V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Применение старых технологий для новой волновой энергетики
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Аннотация
Краткая аннотация для первичного ознакомления с работой
Мощность спокойного моря с высотой волн до 1 метра оценивается величиной 15 кВт на погонный метр длины, а при более высоких волнах, до 3-4 м, эта величина составляет до 80 кВт/м. Так как протяжённость береговой линии у России составляет 40000 км, то энергетическая мощность морей со спокойным волнением составит 600 ГВт. Задача сводится к преобразованию качательного движения поплавка на морских волнах во вращательное движение маховика или сразу ротора электрического генератора. Полтора века назад русский учёный П.Л.Чебышев предложил механизм, о котором теперь пора вспомнить. В работе доказано, что поплавок объёмом 1 кубометр на таком механизме может выдавать до 1 кВт мощности. Предлагаемый преобразователь не имеет мёртвых точек. Перспективное направление работы связано с созданием батареи волновых генераторов вдоль берега. Положительный эффект заключается в уменьшении волновой нагрузки на прибрежные жилые районы и в автономном применении. Видеоролик (https://youtu.be/Jf0xOFTrqYk).
Морские волны обладают энергией, превосходящей энергию тепловых электростанций. Энергетическая мощность спокойного моря с высотой волн до 1 метра оценивается величиной 15 кВт на погонный метр длины, а при более высоких волнах, до 3-4 м, эта величина составляет до 80 кВт/м. Так как протяжённость береговой линии у России составляет 40000 км, то энергетическая мощность морей со спокойным волнением составит 600 ГВт. Даже если исключить ледовый покров северных районов протяжённостью 20000 км, то всё равно мощность 300 ГВт почти в 40 раз превосходит мощность самой большой атомной электростанции Касивадзаки-Карива в Японии. И это почти при штиле! Цель работы заключается в использовании энергии морских волн для социальных, а в будущем и для промышленных целей. В работе решается техническая задача по созданию устройства, способного преобразовывать энергию моря в электричество. С технической точки зрения задача сводится к преобразованию качательного движения поплавка на морских волнах во вращательное движение маховика или сразу ротора электрического генератора. Такая задача была актуальна два века назад при внедрении в промышленность паровых машин. В настоящее время эта задача стала актуальной в области «зелёной» энергетики без каких-либо выбросов продуктов сгорания топлива.
Полтора века назад русский инженер и учёный П.Л.Чебышев изучал различные механизмы, в том числе для преобразования качательного движения во вращательное. Следовательно, первый метод исследования свёлся к анализу литературы. В Музее Санкт-Петербургского университета есть незаслуженно забытый механизм-экспонат «Велосипед» как раз для этой цели. Второй метод исследования – сборка действующего макета. Третий метод – расчёты на натурном эксперименте.
Сначала была проведена оценка энергии волн по имеющимся данным для Балтийского моря. Мощность 15-80 кВт/м достаточна не только для бытовых, но и для промышленных целей. Затем был проведён исторический анализ и выяснено назначение механизма П.Л.Чебышева, хорошо согласующееся с преобразователем энергии морских волн. Для доказательства правильности гипотез был собран действующий макет с исправлением ошибки в издании Академии наук СССР. Наконец, результаты расчётов привели к удельной мощности макета 1 кВт на кубометр поплавка.
Доказано, что поплавок объёмом 1 кубометр почти при штиле может выдавать до 1 кВт мощности. Предлагаемый преобразователь не имеет мёртвых точек, но должен настраиваться под изменяющуюся длину морских волн. Перспективное направление дальнейшей работы связано с созданием батареи волновых генераторов вдоль береговой линии. Положительный эффект заключается в уменьшении волновой нагрузки на прибрежные жилые районы и в автономном применении.
Введение
Идея работы появилась после ознакомления с метеорологическими данными для Балтийского моря. Этот район очень хорошо отслеживается множеством метеостанций, в том числе космическими метеорологическими космическими аппаратами типа «Метеор». В Балтийском море очень сильно развито судоходство, причём не только грузовое, но и пассажирское. Вопросы безопасности пассажиров требуют как можно точнее предсказывать погоду и волнение моря. Данные о погоде в Балтийском море настолько важны, что создан специальный сайт, на котором можно посмотреть не только историю погоды в Прибалтике, но и получить прогнозы (http://cammeteo.ru/wave_sea). Для примера на рис.1 показаны две погодные карты в области Балтийского моря.
