Волновая энергетическая установка
Владельцы патента RU 2317439:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Астраханский государственный университет" (АГУ) (RU)
Установка предназначена для получения электрической энергии путем преобразования энергии морских волн. Волновая энергетическая установка монтируется на понтоне, в носовой части которого со стороны волны установлен сильфон с днищем, над сильфоном размещен продольный раструб с вертикальной трубой, внутри которой установлен электрогенератор с механическим преобразователем, в центре понтона за раструбом установлен вертикальный воздуховод коробчатого сечения, разделенный вертикальной перегородкой на две части и сообщающийся с понтоном через два обратных клапана, причем в разрезе перегородки установлено ветряное колесо с лопастями, которое механически сообщается через вал с электрогенератором, а в кормовой части днища понтона установлена сильфонная камера с днищем, причем на стенке понтона, находящейся между полостями сильфона и понтона, и на стенке днища понтона, находящейся между полостями сильфонной камеры и понтона, выполнены отверстия для пропускания сжатого воздуха внутрь понтона и установлены электрогенераторы. Конструкция установки позволяет наиболее полно использовать энергию морских волн. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для получения электрической энергии путем преобразования механической энергии морских волн.
Известна волновая энергетическая установка, содержащая боковые понтоны, соединенные с вертикальной трубой, в которой установлен электрогенератор с механизмом преобразования (А.С. 1469202, F03В 13/12).
Эта установка не крепится в определенном месте якорем, и потому отбор ее электроэнергии весьма затруднен. Достаточно высокий КПД работы такой установки возможен только для определенной длины волны.
Известен ветродвигатель, содержащий вертикальный вал с кронштейнами и лопастями, к валу радиально прикреплены пластины, на концах которых вмонтированы электрические генераторы, контактирующие с лопастью (Патент РФ №2203434, F03D 3/06).
Конструкция ветродвигателя не предусматривает преобразования энергии волн в электрическую энергию.
Известен плавучий волнолом, содержащий понтоны, соединенные попарно посредством связей, а под днищем понтонов прикреплены стабилизирующие пластины (А.С. 379725, F02В 3/06).
Прототипом является волновая энергетическая установка по патенту РФ №2080478, F03В 13/20, содержащая открытый снизу корпус с воздушной турбиной, которая связана с электрогенератором. Корпус установлен с возможностью перемещения по направляющим, закрепленным на сваях, вбитых в морское дно, а между корпусом и поверхностью моря размещена закрытая с боков и снизу гофрированная оболочка (сильфон).
Однако установка-прототип не предназначена для использования энергии удара волны и потому не эффективна при работе в береговой зоне. Она устанавливается в открытом море, вдали от берега, что приводит к сложностям передачи выработанной энергии береговым потребителям. При морских приливах и отливах работа установки блокируется, так как подъем воды во время прилива фиксирует сжатие сильфона, а уровень воды во время отлива не доходит до днища сильфона. Выработка электрической энергии установкой производится только воздушной турбиной.
Для устранения перечисленных недостатков предлагается волновая энергетическая установка, содержащая понтон, который ориентирован носовой частью навстречу движению волн. В носовой части понтона установлен сильфон с днищем, принимающим основную ударную силу волн, а к кормовой части днища понтона шарнирно прикреплена сильфонная камера, улавливающая волну, прошедшую под днищем понтона. На стенке понтона, находящейся между полостями сильфона и понтона, и на стенке днища понтона, находящейся между полостями сильфонной камеры и понтона, выполнены отверстия для пропускания сжатого воздуха внутрь понтона и установлены электрогенераторы, которые упругими дисками через зазор контактируют с упругими пластинами, соединенными с помощью стержней с днищем камер. В носовой части понтона над сильфоном установлен продольный раструб, захватывающий гребень волны. Над раструбом установлена вертикальная труба, внутри которой размещен электрогенератор с механическим преобразователем. В центре понтона, за раструбом, вертикально установлен воздуховод коробчатого сечения, который разделен на две части вертикальной перегородкой. В разрезе вертикальной перегородки установлено ветряное колесо с лопастями, которое механически сообщается через вал с электрогенератором. Над воздуховодом установлен зонд, защищающий его от внешних воздействий. Постоянное давление в понтоне поддерживается обратными клапанами. В кормовой части понтона за воздуховодом установлен электрический щит, связанный с береговой подстанцией.
