Indroducere. Generalități. [307087]

Indroducere. Generalități.

[anonimizat], la începutul aceluiași secol pe glob se produceau circa 300 miliarde kW/h [anonimizat] a ajuns la 21000 miliarde kW/h [1]. Regulile riguroase ale naturii ne demonstrează că se poate obține energie folositoare doar prin conversia ei din alte forme. [anonimizat] 80% din cantitatea totală este obținută prin aceleași metode folosite în preistorie de oameni pentru a [anonimizat]. Bineînțeles ca metodele folosite au fost îmbunătățite.

Cea mai mare cantitate de energie este acumulată în oceane, o [anonimizat]-o continuă mișcare și care învelesc circa 70% din suprafața Pamântului. [anonimizat]-se în energie electrică. Princilalele surse de energie ce sunt luate în considerare sunt cele ale: mareelor, curenților, valurilor, diferența de temperatură ale straturilor de apă.

Utilizarea energiei mărilor și a oceanelor sunt în urmă cu două decenii față de alte surse de energie regenarabilă. În Uniunea Europeană s-a ajuns la o înțelegere pentru un preț de 0,05€/kW [2]. Protocolul este valabil pentru sistemele de conversie a energiei valurilor mării cu geamanduri sau cele stabilite de a doua generație de convertori ai energiei valurilor.

[anonimizat]:

Protocolul de la Kyoto. A promovat ideii care să ajute mai multe guverne pentru a putea implementa sarcini cu privire la creșterea de utilizare a energiei obținute din surse regenerabile de energie. Dar anumite state nu au adoptat hotărâri semnificative sau au anunțat că nu intenționează să le implementeze.

Creșterea problemelor privind schimbarea climei. Evidențiază efectele de alterare a mediului de așa numitul efect de seră. [anonimizat], topire a ghețarilor, de creștere a nivelului mărilor.

Creșterea alarmantă a prețurilor pentru un baril de petrol.

Valurile mărilor reprezintă o formă de energie oceanică. Este demnă de luat in considerare fiind o formă de acumulare a energiei transmise de către vânt către oceane și mări. Din calcule reiese că pentru un val cu o înălțime de 1 metru, o lungime de 40 metri și o perioadă de 5 secunde are o putere de circa 5 kW. În ciuda fenomenului de schimbare a climei, resursele de energie a valurilor la nivel mondial ramân în cantități însemnate. Cele mai mari cantități de energie rămân comasate în Coastele de Vest la latitudinea de 40o-60o în emisferele de nord și de sud. Energia înmagazinată în vârful valului are valori între 30-70 kW/m [anonimizat] a Americii, având cea mai mare cantitate în Noua Zeelandă[32]. Dacă s-ar utiliza doar 10% [anonimizat] a satisface nevoile de energie la nivel mondial.

Valurile

Valurile se comportă foarte imprevizibil. În general există o singură regulă de formare a valurilor și anume că nu există nicio regulă. [anonimizat], generate de acțiunea forțelor naturii. Mai jos avem câteva exemple de laborator de formare a valurilor, dar în afara laboratorului modelele alternative ale apei, adâncimile variabile ale apei, curenții inverși, obstacolele naturale și alți factori care intervin pot schimba semnificativ direcția și forma valurilor.

Valurile oceanice de suprafață se propagă orizontal de-a lungul frontierei între aer și mare. Ele sunt descrise a fiind valuri progresive orbitale. Acestea sunt orbitale deorace atunci cand trece prin mai multe puncte, particulele de apă de sub valuri se mișcă pe traiectorie orbitală Fig 1.1[4]. Valul se deplasează de la stânga la dreapta și datorită acestei mișcări este produsă mișcarea de rotație a particulelor de apă într-un ciclu de rotație complet la parcurgerea completă a unui val.

Când bate vântul, el modifică suprafața apei, producând inițial unele ondulații, care mai târziu se transforma în valuri. Valurile nu sunt un proces ideal, armonic, dar unul neregular. De regulă, ele sunt formate din mai multe valuri suprapuse cu diferite frecvențe și viteze [5]. Valurile se comportă în mod diferit în ape cu adâncimi mari și mici. În apele adânci, acțiunea valurilor descrește rapid cu creșterea adâncimii (Fig. 1.2,a). În apele mici, acțiunea valurilor nu descrește cu mărimea adâncimii (Fig. 1.2,b).

Aspecte privind teoria valurilor

Valurile oceanice de suprafață sunt valuri mecanice, care se propagă de-a lungul frontierei dintre apă și aer. Când vântul bate, presiunea și forțele de frecare perturbează echilibrul suprafeței oceanului. Aceste forțe transferă energia vântului la apă, formând valuri. În cazul unui plan monocormatic liniar în apele adânci particulele de la suprafață se mișcă pe traiectorii circulare, creând valuri oceanice de suprafață ca o combinație de mișcări longitudinale și transversale. Dacă valurile se propagă în ape mici traiectoriile acestor particule sunt comprimate în elipse (Fig. 1.3).

Când amplitudinea valului crește, traiectoriile particulelor nu mai au forme alungite închise; mai degrebă, după trecerea fiecărei creste, particulele sunt deplasate putin mai înainte, comparativ cu poziția anterioară, fenomen cunoscut ca impulsul Stockes (Fig. 1.4)

Când adâncimea în oceam crește, raza mișcării circulare descrește. La o adâncime egală cu o jumătate din lungimea valului, mișcarea orbitală se reduce la 0. Viteza valului superficial se calculează cu ajutorul relației (1.1):

unde: c-viteza de fază

–lungimea valului

d-adâncimea valului

g-accelerația gravitațională.

În apele adânci unde , atunci și tangenta hiperbolică atinge 1, c în m/s se aproximează cu , unde se măsoară în m. Această expresie demnstrează că valurile cu diferite lungimi lucrează la diferite viteze.

Cele mai rapide valuri în timpul urganelor sunt cele cu cea mai mare lungime. Când, după un uragan valurile ajung la țărm, primele ajung valurile de lungime mare.

Mișcarea valurilor oceanice poate fi capturată de sisteme de energie a valurilor. Densitatea energetică a unor valuri sinusoidal regulate a apei pentru densitatea ρ, accelerația de gravitație g și lungimea valului h, care este egală cu două amplitudini a se determină cu relația (1.2):

Viteza de propagare a acestei energii este viteza de grup. Ecuațiile care descriu apele mici sunt un set de ecuații care descriu curgerea sub acțiunea forței superficiale orizontale în fluid. Aceste ecuații pot fi utilizate în modelările atmosferice și oceanice, dar sunt mai simple decât ecuațiile primitive. Modelele ecuațiilor apelor mici au doar un nivel vertical, deci ele nu pot compensa orice factor care variază cu înălțimea. În general, valurile mari conțin mai multă energie. Energia valului este determinată de înălțimea valului, viteza valului, lungimea valului și densitatea apei. Mărimea valului este determinată de viteza vântului, de distanța la care vântul excită valurile, de adâncime și de topografia locației. Mișcarea valurilor este cea mai înaltă la suprafață și se reduce exponențial pe măsura creșterii adâncimii, însă energia valului este prezentă ca presiunea valurilor în apele adânci.

Energia potențială a unui set de valuri este proporțională cu înălțimea și pătratul perioadei valului. Valurile cu perioade mai mari au lungimi relativ mai mari și sunt mai rapizi. Energia potențială este egală cu energia cinetică. Energia valului se exprimă în kW/m și se calculează cu relația (1.3):

unde : H -înălțimea valului, [m];

T-perioada valului, [s].

Relația (1.4) permite calcularea energiei produse de un val. Excluzând valurile create de uragane mari, cele mai mari valuri au înălțimea de 15 m și au perioada de 15 sec. Conform acestei formule, astfel de valuri conțin aproximativ 1700 kW de energie potențială pe fiecare metru de lungime a valului. Locațiile cu cel mai mare potențial energetic al valurilor vor avea un flux de energie mai mic decât cel de mai sus, posibil circa 50 kW/m.

Teoria liniară a valului presupune că mișcarea apei printr-un punct este sinusoidală. Perioada T pentru un val care trece prin acest punct poate fi exprimată prin:

unde λ este lungimea valului, în [m]; g-gravitația, în [kg/m2].

Energia care este conținută în val poate fi exprimată prin ecuația (1.5) :

unde a este amplitudinea valului.

Conform tehnologiilor existente sunt trei tipuri de colectare a energiei valurilor:

cu ajutorul sistemelor cu geamanduri;

sisteme conturate fixate;

coloane de apă oscilante.

Ecuația valului este o ecuație diferențială care descrie evoluția valului armonic în timp. Ecuația are forme ușor diferite în funcție de modul în care valul este transmis și de mediul prin care trece. Considerând că un val unidimensional se mișcă de-a lungul unei axe x cu viteza v și amplitudinea a (care în general depinde de x și t), ecuația (1.6) este:

Tridimensional ecuația va fi:

unde Δ este Laplasian.

Soluția generală pentru ecuația valului într-o dimensiune a fost obținută de d’Alembert:

Ecuația poate fi privită ca două pulsații care trec prin lungimea x în direcții diferite: F în direcția +x, și G în direcția –x. Dacă vom substitui x cu direcțiile x, y, z, poate fi descrisă propagarea tridimensională a valului.

Stadiul actual. Generalități.

Energia curenților maritimi se află la stadiul incipient de dezvoltare, de aceea sunt foarte puține prototipuri și demonstrații testate în ziua de astăzi. Primul brevet de invenție în domeniul sistemelor de captare a energiei valurilor a fost eliberat în anul 1799 de tatăl și fiul parizienii Girard pentru o instalație care utiliza acțiunea mecanică directă pentru acționarea pompelor, a pilelor de tăiat lemn și a altor mașinării. În anul 1970, un interes major către acest tip de energie a fost depistat în Europa, în particular în Marea Britanie. În noiembrie 2000, prima instalație comercială din lume a fost instalată pe o insulă mică din Scoția.

După zona de amplasare, sistemele de conversie a energiei valurilor, care poate fi captată, se împart în trei categorii principale:

Sisteme care pot fi amplasate în zona apropiată de țărm;

Sisteme care pot fi amplasate pe țărm;

Sisteme care pot fi amplasate pe litoral.

Zona apropiată de țărm este considerată o zonă de până la 20 de km. Operarea în zona apropiată de țărm trebuie să ia în considerație aspectele estetice, pitorești, să fie bine definit impactul asupra vieții marine. Construcțiile nu pot fi grandioase ca în cazul instalațiilor de litoral. Instalațiile energetice de țărm, de regulă, sunt încorporate în structuri existente de minimizare a efectelor valurilor asupra țărmului, de exemplu, în pereții de protecție. Dacă adâncimea apei depășește 50 m, instalațiile energetice se consideră litoral.

Spre deosebire de turbinele eoliene mari, există o largă varietate de tehnologii energetice, care rezultă din diferitele moduri în care energia poate fi absorbită de valuri, și, de asemenea, în funcție de adâncimea apei și locația (la țărm, aproape de țărm, în larg). Documentații recente au identificat aproximativ o sută de proiecte la diferite etape de dezvoltare. Numărul nu pare a fi în scădere: noi concepte și tehnologii sunt mai numeroase decât cele care sunt abandonate.

Mai multe metode au fost propuse pentru a clasifica sistemele cu ajutorul cărora se obține energia din valuri, în funcție de locație, de principiul de funcționare și de dimensiunea acestora. Clasificarea din Fig. 2.1 se bazează în principal pe principiul de funcționare. Exemplele prezentate nu sunt destinate să formeze o listă exhaustivă și au fost aleși dintre proiectele care au ajuns în stadiul de prototip sau cel puțin au fost obiect al efortului de dezvoltare extensivă.