Рис.1. Две карты Балтийского моря с высотой волн (светлая – высокая)
На этих картах чем светлее цвет, тем выше волна. На левой карте преобладают волны с высотой 1-1,5 м, а на правой высота волны доходит до четырёх метров. Левая карта соответствует спокойной погоде в Прибалтике, тогда как правая характеризует штормовую погоду.
Эти две карты погоды в области Балтийского моря приведены с одной целью – показать, что морские и океанские волны обладают большой энергией, которую пока, увы, люди никак не используют. Энергия морских волн – это экологически чистый вид энергии, или, как говорят, «зелёная» энергия. При получении энергии морских волн нет никаких выбросов продуктов сгорания, как у тепловых станций. Единственное последствие, которое можно ожидать при широкомасштабном использовании энергии морских волн, связано с уменьшением волнения моря по закону сохранения энергии. Уменьшение штормовой нагрузки является благоприятным фактором для судоходства.
Основное направление выбранной научной темы связано с техническими вопросами преобразования энергии морских волн в полезную для человека энергию, прежде всего, в электрическую.
Средняя мощность волн морей и океанов превышает 15 кВт/м, то есть один погонный метр длины вдоль направления движения волн обладает энергией самой мощной горелки кухонной газовой плиты. При высоте волн в 2 м мощность достигает 80 кВт/м. Это означает, что в океанах и морях только на поверхности энергии предостаточно для решения многих промышленных и социальных задач. В механическую и электрическую энергию можно использовать только часть мощности волн, но для воды коэффициент преобразования выше, чем для воздуха — до 85 %. В этой работе основное внимание уделено новому способу преобразован6ия энергии волны в механическую энергию маховика электрического генератора.
В Полном собрании сочинений П.Л.Чебышева одним из самых загадочных механизмов считается механизм №13 по фотоснимку из архива русского инженера, учёного, изобретателя, профессора Санкт-Петербургского университета. Кратко этот механизм называется «Велосипед» [1,2,3]. Загадка этого механизма заключается как в исторической, так и в технической области. Историческое направление исследовано в школьной научной работе, заявленной на Первые Всероссийские Музруковские чтения в городе Сарове Нижегородской области 15 февраля 2017 года. В этой работе основное внимание уделено научно-технической области изобретения русского инженера и применению для «зелёной» энергетики, то есть использованию в качестве альтернативного источника энергии.
Практически доказанным является факт истории техники о несоответствии названия механизма его прямому назначению. П.Л.Чебышев не изобретал велосипед, а скорее, создал механизм для преобразования качательного движения во вращательное. В 19-ом веке в производство и транспорт внедрялись паровые машины, поэтому такие механизмы были очень нужны, а об экологии и «зелёной» энергетике полтора века назад никто даже не слышал. Однако есть заметка в переписке русского инженера о возможности применить механизм «Велосипед» в инвалидной коляске, хотя для самокатного кресла П.Л.Чебышев создал и испытал другой механизм. История сложилась так, что механизм «Велосипед» был надолго забыт, демонстрировался как экспонат в Музее Санкт-Петербургского университета и одновременно стал темой для создания и многократного, законного и незаконного, перекопированния видеоролика [4].
Интерес к механизму «Велосипед» П.Л.Чебышева у меня появился по нескольким причинам.
Во-первых, этот механизм не имеет мёртвых точек, как например традиционные кривошипно-шатунный механизм с двумя спаренными кривошипами, работающими в противофазах, не говоря о механизме с одним кривошипом. Под мёртвой точкой понимается положение механизма, при котором даже большие усилия, прилагаемые к ведущему кривошипу внешними силами и моментами не в состоянии повернуть ведущий вал. На рис.2 схематично показано явление возникновения мёртвых точек у механизма с одним, двумя или несколькими ведущими кривошипами, которые установлены напротив друг друга, то есть работают в противофазе. В каком бы вертикальном направлении не прикладывались силы к кривошипам в этих мёртвых точках, крутящий момент не возникает, потому что нет плеча силы.