Ударная энергия основной массы морской волны воздействует на днище носового сильфона, гребень волны заходит в раструб, а остаточная волна поступает под понтон и воздействует на днище сильфонной камеры, которая установлена в кормовой части днища понтона. Таким образом, волновая энергетическая установка разделяет волну на три части и преобразует энергию всей волны в электрическую энергию.
Фиг.1 - волновая энергетическая установка (общий вид).
Фиг.2 - волновая энергетическая установка (вид А-А).
Фиг.3 - электрический генератор.
Волновая энергетическая установка содержит понтон 1, в кормовой части днища 2 которого с помощью шарнира 3 прикреплена сильфонная камера 4 с днищем 5. К носовой части понтона 1 (со стороны волны) прикреплен сильфон 6 с днищем 7, над которым установлен раструб 8 с вертикальной трубой 9 с установленным в ней электрогенератором 10 с механизмом преобразования 11. По бокам раструба 8 прикреплены сливные трубы 12. В центре понтона 1, за раструбом 8, вертикально установлен воздуховод 13 коробчатого сечения, разделенный перегородкой 14 на две части. В разрезе перегородки установлено ветряное колесо 15 с лопастями 16, механически сообщенное через вал 17 с электрическим генератором 18. Сверху воздуховода 13 установлен зонд 19, а снизу в правой части на шарнире 20 приточный клапан 21, в левой части на шарнире 22 прижатый плоской пружиной 23 выхлопной клапан 24. На стенке 25 понтона 1 выполнены отверстия 26 и установлены электрогенераторы 27, которые упругими дисками 28 через зазор (а) контактируют с упругими пластинами 29, соединенными с помощью стержней 30 с днищем 7 сильфона 6. На стенке 2 днища понтона 1 выполнены отверстия 31 и установлены электрогенераторы 32, которые упругими дисками 33 через зазор (б) контактируют с упругими пластинами 34, соединенными с помощью изогнутых стержней 35 с днищем 5 сильфонной камеры 4.
За воздуховодом 13, на кормовой части понтона 1 установлен электрический щит 36 на стойках 37, связанный кабелем 38 с береговой подстанцией (не показана). Шины электрощита 36 связаны с помощью проводов (не показаны) с электрогенераторами 18, 10, 27 и 32. К днищу 5 сильфонной камеры 4 снаружи жестко прикреплен козырек 37, выполненный в виде вертикальной пластины или упругой резины. Удержание и обеспечение необходимой ориентации (рабочего положения) волновой энергетической установки обеспечивается якорными связями 38. Электрогенераторы 27 и 32 одинаковые по конструкции. Они имеют подвижный ротор 39 и неподвижный статор 40. Пружина 41 уперта в стенку 25 с одной стороны и в упругий диск 28, с резиновым диском 42, с другой. К пластине 29 прикреплена резиновая пластина 43 (см. Патент РФ №2203434, F 03 D 3/06).
Диаметр сливных труб 12 выбирают из расчета временного наполнения раструба 8 объемом воды, позволяющего поднять электрогенератор 10 в трубе 9 до верхнего предела. Для осуществления этого процесса на концах сливных труб 12 установлены съемные шайбы с колиброванными отверстиями (не показано).
Зазор (а) выбирают из расчета:
а=Псф-Пэг (см)
где Псф - максимальное перемещение сильфона,
Пэг - максимальное перемещение ротора электрогенератора.
Зазор (б) выбирают подобным образом.
Сильфон 6 выполнен прямоугольной формы, сильфонная камера 4 - это наклонная плоскость, вид сбоку, и прямоугольная форма, вид снизу.
Волновая энергетическая установка работает следующим образом.
Подходящая со стороны моря волна воздействует своей основной массой на днище 7 сильфона 6. 2/3 волны своей силой сжимают сильфон 6, проникают под понтон 1 и сжимают сильфонную камеру 4. Сжатый воздух поступает в понтон 1 через отверстия 26 и 31 в стенке 25 и в днище 2 понтона, что приводит к возникновению перепада давления воздуха между полостью корпуса понтона 1 и наружной атмосферой. За счет созданного перепада давлений открывается выхлопной воздушный клапан 21, который выпускает по каналу воздуховода 13 избыточное давление воздуха. Ветряное колесо 15 за счет потока воздуха повернется. В интервале отсутствия следующей волны сильфон 6 и сильфонная камера 4 займут исходное положение. В полости корпуса понтона 1 в этот момент возникает разрежение, и поэтому по каналу воздуховода 13 вниз устремится поток воздуха при произвольном закрытии выхлопного клапана 21 и открытии приточного клапана 24. Ветряное колесо 15 опускным потоком воздуха по каналу воздуховода 13 продолжит поворот. Ветряное колесо 15, вращаясь, через вал 17 будет вращать электрогенератор 18.
