Волновая электростанция

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть применено для преобразования энергии ветровых волн на поверхности акваторий, характеризующихся значительными колебаниями уровня водной поверхности из-за приливно-отливных или сгонно-нагонных явлений, в электрическую энергию. Волновая электростанция содержит неподвижную опору 1, пневмогидравлическая камера 2, подводная часть которой сообщена через открытый нижний торец 3 с водоемом, а надводная - с атмосферой через закрепленный на верхнем торце 5 камеры 2 напорный воздуховод 6. Поперек воздуховода 6 установлена турбина 7 с лопастями 8 крыловидного профиля. Турбина 7 кинематически связана с генератором 9, установленном на верхнем торце 5 камеры 2. На противоположных внутренних поверхностях воздуховода 6 выполнены выступы с вогнутыми стенками. Выступы примыкают с зазором к цилиндрической поверхности, сметаемой лопастями. На опоре 1 размещен вращающийся привод 15, кинематически связанный с камерой 2, которая закреплена на опоре 1 с возможностью вертикального перемещения в соответствии с колебаниями среднего уровня водной поверхности. Изобретение направлено на повышение эффективности волновой электростанции. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть применено для освоения энергии волн в акваториях, характеризующихся значительными колебаниями уровня, например из-за приливно-отливных, сгонно-нагонных или сезонных явлений.

Уровень техники

Для волновых электростанций (ВолнЭС) характерно большое разнообразие принципов действия и конструктивных решений [см., например, RU 2347940, МПК F03B 13/24, 2007 г.; RU 2351793, МПК F03B 13/22, 2007 г.; RU 77362, МПК F03B 13/22, 2008 г.; RU 2388933, МПК F03B 13/16, 2008 г.].

Предлагаемое устройство относится к ВолнЭС с предварительным преобразованием энергии волн в энергию воздушного потока. Преобразование осуществляется с помощью пневмогидравлической камеры, подводная часть которой сообщена с водоемом, а надводная - с атмосферой через напорный воздуховод. Воздушный поток вращает установленную в воздуховоде турбину, кинематически связанную с генератором электроэнергии.

Технико-экономические расчеты показывают, что применение мощных ВолнЭС этого типа экономически оправдано при усредненном (например, суточном) КПД не менее 0,6.

Основные потери в таких ВолнЭС связаны с преобразованием энергии воздушного потока в энергию вращения турбины, установленной в воздуховоде, и с потерями энергии в пневмогидравлической камере. В акваториях, характеризующихся значительными изменениями уровня водной поверхности, эффективность (ее усредненное значение) известных ВолнЭС этого типа падает дополнительно именно из-за увеличения потерь энергии в пневмогидравлической камере.

Это объясняется тем, что изменения уровня водной поверхности акватории сопровождаются смещениями водовоздушной границы в неподвижной пневмогидравлической камере и изменениями глубины погружения камеры относительно оптимальных положений, принимаемых при проектировании. При слишком глубоком погружении камеры уменьшается коэффициент ее полезного действия, а при слишком мелком погружении возникает опасность оголения нижнего торца камеры с потерей работоспособности устройства.

Известна волновая электростанция, содержащая закрепленную на плавающей опоре пневмогидравлическую камеру с гладкостенным напорным воздуховодом (в виде купола), в котором установлена ортогональная воздушная турбина с лопастями крыловидного профиля [патент RU 77362, МПК F03B 13/22 от 2008 г.]. Опора выполнена в виде вертикально плавающей трубы. Нижняя часть трубы перпендикулярно и жестко скреплена с плитой, обладающей большим гидродинамическим сопротивлением и погруженной на глубину не менее половины длины волны. Плавающая опора фиксируется в требуемом месте акватории с помощью канатов и якорей.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что КПД ортогональной турбины в гладкостенном напорном воздуховоде не превышает 0,35.

Кроме того, известное устройство непригодно для сооружения и эксплуатации в составе или совместно с берегозащитными сооружениями, дамбами, плотинами приливных электростанций, т.е. в условиях, существенно повышающих технико-экономические показатели ВолнЭС.

Известна выбранная в качестве прототипа волновая электростанция, содержащая закрепленную на неподвижной опоре пневмогидравлическую камеру с напорным воздуховодом, в котором установлена осевая турбина Уэллса с лопастями крыловидного профиля. Ось турбины Уэллса ориентирована вдоль воздушного потока. Генератор установлен на оси турбины в воздуховоде [Proceedings of fourth European wave energy conference, Aalborg, Denmark, December 2000, fig.3. A.F. de O. FALCAO «The shoreline OWC wave power plant at the Azores»].

Проведенные экспериментальные исследования показали, что КПД турбины Уэллса в воздушном потоке переменного направления не превышает 0,5. Генератор, установленный в воздуховоде, дополнительно снижает КПД прототипа.

Недостаток прототипа - низкая энергетическая эффективность, особенно в акваториях, характеризующихся значительными изменениями среднего уровня водной поверхности.

Задача изобретения - устранение указанного недостатка.

Раскрытие изобретения

Предметом изобретения является волновая электростанция, содержащая неподвижную опору, пневмогидравлическую камеру, подводная часть которой сообщена с водоемом, а надводная - с атмосферой через закрепленный на верхнем торце камеры напорный воздуховод, поперек которого установлена, по меньшей мере, одна турбина с лопастями крыловидного профиля, кинематически связанная с генератором, при этом на противоположных внутренних поверхностях напорного воздуховода для каждой турбины выполнены выступы с вогнутыми стенками, примыкающие с зазором к цилиндрической поверхности, ометаемой лопастями турбины, а на опоре размещен вращающийся привод, кинематически связанный с камерой, которая закреплена на опоре с возможностью вертикального перемещения в соответствии с колебаниями среднего уровня водной поверхности.