Рис.2. Схема появления мёртвых точек в механизмах
В механизме с одним кривошипом может появиться как неустойчивая, так и устойчивая мёртвая точка. В механизме с двумя и большим количеством противофазных кривошипов появляется, как правило, неустойчивая мёртвая точка. Под устойчивостью мёртвой точки понимается сохранение больших усилий поворота ведущего вала кривошипа при небольших отклонениях от заданного нежелательного положения. Одна из решаемых задач в новой энергетике заключается в применении механизмов без мёртвых точек, способных без посторонних вмешательств начинать вращение для получения и преобразования энергии.
Анализ литературы
Прежде чем обосновать актуальность изобретения П.Л.Чебышева для современности, я изготовил действующую модель знаменитого исторического механизма, используя только проверенные достоверные источники информации [1,2,3]. Сайт «Механизмы П.Л.Чебышева» [3] имеет иллюстративное направление, но на этом сайте содержатся очень важные ссылки на первоисточники [1,2]. Изучив описание механизма в обоих изданиях Полного собрания сочинений П.Л.Чебышева, я обнаружил ошибку в размере одного рычага в издании 1945 года [1], которая была исправлена И.И.Артоболевским и Н.И.Левитским в издании 1948 года. С этой ошибкой в размере рычага механизм нельзя было собрать, потому что длина двух сторон треугольника получалась меньше третьей стороны. На рис.3. показаны страницы двух изданий научных трудов П.Л.Чебышева с замеченной мною ошибкой в издании 1945 года.
Рис.3. Исправление ошибки в издании 1945 года трудов П.Л.Чебышева
После исправления ошибки был собран сначала черновой вариант механизма «Велосипед», проверена его работоспособность, а затем было начато практическое исследование возможностей этого устройства [5].
Анализ механизма «Велосипед» П.Л.Чебышева
Механизм «Велосипед» - это плоский пятизвенный шарнирно-рычажный механизм, шестое неподвижное звено – корпус. Механизм состоит из ведущего коромысла, шатуна, сложного треугольного шатуна, промежуточного коромысла и ведомого шатуна. Пять рычагов и семь цилиндрических шарниров обеспечивают механизму одну степень свободы по формуле П.Л.Чебышева. Кинематическая схема механизма «Велосипед» П.Л.Чебышева показаны на рис.4.
Рис.4. Кинематическая схема механизма «Велосипед» П.Л.Чебышева
Колесо или наждачный круг для заточки режущего инструмента крепятся неподвижно относительно ведомого вала с двумя кривошипами на концах, работающих в противофазах двух спаренных механизмов «Велосипед. Соединение двух механизмов происходит только общим ведомым валом двух ведомых кривошипов, поэтому одна степень свободы в спаренном механизме сохраняется.
После выявления правильной кинематической и механической схемы механизм был собран из дюралюминиевых прямоугольных профилей с шарнирными соединениями из шайб, винтов и гаек М8. Общий вид собранного механизма показан на рис.5.
Рис.5. Общий вид собранного механизма
Принцип действия волнового генератора
Действие волнового генератора для преобразования энергии морских волн в электричество основано на принципе волнового явления. Волна – это перенос энергии без переноса вещества. Следовательно, морские волны обладают энергией, переносят её, но не переносят громадные массы воды, как реки. Научно-техническая задача заключается в получении этой энергии и её преобразовании в электричество.
Большие массы воды в морских волнах совершают колебательные движения вверх и вниз, поэтому периодически изменяется уровень воды, причём с небольшой частотой и большим периодом, в единицы секунд. Вода с изменяющимся уровнем способна поднимать и опускать поплавок. Поплавок должен обладать двумя свойствами.
Во-первых, поплавок должен быть относительно тяжёлым, чтобы достаточно быстро самостоятельно опуститься после прохождения через него гребня волны во впадину за счёт собственной силы тяжести, потому что в это время сила Архимеда перестанет на него действовать.
Во-вторых, поплавок должен быть плавучим, то есть сила Архимеда должна существенно превосходить силу тяжести. Такой поплавок быстро поднимется на гребень подошедшей к нему волны.
Схема движения поплавка показана на рис.6. Для большей иллюстративности на этом рисунке показаны два рядом расположенные поплавка, разнесённые на расстояние, равное полудлине морской волны. Это расстояние в реальном генераторе можно сделать регулируемым, чтобы подстраиваться под различные длины волн. Однако вполне можно упростить схему генератора, если настроить его на фиксированную длину морской волны, наиболее характерную для заданного побережья.
