Система для концентрации энергии волн открытого моря

 

1. СИСТЕМА ДЛЯ КОНЦЕНТРА ЦИИ ЭНЕРГИИ ВОЛН ОТКРЫТОГО МОРЯ, включающая установленное в море концентрирующее устройство, выполненное в виде установленных в ряд навстречу движению волн элементов, расстояние между которыми уменьшается от середины-ряда к его перифериям , отличаю-щаяся тем, что, с целью повышения эффективное-, ти концентрации, элементы расположены ниже поверхности воды. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена вторым рядом элементов, параллельным первому, причем расстояния между элементами второго ряда обратно пропорциональны расстояниям между элементами первого ряда. 3.Система по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена вторым рядом элементов, параллельным первому, расположенным за зоной концентрации волн и вьтолненным в виде вертикального препятствия. 4.Система по пп. 1-3, о т л ичающаяся тем, что в качестве элементов могут быть использованы природные формации,например скалы. 5.Система по пп. 1-3, отличающая ся тем, что по меньшей мере один элемент выполнен из упругого материала. 6.Система по пп. 1-3, 5, отСО личающаяся тем,что по меньс шей мере один элемент выполнен в видегоризонтальной плиты. 7.Система по пп. 5 и 6, отличающаяся тем, что по меньшей мере один элемент выполнен с возможностью регулирования формы о ел эо х и размеров. 8.Система по пп. 5 и 6, отличающаяся тем, что по меньшей мере элемент установлен с D возможностью перемещения в трех взаимноперпендикулярных направлениях и/или поворота в трех взаимноперпендикулярных плоскостях. 8

СОЮЗ ССВЕТО1ИХ

М

РЕСПУБЛИК аа пи

3(р) Е 02 В 9/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 2663398/29-15 (22) 12.09.78 (31) 773154 (32) 13.09.77 (33) Норвегия (46) 30.05.84. Бюл. В 20 (72) Эвен Мехлум (Норвегия) (71) Сентралинститутт Фор Индустриэлл Форскнинг (Норвегия) (53) 627.2(088.8) (56) 1. Патент США Н 2441759, кл. 6 1-20, 1948.

2. Выложенная заявка Японии

У 108437, ки. F 03 В 13/12, 1975 (прототип). (54)(57) 1. СИСТЕМА ДЛЯ КОНЦЕНТРА-

ЦИИ ЭНЕРГИИ ВОЛН ОТКРЫТОГО МОРЯ, .включающая установленное в море концентрирующее устройство, выполненное в виде установленных в ряд навстречу движению волн элементов, расстояние между которыми уменьшается от середины ряда к его перифериям, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективнос- . ти концентрации, элементы расположены ниже поверхности воды.

2. Система по п. 1, о т л ич а ю щ а я с я тем, что она снабжена вторым рядом элементов, параллельным первому, причем расстояния межцу элементами второго ряда обратно пропорциональны расстояниям между элементами первого ряда.

3. Система по п. 1, о т л и ч аю щ а я с я тем, что она снабжена вторым рядом элементов, параллельным первому, расположенным за зоной концентрации волн и выполненным в виде вертикального препятствия.

4. Система по пп. 1-3, о т л и-, ч а ю щ а я с я тем, что в качестве элементов могут быть использованы природные формации, например скалы.

5. Система по пп. 1-3, о т л ич а ю щ а я с я тем, что по меньmeA мере один элемент выполнен иэ упругого материала.

6. Система по пп. 1-3, 5, о тл и ч а ю щ а я с я тем,что поменьшей мере один элемент выполнен в виде горизонтальной плиты.

7. Система по пп. 5 и 6, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что по меньшей мере один элемент выполнен. с возможностью регулирования формы и размеров.

8. Система по пп. 5 и 6, о т л ич а ю щ i я с я тем, что по меньшей мере Юдин элемент установлен с воэможйостью перемещения в трех взаимноперпендикулярных направлениях и/или поворота в трех взаимноперпендикулярных плоскостях..

1095880

Изобретение относится к гидротехнике, а именно к устройствам для использования энергии морских волн.

Известна система для концентрации энергии волн открытого моря, включаю5 щая установленное в море концентрирующее устройство, выполненное в виде воронки, которая позволяет собрать энергию волн с более широкого фронта волны (11.