Sisteme de producere a energiei folosind energia valurilor

Sisteme bazate pe oscilarea coloanei de apă

Cu structură fixă

Pe baza diferitelor metode de extragere a energiei, au fost propuse o largă varietate de sisteme, dar numai câteva prototipuri la dimensiuni normale au fost construite și utilizate în apele de coastă deschise. Cele mai multe dintre acestea sunt sau au fost amplasate pe țărm sau în apropierea țărmului și sunt numite uneori dispozitive de primă generație. În general, aceste dispozitive stau pe fundul mării sau sunt fixate pe o stâncă brută. Dispozitivele amplasate pe linia țărmului au avantajul de instalare și întreținere mai ușoară și nu necesită loc de acostare sau cabluri electrice subacvatice lungi. Se poate genera mai puțină energie la țărm, dar acest lucru se compensează parțial de energia valurilor naturale concentrare datorită refracției și/sau de difracție ( dacă dispozitivul este localizat în mod adecvat în acest scop). Tipic dispozitivelor de primă generație este oscilarea coloanei de apă. Un alt dispozitiv cu supraîncărcare este Tapchan (dispozitiv pentru captarea energiei valurilor cu pistă conică), un astfel de prototip a fost construit pe coasta norvegiană, în anul 1985 și a funcționat timp de mulți ani.

Acest dispozitiv este alcătuit dintr-o parte de beton imersat sau o structură de oțel aflate sub apă, în interiorul căruia aerul este prins în pista de deasupra suprafeței apei (Fig. 2.2). Mișcarea de oscilație a suprefeței interioare libere produsă de valurile incidente fac ca aerul să curgă printr-o turbină care antrenează un generator electric. Fluxul axial al turbinei Wells, inventat la mijlocul anilor 1970, are avantajul că nu necesită supape de redresare. Acesta a fost folosit în cele mai multe prototipuri.

Prototipuri la dimensiuni mai mari au fost construite în Norvegia(în Toftestallen, lângă Bergen, 1985), Japonia (Sakata,1990), India (Vizhinjam, lângă Trivadrum, Statul Kerala, 1990), Portugalia (Pico, Azores, 1999), Marea Britanie (LIMPET, Insula Islay, Scoția, 2000). Cel mai mare dintre toate, plantată pe o poziție inferioară în apropierea țărmului (numită OSPREY) a fost distrusă de mare (în 1995) la scurt timp a fost remorcat și scufundat într-un loc în apropierea coastei scoțiene. Toate aceste cazuri, au structura fixă ( partea inferioara este construită pe un perete înclinat stâncos) și piesa principală a echipamentului este turbina de aer Wells ce conduce aerul într-un generator electric. Cu excepția Osprey, structura a fost realizată din beton. Aria secțiuni acestor coloane oscilante de apă se situează în intervalul 80-250m2. Capacitatea lor de putere instalată este (sau a fost) în intervalul 6-50kW (2MW pentru Osprey). Prototipuri mai mici de sisteme cu coloană oscilantă de apă (de asemenea echipate cu turbine Wells) au fost construite în Islay, Marea Britanie(1991) și mai recent în China.

S-a obținut în mod teoretic și experimental, la începutul anilor 1980 procesul de absobție a energiei valurilor a fost îmbunătățită prin extinderea camerei de proeminență (naturale sau artificiale), pereții din direcția valurilor, formând un port sau un colector. Acest concept a fost pus în practică în cele mai multe prototipuri cu coloană oscilantă de apă. Compania australiană Energetech a dezvoltat o tehnologie cu ajutorul unui colector mare în formă de parabolică (la fel ca un Tapchan) în acest scop a fost testat un prototip în Port Kembla, Australia, în 2005. Principala noutate constă în principal dimensiunea mare a peretelui convergent în comparație cu dimensiunile sistemelor cu coloană oscilantă de apă în sine.

Proiectarea și construcția structurii (în afară de turbina cu aer) sunt cele mai critice probleme în tehnologia sistemelor cu oscilarea coloanei de apă, precum și cel mai influent privind economia de energie produsă din valuri. În situația actuală, construcția civilă domină costul instalației. Integrarea structurii plantelor într-un dig are mai multe avantaje: costurile de construcție sunt în comun, precum și accesul pentru construirea, operarea și mentenanța centralei pentru producerea energiei valurilor devin mult mai ușoare. Acest lucru a fost făcut cu succes pentru prima dată în portul Sakata, Japonia, în 1990, în cazul acesta unul dintre chesoanele ce alcătuiesc digul a avut formă specială pentru a se potrivi sistemelor cu oscilarea coloanei de apă și mecanic și al echipamentului electric. Opțiunea de „dig al sistemului cu oscilarea coloanei de apă “ a fost adoptată în 0.75MW bicameral, planificat să fie instalat în capul unui dig în gura de vărsare a râului Douro (Nordul Portugaliei), iar în interiorul digului recent construit în portul de Mutriku, în nordul Spaniei, cu 16 camere și 16 turbine Wells evaluat 18,5 kW fiecare. O geometrie diferită pentru un sistem cu oscilarea coloanei de apă încorporat într-un dig a fost propusă de Boccotti, se apropie de o configurație „terminator„ cvasi bi-dimensional, cu un sistem cu oscilarea coloanei de apă, care este lung în direcția valului de creastă dar îngust(deschidere mică) în direcția provă-pupă. Sistemul cu oscilarea coloanei de apă -secțiune transversală este Jshaped, cu deschiderea sa exterioară orientată în sus. Un experiment pe teren a fost efectuat în largul coastei de est a strâmtorii Messina, în sudul Italiei.

Sisteme cu elemente flotabile

Primele convertoare ale sistemelor cu oscilarea coloanei de apă desfășurate în mare au fost dispozitivele plutitoare dezvoltate în Japonia, în 1960 și 1970, sub conducerea lui Yoshio Masuda: geamanduri de navigație pe bază de undă și marea barjă Kaimei. Masuda și-a dat seama că energia convertită cu ajutorul Kiamei a fost destul de nesatisfăcătoare și a conceput un alt concept pentru un sistem cu oscilarea coloanelor de apa plutitoare: Back Bent Duct Buoy (BBDB). În BBDB, canalul sistemului cu oscilarea a coloanei de apă este îndoit invers de la direcția undei incidente (Fig. 2.3.) (care sa dovedit a fi avantajos în comparație cu conducta orientată către în față). În acest fel, lungimea coloanei de apă ar putea fi suficient de mare pentru rezonanța care trebuie atinsă, păstrând în același timp proiectul structurii plutitoare în limite acceptabile. Convertorul BBDB a fost studiat (inclusiv testarea modelului) în mai multe țări (Japonia, China, Danemarca, Coreea, Irlanda) și a fost utilizat pentru o putere de aproximativ o mie de geamanduri de navigație în Japonia și China. In ultimii ani, eforturile au fost în curs de desfășurare în Irlanda pentru a dezvolta un convertor mare BBDB pentru desfășurarea în largul oceanului. Un sfert din 12 m lungime, au fost echipați cu o turbină Wells cu axe orizontale și a fost testat în apele maritime protejate de Golful Galway (vestul Irlandei), sfârșitul anului 2006.

Mighty Whale, un alt convertor plutitor al sistemului cu oscilearea coloanei de apă, a fost dezvoltat de către Centrul de tehnologie și știință marină din Japonia. După investigații teoretice și testarea rezervorului de valuri, un prototip a fost dimensionat, proiectat și construit. Dispozitivul constă dintr-o structură plutitoare (lungime 50 m, lățime de 30 m, greutate 4400 t) care are trei camere de aer situate în patea din față, una lângă alta și tancuri flotabile. Fiecare cameră de aer este conectată la o turbină de aer Wells, care conduce un generator electric. Puterea nominală totală este de 110 kW. Dispozitivul a fost desfășurat în apropiere de gura de Gokasho Bay, în Mie Prefectura, Japonia, în 1998 și testat de câtiva ani.

Spar Buoy este probabil cel mai simplu concept pentru un convertor flotant al sistemului cu coloana oscilantă de apă. Este un dispozitiv axisimetric (și așa mai insensibil la direcția valului) constând în esență dintr-un tub sub formă de coadă (relativ lung) scufundată vertical deschis la ambele capete, fixate pe un flotor care se mișca în esență, în sus. Lungimea tubului determină frecvența de rezonanță a coloanei de apă interioară. Fluxul de aer deplasată prin mișcarea relativă sistemului cu coloana oscilantă de apă la geamandură conduce o turbină cu aer. Mai multe tipuri de geamanduri de navigație pe bază de undă s-au bazat pe acest concept, care au fost, de asemenea, luat în considerare pentru producția de energie la scară mai mare. Sloped Buoy este un iaz de geamanduri are unele asemănări cu Spar Buoy și constă dintr-o geamandură cu trei tuburi înclinate cu coada imersate astfel încât setul geamandură-tub oscilează la un unghi intermediar între mișcarea de ridicare și creșterea valului.

Un raport pregătit pentru Departamentul Britanic de Comerț și Industrie (DTI) a comparat trei tipuri de sisteme cu coloana oscilantă de apă plutitoare pentru generarea de energie electrică într-un mediu Atlantic: BBDB, Sloped Buoy și Spar Buoy.

Dispozitivele descrise pe scurt mai sus sunt nefixate bine la fundul mării și așa sunt în mare parte libere să oscileze (care poate spori absorbția energiei valurilor în cazul în care dispozitivul este corect proiectat pentru asta). Orecon, în curs de dezvoltare în Marea Britanie, este un dispozitiv plutitor, care are tensiunea ancorată la fundul mării. Este un convertor de multi-rezonanță cu mai multe sisteme cu coloană oscilantă de apă pe verticală de diferite lungimi, fiecare cameră fiind conectată la o turbină cu aer .

Sisteme cu corpul oscilant

Dispozitivele offshore (uneori clasificate ca fiind dispozitive de a treia generație) sunt practic corpuri oscilante, fie plutitoare sau (mult mai rar) complet scufundate. Ele exploatează mai mult energia valurilor disponibile în regimurile în apă adâncă (de obicei, mai mult de 40 m adâncime). Convertoarele de energie a valurilor offshore sunt în general mai complexe în comparație cu sistemele de primă generație. Acest lucru, împreună cu probleme suplimentare legate de acostare, acces pentru întreținerea și nevoia de cabluri electrice submarine lungi, au împiedicat dezvoltarea lor și doar recent unele sisteme au ajuns, sau se apropie de, etapa de demonstrație pe scară largă.

Un corp umflat de geamandură

Cel mai simplu dispozitiv cu corp oscilant este geamandura umflată, care reacționează față de un cadru fix de referință (pe fundul mării sau structură fixă față de nisip). În cele mai multe cazuri, astfel de sisteme sunt concepute ca absorbanți de puncte (adică dimensiunile lor orizontale sunt mult mai mici decât lungimea de undă).

O încercare de timpurie a fost un dispozitiv numit G-1T, constând dintr-o geamandură în formă de pană de platformă dreptunghiulară (1,8 m- 1,2 m de la nivelul liniei de apă) a cărui mișcare pe verticală a fost ghidată de un oțel cu o structură fixată pe un dig. Priza de putere utilizată a fost un timpuriu exemplu al berbecului hidraulic într-un circuit incluzând un gaz acumulator.

Un alt exemplu timpuriu a fost geamandura norvegiană, constând dintr-un flotor sferic care ar putea efectua ușoare oscilații relative la o bară conectată la o ancoră pe fundul mării printr-o articulație. Geamandura poate fi controlată de un regim tranzitoriu și a fost echipată cu o turbină de aer. Un model (geamandură cu diametru = 1 m), în care turbina de aer a fost simulată printr-un orificiu, a fost testat (inclusiv controlul automenținere) în Trondheim Fjord în 1983 (Fig 2.4).

