Разработка волнозащитного электрогенерирующего комплекса для объектов прибрежного морского шельфа

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-00424

НазваниеРазработка волнозащитного электрогенерирующего комплекса для объектов прибрежного морского шельфа

Руководитель Лоскутов Алексей Борисович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" , Нижегородская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-402 - Гидроэнергетика, новые и возобновляемые источники энергии

Ключевые слова Защита гидротехнических сооружений, численное и лабораторное моделирование, управляемая волнозащитная система электрогенерации, волновой климат, кинематические характеристики внутренних и поверхностных волн, энергия морских волн, волновая «ферма», эффекты взаимодействия волновых электростанций в ближнем поле

Код ГРНТИ44.35.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Малое внимание развитию волновой энергетики в России обусловлено, прежде всего, нехваткой методологических подходов к созданию систем использования неисчерпаемых источников энергии, отсутствием опытно-демонстрационных объектов, а также слабой информированностью представителей органов государственной власти, бизнес-сообщества и населения о возможностях и преимуществах их использования. Несмотря на то, что Россия имеет самую протяженную береговую линию в мире, в настоящее время нашей стране нет парков преобразователей волновой энергии. Таким образом, в настоящее время существует техническая, экономическая и социальная потребность в развитии разработок, связанных с созданием систем электрогенерации за счет энергии морских волн. Между тем, развитие волновой энергетики является перспективным и экономически целесообразным для отдельных регионов страны (например, побережья Черного моря, побережья Дальнего Востока, российского Арктического шельфа). Результаты проведённых исследований и зарубежный опыт использования волновых электростанций утверждают, что берегоукрепительные сооружения имеет смысл модернизировать, проектировать и возводить с дополнительными модификациями в виде волновых электростанций. Поскольку выработка энергии волновыми электростанциями происходит путем извлечения волновой энергии, важным применением такого рода установок является защита вдольбереговых сооружений и уменьшение эрозии дна, поскольку они служат волногасителями, что делает использование волновых ферм еще более экономически выгодным. В последнее десятилетие в связи с глобальными изменениями климата угроза, создаваемая береговой эрозией и прибрежными наводнениями, подталкивает научное сообщество к поиску инновационных схем защиты побережья, на которые не влияет повышение уровня моря. Преобразователи волновой энергии в этом контексте могут иметь комбинированное применение в качестве инструмента защиты побережья и сбора энергии. Настоящий проект направлен на решение комплекса задач, связанных с оценкой влияния волнового климата (как поверхностных, так и внутренних волн) на эффективность волновых электроэнергетических комплексов (ВолнЭК), а также проектирование оптимального расположения узлов волновых «ферм» (совокупность нескольких ВолнЭК, расположенных по определенной геометрической схеме) для максимального поглощения волновой энергии и защиты объектов прибрежного морского шельфа. Первым направлением работ по проекту является зонирование прибрежных зон различных морей России по степени эффективности расположения в них ВолнЭК. Для анализа будут использоваться статистические характеристики ветра и волнения, как представленные в справочниках, изданных Российским морским регистром судоходства, так и опубликованных в исследовательских работах, содержащих натурные наблюдения, которых достаточно много для этого региона. Особое внимание будет уделено анализу климатических спектров, пространственных характеристик штормов, а также совместных экстремальных характеристик. Поскольку ветряные электростанции предполагается располагать на достаточном удалении от береговой линии (примерно в 10 милях от берега), где морской шельф стратифицирован, важно также оценить характеристики внутренних волн и исследовать возможные волновые режимы в предполагаемом месте установки энергетических комплексов. Вторым направлением работ по проекту является разработка концепций и конструкций: - концентраторов энергии морских волн, обеспечивающих одновременно амортизацию ударных воздействий волн на всех возможных направлениях и формирующих потоки воды для привода гидротурбин электрических генераторов. При этом будет найдена рациональная зависимость геометрических размеров преобразователя от параметров волн, разработаны схемы расположения преобразователей волновой энергии относительно защищаемого объекта или зоны рекреации; - вихревых гидротурбин, являющихся, как и концентраторы энергии волн, компонентами гидроэлектрического преобразователя энергии; - исполнительных устройств управления положением спойлеров и ловушек - концентраторов энергии морских волн относительно морского дна и защищаемого объекта в функции длины поверхностных и внутренних волн, их амплитуды и направления в реальном масштабе времени. При разработке конструкций исходными являются материалы и решения, описанные в патенте на изобретение RU 2703877 C2 «Плавучая волновая электростанция». Полномасштабное имитационное моделирование на суперЭВМ предполагается проводить с помощью пакета программ ЛОГОС, созданного в РФЯЦ- ВНИИЭФ в рамках проекта «Развитие суперкомпьютеров и грид-технологий», утвержденного Комиссией при Президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики России. Третьим направлением работы над проектом является синтез автоматической системы управления, структуры и компонент много генераторного электрического комплекса: - электрогенерации, обеспечивающей интеграцию электрической мощности, вырабатываемой отдельными турбовихревыми электрогенераторами, её автоматическое распределение между генераторами и регулирование в соответствии с графиками нагрузки электроприёмников; - защиты от аварийных режимов при коротких замыканиях, механических нарушениях и экстремальных внешних условиях; - обеспечения надлежащего качества генерируемой электрической энергии.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Желонкин М.В., Лоскутов А.Б., Плехов А.С., Маляров Д.А. Анализ конструкции и моделирование плавучей волновой электростанции в прибрежной зоне с помощью модуля вычислительной гидродинамики Russian engineering research, Vol. 43, No. 3. – P. 226-232 (год публикации - 2023)
10.3103/S1068798X2304038X