1О

Недостаток этого устройства заключается в том, что ширина фронта используемой волны ограничена шириной воронки, поэтому оно имеет низ15 кую концентрирующую способность.

Наиболее близкой к изобретению является система для концентрации энергии волн открытого моря, включающая установленное в море кон-"

20 центрирующее устройство, выполненное в виде установленных в ряд навстречу движению волн элементов, расстояние между которыми уменьшается от середины ряда к его перифериям (2j.2

Устройство также имеет низкую концентрирующую способность.

Цель изобретения — повышение эффективности концентрации.

Поставленная цель достигается тем, что элементы расположены ниже поверхности воды.

Кроме того, система .снабжена вторым рядом элементов, параллельным первому, причем расстояния между элементами второго ряда обратно про- 35 порциональны расстояниям между элементами первого ряда.

Система может быть также снабжена вторым рядом элементов, параллельным первому, расположенным за. зоной 4О концентрации волн и выполненным в виде вертикального препятствия.

При этом в качестве элементов могут быть использованы природные формации, например скалы, а по меньшей 45 мере один элемент может быть выполнен из упругого материала. По меньшей мере один элемент может быть выполнен в виде горизонтат ьной плиты. 50

По меньшей мере один элемент может быть выполнен с возможностью регулирования формы и размеров или может быть установлен с возможностью перемещения в трех взаимноперпенди55 кулярных направлениях и/или поворота в трех взаимноперпендикулярных плоскостях.

Изобретение основывается на использовании решетчатого типа структуры или дифракционной решетки по аналогии с оптической.

На фиг. 1 изображена известная дифракционная структура для дифрагирующихся световых волн; на фиг. 2— известная система дифракции для фокусирующихся световых волн, на фиг. 3 — схема фокусирования водяных волн1 на фиг. 4 — установка для проведения экспериментов с амплитудной решеткой, на фиг. 5 — система для концентрации волн открытого моря посредством применения амплитудной решетки; на фнг. 6 — то же, посредсТВоМ применения фазовой решетки, на фиг. 7 — система с использованием останавливающих элементов естественного происхождения; на фиг. 8— система с использованием модифицированного кораллового рифа в качестве амплитудной решетки, на фиг. 9— альтернативные задерживающие элементы, на фиг. 10 — альтернативные останавливающие элементы; на фиг. 11 и 12 - комбинированные системы.

Установка для проведения экспериментов с амплитудной решеткой 1 (фиг. 4) состоит из бассейна со стенками 2, в котором установлена решетка, выполненная в виде балки 3 с закрепленными на ней планками 4, расстояния между которыми уменьшаются от середины к периферии. В середине решетки 1 перпендикулярно ей установлена стенка 5, окрашенная в белый цвет для удобства наблюдения волновой картины.

За решеткой 1 размещен волновой генератор, обеспечивающий параллельные волны 6 (не показан).

В натурных условиях (фиг. 5) решетка 1 расположена перпендикулярно преобладающему направлению волн 6, причем зона 7 концентрации волн 8 находится в заливе 9, образованном в скале 10. На скале 10 находится электростанция 11 с линией электропередач, использующая энергию волн в зоне 7 концентрации, и бассейн 12.

В заливе 9 может быть установлен гидравлический насос, соединенный трубопроводом с бассейном 12.

Решетка может состоять из задерживающих элементов 13 (фиг. 6), выполненных в виде наполненных воздухом шлангов или буйков, закреплен1095880 ных к дну посредством тросов с якорями или с лебедками 14. В зоне концентрации установлена платформа

15 с роторным ковшом или другими средствами, использующими энергию волн, например турбинную установку, . насос и бассейн.

Решетка также может состоять из останавливающих элементов 16 (фиг. 7). в виде природных островков, скал и т.д. и искусственных останавливающих элементов 16.

Вместо останавливающих элементов

16 могут использоваться н задерживающие,элементы 13. 15 . На берегу 17 может быть установлена фазовая решетка 1 из задерживающих элементов 13. Между решетками 1 находится зона 7 концентрации, в которой .расположена платформа 15 с 2Р энергооборудованием.

