Система на основе маятника. Источник: URV
Преобразование вибраций, возникающих при контакте водного потока с объектом, в энергию. Это основа новой системы, разработанной Франсиско Уэрой, исследователем из отдела машиностроения Университета Ровира и Виргили (URV). Устройство использует энергию водных потоков, возникающую при прохождении воды вокруг цилиндра и создании вихрей за ним. Этот метод очень прост: погружённая в воду цилиндрическая трубка подвешена на оси, которая колеблется, как маятник, когда водный поток заставляет её вибрировать.
Результаты этого исследования были опубликованы в Journal of Fluids and Structures.
«Прелесть этой системы в том, что в воде находится только цилиндр; всё остальное — вал, трансмиссия и, в конечном счёте, генератор — может находиться снаружи», — объясняет исследователь, который спроектировал и протестировал систему в водном канале в Лаборатории взаимодействия жидкости и структуры Университета Рединга.
Сравнение турбин и вибрационных устройств
В настоящее время наиболее эффективным способом использования энергии океанских течений является применение турбин с осевым или поперечным потоком — подводных аналогов ветряных турбин. Это системы, которые теоретически могут достигать КПД более 50 %, но на практике способны использовать только 25–35 % энергии, переносимой жидкостью в зоне, занимаемой турбиной.
Однако эти турбины представляют собой сложные конструкции с множеством подвижных подводных компонентов, которые подвержены коррозии и обрастают морскими организмами и требуют дорогостоящего обслуживания. Кроме того, до сих пор не существует коммерческих подводных установок с приливными турбинами, а разработка находится на стадии прототипов и пилотных испытаний.
В системе, проанализированной в этом исследовании, используется совершенно иной подход: вместо ротора с лопастями используется вибрирующий цилиндр. Испытания проводились в водном канале с использованием уменьшенного цилиндра, подверженного воздействию потока и соединённого с валом, который вращается на воздушных подшипниках. Датчик измеряет угол колебаний, а электромагнитный тормоз, установленный на валу, позволяет изучать механическую энергию, возникающую при вибрации системы.
Результаты испытаний и эффективность
Результаты различных испытаний показали коэффициент мощности около 15 %, что сопоставимо с показателями других систем сбора энергии, основанных на вибрации цилиндров, которые изучались в предыдущих исследованиях.
«Устройства такого типа обычно имеют КПД около 15–17 %, что примерно в два раза меньше, чем у хорошо спроектированной турбины, но стоит отметить, что они занимают меньше места и устроены гораздо проще: в конце концов, это всего лишь трубка, подвешенная на оси», — подытожил Уэра.
Далее он объяснил, что вся сложная механика — генераторы, трансмиссии, системы управления — может быть размещена на плавучей платформе на поверхности, а под водой потребуется только силовой цилиндр.
Возможные области применения и будущие исследования
Такая простота открывает возможности для использования системы в условиях, где сложно установить или обслуживать обычные турбины. Система в первую очередь предназначена для работы в условиях приливных течений, где вода движется непрерывно, но этот принцип можно применить и к рекам с достаточным течением и подходящим поперечным сечением, без необходимости строить плотины или отводные каналы. Систему можно использовать даже для получения энергии ветра.
Это теоретическое исследование также является частью более масштабной работы, посвящённой вибрациям, вызванным потоком. Традиционно такие вибрации считались проблемой для крупных океанических сооружений, таких как трубопроводы, соединяющие нефтяные платформы с морским дном, поскольку они вызывают усталость металла и могут нарушить целостность конструкций.
Франсиско Уэра уже работал над системами, предотвращающими эти вибрации, и даже получил европейский патент, направленный на снижение этого риска. Теперь то же самое явление используется как источник энергии.
В опубликованном исследовании подробно описывается поведение маятника в водяном канале и приводится количественная оценка механической мощности, доступной на валу, но в нём не рассматривается конструкция генератора в целом и не проводится экономический анализ. «Мы теоретически описали систему и провели лабораторные испытания, чтобы продемонстрировать её работоспособность, но мы не создавали крупномасштабные прототипы и не проводили анализ затрат», — предупреждает он.
По словам автора, следующим шагом будет оптимизация способа извлечения энергии из системы — например, за счёт регулировки тормозного момента в зависимости от положения или гидродинамической нагрузки — а также изучение того, насколько можно расширить диапазон полезных скоростей и как можно организовать взаимодействие нескольких устройств для увеличения количества энергии, получаемой с единицы площади. Пишет издание techxplore