Un model alternativ este o geamandură conectată în partea inferioară a structurii printr-un cablu care este ținut strâns de un arc sau ceva similar. Mișcarea relativă între valul activat de plutirea pe suprafața mării și structura de pe fundul mării activează un sistem PTO. În dispozitivul care a fost testat în Danemarca în 1990, priza de putere (găzduită într-o structură fixă de jos) a constat într-o pompă cu piston alimentarea cu apă de înaltă presiune la o turbină hidraulică.

O versiune a conceptului geamandură încordată-acostată este în curs de dezvoltare la Universitatea Uppsala, Suedia și utilizează un generator electric liniar (mai degrabă decât o pompă cu piston), amplasat pe fundul oceanului . O linie din partea de sus a generatorului este conectată la o geamandură situată la suprafața oceanului, în calitate de decolare de putere. Arcurile atașate la traducătorul energiei din magazia generatorului în jumatate de ciclu de val și în același timp să acționeze ca o forță de revenire în jgheaburile de undă (Fig. 2.5).

Un alt sistem cu o geamandură umflată de conducere a unui generator electric liniar a fost recent dezvoltat la Oregon State University, Statele Unite ale Americii. Acesta constă într-o formă de farfurie adâncă legată de geamandură prin intermediul unei tije (Fig. 2.6). Tija este întinsă sau trasă la fundul mării printr-un cablu. Geamandura este liberă să ridice în raport cu tija, dar este constrânsă în toate alte grade de libertate printr-un sistem care este liniar. Forțele impuse de lonjeronul de viteza relativă a celor două organisme este transformată în energie electrică de un generator magnetic permanent liniar. Tija este proiectată să asigure o flotabilitate suficientă pentru a rezista la forța generatorului în direcție inferioară.

Doua corpuri de geamandură umflate

Conceptul unui singur corp plutitor reacționează împotriva adâncului mării, poate ridica dificultăți din cauza distanței dintre suprafața liberă și în partea de jos și / sau la oscilațiile nivelul mării din cauza mareelor. Sistemele multi-corp pot fi utilizate în schimb, în care energia este convertită de mișcarea relativă între două corpuri oscilante diferit. Hidrodinamicii de sisteme cu două-corpuri au fost teoretic analizate în detaliu de către Falnes. Energia valurilor cu multi-corp convertoare ridică probleme speciale de control.

Conceptul bipartit Punctul Absorber este un exemplu timpuriu de un sistem de opintire cu două puncte. Se compune din două flotoare, una la exterior (cu o frecvență de rezonanță foarte scăzută) fiind o structură ce acționează ca referință și un element interior care acționează ca rezonanță absorbantă. Acest dispozitiv încorporează un concept care a fost ulterior să fie adoptată în Wavebob: masa corpului interior este mai mare (fără a afecta semnificativ difracția și radiația de amortizare a forței) prin ea se conectează rigid la un corp complet scufundat situate suficient de departe.

Una dintre cele mai interesante sisteme cu două corpuri de balize umflate pentru conversia energiei valurilor este geamandura IPS, inventată de Sven A. Noren și inițial a fost dezvoltată în Suedia de compania Service Interproject (IPS). Aceasta constă într-o geamandură rigidă conectată la un sistem complet de tub vertical scufundat (așa numitul tub de accelerație) deschis la ambele capete (Fig. 2.7). Tubul conține un piston a cărui mișcare în raport cu sistemul de tub flotant (mișcare generată de unda de acțiune pe flotor și de inerția apei cuprinse în tub) conduce un mecanism de priză de putere (PTO). Același inventator a introdus mai târziu, o îmbunătățire care contribuie în mod semnificativ la rezolvarea problemei opritorului final: partea centrală a tubului, de-a lungul căreia slide-urile cu piston, clopotele sunt afară la ambele capete pentru a limita cursa pistonului. Un prototip la jumătate din scara de la geamandura IPS a fost testat în Suedia, la începutul anilor 1980. Aqua Buoy este un convertor de energie a valurilor, dezvoltat în anii 2000, care combină conceptul geamandură IPS cu o pereche de pompe cu furtun pentru a produce un flux de apă la presiune ridicată care conduce la o turbină Pelton. Un prototip al AquaBuoy a fost desfășurat și testat în 2007, în Oceanul Pacific, în largul coastei Oregon. O variantă a conceptului inițial geamandura IPS, din cauza Stephen Salter, este taluzul acestui iaz IPS geamandura: frecvența naturală a convertorului poate fi redus, și în acest fel lățimea de captare mărită, în cazul în care setul geamandură-tub este făcut să oscileze într-un unghi intermediar între mișcarea de ridicare și direcțiile de supratensiuni. IPS taluzul acestui iaz geamandura a fost studiată de atunci, de la mijlocul anilor 1990, la Universitatea din Edinburgh, prin testarea modelului și modelare numerică.

Wavebob, în curs de dezvoltare în Irlanda, este un alt dispozitiv cu doua corpuri umflate. Se compune din două axe asimetrice, ale căror mișcări axiale relative sunt convertite în energie electrică printr-un sistem de înaltă presiune de ulei (Fig. 2.8). Interiorul geamandurii (corpul 2 din Fig. 2.8) este conectat la un corp rigid coaxial submersibil, a cărui funcție este de a crește inerția (fără reducerea forței excitație și radiație hidrodinamică) și permit reglarea de undă la frecvența medie. O gamă largă (scara 1/4) de modele au fost testate în apele protejate ale Golful Galway (Irlanda).

Compania americană Ocean Technologies a dezvoltat un alt asimetric două corpuri umflate pentru conversia enrgiei valurior, numit PowerBuoy. Un flotor în formă de disc reacționează împotriva unui corp cilindric scufundat, terminat la capătul său inferior printr-o placă mare, amortizor orizontal a cărui funcție este de a crește inerția prin masa adăugată apei din jur. Mișcarea relativă între două corpuri este transformată în energie electrică prin intermediul unei PTO hidraulic. Un prototip de 40 kW, fără conectarea la rețea a fost dislocat în largul coastei Santon~ a, în nordul Spaniei, în luna septembrie 2008 (Fig. 2.9.). Acest lucru este planificat să fie urmată de o fermă de 9 geamanduri evaluat la 150 kW fiecare, prima versiune care a fost desfășurată în Scoția, în 2009.

Sisteme cu mai multe corpuri

În unele cazuri, dispozitivul constă într-un set mare de amortizoare cu puncte de flotare care reacționează împotriva unui cadru comun și care împărtășește o priză de putere comună. Acesta este cazul lui FO3 (cel mai adesea un proiect norvegian), un sistem nearshore sau offshore format dintr-o serie de 21 de axe (sau "ouă") care oscilează în mod ascendent în raport cu o structură plutitoare mare de plan pătrat cu o frecvență de rezonanță foarte mică și o caroserie hidraulică. Steaua Wave, dezvoltată în Danemarca, constă din două rețele rectilinii de flotoare amplasate pe ambele părți ale unei structuri de oțel cu un fund lung, care este aliniată la direcția dominantă a undelor și găzduiește un PTO hidraulic constând dintr-un ulei de înaltă presiune circuit hidraulic echipat cu motoare hidraulice. Valurile fac ca geamandurile să se învârtă în jurul cadrului lor comun de referință și a uleiului pompei în circuitul hidraulic. Un model de 5 kilometri pe o scară de 10 m, cu lungime de 24 m, cu 10 geamanduri pe fiecare parte, a fost desfășurat în 2006 în Nissum Bredning, Danemarca, și testat cu conectare la rețea de câțiva ani . Dispozitivul hiperbaric brazilian se bazează pe un concept similar, principalele diferențe fiind că cadrul de referință despre care sunt făcute balizele pentru a leaga este o digeră verticală și că apa este pompată pentru a alimenta o turbină Pelton. Un model de 1/10 din dispozitivul hiperbaric a fost testat într-un rezervor cu undă mare.

Dispozitive înclinate

Dispozitivele cu corpul oscilant pentru conversia energiei valurilor descris pe scurt mai sus sunt sisteme nominale de ridicare, adică conversia energiei este asociată cu o mișcare de translație relativă. Ar trebui notat că, în unele dintre ele sistemul de amarare permite altor moduri de oscilație , și anume la supratensiuni și tangaj. Există alte sisteme de corpuri oscilante în care conversia energiei se bazează pe rotația relativă. Acest lucru este remarcabil cazul Duck (creat de Stephen Salter, de la Universitatea din Edinburgh), probabil cel mai cunoscut dispozitiv din larg printre cele care au apărut în anii 1970 și începutul anilor 1980 și din care mai multe versiuni au fost dezvoltate în anii următori. Prima versiune constă dintr-un șir de Ducks montate pe o coloană vertebrală lungă aliniată cu direcția valului, cu o priză de fortă hidraulică. Salter mai târziu a propus un sistem format dintr-un singur Duck, în care cadrul de referință față de care va reacționa rața când dă din cap este asigurată de un giroscop (Fig. 2.10). Deși conceptul Duck a fost obiect al eforturilor de cercetare și dezvoltare extinse pe mai mulți ani, inclusiv testarea modelului la mai multe scări , nu a ajuns la stadiul de prototip la scară completă în mărimile reale.

Printre varietatea largă de dispozitive propuse în anii 1970 și 1980, care nu au reușit să ajungă în etapa de testare, ar trebui să se facă referire la Raft inventat de Sir Christopher Cockerell (care a fost, de asemenea, inventatorul Hovercraft). Aceasta a fost de fapt o serie de plute sau pontoane legate prin balamale, care a urmat conturul de undă, cu un sistem PTO (eventual hidraulic) situate la fiecare balama. Cockerell Raft poate fi considerată ca predecesorul unui dispozitiv cu mai mult succes, Pelamis, și, de asemenea pompei Wave McCabe.

Pelamis, s-a dezvoltat în Marea Britanie, este un șarpe cu o structură moale acostată compusă din patru secțiuni cilindrice legate prin articulații cu balamale și aliniată cu direcția de undă. Valul induce mișcarea acestor articulații ce rezistă cu ajutorul unor cilindri hidraulici, la care pompa de ulei de înaltă presiune prin motoarele hidraulice de conducere trei generatoare electrice. Acumulatori de gaz furnizează energie de depozitare. Ca alte dispozitive care au atins dimensiunea maximă, Pelamis a fost obiect al unui program de dezvoltare detaliat pe parcursul a mai mulți ani, care au inclus modelarea teoretică / numerică și modelul fizic testare la mai multe scale. Studiile pentru un prototip mare de dimensiuni (3,5 m diametru, 750 kW putere nomială, lung de 120 m) au avut loc în 2004 în Scoția. Un set de trei dispozitive Pelamis a fost desfășurată în afara coastei de nord portugheze în a doua jumătate a anului 2008 (Fig. 2.11), ceea ce face ca o fermă marină de convertoare sa fie conectată la o retea la nivel mondial.

Pompa Wave McCabe are similitudini conceptuale cu Cockerell Raft și Pelamis: este alcătuită din trei pontoane dreptunghiulare din oțel unite prin balamale care împreună cu mișcarea pontonului central este amortizată printr-o placă orizontală imersată (Fig. 2.12). Două seturi de cilindri hidraulici și o priză de forță hidraulică realizează conversia mișcării relative de rotație ale pontoanului în energie utilă. A 40 m long prototipul a fost desfășurat în 1996 în largul coastei Kilbaha, County Clare, Irlanda.