Амплитудная решетка 1 может быть образована взрывом в определенных местах кораллового рифа (фиг. 8) с получением элементов 18 с проливами

19 между ними.

Задерживающие элементы 13 (фиг.9) могут быть выполнены в виде горизонтально расположенной йлиты 20 с длиной, равной длине волны, изаг- 30 нутой плиты 21, причем плиты могут быть соединены между собой (показано пунктирной линией), и кубического резервуара 22 и закреплены к дну якорями. Один из элементов может представлять судно 23 или естественный шельф 24.

Останавливающие элементы 16 (фиг. 10) могут быть выполнены в виде бетонного блока 25 на опорах, 4р цилиндрического заякоренного элемента 26, затонувшего судна 27 или искусственного острова 28.

Для фокусировки параллельных волн (фиг. 11) в море устанавливают па- 45 раллельно две решетки 29 и 30.

Элементы решетки могут быть выполнены с возможностью регулирования формы и размеров, с BQSMQKHocTblo перемещения или поворота, а также представлять собой участок 31 морского дна (фиг. 12).

Световые волны 6 (фиг. 1), попадая на дифракционную решетку 1, дифрагируются в определенных направ- 55 лениях, определяемых длиной волны и расстояниями между элементами решетки 1, в волны 8.

Если расстояния между элементами увеличиваются к центру решетки 1 (фиг. 2), образуются сходящиеся сферические волны 8 с фокусом в зоне 2.

Решетка 1, помещенная в воду (фиг. 3), отклоняет волны 6, причем если расстояния между элементами решетки 1 увеличиваются к ее цент ру, образуются сходящиеся концентрические волны 8 с фокусом в зоне 7.

Элементы решетки 1 могут оказывать влияние как на амплитуду волны, так и на ее фазу. В первом, случае элементы останавливают волну, во втором — задерживают.

Фаэовая решетка, составленная из останавливающих элементов 16, является более эффективной чем амплитудная, поскольку она незначительно уменьшает энергию волн, тогда как задерживающие элементы !3 значительно уменьшают энергию волн эа счет частичного отражения волновой энергии.

Одна установка или система может включать как останавливающие элементы 16, влияющие на амплитуду, так н задерживающие 13, влияющие на фазу.

В связи с концентрацией волн 6 свободного моря для производства энергии представляет интерес так называемое поле короткой дальности действия. По аналогии с оптической геометрией, микроскопом, представляется возможным систематизировать структуру элементов таким образом, что различные направления исходных волн фокусируются в одной точке или в зоне 7 концентрации, которая может также называться фокусной зоной.

Эта фокусная зона представляет собой зону, находящуюся в поле короткой дальности действия элементарной системы, которая охватывается различными и прилежащими фокусными точка- . ми различно падающих волн 6 на элементарную систему. По отношению к отдаленному полю различные фокусные точки имеют настолько большое pasнесение друг от друга, что может не быть достаточно большой концентрации для генерирования энергии. Кро. ме того, отдаленное поле настолько нарушается посторонними исходными волнами, что еще более сокращается гож

S предполагаемая концентрация в ограниченной зоне.

Использование поля короткой дальности не является обязательным условием для производства энергии волн, однако в поле ксроткой дальности систем, предназначенных для производства энергии, должна располагаться фокусная эона.

Большое влияние на поле короткой дальности оказывает способность системы элементов концентрировать волны, имеющие различные направления, в упомянутой зоне сосредоточения илн фокусной зоне.

При проектировании предлагаемой установки или системы ра"четы должны выполняться методом, каким традиционно пользуются в строительстве или механике, т.е. методом выбора конфигурации и размеров и вычисления на их базе результатов. Ес" ли первоначально выбранные конфигурация и размеры (параметры) не удовлетворяют требованиям, необходимо повторно делать выбор параметров и расчеты до тех пор, пока не будет получен удовлетворительный результат.

Для множества практических случа- ЗО ев необходимо установить лимит для расширения поля короткой дальности действия, согласно следующему правилу: если самый большой размер в структуре всего элемента составляет З5

Р, а расстояние между зоной контцх р центрации и ближайшим элементом в данной структуре А„„;„, то зона концентрации находится внутри поля короткой дальности действия, когда 40 (r C4g > примерно 20

>max о г ;„

Самый большой размер есть расстоя. ние между двумя элементами, удаленными в системе на наибольшее друг

45 от друга расстояние, которое обычно является длиной системы, имеющей направление, перпендикулярное преимущественному направлению распространения волн. Как далеко от структуры элементов в указанных пределах поля короткой дальности должна располагаться зона сосредоточения, зависит, например, от топографии дна и характеристик волн в зоне расположения 55 системы.