2. Дарьенков А.Б., Маляров Д.А., Плехов А.С. Модели электромеханической системы плавучей волновой электростанции Russian engineering research, Vol. 43, No. 6. – с. 651-659 (год публикации - 2023)
10.3103/S1068798X23060060

3. Плехов А.С., Крюков Е.В., Петухов Я.И. Имитационная модель системы электрогенерации плавучей волновой электростанции Материалы LII Всероссийская научно- практическая конференция с международным участием "Фёдоровские чтения — 2022", c. 346-352 (год публикации - 2022)

4. Дарьенков А.Б., Куркин А.А., Плехов А.С., Желонкин М.В., Крюков Е.В. Разработка имитационной модели взаимодействия конверторов волновой энергии плавучей волновой электростанции с неоднородным волновым потоком Инженерная физика, № 5. С. 12-24. (год публикации - 2023)
10.25791/infizik.5.2023.1325

5. Желонкин М.В., Куркин А.А., Лоскутов А.Б., Плехов А.С., Маляров Д.А., Крюков Е.В. Developing a Simulation Model to Numerically Estimate Energy Parameters and Wave Energy Converter Efficiency of a Floating Wave Power Plant Energies, Vol. 16, No. 10. С. 4150. (год публикации - 2023)
10.3390/en16104150

6. Алешин Д.А., Крюков Е.В., Ульянов Д.А., Константинов М.А., Морозовская Т.Д. Способ динамической балансировки аккумуляторных батарей с помощью вычисления эталонного напряжения элемента Инженерная физика, №11, с. 28-38 (год публикации - 2023)
10.25791/infizik.11.2023.1365

7. Дарьенков А.Б., Желонкин М.В., Куркин А.А., Плехов А.С. Фазовое управление мощностью плавучей волновой электростанции Сибирские электронные математические известия, Том 20, №2, с. 1626-1641 (год публикации - 2023)
10.33048/semi.2023.20.100