Sistemele cu două corpuri au fost concepute astfel încât doar un singur corp se află în contact cu apa, iar celălalt corp este situat deasupra apei sau este complet închis în interiorul celei umede. Modelarea teoretică și controlul acestor dispozitive (în special cele de înălțare și inclusiv și sistemele cu trei corpuri) a fost analizat de Korde.

Un dispozitiv tipic bazat pe conceptul de protejare integrală, au fost dezvoltate mai multe disopzitive off shore la Universitatea Lancester, Marea Britanie, dintre care s-a evidențiat doar PS FrogMk5. Este alcătuită dintr-o paletă puternică, cu un mâner integral balastat, agățat în partea inferioară (Fig. 2.14). Valurile acționează pe lama paletei iar balastul de dedesubt oferă reacția necesară. Când este înclinată, puterea este extrasă prin rezistența parțială la alunecare a unei mase de forță care se deplasează în ghidaje deasupra nivelului mării.

Convertorul de energie Searev, dezvoltat la Ecole Centrale De Nantes, Franța, este un dispozitiv plutitor care înconjoară un vehicul greu cu o axă orizontală care servește drept referință gravitațională internă (Fig 2.13). Centrul de greutate al roții fiind în afara centrului, această componentă se comportă mecanic ca un pendul. Mișcarea acestei roți pendulante în raport cu colacul, acționează priza de foraj hidraulic care, la rândul său, pune în mișcare un generator electric. Avantajele majore ale acestui aranjament sunt că:

generator electric. Avantajele majore ale acestui aranjament sunt că:

toate piesele sunt mobile (componentele mecanice, hidraulice, electrice) sunt adăpostite de acțiunea mării cu ajutorul unei carapace complet închise;

alegerea unei roți care funcționează ca un pendul nu implică nici opriri finale sau un sistem de securitate care să limiteze cursa.

Compania spaniolă Oceantec a dezvoltat un alt convertor de energie plutitor offshore, care extrage energia practic din mișcarea de înclinare. Are forma unui cilindru orizontal alungit cu capete elipsoidale a căror axa majoră este aliniată cu direcția undei incidente. Procesul de conversie a energiei se bazează pe mișcarea inerțială relativă pe care o produc undele într-un sistem giroscopic. Această mișcare este folosită pentru a alimenta un generator electric printr-o serie de etape de transformare. Un prototip de scara 1/4 (lungime 11,25 m) a fost desfășurat în largul coastei Guipu'zcoa (nordul Spaniei) în septembrie 2008 și a fost testat timp de mai multe luni.

Sistem complet scufundat

Arhimede Wave Swing (AWS), un dispozitiv ușor complet scufundat, a fost practic dezvoltat în Olanda, și constă dintr-un oscilator în partea superioară (flotor) și o parte inferioară fixă (Fig. 2.15). Flotorul este împins în jos sub un val și se mișcă în sus sub un jgheab. Această mișcare este susținută cu un generator electric liniar, cu presiunea din interior, aerul interior acționează ca un arc. Dispozitivul AWS a fost timp de mai mulți ani printr-un program de modelare teoretică și fizică. Prototipul a fost construit, evaluat la 2 MW (putere instantanee maximă). După încercări nereușite în 2001 și 2002 să-l scufunde în poziția în care se află în largul coastei de nord a Portugaliei, a fost în cele din urmă desfășurată și testată în a doua jumătate a anului 2004. AWS a fost primul convertor cu ajutorul unui generator electric liniar.

Sisteme cu clapă

Au fost propuse dispozitive cu un singur corp oscilant care funcționează în funcție de modul de așezare, pe baza conceptului de pat maritim cu ajutorul pendulului inversat articulat. Buzduganul, inventat de Stephen Salter , constă într-o rachetă plină, simetrică pe axa verticală, care se poate lega de o articulație universală la fundul mării (Fig. 2.16). Reacția de extragere a puterii la patul maritim se face printr-un set de cabluri răsucite de mai multe ori în jurul unui tambur, care duce atât în față, cât și în spate, în direcția predominantă a undei. Rotirea reciprocă activată de val a tamburului este transformată în energie utilă printr-un sistem hidraulic.

Două dispozitive sunt în curs de dezvoltare, care au același concept de bază: o clapă plutitoare articulată la patul de mare, ale cărei oscilații de așezare activează un set de berbeci hidraulice cu acțiune dublă, situate pe patul de mare, care pompează fluidul de înaltă presiune. Fluxul de fluid este transformat în energie electrică printr-un circuit hidraulic convențional. Aceste dispozitive sunt destinate amplasării în apropierea țărmului în apă cu o adâncime relativ mică (10-15 m). În afară de mărime (Oyster este mai mare) și design detaliat, există unele diferențe conceptuale între ele. Oyster (în curs de dezvoltare în Marea Britanie) are o clapă de perforare de suprafață care se întinde pe toată adâncimea apei și fluidul este apa de mare alimentând o turbină Pelton localizată pe uscat, în timp ce WaveRoller (un dispozitiv finisat) este complet scufundat în fluidul de lucru . Mai multe clapete oscilante pot hrăni un singur generator de pe uscat, atașat la o singură conductă de distribuție. Un prototip de WaveRoller de 4,5 m, a fost desfășurat și testat în 2008, aproape de coasta portugheză de la Peniche. Un prototip mare Oyster a fost construit în Scoția (Fig. 2.17) și a fost testat în mare în 2009.

Convertizoare cu supraîncărcare

O altă metodă de conversie a energiei valurilor este de a capta apa care este aproape de creasta valurilor și de a o introduce, prin deversare, într-un rezervor unde acestea sunt depozitate la un nivel mai mare decât nivelul mediu al suprafeței libere a mării înconjurătoare. Energia potențială a apei stocate este convertită în energie utilă prin turbine hidraulice convenționale cu capul mai mult sau mai puțin înnecat. Hidrodinamica dispozitivelor de supraînălțare este puternic neliniară și, spre deosebire de cazurile de oscilant al corpului și de convertoare de energie a undelor OWC, nu poate fi abordată de teoria liniară a undelor de apă.

Aparatul Tapchan (dispozitiv de alimentare cu valuri a căror canale sunt în formă conică), un dispozitiv dezvoltat în Norvegia în anii 1980, s-a bazat pe acest principiu. Un prototip (putere nominală de 350 kW) a fost construit în 1985 la Toftestallen, Norvegia, și a funcționat timp de mai mulți ani. Tapchan cuprinde un colector, un convertor, un rezervor de apă și o turbină cu apă (Fig. 2.18). Colectorul în formă de corn servește în scopul concentrării undelor la intrare înainte de a intra în convertor. În prototipul construit în Norvegia, colectorul a fost sculptat într-o stâncă și avea la intrare aproximativ 60 de metri. Convertorul este un canal treptat de îngustare, cu înălțimi de perete egale cu nivelul de umplere al rezervorului (aproximativ 3 m prototipul norvegian). Valurile intră prin capătul larg al canalului și, pe măsură ce se propagă în jos pe canalul de îngustare, înălțimea valurilor este amplificată până când creasta valurilor se varsă peste pereți și umple rezervorul de apă. Ca rezultat, energia valurilor se transformă treptat în energie potențială în rezervor. Funcția principală a rezervorului este asigurarea unei alimentări stabile cu apă a turbinei. Trebuie să fie suficient de mare pentru a netezi fluctuațiile fluxului de supraîncărcare a apei de la convertizor (suprafața de aproximativ 8500 m2 în prototipul norvegian). O turbină axială de tip Kaplan este alimentată în acest mod, principala sa specificitate fiind utilizarea materialului rezistent la coroziune.

În alte convertoare de supraînălțare, undele incidentului acoperă un zid sau o rampă înclinată și umple un rezervor unde apa este depozitată la un nivel mai mare decât marea înconjurată. Acesta este cazul lui Wave Dragon, un convertor offshore dezvoltat în Danemarca, a cărui structură plutitoare slab formată constă din două reflectoare de undă care focalizează undele de intrare către o rampă dublă curbată, un rezervor și un set de turbine hidraulice cu capul jos (Fig. 2.19). La Nissum Bredning, Danemarca, a fost conectat un sistem de legare la rețea de 57 m, 237 t (inclusiv balast) al Wave Dragon (scară 1 / 4,5 dintr-o fabrică din Marea Nordului), care a fost testat pentru mai mulți ani. Un alt dispozitiv de rulare bazat pe conceptul de zid de alunecare este Generatorul de Conuri Slot-Cone (SSG) dezvoltat (în cadrul unui proiect european) pentru integrarea într-un dig de canal. Principiul se bazează pe supraîncărcarea valurilor, folosind un total de trei rezervoare plasate una peste alta. Apa intră în rezervoare prin deschideri orizontale lungi pe peretele înclinat al digului, la niveluri corespunzătoare celor trei rezervoare, și este trecut printr-o turbină hidraulică în mai multe trepte pentru producția de energie electrică.

Utilaje de forță

În cazurile luate în considerare , produsul final este că energia electrică să fie furnizată într-o rețea energetică. Această energie trebuie sa fie generată într-o mașină electrică, fie un generator rotativ mai mult sau mai puțin conventional ( precum aplicări hidro și eoliene mici ) sau un generator linear DirectDrive. În primul caz, trebuie să existe o interfață mecanică care transformă mișcarea alternativă (ale corpului oscilant sau corp-pereche sau a sistemului de conversie a energiei valurilor) într-o mișcare continuă pe o singură direcție (liniară). Cele mai frecvent utilizate sau propuse interfețe mecanice sunt turbina cu aer ( de cap redus sau inalt ) și turbinele hidraulice ( de presiune înaltă pe combustibil ). Utilajele de forță sunt probabil cele mai importante elemente în tehnologia de dezvoltare a energiei valurilor și stă la baza multora (eventual, cele mai multe) din eșecurile făcute până în prezent.

Tubinele pe aer au fost prezente în multe din primele convertoare de energie a valurilor (mici și mari) și sunt încă favorizate de cele mai multe echipe de dezvoltare. Turbinele conventionale nu sunt adecvate pentru fluxuri, așa că noi turbine au trebuit să fie concepute și dezvoltate. Turbinele cu auto-rectificare pe aer au fost probabil obiectul a celor mai multe lucrări publicate mai mult decât orice alt utilaj convertor al energiei valurilor.

Mai mult sau mai puțin sunt utilizate turbinele hidraulice convenționale cu cap redus în dispozitivele cu supraîncărcare, în timp ce turbinele cu cap înalt ( în general Pelton ) sunt o alternativă la motoarele hidraulice cu corp oscilant.

Circuite de înaltă presiune pe combustibil, cu berbeci, acumulatori de gaz și motoare hidraulice, au fost folosite în mai multe prototipuri de convertor al energiei valurilor cu corp oscilant, inclusiv Pelamis. Acest lucru poate fi considerat o utilizare neconvențională a echipamentelor convenționale. Deși generetoarele electrice liniare au fost propuse la sfârșitul anilor 1970 pentru dispozitivele de recoltare a energiei valurilor, cu mișcare de translatie, și într-adevăr au fost utilizate în mai multe dispozitive testate pe mare ( anume AWS ), ele înca sunt în etapa de prototip.

Capacitatea de stocare a energiei este o caracteristică extrem de dorită într-un convertor de energie a valurilor, și poate fi furnizată într-o varietate de moduri, așa cum este cazul efectului volant în turbinele cu aer, rezervoare de apă în dispozitive run-up și acumulatori de gaz în circuite hidraulice (apă sau combustibil) de presiune înaltă. Utilizarea condensatoarelor electrice de dimensiuni mari în tehnlogia generatoarelor liniare este avută în vedere.

Este de remarcat faptul că, în cartea sa inovatoare a domeniului de conversie a energiei valurilor din ocean publicată în 1981, McCormick a detaliat considerabil tubinele cu aer și apă și generatoarele liniare electrice, dar nu a considerat uleiul hidraulic.