Степень дальности расположения зоны концентрации от элементарной

ВВО Ь системы в пределах ограничений поля короткого радиуса действия зависит, в частности, от протяженности, или апертуры, системы по отношению к фронтам исходных волн.

По крайней мере некоторые из этих элементов должны быть регулируемыми, например, посредством смещения в некоторое положение и ориентации в пространстве для адаптации и регулировки, например для того, чтобы принимать во внимание изменения направления исходных волн, большие или разрушительные волны во время плохой погоды. При концентрации таких волн их разрушительный эффект может быть катастрофическим, поэтому в подобного рода ситуациях желательно иметь возможность модификации или исключения эффекта концентрации данной структуры.

Конструирование этих элементов может меняться несколькими путями.

Эти элементы могут мочтироваться так, чтобы они стояли неподвижно на дне моря, могли ставиться на якорь или удерживаться в соответствуЬщем положении посредством динамических систем фиксации по месту. Таким образом, они могут образовываться бетонными блоками или обычными большими судами, такими как танкеры (альтернативно в качестве потерпевшего аварию судна), которые располагаются так, чтобы образовывать решетчатую систему желаемой конфигурации.

Элементы естественного происхождения, такие как островки или что-либо им подобное, могут использоваться в качестве элементов решетчатой системы в фактическом местоположении для данной системы. В таком случае, расположение по месту искусственных элементов должно определяться в отношении к уже существующим элемен" там естественного происхождения, которые впрочем могут модифицироваться взрывными работами или добавочной структурой. Несмотря на то, что упомянутые элементы действуют в решетчатой структуре в взаимодействии с другими элементами, может быть много конструкций элементов, которые образуют непрерывную структуру, например продолговатую шлангообразную, которая в определенных местах, или частях, выступает в направлении

I или над поверхностью воды, чтобы

1095880 образовывать отдельные элементы, которые в остальной части погружаются настолько глубоко, что воздействие этой конструкции на волны в промежуточных частях незаметно. 5

При использовании предлагаемых отдельных элементов в решеткообразной структуре необходимо учитывать, .что системы для генерирования энергии волн открытого моря могут иметь очень большую длину, или протяженность, например порядка нескольких километров или нескольких десятков километров, в особенности, когда используются элементы естественного происхождения, такие как коралловые рифы с взорванными проходами. Путем применения изобретения представляется возможным в одной энергетической установке использовать энергию волн на протяженности гораздо большего региона, или береговой полосы, чем это было возможно при .использовании известных систем.

При использовании изобретения важно иметь воэможность регулирования системы элементов для каждого отдельного места, нли участка, с тем, чтобы могла оптимизироваться структура 30 дифракции для получения лучшей возможной концентрации энергии в ограниченной зоне, в которой должна иметь место трансформация в полезную мощность. Математические расчеты при этом играют важную роль в определении конфигурации системы и формы упомянутых элементов. Дифференциальные уравнения, используемые при этом необходимо решать, принимая во вни- 4п мание пограничные условия, появление которых обусловлено желаемой конфигурацией структуры элементов.

Вычисления или расчеты выполняют, используя уравнения, указанные в 4g книге Д.Б. Уитама "Линейные и нелинейные волны" (Лондон, 1973, глава

13), а необходимыми для расчетов параметрами являются форма, размеры и положение элементов (независимо от того, являются ли они искусственными нли естественными образованиями). В отношении волн единственным. важным параметром является их фаза.

Систему элементов важно установить так, чтобы она оказывала такое воздействие на исходные волны, при ко.тором получающаяся волна имеет коуговой фронт, ведущий к концентрации энергии волн в фокусной зоне.

