DOI 10.57112/22022-12

УДК 621.31


ПРИМЕНЕНИЕ ГИРОСКОПОВ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ВОЛН ВОДНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ


Пелипенко Роман Андреевич

Ткаченко Юрий Леонидович

Пелипенко Андрей Иванович



Аннотация:

В последнее время большое внимание уделяется возобновляемым источникам энергии, идёт поиск технических решений по использованию энергии ветровых волн больших водных поверхностей с целью генерации электрической энергии. В статье рассматривается система, представляющая собой надежно удерживаемый тросом колеблющийся на волнах полностью герметичный поплавок-лодку, совершающий колебательные движения в вертикальной плоскости под воздействием набегающих на него волн. Научная новизна данной статьи заключает в том, что основным элементом данной системы, позволяющей преобразовывать энергию волн в электрическую энергию, является гироскоп. Рассмотрена координатная система, гироскопические моменты и внешние воздействующие на гироскоп силы, а также перспективы и экологические аспекты использования предлагаемой технологии.


Ключевые слова: гироскоп, волна, энергия, система, момент, сила, движение, плоскость, генератор, движение



ПРОБЛЕМАТИКА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.


В настоящее время в связи с глобальным потеплением и изменением состава атмосферы планеты, а так же исчерпанием дешевого и экологически безопасного в методах добычи топлива   во всем мире все больше внимания уделяется возобновляемым источникам энергии. Одним из таких направлений стал поиск технических решений позволяющих  использовать  энергию ветровых волн больших водных поверхностей (морей, океанов, крупных озер и  рек) в целях генерации электрической энергии.


На сегодняшний день уже имеется ряд различных технические решений в обозначенной к рассмотрению области, и реализующие эти решения экспериментальные установки [10,11]. Однако, все эти решения имеют ряд существенных недостатков, препятствующих их широкому внедрению в хозяйственные комплексы прибрежных территорий. Основные недостатки имеющихся решений: часто требуются масштабные и дорогие донные работы (решения связанные с  конверсией энергии волн в пневматического типа преобразователях), наличие сквозных отверстий в поверхностях поплавков, сквозь которые проходят валы, передающие энергию генерирующим механизмам (что ведет к проблемам протечек и работ по их устранению), наличие составных элементов, связанных между собой шарнирными соединениями, которые подвержены влиянию внешней среды, что ведет к резкому сокращению их ресурса.


Таким образом, очевидным путем формулируется задача, состоящая в  полном отказе от дорогих донных работ, сооружении стен противостоящих волнам, сложных наружных систем, и выходящих наружу валов и наружных элементов, совершающих движения относительно друг - друга. Такая система может представлять собой надежно заякоренный, удерживаемый тросом, колеблющийся на волнах полностью герметичный поплавок - лодку, совершающий продольные колебательные движения в вертикальной плоскости под воздействием набегающих на него волн (рисунок  1).  



Технология преобразования энергии колебаний корпуса лодки на основе использования гироскопа


Рисунок 1 – Технология преобразования энергии колебаний корпуса лодки на основе использования гироскопа



По мнению авторов, исходя из поставленной выше задачи, единственным механизмом, позволяющим снимать энергию колебаний корпуса лодки - поплавка, может стать гироскоп.


Будем использовать принятую в морском деле  терминологию, касающуюся угловых перемещений поплавка — лодки. Определим полусвязную систему координат следующим образом: начало координат поместим в центр масс лодки О, ось Оxg направим навстречу набегающим волнам, ось Oyg направим от центра масс к местному зениту, ось Ozg направлена перпендикулярно ранее рассмотренным осям в сторону правого борта и плоскость Oxgyg лежит в плоскости местного горизонта.


Координатную систему Oxyz свяжем с корпусом лодки, Такая система координат называется подвижной (связной или сопровождающим трехгранником). Продольная ось Ox и нормальная ось Oy лежат в продольной плоскости симметрии (это диаметральная плоскость), ось Oy направлена вертикально, ось Oy направлена вдоль оси симметрии корабля от кормы к носу, ось Oz образует с этими двумя осями правую координатную систему. Такие координаты называют Эйлеровыми , а угловое положение корабля относительно местного горизонта и набегающей волны может быть определено при помощи трех угловых координат - углов Эйлера.


Таким образом лодка может совершать на волнах три колебательных движения одновременно:


- по рысканию,  на угол между проекцией связанной оси Ox на горизонтальную плоскость и осью Oxg ;

- по дифференту (тангажу), на угол между связанной осью Ox и горизонтальной плоскостью;

- по крену (крен на борт), на угол между продольной плоскостью симметрии (диаметральной плоскостью) и вертикальной плоскостью, содержащей связанную ось Ox.