Rectificare automată a turbinei cu aer

Turbina cu aer din OWC este supusă unor condiții mult mai exigente decât turbinele din orice altă aplicație, inclusiv turbinele eoliene. Într-adevăr, fluxul prin turbină este reciproc (cu excepția cazului în care este prevăzut un sistem de rectificare, care până acum a fost găsit nepractic) este aleator și variabil în mai multe timpuri, variînd de la câteva secunde până la variații sezoniere. Nu este surprinzător faptul că eficiența medie pe timp a unei turbine cu aer într-un OWC este substanțial mai mică decât cea a unei turbine (apă, abur, gaz, vânt) care funcționează în condiții aproape stabile. Au fost propuse mai multe tipuri de turbine cu aer, iar în unele cazuri folosite, în conversia energiei valurilor.

Turbina Wells a fost inventată la mijlocul anilor 1970 de Dr. Allan Wells (1924-2005) (la acel moment profesor la Universitatea Queen din Belfast). Este vorba despre o turbină cu debit axial care se auto-rectifică, adică cuplul său nu este sensibil la direcția fluxului de aer. Mai multe versiuni au fost studiate de atunci:

un singur rotor fără (versiunea inițială) sau cu palete de ghidare (utilizate în Pico, Fig. 2.20);

Rotoare twin în serie (bi-plan, utilizate în Islay);

Două rotoare contra-rotative (utilizate în OSPREY și în LIMPET-Islay II).

Toate aceste versiuni au făcut obiectul unor cercetări și dezvoltări teoretice și / sau experimentale considerabile, în special în Europa (Marea Britanie, Portugalia, Irlanda), Japonia, India și China. Acest lucru a dat naștere unui număr substanțial de lucrări publicate.

Turbina Wells este în mod clar cea mai frecventă propusă și / sau folosită turbină cu aer pentru echiparea sistemelor. Caracteristicile sale favorabile sunt:

raportul dintre viteza mare a lamei și debitul de aer, ceea ce înseamnă că poate fi atinsă o viteză de rotație relativ mare pentru o viteză scăzută a aerului care curge prin turbină (ceea ce permite utilizarea unui generator mai ieftin și, de asemenea, îmbunătățește posibilitatea stocării energiei prin efectul volantului);

o eficiență de vârf destul de bună (0,7-0,8 pentru o turbină la dimensiuni normale)

relativ ieftin de construit.

Punctele slabe ale turbinei Wells sunt:

cuplul scăzut sau chiar negativ la debitele relativ mici;

scăderea (probabil scăderea bruscă) puterii datorată pierderilor aerodinamice la debite care depășesc valoarea critică fără stingere;

zgomotul aerodinamic;

un diametru relativ mare pentru puterea sa (2,3 m pentru turbina cu un singur rotor de 400 kW a instalației Pico OWC, 2,6 m pentru turbina de 500 kW contra-rotativă a instalației LIMPET Islay II, 3,5 m pentru instalația Osprey).

Fig. 2.21 reprezintă (în formă fără dimensiuni și din rezultatele testării modelului) randamentul instantaneu al unei turbine tipice Wells (rotorul unic și paletele de ghidare) față de capul de presiune disponibil.

Aici este diferența de presiune disponibilă pentru turbină (care coincide cu diferența de presiune dintre camera de aer a instalației și atmosferă),este densitatea aerului, N viteza de rotație (radiani pe unitate de timp) și D diametrul exterior al rotorului turbinei. Fig. 2.21 arată că eficiența rămâne la aproximativ 0,7 pentru presiuni instantanee în intervalul 0,05-0,11, dar scade brusc pe ambele părți ale acestui interval. Desigur, în fluxul de aer reciproc produs de undele neregulate reale, presiunea oscilează, trecând prin zero de la valori pozitive la valori negative și invers. În acest caz, este mai util să se caracterizeze eficiența prin valoarea medie a timpului și prin presiunea cu valoarea rms (sau varianța) . Acest lucru este arătat de o altă linie din Fig. 2.21, care ar trebui considerată reprezentativă pentru performanța turbinei (medii) în valuri aleatorii reale. Vedem că eficiența medie atinge un maxim de aproximativ 0,58 pentru 0,05. Evident, ar fi de dorit să păstrăm aproape de 0,05. Reamintim că , și deci , sunt valori fără dimensiuni, rezultă că în mările cu valuri mai mari și amplitudini mai mari ale oscilațiilor de presiune, turbina trebuie controlată să se rotească mai repede. Un control optim este , unde este cuplul electromagnetic instantaneu care trebuie aplicat pe rotorul generatorului și a este un exponent a cărui valoare este apropiată de 2 și depinde slab de coeficienții hidrodinamici OWC.

Dacă unghiul de reglare al lamelor rotorului ale unei turbine Wells poate fi controlat în timpul funcționării normale, atunci curba de eficiență devine substanțial mai mare. Această idee a fost pusă în practică cu mult timp în urmă în bine-cunoscutele turbine de apă Kaplan și, de asemenea, în avioane și nave cu vârf cu șurub variabil. Conceptul turbinei Wells cu treaptă variabilă a fost propus în anii 1980 și a fost obiectul studiilor teoretice și experimentale. Un prototip de dimensiuni mari de 400 kW a fost proiectat și construit pentru a fi instalat în OWC-urile din Azore. Dacă unghiul de înclinare a lamei rotorului este controlat în mod adecvat, se poate obține o îmbunătățire substanțială a eficienței turbinei cu timp de acționare. Desigur, partea negativă este o mașină mai complexă și mai scumpă în comparație cu turbina convențională Wells clasică și robustă mecanic.

Cea mai populară alternativă a turbinei Wells pare a fi turbina cu impuls de auto-rectificare, patentată de I.A. Babinsten în 1975. Rotorul său este în esență identic cu rotorul unei turbine de abur convenționale cu o singură treaptă de tip impuls axial (turbina de abur clasică de la Laval brevetată în 1889). Deoarece turbina trebuie să se auto-rectifice, în loc de un singur rând de palete de ghidare (ca în turbina de Laval convențională) există două rânduri, plasate simetric pe ambele părți ale rotorului (Fig. 2.22). Aceste două rânduri de palete de ghidare sunt ca o imagine în oglindă una față de cealaltă față pe un plan prin discul rotorului. O limitare severă a eficienței turbinei rezultă din blocarea aerodinamică la rândul din aval al paletelor de ghidare. Cea mai mare parte a cercetării și dezvoltării pe acest tip de turbină a fost făcută în Japonia (și într-o măsură mai mică în India, China, Marea Britanie și Irlanda) în ultimii douăzeci de ani.

Avantajele și dezavantajele turbinei cu impulsuri cu auto-rectificare în comparație cu turbina Wells nu sunt clare și bineînțeles depind de versiunile fiecăreia dintre ele fiind comparate. Trebuie subliniat faptul că eficiența turbinei Wells este destul de sensibilă la numărul Reynolds (mai mult decât în ​​cazul tipurilor de turbine convenționale, cum ar fi turbina cu impulsuri): testele efectuate pe modelele turbinelor Wells nu ar trebui considerate reprezentative pentru ceea ce se poate obține la dimensiune completă. Din acest motiv, comparațiile dintre turbina Wells și turbina de impuls, bazate pe teste pe modele mici, ar trebui luate în considerare cu o anumită rezervă. În general, se poate spune că turbina Wells se caracterizează printr-o viteză de rotație considerabil mai mare decât cea a turbinei de impuls, ceea ce sporește stocarea energiei prin efectul volantului (cu efectul de netezire care rezultă din puterea furnizată rețelei) și este de așteptat să permită un generator electric mai ieftin (număr mai mic de poli). Turbina cu impuls, datorită vitezei sale mai mici de lamă, este mai puțin limitată de efectele numărului Mach și de solicitările centrifuge care pot constitui un avantaj important în climatul cu valuri foarte energice.

Așa-numita turbină Denniss-Auld, dezvoltată în Australia pentru echiparea instalațiilor OWC, este, de asemenea, o turbină cu auto-rectificare, care împărtășește câteva caracteristici cu turbina Wells cu treaptă variabilă, principala diferență fiind că unghiul de eșantionare ( = 0 înseamnă ca lama este de-a lungul planului longitudinal, pe planul secțiunii transversale), lamele rotorului Denniss-Auld pot fi controlate pentru a varia în intervalul < < (unde ) (Fig. 2.23), în timp ce în turbina cu pas variabil este (unde). În timp ce turbina Wells lama rotorului rotunjită este îndreptată tot timpul către fluxul de intrare, în turbina Denniss-Auld ambele muchii ale unei lame trebuie să fie identice, deoarece fiecare margine se comportă alternativ ca o margine de vârf sau ca margine de traversare în funcție de direcția curgerii reciproce prin turbină. Trebuie remarcat faptul că ori de câte ori fluxul modifică direcția (evacuare la intrare sau invers), lamele de turbină Denniss-Auld trebuie să se rotească aproape instantaneu între pozițiile lor extreme, în timp ce în turbina Wells lamele sunt necesare pentru a pivota ușor într-un domeniu unghiular relativ mic.

Aceste turbine de aer cu auto-rectificare, în special cele cu geometrie fixă, sunt mașini mecanice simple și fiabile. Pe baza informațiilor disponibile, eficiența lor medie pe timp este relativ modestă (comparativ cu turbinele mai convenționale care funcționează în condiții de starea de echilibru aproape).

Turbine hidraulice

Ca și în cazul instalațiilor convenționale mini-hidroelectrice cu cap de joasă presiune, turbinele de reacție cu debit axial sunt utilizate pentru a transforma capul creat între rezervorul unui dispozitiv de supraînălțare și nivelul mediu al mării. Debitul poate fi controlat de ajutorul unor palete de ghidare de intrare reglabile. În unele cazuri, lamele rulantului pot fi de asemenea ajustate (turbinele Kaplan) care îmbunătățește considerabil eficiența într-o gamă largă de fluxuri. Totuși, acest lucru poate fi costisitor și nu este utilizat în mod normal în aplicațiile turbine de mărime mică de energie al undelor.

Turbinele cu impulsuri de mare înălțime (de obicei zeci până la sute de metri) sunt adoptate în unele convertoare oscilatoare, ca alternativă la motoarele hidraulice, cu avantajul utilizării apei non-poluante (mai degrabă decât a petrolului). Debitul poate fi controlat de un indicator, a cărui poziție axială în duză este controlată de un servomecanism. Circuitul hidraulic include un berbec (sau un set de berbeci) (o pereche de pompe cu furtun în Aquabuoy) și poate include și un sistem de acumulare de gaz.

Aceste turbine hidraulice pot atinge randamente maxime de aproximativ 0,9. Eficiența lor este, în general, destul de sensibilă față de raportul de viteză cap-la-rotație, ceea ce face ca utilizarea generatoarelor electrice cu viteză variabilă foarte avantajoasă, în special în cazul turbinelor Pelton care echipează convertoarele de oscilator.

Turbine de înaltă presiune și ulei hidraulic

Sistemele de înaltă presiune cu ulei sunt deosebit de potrivite pentru a transforma energia de la forțele sau momentele foarte mari aplicate de valuri pe corpurile oscilante lent (în translație sau în rotație) (Fig. 2.24). Circuitul hidraulic include, de obicei, un sistem de acumulare de gaz capabil să stocheze energie pe câteva perioade de undă, ceea ce poate netezi energia foarte neregulată absorbită de valuri. Mișcarea corpului este transformată în energie hidraulică de un cilindru hidraulic sau de un berbec (sau un set de berbeci). Un motor hidraulic rapid acționează un generator electric convențional.