8. Дарьенков А.Б., Серебряков А.В., Трофимов И.М., Алешин Д.А., Мурашов А.Д., Ростовский В.В. Способ повышения качества потребляемого тока в волнозащитном электрогенерирующем комплексе Морские интеллектуальные технологии/Marine intellectual technologies, № 3 часть 1, С. 205—214. (год публикации - 2024)
10.37220/MIT.2024.65.3.042

9. Дарьенков А.Б., Желонкин М.В., Куркин А.А., Плехов А.С. Экспериментальные исследования электрических и механических процессов взаимодействия макета плавучей волновой электростанции с неоднородным волновым потоком с использованием разработанной физической и численной CFD модели Морские интеллектуальные технологии/Marine intellectual technologies, № 4 часть 3, 2024, c. 68-79 (год публикации - 2024)
10.37220/MIT.2024.66.4.052

10. Дарьенков А.Б., Стеклов А.С., Серебряков А.В., Крюков Е.В. Development of a Knowledge Base for Operational Diagnostics of Synchronous Generators in Autonomous Systems Russian Engineering Research, Vol. 44, No. 8, pp. 1090–1094. (год публикации - 2024)
10.3103/S1068798X24701806

11. Плехов А.С. Автономная система электрогенерации с первичным двигателем переменной частоты вращения Электротехника (Russian Electrical Engineering), № 10. – С. 68-73 (год публикации - 2024)
10.53891/00135860-2024-10-68-73