Допустим, что колебания поплавка - лодки по рысканию и крену пренебрежимо малы, этому может способствовать развитая поверхность киля и система  заякорения (рисунок 2).



Координатная система, поясняющая воздействие волн на поплавок-лодку


Рисунок 2 - Координатная система, поясняющая воздействие волн на поплавок-лодку



Очевидно, что в этом случае ось Oy отклонится от вертикали на тот же угол в плоскости Oxy.

В этом случае можно говорить, что сопровождающий трехгранник совершает колебания в плоскости Oxy и одновременно Oxgyg, ибо  это одна и та же плоскость. Лодка будет вращаться вокруг оси zg c некой мгновенной угловой скоростью . Обратимся далее к основной теореме движения гироскопа, к теореме Резаля (рисунок  3) [1].


На этом рисунке: H - кинетический момент гироскопа, М — момент внешних сил, — прецессионная угловая скорость приобретенная гироскопом, U — направление движение оси гироскопа. Согласно теореме Резаля U = M. Теорема позволяет вычислять скорость движения и гироскопические моменты действующие на опоры гироскопа в том случае если опоры сопротивляются повороту, например из-за сил трения. Источником гироскопического момента являются силы Кориолиса, при этом возникающие гироскопические моменты перпендикулярны внешним моментам сил, приложенным к гироскопу.



Гироскопические моменты и внешние силы воздействующие на гироскоп


Рисунок 3 - Гироскопические моменты и внешние силы воздействующие на гироскоп



Чтобы использовать энергию волны, которая вызывает колебания корпуса лодки по дифференту, т.е. тангажу (некая мгновенная угловая скорость вращения сопровождающего трехгранника вокруг оси Ozg), следует разместить гироскоп  так, чтобы ось его вращения располагалась в плоскости Oxy (рисунок  2). В этом случае, гироскопический момент будет стремиться провернуть ось гироскопа вокруг оси Oy так, чтобы она совместилась с осью Oz в положительном, либо отрицательном направлении вдоль этой оси, что в свою очередь зависит от текущего движения лодки по дифференту (тангажу) и от направления вектора H, обусловленного направлением вращения гироскопа.


Если создать устройство таким образом, что гироскоп не сможет совместить вектор H  с осью Oz, для чего можно использовать ограничители поворота, то ось гироскопа будет совершать относительно корпуса колебательные движения (рисунок 4).  


Для простоты будем полагать, что в первоначальном состоянии гироскоп раскручен так, что вектор его кинетического момента направлен по оси Ox. В этом случае, при колебаниях поплавка — лодки, гироскоп будет совершать прецессионные колебания вокруг оси Oy сопровождающего трехгранника, в таком случае  при упоре в ограничитель гироскоп будет передавать гироскопический момент корпусу лодки так, что будет вызывать ее рыскание. С другой стороны, если  разместить изначально гироскоп по оси Oy, то в этом случае реакция от ограничителя на корпус лодки будет приводить к бортовой качке. Эти неблагоприятные эффекты могут быть легко устранены, о чем будет сказано далее. На рисунке 4 мы видим, что вектор H перемещается в плоскости Oxz на некий угол α под действием момента сил направленного либо в положительную, либо в отрицательную сторону вдоль оси Oz, стремясь совместиться с нею.



Колебательные движения оси гироскопа относительно корпуса поплавка-лодки


Рисунок 4 – Колебательные движения оси гироскопа относительно корпуса поплавка-лодки



Достаточно очевидно, что если гироскоп будет совершать колебания свободно, упираясь только в ограничители, то никакой полезной работы снять не удастся. С другой стороны, если гироскоп все же будет принужден совершать некую полезную работу, например вращая электрогенератор то в одну, то в другую сторону, он тем самым, всё же, будет вызывать некоторые  рыскания поплавка, так как генератор будет вызывать реактивный момент, прилагая его к корпусу лодки. Этот раскачивающий лодку вращающий момент может быть компенсирован, для чего следует использовать как минимум два одинаковых гироскопа, с первоначально противоположно разнонаправленными векторами H (рисунок 5).



Компенсация раскачивающего лодку вращающегося момента


Рисунок 5 – Компенсация раскачивающего лодку вращающегося момента



При этом, гироскопы будут поворачиваться так, что их векторы H будут одновременно сближаться то в сторону положительного направления оси Oz, то отрицательного.