PTO-ul cu ulei hidraulic a fost folosit pentru echiparea geamandurilor de încercare testate în Golful din Tokyo în 1980 și, mai recent, dispozitivele Wavebob, PowerBuoy și Pelamis și WaveRoller.

Cel mai frecvent utilizat tip de motor hidraulic rapid în aplicații cu energie de undă este mașină cu deplasare cu axă îndoită axial cu piston axial (Fig. 2.25), disponibilă de la câțiva producători cu putere nominală între câțiva kW și aproximativ 1 MW, cu presiuni de lucru de până la 350 bar. Chiar și mașinile mari (1 MW) pot conduce un generator electric la viteze mai mari de 1500 rpm. Motorul constă dintr-un arbore de antrenare cu o flanșă, care este constrânsă să se rotească împreună cu un bloc cilindric în interiorul căruia există un set (de obicei număr impar) de cilindri dispuși axial paralel unul față de altul în jurul periferiei circumferențiale a blocului. Cele două axe de rotație fac un unghi diferit de zero . Deplasarea pistonului depinde de unghiul dintre axa arborelui de antrenare și axa blocului cilindrului (Fig. 2.25). Debitul este proporțional cu N tan, unde N este viteza de rotație. Aceasta permite controlul debitului instantaneu prin modificarea vitezei de rotație N a setului de generatoare de motor și / sau prin reglarea unghiului de reglare .

Energia poate fi stocată și eliberată de un sistem de acumulare de gaz, constând dintr-un acumulator de înaltă presiune și dintr-un rezervor de joasă presiune (Fig. 2.24). Gazul, de obicei azot, este separat de ulei printr-o vezică sau printr-un piston liber. Pentru a evita cavitația în circuit, presiunea din rezervor este menținută deasupra cu câțiva bari. Acumulatorii de gaz de înaltă presiune sunt proiectați să suporte presiuni de până la aproximativ 500-600 bari. Cantitatea de energie stocată pe unitatea de masă a gazului este , unde este căldura specifică la volumul constant și T este temperatura absolută. Pe intervale mici de timp (care nu depășesc câteva minute) procesul de compresie / decompresie poate fi considerat ca fiind aproximativ izentropic. Presupunând că gazul se comportă ca un gaz perfect, putem scrie:

Aici, p este presiunea, este creșterea presiunii și este raportul de presiune specific. Pentru azot, acesta este 1,4 și . De obicei, este necesar un set de acumulatori de gaz de înaltă presiune interconectați în paralel pentru a asigura un efect de netezire adecvat unui convertor de energie de undă de dimensiuni mari și poate reprezenta o parte semnificativă a costului capitalului PTO.

Amortizarea furnizată de o priză de forță hidraulică este extrem de neliniară și (cu excepția cazului în care se prevede un control al fazei reactive) poate fi considerată ca amortizare Coulomb: pistonul din cilindrul hidraulic rămâne staționar atât timp cât forța aplicată pe arborele său este mai mică decât , unde S este aria pistonului și este diferența de presiune dintre acumulatorii de înaltă presiune și joasă presiune. Debitul de ulei admis la motorul hidraulic ar trebui să crească cu nivelul absorbit de undă. Se poate demonstra că valoarea sa instantanee trebuie să fie controlată (prin reglarea vitezei de rotație și / sau a geometriei motorului) pentru a rămâne proporțională cu diferența de presiune . Acest tip de priză de foraj este foarte potrivită pentru controlul fazelor prin blocare: pentru a face acest lucru, colectorul de comandă din circuitul hidraulic rămâne blocat atât timp cât algoritmul de comandă specifică pistonul să rămână fix.

Deși au fost dezvăluite puține informații despre performanțele prototipurilor recente testate pe mare dotate cu priză de forță hidraulică, se pare că unele preocupări sunt legate de eficiența de conversie a energiei mai mică decât cea preconizată și de durata limitată de viață estimată a etanșărilor hidraulice. Proiectele noi de echipamente hidraulice, în special pentru aplicațiile pentru energia valurilor, ar putea fi calea de urmat, așa cum susțin Salter și colegii săi.

Echipamente electrice

În majoritatea convertoarelor de energie a valurilor, un generator electric rotativ este acționat de o mașină mecanică: aer sau turbină hidraulică, motor hidraulic. Echipamentul electric, inclusiv viteza variabilă de rotație și electronica de putere, este în mare parte convențională și în mare parte similar cu conversia energiei eoliene. Dacă mașina de comandă este un motor hidraulic cu deplasare variabilă, este posibilă menținerea vitezei de rotație fixă în timp ce se controlează debitul și puterea prin reglarea geometriei motorului.

Nu este vorba de conversia directă a unității, fără interfață mecanică, de către un generator electric liniar, deja luat în considerare în cartea lui McCormick . Primul prototip echipat cu un generator electric liniar (cu o putere nominală de 2 MW) a fost cel de jos Archimedes Wave Swing (AWS) (Fig. 2.15), testat în mare în 2004 . Mai recent, geamandurile echipate cu generatoare liniare au fost testate maritim în afara Suediei (Fig. 2.5) și Oregon, SUA (Fig. 2.6). În aceste geamanduri, forța care conduce generatorul este asigurată de o linie de ancorare predată.

Unitatea directă are avantajul de a nu necesita o interfață mecanică și de a evita pierderile care nu sunt neglijabile care se produc în mașinile mecanice (turbine și motoare hidraulice) în sisteme PTO mai convenționale. Pe de altă parte, generatoarele electrice liniare pentru aplicații cu energie în valuri sunt supuse condițiilor mult mai exigente decât cele rotative de mare viteză și sunt într-o mare măsură încă în stadiul de dezvoltare în mai multe țări: Olanda, Marea Britanie, Suedia, SUA. Generatorul constă dintr-un stator și un traducător (mai degrabă decât un rotor). În aplicațiile energiei valurilor, mișcarea cu piston generatoare se potrivește cu mișcarea dispozitivului real, la viteze de două ordine de mărime mai mici decât vitezele tipice ale generatoarelor rotative de mare viteză. La astfel de viteze reduse, forțele sunt foarte mari, ceea ce necesită o mașină fizică mare.

Pompe volumice folosite la sistemele de pompare

Pompe clasice cu piston

În Fig. 3.1 s-a reprezentat schematic o pompă cu piston acționată prin intermediul unui sistem bielă-manivelă.

Când pistonul se deplasează de la punctul mort interior către punctul mort exterior, pe fața pistonului se creează o depresiune care închide supapa de refulare r și deschide supapa de admisie a.

Datorită faptului că la nivelul liber al apei din bazinul de aspirație acționeaza presiunea atmosferică, cilindrul pompei se umple treptat cu lichid. În aceasta perioadă, pe conducta de refulare nu se livreaza lichid.

Când mișcarea pistonului se inversează, supapa a se închide iar pistonul expulează lichidul aflat in cilindru prin supapa r.

Cilindreea este:

unde: D- diametrul pistonului, în m

s-cursa pistonului, în m

Debitul mediu teoretic este:

,

iar debitul mediu efectiv:

,

Pentru pompele bine executate și întreținute poate avea valori între 0,93 și 0,96. Dacă 0,92 înseamnă că pompa are scăpări mari prin neetanșeități datorate unor uzuri excessive.

Debitul instantaneu al pompei este proporțional cu viteza de deplasare a pistonului. Pentru a determina această viteză, se folosesc relații trigonometrice în triunghiul OBC (Fig. 3.1) :

sau , ceea ce conduce la:

.

Pentru a raționaliza expresia (3.5) se dezvoltă în serie . Deoarece (una din valorile obișnuite este , dezvoltarea se poate limita la primii doi termeni ai seriei, fără a introduce erori importante.

Așadar

sau .

Viteza pistonului se obține derivând x în raport cu timpul:

cu notația obișnuită , debitul instantaneu se poate srie ca fiind:

Pentru o pompă dată, diametrul pistonului, raza manivelei și viteza unghiulară fiind constante, relația (3.8) devine:

Raportul fiind mic (1/5 pentru pompele clasice și 1/15 la cele cu pistone radiale), Q’ se abate puțin de la sinusoidă (Fig. 3.2).

Prin urmare, la cursa de refulare( curba de variație a debitului instantaneu este aproximativ sinusoidală. În cursa de aspirație debitul în conducta de refulare este nul, însă în conducta de aspirație afluează debit după o curbă aproximativ sinusoidală. Deoarece pulsațiile mari ale debitului sunt dăunătoare, se aplică următoareke măsuri pentru a le reduce:

Amplasarea unui acumulator hodraulic (hidrofor) pe conducta de refulare, de aspirație sau pe ambele conducte;

Cuplarea pe aceeași conductă a n pompe având ciclul de funcționare decalat cu ;

Combinarea metodelor expuse.

Indicații privind proiectarea hidrofoarelor pentru pompele cu piston:

Dacă pompa este prevăzută cu un singur hidrofor, aceasta se montează de obicei pe partea de refulare;

Amplasarea acumulatorului se face astfel încât direcția vectorului viteză să se schimbe;

Diametrul acumulatorului DAC se înțelege în funcție de diametrul pistonului pompei

Raportul între volumul pulsator din acumulator și cilindreea pompei se alege astfel:

-pompe cu simplă acțiune, k=0,55;

-pompe cu dublă acțiune, k=0,21;

-pompe duble, decalate cu 180o, cu dublă acțiune, k=0,04;

-volmult mediu de aer din hidrofor se calculează cu relație: , unde este

gradul de neregularitate al presiunii în hidofor și se alege în funcție de lungimea conductei L (Tabel 1).

Reducerea pulsațiilor debitului prin montarea mai multor pompe pe aceeași conductă se aplică prin însăși natura construcției, la pompele cu pistoane radiale sau la pompele cu pistoane axiale. Cu toate acestea, metoda a fost aplicată cu succes și la pompele cu piston clasic, mărturie fiind construțiile cu dublă acțiune , pompele duplex sau chiar pompele triplex.

Tabel 3.1. Valoarea gradului de neuniformitate

Pompe cu pistonașe radiale

Sunt frecvent utilizate în acționările hidraulice, când se cer presiuni de refulare mari ( și debite mari (. Randamentele maxime sunt de obicei și .

Principiul de funcționare al acestui tip de pompă poate fi urmărit în Fig. 3.5.

Datorită forței centrifuge, pistoanele rotitoare (4) sunt presate pe coroană (2), dispusă excentric față de rotorul (1). În timpul unei rotații, volumul cuprins între piston și fundul cilindrului variază; în partea dreaptă a Fig. 3.5 acest volum se reduce, iar în partea stângă volumul crește. Dacă acest volum este pus în comunicații cu orificii de distribuție, dispuse în Fig. 3.5, se obține o pompă care aspiră pe partea stângă și refulează pe partea dreaptă. Cursa pistoanelor este egală cu dublul excentricității e, care în general se ia între 3 și 8 mm. La unele construcții (pompele cu debit variabil) excentricitatea se poate modifica, prin deplasarea carcasei (2) în raport cu arborele (3), de la valoarea zero (debit nul) până la valoarea maximă (debit maxim).

Diametrele cilindrilor au de obicei valori cuprinse între 10 și 18 mm, iar viteza se alege de 2-3 m/s în conducta de aspirație și 4-6m/s în conducta de refulare. Pentru a mări debitul pompei, pe aceeași axă se pot monta în paralel două trei rânduri de cilindri.

