, гидроэлектростанция может генерировать электричество только через одну группу турбин во время подъема воды и другую группу во время падения воды из-за изменения направления потока. Следовательно, его стоимость вдвое выше из-за необходимой установки двух групп турбин с противоположными направлениями.

Благодаря 3D-моделированию винтовая лопастная турбина оказалась лучше традиционной турбины с прямым лезвием по той причине, что она может значительно снизить вибрацию и усилить момент вращения во время работы. Эта турбина, состоящая из трех спиральных лопастей при 120 °, может уменьшить вероятность усталости материала, которая будет дружественной к генерирующим системам. Следовательно, винтовые лопасти турбины будут приводить поток вверх, заставляя верхние лопасти принимать большее усилие, чем нижние, тем самым увеличивая момент вокруг направлений x и y турбины. Используя данные CFD, далее анализируются твердотельные механические свойства спиральной лопастной турбины, и результат показывает, что турбина может хорошо поддерживаться конструкционной сталью.

При сравнении флуктуации силы и момента на различных турбинных установках без гидродинамических взаимодействий одна и та же направленная двойная турбина с угловым смещением 60 ° имеет наилучшие характеристики с минимальными колебаниями сил и минимальными колебаниями момента вокруг оси z . Используя этот двойной турбинный комплект, симметричная колонна турбины с нулевой угловой скважиной уменьшает флуктуацию момента вокруг направления x и y . Колебание силы и момента конечного набора турбин будет составлять минимальную величину, а одна турбинная колонна может генерировать электричество дискретно по всей высоте башни при вертикальном потоке воды от 1,4 м / с.

Для оценки мощности возможного строительства промышленного прототипа малой ГЭС в Северо- Западном регионе РФ , которая может быть разработана в ходе проекта с установкой, например, на Ивановских порогах или на Кошкинском фарватере в пойме реки Невы или в Финском заливе, где диапазон скорости течений составляет 2-17 км/час. Так например, при установке прототипа на Кошкинском фарватере 190 ГЭБ по 10 5-кВт турбин в каждой башне, исходя из пессимистически рассчитанного 22,3% коэффициента мощности винтовой лопастной турбины, установленная мощность приливной электростанции может составить 85,5 МВт, что может генерировать 16,7 ГВтч в год и составляет почти 8% потребления электроэнергии всей Ленобласти, площадь которой -85, 3 тысячи квадратных километров - примерно равна площади Австрии и вдвое больше площадей таких стран, как Дания, Швейцария, Нидерланды.

Разработанную спиральную турбину может завершать три витых спиральных лезвия, и ее преимущество заключается в том, что нет необходимости в стартерных двигателях; кроме того, она работает плавно с меньшими колебаниями, а ее простой механизм вызывает низкую стоимость производства и простоту обслуживания. Однако ее низкий коэффициент мощности не может обеспечить достаточное количество электроэнергии при сопоставимых затратах. В результате анализируются еще три других случая: проектирование приливной силовой установки с вертикальной винтовой и с карусельной с изменяемыми углами тангажа турбиной, а также турбиной с горизонтальной осью.

Существенная значимость проекта:

  • -в проведении прикладных междисциплинарных исследований на основе современных физических и вычислительных методов и теорий, проектно-технологических возможностей расчета, моделирования и конструирования элементов систем гидроэнергетических установок циклонного действия;
  • -в разработке технологических принципов изготовления несущего каркаса лопасти турбины и стыковочных соединительных узлов на роботизированных комплексах на основе многовариантных расчетов и цифрового 3D проектирования, параметрической, топологической и топографической оптимизации с целью минимизации массы конструкции и обеспечения прочностных характеристик;
  • -в разработке новых методов и проведение экспериментальных исследований по изучению разрушающего воздействия гидро- ударов на спиральные лопасти ГЭС, моделирование гашение удара по лопасти из композитных материалов для повышения их ударостойкости;
  • -в развитии современных методов и теории интеллектуального управления энергетическими объектами и получение мультипликативного эффекта при создании распределенной генерации автономного энергоснабжения на основе морских ВИЭ.
  • -в создании зарядной инфраструктуры подводного автоматического электротранспорта для освоения путей транспортировок грузов под водой.