Из теории гироскопа мы знаем, что величина гироскопического момента Мг в любой момент времени может быть найдена по следующей формуле:


Мг = Нcos (β)                                                                 (1)


где Н – вектор кинетического момента, – мгновенная угловая скорость движения поплавка лодки по тангажу, β – текущий угол между осью Оx и вектором H,  в  пределах /2 , α/2 где α – максимальный угол поворота оси до ее упора в ограничители, см. рисунок 5.  


Этому моменту могут противодействовать следующие моменты сил:

- момент реакции привода генератора - Мпг;

- момент инерции гироскопа и подвижной конструкции - Ми относительно оси Oy;

- момент от ограничителя или возвратной пружины Мпр.


О последнем моменте следует поговорить особо. Дело в том, что морская и озерная волновые качки явления непостоянные в силу трехмерности реальных волн, неравномерности их распределения на поверхности и различной силы волнения во времени. Исходя из этих соображений следует озаботится возвращением гироскопа в первоначальное состояние - позиционировать его ось вращения вдоль оси Ox. Это может сделать одна или две пружины, работающие в паре, равновесие сил которых приходится на ось Ox.  Поэтому в дальнейшем будем рассматривать именно этот вариант – наличие возвратных пружин с достаточно жесткими концевыми ограничителями поворота осей гироскопов.


Итак, для ситуации, когда сборка не достигла концевых ограничителей, уравнение мгновенных моментов  принимает следующий вид:


МгМпгМиМпр = 0                                                (2)


Момент реакции привода генератора Мпг пропорционален текущей скорости вращения гироскопа относительно оси Oy (на рис. 5 - 1 или 2 в дальнейшем г) и некоторому коэффициенту , определяемому электрическими особенностями конструкции генератора  – Кг, тогда


Мпг = Кгг.


Момент инерции гироскопа определяется собственным моментом инерции гироскопа относительно оси Oy вместе с связанной с его осью подвижной конструкцией необходимой для удерживания гироскопа – Jyг и первой производной по времени от угловой скорости г, то есть Ми =  Jyгdꞷг/dt.


Момент от возвратной пружины (или двух пружин ) будем считать прямо пропорциональным жесткости пружины Кпр  и углу поворота оси гироскопа относительно оси Oyβ. В этом случае Мпр = Кпр β.


Таким образом, уравнение (2) может быть переписано в виде:


Нcos (β)  -   Кгг -  Jyгdꞷг / dt -   Кпрβ = 0                        (3)


При этом , очевидно, что β является интегральной величиной от угловой скорости г. Итак, мы имеем дело с дифференциальным уравнением второго порядка т. к. г = /dt.  Вне сомнений такое уравнение может быть решено для некоторых идеализированных волновых условий, когда набегающие волны не отличаются одна от другой.  Однако следует отметить, что в реальных условиях знаки при его членах могут сложным образом менять свой характер. Так, например, в некоторых моментах времени может оказаться, что момент реакции пружины однонаправлен с гироскопическим моментом, та же самая ситуация может возникнуть и относительно момента инерции Ми. И даже возможна ситуация, когда реакция от привода генератора сонаправлена с гироскопическим моментом, например когда однонаправленные суммы моментов реакции пружины и собственной инерции гироскопа вращают генератор, а противодействующий им гироскопический момент достаточно слаб, так как следующая набежавшая волна оказалась слабой.


Таким образом, несмотря на то, что гироскопический момент быстро слабеет с увеличением угла β, вероятнее всего потребуются ограничители поворота гироскопа снабженные демпферами, так как система вполне может войти в нежелательный, разрушительный резонанс. Условия такого резонанса подлежат дальнейшему выяснению, в последующих работах.  Совершенно ясно, что энергия , запасаемая в возвратных пружинах, будет использована в процессе генерации энергии при обратном ходе гироскопа.


Достаточно очевидной выглядит оценка той энергии, которая может быть извлечена при помощи такого типа устройства. Предположим, что лодка-поплавок спроектирована оптимально  для того типа ветровых волн, которые наиболее вероятны для конкретной акватории. В этом случае лодка в двойном угловом движении (в грубом приближении) будет получать энергию прямо зависящую от разности высот между впадиной и гребнем волны. Эту энергию можно оценить как произведение массы лодки на разницу высот между впадиной  гребнем. Хотя более точная оценка может быть получена исходя из трохоидальной теории волн глубокого моря, рассмотренной в [2] (стр. 17). В этом случае, по видимому, следует опираться на положение центра давлений поплавка - лодки , который находится несколько ниже уровня ватерлинии.


СИСТЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ


Наиболее рациональной схемой извлечения энергии из колебательного, прецессионного движения гироскопов будет дугообразная, искаженная линейная схема, представленная на рисунке 6. При этом не имеет особого значения постоянный или электрический магнит будет механически связан с подвижной рамой гироскопа, либо перемещаться будет снимающая энергию катушка. Основным соображением является отказ от сложным схем привода классического  генератора, для которых потребуются промежуточные системы, вроде мультипликаторов и т.п., снижающих КПД системы преобразования энергии и удорожающих конструкцию в ее производстве и эксплуатации. В простейшем случае потребуется простая механическая связь , передающая крутящий момент (то есть вал), соединяющая подвижную раму подвеса гироскопа и магнит (см.  рисунок 6).  Вообще говоря, в роли магнита может выступит и сам гироскоп, совершающий колебательные движения.



Дугообразная линейная схема извлечения энергии из колебательного движения гироскопов



Рисунок 6 – Дугообразная линейная схема извлечения энергии из колебательного движения гироскопов




ПЕРСПЕКТИВЫ И СТРАТЕГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ


Поскольку поплавок использует энергию ветра , перенесенную в колебания гораздо более плотной среды — воды, то места размещения поплавков следует выбрать такими, где имеются подходящие условия, например достаточно сильный ежесуточный бриз, порождающий достаточно сильное волнение. Согласно общепринятой трохоидальной теории волн, амплитуда колебаний быстро падает с глубиной, поэтому поплавки нецелесообразно заглублять (рисунок 7).


Как показано на рисунке 7, на глубине равной половине длины волны, колебания гаснут полностью.  Выбор гидродинамических характеристик лодки-поплавка зависит от условий акватории эксплуатации, и все же, вероятнее всего, форма поплавка должна быть относительно плоской, снабженной килем для ориентации по набегающей волне, снижения бортовой качки и рыскающих колебаний. Кроме того, в виду наличия потерь в подшипниках, гироскопы целесообразно раскручивать с учетом прогноза ситуации в акватории, и следует иметь систему остановки гироскопов, предусматривающую возврат их энергии вращения в сеть. Все это требует интеллектуальной системы управления, связанной с внешним миром, что вполне осуществимо в автоматическом режиме. Кроме того, подобного рода гироэнергоустановки могут питать плавучие маяки, гидрознаки, могут быть использованы как дополнительные источники энергии для маломерного флота, что позволит экономить топливо, особенно в периоды стоянок на якорях.




Зависимость амплитуды колебаний от глубины


Рисунок 7 – Зависимость амплитуды колебаний от глубины



К сожалению, для реализации данной технологии в России, существую определённые препятствия. Одна из основных проблем – это отсутствие развитой береговой линией, условия которой были бы идеальными для предлагаемой технологии утилизации энергии волн. Кроме того, оледенение поверхностей водоемов в зимний период чрезмерно удорожает эксплуатацию подобных систем. Можно было бы использовать подобного типа поплавки  в притопленном подледном состоянии, однако трохоидная теория волн указывает на тот факт, что волновое возмущение толщи воды, согласно [2], сильно ослабевает с глубиной (см. рисунок 7), а наличие поверхностных льдов еще более  отрицательно сказывается на амплитуде волн, быстро их гася. И все же, Россия располагает некоторыми подходящими незамерзающими акваториями,  это прибрежные акватории Черного и Азовского морей, акваторией островов курильской гряды.


Следует отметить тот факт, что Правительство Российской Федерации уделяет особое внимание проблемам развития микрогенерации и создания энергосетей не её основе [8].  


Прочие же приморские государства, расположенные в более благоприятных условиях, вполне могут использовать эту технологию в расчете на весьма длительные условия эксплуатации, дешевизну подготовительных и ремонтных работ. Очевидно, что такими странами могут быть Китай, обе Кореи, Япония, Вьетнам и др. Тем не менее, использование всех преимуществ предложенной технологии уже сегодня вполне возможно, например, отечественным маломерным флотом.


ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ИНЫЕ АСПЕКТЫ


Экологическими преимуществами предлагаемой конструкции гироэлектрогенератора является возможность выращивания морских культур с использованием канатов и донной части. При этом,  очистка днища не требуется – оно может свободно обрастать ракушками и другими водными организмами, так как такое обрастание мало влияет на эксплуатационные характеристики поплавка-лодки, возможно даже делая его колебания несколько более плавными.