Pentru a determina debitul mediu al pompelor cu pistonase rotative, se calculează volumul refulat de un singur cilindru în timpul unei rotații complete, ținându-se seama că dublul excentricității e este egal cu sursa pistonului h:

notând cu z numărul de pistoane, cilindreea pompei este :

iar debitul mediu refulat de pompă rezultă:

Legea de deplasare a pistoanelor în cilindri este identică cu cea determinată pentru pompele clasice, cu condiția că brațul manivelei r și lungimea bielei l din ecuația (3.5) să se înlocuiască cu excentricitatea e și distanța R ( această distanță este egală cu diferența dintre raza coroanei și lungimea pistonului). În Fig. 3.5 dreapta O1A reprezintă axa unui cilindru, variația distanței x fiind direct proporțională cu cursa pistonului. În triunghiul O1AO se poate scrie:

sau

Comparând relațiile (3.11) și (3.4) se constată că intervin doar diferențe de notații. Prin urmare și pentru acest tip de pompă curba de variație a debitului instantaneu furnizat de un cilindru este aproximativ sinusoidală:

Debitul total instantaneu este egal cu suma debitelor instantanee ale cilindrilor care refulează :

unde sunt unghiurile momentane dintre axele fiecărui cilindru și axa pozițiilor punctelor moarte. Din ecuația (3.13) rezultă că debitul refulat este pulsatoriu. Procedeul grafic constă în a reprezenta z curbe de tipul celei din Fig. 3.6, decalate între ele cu .

În continuare, pentru fiecare valoare a lui se însumează ordonatele, obținându-se curbe de tipul celor din Fig. 3.4. Realizând efectiv asemenea diagrame pentru pompe cu număr par și impar de cilindri, se constată că în cazul numărului impar de cilindri diagramele sunt mai favorabile, deoarece pentru z impar numărul de vârfuri este egal cu dublul numărului de cilindri iar vârfurile sunt mai mici, în timp ce pentru z par numărul de vârfuri este egal cu numărul de cilindrii, pulsațiile fiind mai mari.

Procedeul analitic constă din descompunerea debitului fiecărui cilindru în serie Fourier și apoi însumarea termenilor astfel obținuți. Având alese valorile excentricității și ale lui R se obțin relații analitice care permit calculul coeficientului de neregularitate.

În cazul când, pentru a mîrii debitul pompei, se montează pe același ax în paralel, m rânduri de cilindrii, trebuie să realizeze un defazaj , astfel încât pulsațiile să fie minime.

Pompe cu pistoane axiale

Pompa cu pistoane axiale reprezintă tipul cel mai frecvent utilizat din clasa pompelor cu piston. Presiunea maximă poate atinge 350 daN/cm2, pentru debite variînd între 8 și 580 l/min. Randamentele maxime sunt de obicei și , fiind dintre cele mai bune pentru întregul domeniu al pompelor volumice.

Pompa cu pistoane axiale(Fig. 3.7) constă dintr-un bloc al cilindrilor rotitor, având axa înclinată față de discul de antrenare, de asemenea rotitor. Bilelel leagă pistoanele de discul rotitor prin intermediul a două rotule, iar blocul cilindrilor este antrenat printr-un arbore cardanic. Blocul cilindrilor este sprijinit în distribuitorul nerotitor, fixat în carcasă.

Înclinarea blocului cilindrilor față de antrenare determină mișcarea alternativă a pistoanelor în cilindri. Un punct oarecare din planul C (Fig. 3.7) nu părăsește acest plan în timpul mișcării de rotație, pe când punctele B trebuie să rămână într-un plan paralel cu D, deoarece lungimea bilelor este constantă. În acest fel pistonul este obligat să realizeze cursa s. Fiecare cilindru este pus în legătură cu orificiul de aspirație pe un unghi egal cu aproximativ cu o jumătate de învârtitură, urmând ca pe cealaltă jumătate să fie în legătură cu orificiul de refulare. Forma orificiilor de refulare și aspirație, din capacul de distribuție, se vede în Fig. 3.7,- vedere din E.

Pompa cu pistoanele axiale efectuează mișcări spațiale, ceea e necesită utilizarea unor articulații sferice greu de realizat. Pistoanele, alezajele cilindrilor și suprafețele de frecare bloc-cilindri-distribuitor trebuie prelucrate cu precizie ridicată și rugozitate foarte scăzută, altfel randamentul volumic va fi foarte mic. Este de asemenea necesară o filtrare de finețe excepțională, pentru a prevni distrugerea suprafețelor ăn fiecare prin particule abrazive.

Debitul mediu al pompei este suma debitelor furnizate de pistonașele cilindrilor respectivi. La o cursă completă a pistonului, un cilindru refulează volumul:

unde d-diametrul pistonului, în m;

s-cursa pistonului, în m

Cilindreea pompei fiind:

Debitul mediu refulat de pompă este:

Debitul mediu refulat de pompa cu pistoane axiale depinde de încălzirea α dinttre axa arborelui de antrenare și axa blocului cilindrilor. Dacă pompa se construiește astfel încât să se poată modifica unghiul α în timpul funcționării, debitul pompei poate varia chiar la turație constantă.

Și în cazul pompei cu pistoanele axiale, legea de variație a debitului instantaneu (pentru α= constant) este sinusoidală. Dacă punctul A (aflat pe cercul din planul D, Fig. 3.7) se deplasează de la PMI cu unghiul φ, punctul A’ (proiecția punctului A pe diametrul ce unește PMI cu PME) parcurge segmentul . Fracțiunea x din cursa pistonului care a fost parcursă fiind , viteza instantanee a pistonului este:

Debitul instantaneu furnizat de un singur cilindru este:

Debitul total instantaneu va fi egal cu suma debitelor instantanee ale cilindrilor care refulează:

unde reprezintă numărul cilindrilor care refulează, iar sunt unghiurile momentane dintre punctul mort și pozițiile punctului A prentru fiecare cilindru. Pentru a determina pulsațiile se poate proceda în același mod ca la pompele cu pistoane radiale. Rămâne de asemenea valabilă concluzia că pulsațiile sunt mai reduse ca intensitate în cazul numărului impar de cilindri.

Pompe speciale

Pompa hidraulică volumică cu o paletă

Pompele și motoarele hidraulice volumice sunt mașini reversibile, în sensul că aceeași construcție poate îndeplini atât funcție de motor cât și funcție de generator hidraulic. În mod frecvent se utilizează următoarele motoare hidraulice volumice:

Motoare hidraulice liniare (cilindri de forță);

Motoare cu pistoane radiale;

Motoare cu pistoane axiale;

Motoare hidraulice cu roți dințate;

Motoare hidrostatice cu palete glisante;

Motoare hidrostatice oscilante.

Schemele constructive, calculele statice, cinematice și dinemice ale motoarelor hidraulice volumice fiind același cu cele ale generatoarelor, nu vor mai si repetate.

Motoarele hidrostatice rotative trebuie să asigure o mae stabilire a mișcării într-un domeniu larg de variașie ma mărimilor de ieșire (între 0,1 rot/min și 3000 rot/min) și un mare raport între cuplul motor și cel de inerție (ajungând la motoarele mici de 200 de ori mai mare decât la mașinile electrice de curent continuu). Motoarele hidraulice liniare trebuie sa asigure o viteză constantă organului de lucru și o mare frecvență de inversare.

Motoarele hidraulice oscilante se utilizează mai rar decât cele rotative sau liniare. Deoarece aceste mașini nu au fost tratate ca generatoare hidraulice, în cele ce urmează sunt prezentate câteva elemente privitoare la aceste construcții.

În carcasa (3) (Fig. 3.8) se montează rotorul (1) prevăvut cu paleta (2). Spațiul inelar dintre rotor și carcasă este divizat în două prin dispozitivul de etanșare (4). Alimentând cu lichid sub presiune orificiul superior al carcasei, paleta și butucul vor efectua o deplasare în sens orar. Unghiul de basculare în cazul rotoarelor cu o singură paletă este de obicei 270-280o. Notând pi presiunea de intrare, pe presiunea de ieșire și b lățimea paletei, forța hidrostatică pe paletă este:

,

iar punctul de aplicație

Așadar momentul la arbore are valoarea: .

Notând viteza unghiulară medie a rotorului cu ω, viteza de antrenare a mijlocului paletei este , iar debitul care intră în motor are expresia:

Dacă se cunoaște debitul din relația anterioară se poate determina viteza unghiulară medie:

Datorită frecărilor și pierderilor volumice, momentul și viteza unghiulară sunt mai mici. Notând randamentul mecanic și randamentul volumic, valorile reale sunt:

; .

Motoarele oscilante sunt utilizate pentru momente până la 7500 daNm și presiuni până la 200 daN/cm2. Când unghiul α nu trebuie sa fie prea mare se realizeasă construcții cu mai multe palete.

Pompă hidraulică volumică specială cu două palate

Dimensionarea pompei speciale

Alegem un flotor cu un volum ;

Forța care acționează flotorul este:

unde:-forța arhimedică;

-densitatea apei, (, în ;

g- accelerația gravitațională, în ;

Alegem lungimea L a pârghiei flotorului:

Momentul la arborele pompei este:

unde: -forța pe paleta pompei, în N.

unde: b-lățimea palei, în m.

Puterea dezvoltată de factorul oscilant este:

unde: -viteza unghiulară medie a arborelui, în rad/s;

T-perioada de oscilație a flotorului, în s.

Pentru o perioadă T=4s rezultă din relația (3.30),

Din relațiile (3.29) și (3.25) obținem:

Această puterea mecanică este trasnformată de pompă în putere hidraulică:

unde -randamentul pompei volumice, mărime adimensională;

-diferența de presiune, în

Viteza medie a palei este

Arborele este solicitat la torsiune de momentul determinat de relația (3.25). Prin urmare putem scrie:

Alegând din caracteristicile constructive lățimea pompei b=1,6m

Cu ajutorul relației (3.34) și ținând cont de relațiile (3.36) și (3.37) obținem:

Agregate de transformare a energiei hidraulice în energie electrică

Hidromotor cu debit variabil

Calculul hidromotorului cu pistonașe axiale de la agregatul hidromotor generator

Este transmisă o putere de 3,8 MW către hidromotor

Unde: -randamentul instalației;

-puterea utilă a instalației, în W;

-puterea consumată de către instalație, în W.

Puterea dezvoltată de către hidrommotor este de , iar debitul acesteia este de . Alegând turația hidromotorului , rezultă:

Unde: q- cilindreea hidromotorului, în cm3

Dacă este aleasă o excentricitate e=2 cm și un număr de 9 pistonașe, rezultă

unde: d-diametrul unui pistonaș, în cm;

z-numărul de pistonașe

Agregat turbina Pelton-generator electric

Micșorarea reacțiunilor în lagărele de alunecare ale arborelui turbinei conduce la o creștere a randamentului mecanic prin micșorarea pierderilor de putere prin frecare, Pml.

unde:-momentul de frecare în lagăr;

-coeficientul de frecare în lagăre;

-diametrul fusului arborelui;

-viteza unghiulară a rotorului turbinei.

Cu ajutorul relațiilor de mai sus sunt deteminate pierderea de putere prin frecare și momentul de frecare. Dacă este micșorată reacțiunea R din lagăre, pierderile de putere Pml se micșorează direct proporțional. Un sistem de forțe se reduce într-un punct la un torsor, format dintr-o rezultantă si un moment rezultant .

unde : -vectorul de poziție al forței față de punctul de reducere.

În cazul mai multor injectoare identice plasate pe un rotor condiția de a avea un torsor al forțelor hidrodinamice cu forța rezultantă nulă este ca poligonul forțelor hidrodinemice să se închidă.

Prin urmare, axele injectoarelor va trebui să se dispună după un triunghi echilateral circumscris cercului de diametru „D” al rotorului turbinei în cazul în care avem trei injectoare. Dacă sunt patru jeturi identice axele lor formează un pătrat circumscris cercului de diametru „D” al rotorului. În cazul a două jeturi dispunerea lor trebuie facută astfel încât sa creeze prin forțele lor hidrodinamice un cuplu al arborelui rotorului.