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Третий год выполнения проекта посвящен доработке конструкции плавучего волнозащитного электрогенерирующего комплекса (ПВЗЭК) по результатам испытаний. Выполнены следующие работы: 1. Для управления режимами работы и мониторинга состояния параметров основных узлов электрической части ПВЗЭК разработан комплекс измерительных средств. Комплекс содержит ряд предустановленных отсечек по напряжению для превентивного обнаружения предаварийных и аварийных режимов работы генератора и датчики в цепи нагрузки для определения действующего значения напряжения на выходе и мощности нагрузки, а также предусматривает измерение температуры основных узлов преобразовательной части, аккумуляторной батареи и генератора. 2. Проведена серия имитационных и лабораторных экспериментов по тестированию макета ПВЗЭК в условиях волновых режимов различной интенсивности. Натурный эксперимент проведен в лабораторном гидродинамическом бассейне. Определены основные этапы взаимодействия волновых возмущений с конструкцией ПВЗЭК. Построены и проанализированы эпюры скорости потока, давления, траектории потока и объемного расхода. Осуществлен анализ экспериментальных данных и сравнение с результатами имитационного моделирования и численных расчетов. 3. Разработана схема развития конструкции спойлерной ловушки. Функционирование спойлеров оптимизировано путем управления наклоном несущей конструкции ПВЗЭК в такт набегающим волнам с целью исключения образования отражённых волн. Разработаны конструкции турбинного блока с возможностью изменения его эффективной длины, размещения и крепления турбогенераторного агрегата, управления потоком воды через турбинный водоводный канал. Показана необходимость дополнения конструкции конвертора элементами систем управления положением и фиксации по отношению к дну водоёма. 4. Исследованы методы фиксации основания подводной части ПВЗЭК к морскому дну по критерию максимума генерируемой мощности. Фиксация реализуется посредством вертикальных и горизонтальных тросовых связей с гравитационными якорями. На несущей конструкции ПВЗЭК устанавливаются лебедки, которые ослабляют и натягивают якорные канаты для поворота структуры в направлении распространения волн. Управление лебедками осуществляется по сигналам датчиков, которые регистрируют направление распространения волн и передают сигналы на электроприводы лебедок. 5. Конструкции турбогенераторных конверторов волновой энергии исследованы с точки зрения получения максимального КПД. Рассмотрены агрегаты синхронного генератора с турбиной Каплана, электрогенерирующей системы с секционным ротором и асинхронного генератора с активной или реактивной турбиной. 6. Разработана система диагностирования неисправностей ПВЗЭК. Имитационное исследование диагностической системы осуществлено на модели конечного автомата с коммутирующими элементами, позволяющими на время диагностирования отдельного элемента разорвать цепь обратной связи и получить уравнения состояния каждой из компонент силовой части электрической системы. 7. Сформулирована задача оптимизации состава электрической части ПВЗЭК, целевой функцией задачи является минимизация электрических потерь в схеме преобразования энергии электрогенератора. Выявлена преобладающая роль метода и схемы выпрямления напряжения генератора с функцией стабилизации выходного напряжения. Рассмотрены варианты мостового и безмостового выпрямителей, обеспечивающих коррекцию коэффициента мощности и активную фильтрацию высших гармоник. 8. Разработаны рекомендации по формированию парка ПВЗЭК. Предложены схемы пространственной ориентации модулей ПВЗЭК, соединенных последовательно и параллельно в зависимости от береговой линии, прилегающего дна и среднестатистических характеристик волнения водной поверхности. Произведено статистическое и аналитическое описание функций волнозащиты. Разработаны модели процесса волнозащиты группой надводных закрепленных на месте объёмных тел – модулей ПВЗЭК, с целью определения эффективной схемы их расположения в акватории. Получены следующие научные результаты: 1. Разработана структура системы измерения параметров и управления режимами работы ПВЗЭК. Натурные испытания комплекса показали достижение необходимой точности управления агрегатами ПВЗЭК в реальном времени. 2. Разработаны конечно-элементные модели взаимодействия волн в лабораторном бассейне с конструкцией ПВЗЭК. Выявленные при моделировании диапазоны высоты и частоты волн обеспечили возможность настройки системы защиты конвертора волновой энергии от разрушения. 3. Определены направления совершенствования конструкции ПВЗЭК, конвертора волновой энергии и системы управления потоком воды через турбинный водовод. Выбран способ управления эффективностью гидротурбины, обеспечивающий разность фаз колебаний уровня давления воды в пространственно разнесенных точках. 4. Приняты решения о составе и способе реализации устройств фиксации основания подводной части ПВЗЭК, связанного с дном водоема на выбранном месте локации. Модуль ПВЗЭК поддерживается на определенном уровне по отношению к поверхности воды, а также обеспечивается ориентация продольной оси конструкции по направлению волны с помощью лебедок. 5. Проведено сравнение характеристик активных и реактивных турбин с наличием и без наличия системы направляющих лопаток по критерию максимизации КПД конвертора волновой энергии. Разработаны электромагнитные преобразователи для генератора с мокрым ротором. Синтезирована схема электромеханической системы, состоящая из гидротурбины, асинхронного генератора, устройства формирования напряжения возбуждения с частотой, меньшей частоты вращения гидротурбины, а также система преобразователей параметров электрической энергии со звеном постоянного тока, обеспечивающая нормированное напряжение на нагрузке. 6. Разработаны алгоритмы диагностирования на основе метода половинного деления с применением критерия Парето в форме скалярного ранжирования, что позволяет оценить вероятность выхода из строя каждого элемента ПВЗЭК. Построены функциональная схема и логическая модель ПВЗЭК, как объекта диагностирования. Разработана математическая модель уравнений состояния. 7. Показана целесообразность модификации входного узла преобразователя путем замены системы выпрямитель-конвертер на безмостовой выпрямитель, позволяющий повысить электромагнитную совместимость между нагрузкой и генератором и снизить величину пульсации напряжения на нагрузке. 8. Предложены схемы размещения отдельных ПВЗЭК относительно берега или волнозащищаемого объекта. Разработаны четыре варианта объединения электрогенерирующих компонент модулей ПВЗЭК в общую систему электроснабжения потребителей. Поставлена и решена задача оптимизации комплексной волнозащитной и электрогенерирующей функции.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Разработанный в проекте плавучий волнозащитный электрогенерирующий комплекс может применяться в качестве источника электрической энергии, вырабатываемой за счет волновой энергии, а также выполнять функции защиты объектов прибрежного морского шельфа.