Для решения поставленных задач в проекте сформированы основные пути их решения в соответствии с научными интересами и опытом творческого коллектива исполнителей проекта :

1.Научные и технологические исследования способов повышения надежности, технической и экономической эффективности использования гравитационных гидро-энергетических установок циклонного действия в автономных системах энергоснабжения, в том числе в условиях Арктики и Крайнего Севера

2.Использование современных методов, способов и устройств повышения эффективности преобразования энергии морских придонных и речных поверхностных потоков при использовании спиральной лопастной системы проточной ГЭС.

3.Развитие методов пассивного и активного гидро-динамического регулирования потока сквозь лопасти спиральных турбин проточных ГЭС и оценка влияния различного рода устройств пассивных и активных систем гидро-динамического управления.

В мире полным ходом идут разработки энергетических устройств для автономного электроснабжения плав-средств в океане. Так например C-Enduro - полностью автономный катамаран на солнечной энергии, который используется учеными в Национальном океанографическом центре в Великобритании для изучения Кельтского моря. Этот катамаран получает энергию от солнечных батарей и ветряной турбины и может оставаться в море на срок до трех месяцев.

Его бес щеточные двигатели обеспечивают максимальную скорость 7 узлов. Лодка даже способна вернуться в вертикальное положение, если она опрокидывается благодаря самонастраивающемуся углеродному корпусу. Она легко перевозится на автомобильном прицепе.


C-Enduro, несомненно, представляет собой инженерное чудо само по себе, но он поможет нам лучше понять чудеса океана. Представленный проект ГЭБ в отличие от С-Enduro не испытывает потребности все время быть на плаву. ГЭБ все равно в какую погоду работать - в безветрие или в отсутствие солнца, шторм или полный штиль, так как ГЭБ работает в постоянно действующем течении.

Проект предлагает новое решение задачи создания подводной инфраструктуры питания для зарядки аккумуляторов подводных автоматических дронов.

Дрон может заправляться прямо под водой контактным способом. Как нельзя наиболее лучшим является конструкция ГЭБ.

Рейтинг проекта +1

Команда

+ Вступить в команду
Показать еще

Обсуждения

В чем нуждается проект

Проект нуждается в финансирование основных этапов создания нового конкурентно-способного продукта на рынке приливно-отливной энергетики в общей сумме 115 млн. руб. на основе акционерного капитала. Проект разбит на 4 этапа финансирования, включая грантовую поддержку на начальном этапе: 1 этап: Тестирование цифрового двойника а).Проектирование математической модели в AutoCAD; б).Детальный расчет в программах AutoDesk CFD; в).Супер-компьютерный расчет всей математической модели в ANSYS; г).Получение результатов, сравнение с теорией и отчет. 2 этап: Прототипирование: а).Проектирование лабораторного прототипа; б). Изготовление лабораторного прототипа; г). Испытания лабораторного прототипа. 3 этап: Испытания а). Проектирование опытных серийных образцов деталей и узлов; б). Изготовление опытных образцов; г). Полевые испытание опытных образцов. 4 этап. Разработка РКД и строительство прототипа а).Разработка РДК в Solid Works; б).Экспертиза и патентование промышленного образца; г).Проектирование технологии и настройка монтажного оборудования; д).Разработка технологии серийного производства; е). Отладка производства узлов и деталей на других площадках; ж).Получение заказа , сертифицирование, строительство и испытания прототипа . е).Реклама, участие в тендерах и выставках, продажи технологии и промышленного знака.

Комментарии

Комментариев пока нет.

Добавление комментария