În cazul turbinelor Pelton cu rotoare cu cinci sau șase injectoare identice care pentru a crea , prin forțele hidrodinemice dezvoltate de jeturile la un torsor de rezultantă nulă, ele vor fi astfel dispuse pe rotor, încât axele lor să creeze un pentagon regulat, respetiv un hexagon rezultat circumscris cercului de diametru „D” al rotorului turbinei. În toate situațiile pentru același rotor toate jeturile prin forțele dezvoltate trebuie să creeze momente mecanice de același sens.

Dacă este notată cu „i” numărul de jeturi identice, torsorul dar de relația (3.40), în cazul turbinelor Pelton va fi de forma:

S-a ținut cont în relația (3.41) de faptul că vectorul de poziție al forței hidrodinamice este , iar unghiul dintre cei doi vectori este , deoarece axa jetului este tangentă la cercul de diametru ,.

Dacă este respectată relația (3.41) în cazul turbinelor Pelton, reacțiunea în lagărele turbinei va fi tocmai greutatea rotorului.

Cu ajutorul unui calcul corect se poate reduce la minim această greutate, fapt care conduce la prețuri de cost minime și pierderi prin frecare în lagăre de asemenea minime.

În această situație momentul de frecare este dat de relația:

Din relațiile (3.40) și (3.39) rezultă că reacțiunea în lagăre este tocmai greutatea proprie a rotorului de turbină.

Reacțiunea rezultă din condițiile de echilibru ale rigidului (rotorului) .

Pe de altă parte păstrarea unei turații cvasiconstante, necesare păstrării frecvenței de 50Hz la un generator ar cere un rotor de greutate mare, fapt ce rezultă din ecuația de mișcare a agregatului turbină-generator electric dată de relația:

unde Jred este momentul de inerție mecanic al tuturor pieselor rotitoare în raport cu axa Δ a agregatului:

Relația (3.44) ne arată că rotorii de turbină Pelton având cupele dispuse la distanța de axa , Fig. 3.10 va avea un suficient de mare, astfel încât frecvența în rețea să se păstreze cvasiconstantă.

Din relația rezultă că pentru aceeași putere P, prin creșterea vitezei unghiulare ω respectiv a turației n în arborele turbinei, dacă este micșorat momentul de torsiune și în acest fel este micșorat diametrul arborelui rotorului de turbină.

Prin crșterea numărului de injectoare crește turația specifică ns a turbinei și implicit turația n a turbinei pentru puterea P și căderea H cunoscute cu ajutorul relațiilor:

unde d0 -diametrul jetului,

D- diametrul de dispunere al cupelor (Fig. 3.11)

i-numărul de injectoare.

Agregatul de turbină hidraulică generator electric dintr-o centrală hidroenergetică transformă puterea hidraulică a apei în putere mecanică , care se transformă apoi în generator, în putere electrică

Unde:

-momentul de torsiune din arbore creat de momentul motor și momentul rezistent egale și de sens opus. este generat de forțele hidordinemice de pe cupele turbinei, forțe date de jeturile de fluide, iar este generat de forțele electromagnetice ce apar în rotorul generatorului atunci când el este rotit într-un câmp magnetic.

În afara calculului de rezistență făcut pentru regimul nominal de funcționare se mai fac calcule de verificare pentru regimul de pornire și pentru regimul de ambalare.

Practic, regimul de ambalare apare când se anulează momentul rezistent (din cauza unui scurtcircuit la generatorul electric). În acest caz în conformitate cu ecuația de mișcare a agregatului (3.44), turația va crește până când se anulează și momentul motor .

Acest moment se anulează când forța hidrodinamică se anulează. Din relația (3.42) rezultă că se anulează când viteza periferică u devine egală cu viteza jetului V.

Din cele de mai sus rezultă că turația de ambalare, teoretic este dublul turației de regim. În realitate datorită momentului rezistent la frecare, turația de ambalare este na=1,8n.

La această turație forța centrifugă care acționează asupra palei este:

In Fig. 3.12. Este reprezentată configurația spațială a unei palete de turbină Pelton. Linia 1, după care paletele sunt atacate de un jet se numește muchie de intrare. Linia 2, de-a lungul careia curentul părăsește cupele, se numește muchie de ieșire.

Dacă sunt date P și H și adoptat randamentul η, se va calcula debitul cu relația:

Alegând un număr par de injectoare, debitul pe injector este:

z este fracvrent 2, mai rar 4 și 6.

Viteza de ieșire a apei din injector este

unde =0,97, reprezentând coeficientul de viteză.

Din ecuația de continuitate , de unde rezultă diametrul jetului d0. Pentru un randament maxim diametrul de dispunere a palelor este:

Turația dublu unitară, n11 este dată de relația:

Cunoscând turația n11 funcție de cădere se calculează turația de regim a rotorului turbinei nn din relația (3.50).

Turația maximă (de ambalare) a rotorului se obține pentru mersul în gol, în cazul anulării momentului reristent și este: na=1,8n

Forța hidrodinamică dezvoltată de jet pe cupă este:

Din condiția de randament maxim rezultă că:

Unghiul de întoarcere al jetului de către cupă se consideră, practic α=π. În condițiile de funcționare a turbinei în regim normal forța hidrodinamică dezvoltată de jet pe cupă este:

La pornirea turbinei, când u=0, rezultă că forța hidrodinamică la pornire este:

Deoarece dimensiunile cupei depind de mărimea forței hidrodinamice aceasta se poate reduce reducând debitul de pornire, mărind astfel timpul de pornire.

În relația (3.55), este momentul de inerție mecanic redus al agregatului format de turbină și generatorul electric.

Timpul de pornire este dat de relația:

În relațiile (3.55) și (3.56) cu ε este notată accelerația unghilară la pornirea agregatului, iar cu viteza unghilară nominală.

Relația (3.56) s-a scris în ideea neglijării momentului rezistent de frecare din lagărele agregatului.

Pentru a putea calcula cupa cu forta Fh și nu cu Fhp punem relația (3.53) sub forma:

În relația (3.57), cu Q(t) este notat debitul la timpul t în faza de pornire a agregatului, cu condiția ca acest debir să dea aceeași forță hidrodinamică pe cupă, Fh.

Din relațiile (3.53),(3.54) și (3.57) rezultă:

Valoarea accelerației unghiulare, ε este dată de ecuația de mișcare a mașinilor scrisă sub forma dată de relația (3.56), unde observăm că momentul motor Mm este creat de forța hidrodinamică:

iar momentul rezistent Mr la pornire este nul, deoarece pornirea se face cu generatorul decuplat iar momentul de frecare din lagărul agregatului se poate neglija. Pentru a ajunge mai repede la turația nominală este necesar ca timpul de pornire al agregatului sa fie cât mai mic, motiv pentru care pornirea se face în gol. Un alt motiv pentru care se face pornirea în gol al agregatului este acela că frecvența curentului electric este direct proporțională cu turația n deci vom avea la pornire frecvențe mai mici de 50Hz ale curentului electric.

Pentru un calcul mai precis al acceleratiei unghiulare ε, în faza de pornire a agregatului, atunci relația (3.56) se scrie ținându-se cont de valoarea momentului rezistent de frecare din lagărele de alunecare ale agregatului:

unde: -raza fusului;

-reacțiunea creată în lagăre de greutățile rotorului turbinei și rotorului generatorului electric;

-coeficientul de frecare.

Din ecuația de continuitate rezultă:

unde: -viteza apei la ieșiea din injector;

S(t)- secțiunea de trecere a apei dintre duza injectorului și acul injectorului.

Legea lui Bernoulli scrisă între un punct 1 de pe suprafața lacului de acumulare și un punct 2 la ieșirea din injector, (punctele 1 și 2 se consideră că aparțin unui tub de curent ce urmează ttraseul conductei de aducțiune, conductă forțată) este:

În relația (3.61) presiunile statice și sunt egale cu presiunea atmosferică , unde H este diferența de nivel dintresuprafața lacului de acumulare și axul rotorului turbinei, iar și sunt coeficienții Coriolis.

Admițând aproximațiile uzuale și precum și precizările făcute mai sus, din relația (3.61) rezultă:

În calculele de dimensionare a turbinelor Pelton relația se trece sub forma:

În relația de mai sus Kv ține cont de pierderile de sarcină longitudinale și locale pe conductele de aducțiune și forțate, și are valoarea Kv≈0,098.

Din relațiile (3.60) și (3.62) rezultă:

Din figura alăturată reultă:

Din relațiile de mai sus rezultă:

Din relațiile (3.64) și (3.67) se determină legea de deplasare a acului injectorului în funcție de timp x(t) în faza de ponire a turbinei, lege ce asigură o fortă hidrodinamică constantă pe paletă.

Calculul de dimensionare al cupei rotorului, al arborelui rotorului și al discului se poate face astfel cu o forță hidrodinamică de două ori mai mică decât cea maximă, ceea ce conduce la un rotor de greutate mai mică, cu un preț de cost mai mic, cu un randament mecanic ridicat, pentru aceeași putere.

Din relația (3.68) rezultă:

Legea de acționare a acului injectorului în funcție de timp este dată de relația (3.69).

În baza diametrului d0, din fig. 3.15 se stabilesc dimensiunile l1 și l2 ținând cont de tabelul de mai jos.

Tabel 3.2

Din condițiile de echilibru ale cupei rezultă relațiile:

unde: – forța centrifugă;

m-masa cupei.

Forța de reacțiune din articulația A este:

Din fig. 3.15 rezultă că forțele RA și RB foarfecă bolțurile de prindere a cupei pe disc în două secțiuni. Prin urmare putem scrie relațiile:

Cunoscând din relațiile (3.73) și (3.74) determinăm diametrele bolțurilor, și .

Forțele RA și RB sunt preluate de discul rotorului prin intermediul bolțurilor, în baza principiului acțiunii și reacțiunii corpurilor, solicitând discul de strivire:

Din relația de mai sus rezultă grosimea discului bd.

Cele două brațe ale cupei din Fig. 3.12 sunt solicitate în zona bolțurilor la strivire, deci putem scrie relațiile:

Din aceste relații rezultă grosimile și ale brațelor cupei.

Secțiunea paletei în articulația A fiind redată în Fig. 3.15(b) putem scrie relația:

Bibliografie:

http://www.renewableenergyaccess.com/rea/news;

I. Bostan, V. Dulgheru, I. Sobor, V. Bostan, A. Sochirean, „Sisteme de conversie a energiilor regenerabile”;

Rudkin, E.J. and Loughnan, G.L. (2001); Vortec-the marine energy solution; Marine Renewable Energy Conferance 2001; Newcastle, United Kingdom

Wave energy utiliztion in Europe: curent status and perspectives European Thematic Network on Wave Energy. Center for Renewable Energy Sources (CRES)

Garrison, I. Introductory Oceanography. Chapter 10. Ocean Waves& Standing Waves. Readin Assignment. http://www4.ncsu.edu/eos/users/c/ceknowle/public/chapter10/part1.htm

J. Floor Anthoni. Oceanography: waves. 2000 . www.seafriends.org.nz/oceano/waves.htm

IDMEC, Instituto Superior Tehcnico, Technical University of Lisbon, 1049-001 Lisbon, Portugal, „Wave energy utilization: A review of the technologies”.

http://fluidsengineering.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1434157

Anton V. – ”Hidraulica și mașini hidraulice” – Ed. Did. și Ped. – București – 1978

http://www.insanehydraulics.com/letstalk/whatdriveswhat.html

http://docslide.com.br/documents/mecanica-dos-fluidos-ufpe.html