В процессе теоретических вычислений важно непосредственно рассматривать приемлемые приближения, а также учитывать определенные физические состояния в волнах открытого моря, а именно их частотный спектр и угловое рассеивание направлений, в пределах которых волны обычно попадают в данном месте. Когда делается ссылка на волны открытого моря, имеются в виду мощные волны с большими периодами и длиной, которые более или менее постоянно накатываются через большие площади поверхности океана и, в конце концов, падают на некоторое, побережье ° После систематических измерений и анализов установлено, что такие волны имеют достаточно узкий спектр полосы час- . тот, от которого существенно зависит целесообразность изобретения, так как при более узком спектре частот обеспечивается большая эффективность, В качестве примера можно привести следующие цифры. Если говорить о периоде, являющемся противоположным понятием частоты, то средний период волн равен 10 с. В этом случае структура элементов обеспечит прием" лемую концентрацию волновой энергии с изменением периода на 20Х, т.е. с периодами, колеблющимися в диапазоне 8-.12 с. Приемлемыми можно считать угловые отклонения.в диапазоне

30 в обе стороны от центральной линии или основного направления.

Применительно к случаю использования поля короткой дальности предел составляет 20 . Конструкция системы элементов будет менее сложной, если угловое рассеивание или отклонение направлений волн от основного

-направления небольшое.

Волны, исходящие из направлений, лежащих вне углового диапазона, на который рассчитана система, не фо-. кусируются. При получении энергии от волн в поле короткой дальности на интерференционную картину волн влияют средства или оборудование для преобразования энергии волн в иную энергию. При проектировании системы необходимо учитывать метод отвода энергии.

10 дальности действия располагается другая решетка 30, например фазовая, которая задерживает фазу круговых волн 8 к обеим сторонам от центра решетки 30 так, чтобы плоские волны 8 с увеличенной высотой распространялись в направлении стрелки.

Решетка 30 может также образовываться из природной формации дна (фиг. 12) ° Здесь участок 31 морского дна образует фазовую решетку с контураии дна, симметрично расположенными по обеим сторонам от впадины дна.

9г 1095880

Исследования, проведенные в бассейне (фиг. 4) глубиной 0,5 м, в котором волновым генератором образовывали волны 6 с высотой 2 см и длиной 25 см фикусное расстояние (от решетки 1 до зоны 7) составило

220 см, а высота волны s зоне -7-4 си. Длина решетки 1 была примерно 450 см. Расстояние между элементами и их ширина определялись в соот-1о ветствии с таблицей, где А - рассто- .

«ние от стенки 5 до ближайшей границы отверстия, 8 - расстояние от стенки 5 до удаленной границы.

Номер от" верстия

Ю

75,9

10,0

134 3

108,3

177,6

156,9

196, 9

232 7

249,6

266, 1

282,1

313,2

297>8

328,3

358,0

387,1

415,6

343,3

372,6

401,4

429, 7

457,6

443,7

Аиплитудная или фазовая решетка

29 может быть использована для фокусировки плоских волн 8 (фиг. 11) концентрическими кольцами. Впереди фокусной эоны 7 в поле короткой

«0

45.

Эта система иожет использоваться для получения энергии, а также для разрушения ледяного покрова н образования канала во льду. Следовательно, решетка 30 обладает возможностью углового азимутального перемещения, и поэтому плоские волны могут быть нод различным углом направлены к ладяноиу слою для проламывания в кеи веерообразного прохода.

Угловое перемещение решетки. 30 может быть выполнено путем передвижения каждого из элементов решетки и отдельности. Тип таких элементов аналогичен, например, типу элементов 13 (фиг. 6).

При фокусной зоне 7 решетки 29, расположенной близко к берегу нлн на берегу, построенный канал может при« водить волны 8 к поднятому бассейну для получения энергии.

Решетки 29 и 30 в системе (фиг. 11) также могут рассматриваться в качестве частей одной системы нз более крупных элементов, в которой решетка 29 образует создающую концентрацию главную часть системы, а решетка 30 - диспергирующую вспомогательную систему, располагаемую в поле короткой дальности действия от решетки 29.

Такое выполнение системы позволяет повысить эффективность концентрации волн открытого моря.

Риг. Ф (Риг. Х

1095880

$095880

Составитель А. Сергеев

Рецактор Л. Алексеенко Техред Т,Маточка корректор О.Тигор

Заказ 3646/46 Тирам 644 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4.