Рис.6. Схема движения поплавка
При вертикальном возвратно-поступательном движении поплавка вверх на гребень набегающей волны и вниз во впадину происходит взаимное преобразование двух видов энергии. Амплитуда волны обозначена символом А, поэтому размах волны равен двум амплитудам, то есть 2А.
1. Во-первых, работу совершает сила тяжести поплавка. Однако за один цикл движения поплавка работа силы тяжести равна нулю. Это становится ясно, если изучить два участка движения тяжёлого поплавка на волне.
При подъёме поплавка из впадины на гребень волны сила тяжести совершает отрицательную работу, потому что вектор силы направлен вниз, а перемещение поплавка направлено вверх.
На этом участке волна совершает положительную работу, потому что преодолевает силу тяжести. Рабочей силой в волне является сила Архимеда, которая должна превосходить силу тяжести поплавка, чтобы он всплывал. Но работу силы Архимеда лучше рассмотреть отдельно.
При опускании тяжёлого поплавка с волны во впадину глубиной 2А сила тяжести совершает положительную работу, потому что вектор силы направлен вниз и перемещение тоже направлено вниз.
На этом участке тяжёлый поплавок отдаёт генератору запасённую при подъёме потенциальную энергию. Сила Архимеда на этом участке не учитывается, предполагается, что тяжёлый поплавок мгновенно проваливается с гребня волны во впадину глубиной 2А. Работа силы Архимеда будет изучена отдельно.
Общая работа силы тяжести поплавка получается нулевой.
Так как работа силы тяжести равна нулю, то её можно не рассматривать. Сила тяжести нужна для того, чтобы тяжёлый поплавок быстро упал во впадину волны, когда гребень волны пройдёт под ним, поднимет его наверх, отдаст свою энергию генератору и подготовится к следующему циклу работы.
2. Во-вторых, работу совершает сила Архимеда. Сила Архимеда направлена вертикально вверх, поэтому её работа будет положительной, когда перемещение поплавка тоже направлено вверх. Это может быть только при всплывании поплавка из впадины волны на гребень, когда тот подойдёт к поплавку. Работа силы Архимеда отличается от работы силы тяжести не только формулой, но и действием на цикле движения поплавка. Обозначим массу воды, вытесненную поплавком символами
Тогда сила Архимеда равна
При всплытии поплавка из впадины на гребень волны работа силы Архимеда положительна, то есть морская волна совершает работу и отдаёт энергию генератору. Можно предполагать, что поплавок просто всплывает на поверхность воды с глубины 2А и вычислить работу силы Архимеда.
При опускании поплавка с гребня волны во впадину его движение происходит уже не в воде, а в воздухе, потому что гребень волны прошёл. Можно предполагать, что поплавок падает с высоты 2А без действия на него силы Архимеда. Но тогда работа силы Архимеда равна нулю.
Общая работа силы Архимеда за один цикл будет положительной.
Общаяработа тяжёлого поплавка за один цикл прохождения гребня волны и её впадины будет положительной.
Эту энергию получит генератор от одной морской волны для дальнейшего преобразования в электричество.
Пример расчёта мощности волнового генератора
На рис.7 показан пример расчёта мощности одиночной волны, которая может быть передана волновому генератору без учёта потерь.
Рис.7. Схема расчёта
При расчёте были приняты следующие исходные данные.
Амплитуда волны .
Размах амплитуды волны .
Плотность воды .
Объём поплавка .
Скорость движения волны .
Ускорение свободного падения .
Длина волны .
При таких исходных данных мощность одиночной волны при совершении работы силой Архимеда определяется следующим образом.
В этой формуле t – время прохождения волной поплавка, то есть период, или время прохождения полуволной поплавка, то есть полупериод с последующим холостым ходом полупериода, когда сила Архимеда не совершает работу. Это время выражается из определения длины волны.
Подставляем время t в формулу для мощности
Подставляем в расчётную формулу исходные данные.
Вывод.
Поплавок объёмом 1 м3 способен выдать мощность до 1 кВт. Даже при к.п.д. 10% потребитель получить электрическую мощность 100 Вт, достаточную для электрической лампочки, а главное, для зарядки аккумуляторной батареи, которая необходима на период безволнового моря.