В дальнейшем вышеуказанные циклы будут повторяться. Козырек 37, прикрепленный к днищу 5 сильфонной камеры 4, создает дополнительное сопротивление энергии волны под понтоном 1 и, тем самым, усиливает прижатие сильфонной камеры 4 к дну понтона 1.
Сжатие сильфона 6 и сильфонной камеры 4 волной передается через стержни 30 и пластины 29 на упругие диски 28 электрогенераторов 27. В этот момент роторы электрогенераторов 27 и 32 перемещаются в рабочее положение. По окончании воздействия волны сильфоны 6 и сильфонная камера 4 займут исходное положение, а пружины электрогенераторов 27 возвратят роторы в исходное положение. При повторном сжатии волной сильфона 6 и сильфонной камеры 4 цикл с получением электроэнергии от электрогенераторов 27 и 32 повторится.
Электрогенераторы 27, размещенные на стенке 25, установлены порядно, то есть один и более рядов поперек стенки 25. Электрогенераторы 32, размещенные на днище 2 понтона 1, установлены так же порядно поперек днища 2.
Примерно 1/3 волны проникает в раструб 8 и трубу 9, тем самым поднимает электрогенератор 10, затем вода из трубы 9 стекает по трубам 12 и из раструба 8 за борт понтона 1. Электрогенератор 10 опускается в нижнее положение.
Электроэнергия, вырабатываемая волновой энергетической установкой, а именно электрогенераторами 10, 18, 27 и 32, поступает на электрощит 36 и через кабель 38 подается на береговую подстанцию.
Таким образом, предлагаемая волновая энергетическая установка практически полностью использует механическую энергию волн, удельная выработки электроэнергии на единицу ее веса выше известных установок, а ее конструкция исключает влияние морских приливов и отливов на ее работу. Передача выработанной энергии электрогенераторами на электрощит, а затем через кабель на береговую электростанцию позволяет значительно снизить себестоимость передачи электроэнергии. Размещение установки у берега позволяет защищать акваторию и берег от постепенного их разрушения за счет значительного снижения энергии волн, подходящих с морской стороны.
1. Волновая энергетическая установка, содержащая сильфон и воздушную турбину, связанную с электрогенератором, отличающаяся тем, что установка смонтирована на понтоне, в носовой части которого со стороны волны установлен сильфон с днищем, над сильфоном размещен продольный раструб с вертикальной трубой, внутри которой установлен электрогенератор с механическим преобразователем, в кормовой части днища понтона установлена сильфонная камера с днищем, а в центре понтона за раструбом установлен вертикальный воздуховод коробчатого сечения, разделенный вертикальной перегородкой на две части, сообщающийся с понтоном через два обратных клапана, причем в разрезе перегородки установлена воздушная турбина, выполненная в виде ветряного колеса с лопастями, которая механически сообщается через вал с электрогенератором, а на стенке понтона, находящейся между полостями сильфона и понтона, и на стенке днища понтона, находящейся между полостями сильфонной камеры и понтона, выполнены отверстия для пропускания сжатого воздуха внутрь понтона и установлены электрогенераторы.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что электрогенераторы, установленные на стенке понтона, находящейся между полостями сильфона и понтона, и на стенке днища понтона, находящейся между полостями сильфонной камеры и понтона, упругими дисками через зазор контактируют с упругими пластинами, соединенными с помощью стержней с днищем сильфонной камеры и днищем сильфона.
3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что ширина d зазоров (а) и (б) выбрана из расчета
d=Псф-Пэг (см),
где Псф - максимальное перемещение сильфона;
Пэг - максимальное перемещение ротора электрогенератора.
4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что электрогенераторы установлены порядно, то есть в один и более рядов.
5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что все электрогенераторы связаны с шинами электрощита, установленного в кормовой части понтона, который в свою очередь связан кабелем с береговой подстанцией.
6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что сильфонная камера соединена с днищем понтона шарнирно.
7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что над воздуховодом установлен зонд, защищающий его от внешних воздействий.
8. Установка по п.1, отличающаяся тем, что с боку раструба размещены сливные трубы, диаметр которых находят из расчета временного наполнения раструба объемом воды, позволяющего поднять электрогенератор в трубе до верхнего предела, для чего на концах сливных труб устанавливают съемные шайбы с калиброванными отверстиями.