К экологическому воздействию на окружающую среду, кроме использования небольшого количества природных ресурсов, промышленных выбросов в атмосферу сбросов сточных вод и образования твёрдых отходов на стадиях проектирования, изготовления и утилизации, на стадии эксплуатации изделия, необходимо отнести небольшое затенение эуфотической зоны водного объекта, что может несколько снижать биологическую продуктивность биомассы водных экосистем. С другой стороны, образование дополнительных поверхностей (днища и канатов), а так же границ полей,  состоящих из множества таких поплавков, и обычных донных прибрежных зон может стать положительным фактором для увеличения биологического разнообразия и роста кормовой базы морских организмов, так как из литературы по экологии известно, что границы природных (а в данном случае донных) ландшафтов этому способствуют [3].


Однако, создание больших полей таких гироэлектрогенераторов с целью промышленного энергоснабжения прибрежных территорий может препятствовать не только миграции крупных водных организмов, но и создавать помехи судоходству, как надводному, так и подводному. Поэтому эксплуатация гироэлектрогенераторов, в наименее  травматичном для окружающей среды и экономики прибрежных зон варианте подразумевает, по видимому, относительное равномерное рассредоточение населения по прибрежной территории, что возможно при создании нового типа жилой и производственной среды, функционирующей за счёт распределённых низкопотенциальных источников энергии.


Именно такую задачу - снижение анторпогенного воздействия на окружающую среду, ставит перед человечеством современная экологическая ситуация на планете, [4, 5, 6]. Кроме прочего, следует полагать, что размещать такие поля в открытом море на морских банках было бы нецелесообразно, так как такое вторжение может оказать отрицательное влияние на ранимые экосистем морских банок, являющихся очень продуктивными [7].



Список используемой литературы


1.  Бутенин Н. В. , Лунц Я. Л., Меркин Д. Р. Курс теоретической механики, Том II. Динамика.  - Москва «НАУКА» 1979 г.  С. 346 - 365

2.  Ю. Ф. Безруков, Океанология, часть II. Динамические явления и процессы в океане. – Симферополь, 2006 г. - 123 стр.

3. Жариков В. В., Лысенко В. Н. Оценки биологических характеристик эпифауны в дальневосточном морском заповеднике ДВО РАН с использованием подводного аппарата. / Материалы XI Дальневосточной конференции по заповедному делу. Владивосток. ФГУП «Дальнаука», 2015. С. 166-170.

4. Хизбуллин Р. А., Шайдуллин Р. Р., Тимербек У. Н. Энерге№тика в обозримом будущем. Обзор «ЭКСПО-2017» // Наука через призму времени. 2018. №6 (15). С. 48-51.

5. Куфтерин Д. В. Низкопотенциальные источники энергии и их использование // Академия энергетики. 2015. № 1 (63). С. 58-60.

6. Хакимуллин Б. Р., Гумеров И. Р., Зайнуллин Р. Р. Эколого-экономические характеристики волновой энергетики // Теория и практика современной науки. 2017. № 3 (21), С. 775-778.

7. Спиридонов В. А., Винников А. В., Голенкевич А. В., Майсс А. А. «Уязвимые морские экосистемы» и близкие понятия в практике управления морским природопользованием: концепции, терминология и возможности приложения к сохранению морской среды и биологических ресурсов // Труды ВНИРО. 2018. Т.174. С. 143-173.

8. План мероприятий («Дорожная карта») по совершенствованию законодательства и устранению административных барьеров в целях обеспечения реализации Национальной технологической инициативы по направлению «Энерджинет».

9. Лукомский Ю. А. Чугунов В. С. Системы управления морскими подвижными объектами. Ленинград «Судостроение» 1988 г. 272 стр.

10. Альтернативные источники энергии: морские волны и течения // Сетевое издание «ПРОНЕДРА» URL: https://pronedra.ru/?s=энергия+морских+волн (дата обращения: 20.10.2022).

11. Сеньков, А. П. Преобразование энергии ветровых волн в электрическую энергию / А. П. Сеньков, А. А. Сеньков // Морские интеллектуальные технологии. – 2020. – № 1-3(47). – С. 87-92. – DOI 10.37220/MIT.2020.47.1.040. – EDN SKFGQP.


Информация об авторах


Пелипенко Р. А.  – студент группы ИУ1-13, Ткаченко Ю. Л. - к.т.н. доцент, МГТУ им. Н. Э. Баумана, РФ, г. Москва, Пелипенко А. И.  - инженер, преподаватель, КГБ ПОУ «Ванинский межотраслевой колледж (Центр опережающей профессиональной подготовки)», РФ, Хабаровский край, р. п. Ванино.



              



  






-