Новое применение механизма «Велосипед» П.Л.Чебышева
Именно два механизма, соединённые воедино для работы в противофазе, сделали изобретение П.Л.Чебышева актуальным для современности. Такое соединение позволяет превратить энергию морских волн в энергию вращения маховика, а затем в электричество. Два механизма в паре надо разнести на расстоянии полуволны, тогда они будут работать в противофазе, обеспечат качание ведущих коромысел тоже в противофазе, а ведомые кривошипы будут вращать маховик. У механизма «Велосипед» П.Л.Чебышева нет мёртвых точек, поэтому в любом положении ведущего коромысла будет возникать крутящий момент, который получается от силы Архимеда поплавка. Маховик может быть сразу ротором генератора, а может быть валом для соединения с генератором. Можно создать батарею «Велосипедов» П.Л.Чебышева, удаляющуюся от берега, для увеличения мощности новой альтернативной электростанции «зелёной энергетики». На рис.8 показана схема батареи волновых генераторов.
Рис.8. Схема преобразователя энергии морских волн
Таким образом, историческое исследование доказало возможность найти новое актуальное применение известному механизму П.Л.Чебышева. Созданная модель доказывает работоспособность предлагаемого устройства.
Заключение
На основе выполненных исследований известных технологий преобразования качательного движения во вращательное сделаны следующие выводы, актуальные для новой альтернативной возобновляемой энергетики.
1. Исторический анализ забытого механизма «Велосипед» П.Л.Чебышева позволил найти новое применение изобретению русского инженера, предложенному в 19-м веке.
2. При создании волновых генераторов перспективным направлением является изучение способов преобразования качательного движения ведущих частей (поплавков) во вращательное движение маховика, например, электрического генератора. Именно такое назначение имеет механизм «Велосипед» П.Л.Чебышева. Изготовлен действующий макет механизма.
3. Обоснована реальная возможность получить мощность 1 кВт при объёме поплавка волнового генератора 1 м3, что хорошо, и даже с большим запасом, согласуется с общепринятыми средними значениями 15 кВт/м погонной энергии морских волн при лёгком, не штормовом волнении. Даже при к.п.д. 10% до потребителя дойдёт полезная мощность 100 Вт, достаточная для зарядки аккумуляторов.
4. Для увеличения мощности волновой электростанции надо использовать батарею волновых генераторов. Например, при длине или ширине волновой электростанции 1 км мощность составит не менее 1000 кВт=1МВт с передачей потребителю не менее 100 кВт даже при общем к.п.д. установки 10%. Этого достаточно для электропитания шести квартир с современным нормативным потреблением 16 кВт. При устаревших нормативах энергопотребления 3 кВт на одну квартиру можно обеспечить энергией более 30 квартир, то есть небольшой посёлок, полностью отрезанный от линий электропередач.
5. Совершенствование волнового генератора возможно созданием способов его подстройки, в том числе автоматической, под реальную длину морской волны к конкретный период.
Список использованных источников литературы
1. Артоболевский И.И., Левитский Н.И. Механизмы П.Л.Чебышёва / Научное наследие П.Л.Чебышёва. – Вып. II. – Теория механизмов. – М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1945. – С.34-35. – Электронный ресурс: http://www.tcheb.ru/9
2. Артоболевский И.И., Левитский Н.И. Механизмы П.Л.Чебышёва / Научное наследие П.Л.Чебышёва. – Вып. II. – Теория механизмов. – М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1948. – С.219-220. – Электронный ресурс: http://www.tcheb.ru/9
3. П.Л.Чебышев. Механизм «Велосипед». Электронный ресурс: http://www.tcheb.ru/9
4. Электронные ресурсы – копии видеоролика «Велосипед» П.Л.Чебышева: http://www.tcheb.ru/9 (оригинал видеоролика); https://youtu.be/g0o4FH-zFcQ (копия видеоролика); https://youtu.be/Haxo0o58STk (копия видеоролика); http://newsvideo.su/education/video/48957 (копия видеоролика).
5. Молочный Д.А. Велосипед П.Л.Чебышева для новой энергетики. Декабрь, 2017. – Электронный ресурс (видеоролик): https://youtu.be/Jf0xOFTrqYk