Технический результат изобретения - повышение эффективности ВолнЭС, работающей в акваториях с изменяющимся уровнем водной поверхности, до экономически обоснованного значения, при котором усредненный КПД составляет не менее 0,6.

Изобретение имеет развития, относящиеся к частным случаям его осуществления и состоящие в том, что:

- вращающийся привод кинематически связан с пневмогидравлической камерой через пару силовых элементов из ряда гайка - винт, зубчатое колесо - зубчатая рейка, гидроцилиндр - шток, барабан - трос;

- неподвижная опора и пневмогидравлическая камера снабжены направляющими;

- вращающийся привод снабжен средствами автоматического управления с возможностью перемещения камеры относительно опоры в соответствии с колебаниями среднего уровня водной поверхности;

- генератор установлен на верхнем торце пневмогидравлической камеры вне напорного воздуховода;

- опора выполнена в виде устанавливаемой на фундаменте вертикальной стойки, а пневмогидравлическая камера снабжена внутренней трубой, охватывающей опору;

- опора выполнена пустотелой с возможностью временной герметизации и транспортирования наплавным методом к месту ее установки.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана волновая электростанция, в которой пневмогидравлическая камера закреплена на массивной неподвижной опоре с возможностью вертикального перемещения по одной из ее стенок.

На фиг.2 показан разрез Б-Б (см. фиг.1), иллюстрирующий конструкцию напорного воздуховода с турбиной.

На фиг.3 показан разрез В-В (см. фиг.1), иллюстрирующий конструкцию направляющих, установленных на опоре и камере.

На фиг.4 представлен узел А (см. фиг.1) для иллюстрации возможного выполнения кинематической связи между установленным на опоре приводом и перемещающейся по ней пневмогидравлической камерой.

На фиг.5 показана волновая электростанция, в которой опора выполнена в виде вертикальной стойки, устанавливаемой на фундамент, а камера перемещается по опоре с использованием внутренней трубы, охватывающей опору.

Осуществление изобретения с учетом его развитий

Волновая электростанция содержит (см. фиг.1) неподвижную опору 1 и закрепленную на ней пневмогидравлическую камеру 2. Подводная часть камеры 2 сообщена через открытый нижний торец 3 с водоемом, а надводная - с атмосферой через отверстие 4 и закрепленный на верхнем торце 5 камеры 2 напорный воздуховод 6. Поперек воздуховода 6 установлена турбина 7 с лопастями 8 крыловидного профиля (показаны на фиг.2). Турбина 7 кинематически связана (например, общим валом) с генератором 9, установленным вне воздуховода 6. На противоположных внутренних поверхностях воздуховода 6 в створе турбины 7 выполнены выступы 10 с вогнутыми стенками 11 и 12 (см. фиг.2). Выступы 10 примыкают с зазором δ к цилиндрической поверхности 13, ометаемой лопастями 8.

Возможна установка поперек воздуховода 6 нескольких турбин 7, для каждой из которых должна быть выполнена пара выступов 10. В этом случае турбины могут быть кинематически связаны каждая со своим генератором или с одним, общим для них генератором.

Камера 2 закреплена на опоре 1 с возможностью вертикального перемещения. При этом вместе с камерой 2 перемещаются воздуховод 6 с турбиной 7 и генератор 9, установленный на верхнем торце 5 камеры 2.

На фиг.1 показано, что генератор 9 установлен на верхнем торце 5 камеры 2 с помощью вспомогательной опоры. Возможна также установка генератора 9 с помощью вспомогательного кронштейна, закрепленного на воздуховоде 6.

Опора 1 и перемещающаяся относительно нее камера 2 могут быть снабжены направляющими элементами 14 (см. фиг.1 и 3).

На опоре 1 размещен вращающийся привод (двигатель) 15, который кинематически связан с камерой 2 через пару силовых элементов из ряда гайка - винт, зубчатое колесо - зубчатая рейка, гидроцилиндр - шток, барабан - трос. На фигурах 1, 4 и 5 в качестве примера показано применение пары из гайки 16, заключенной в корпус 17, и винта 18. Гайка 16 (см. фиг.4), связана с валом вращающегося привода 15 через коническую пару, а винт 18 соединен с камерой 2.

Привод 15 может быть снабжен средствами управления, обеспечивающими возможность автоматического перемещения камеры 2 относительно опоры 1 в соответствии с колебаниями уровня акватории (водоема).

Опора 1 может быть выполнена пустотелой с возможностью ее временной герметизации и транспортирования наплавным методом к месту ее установки.

Опора может быть выполнена (см. фиг.5) в виде устанавливаемой на фундаменте 19 вертикальной стойки 20. При этом камера 2 снабжается внутренней трубой 21, охватывающей стойку 20. Для повышения устойчивости опоры могут быть также использованы якорные устройства.

Для повышения технико-экономические показателей ВолнЭС, показанная на фиг.1, может быть выполнена в составе или совместно с берегозащитными сооружениями, дамбами, плотинами приливных электростанций, элементы которых могут использоваться в качестве опор. Опора ВолнЭС может быть также прикреплена к обрывистому, например скальному, берегу.

Волновая электростанция работает следующим образом.

Водная поверхность 22 разделяет камеру 2 на воздушную полость 23 и водную полость 24. Полость 23 сообщена с атмосферой через отверстие 4 и напорный воздуховод 6. При отсутствии ветровых волн или при закрытом жалюзийном затворе 25 воздуховода 6 движение воздуха через турбину 7 отсутствует.

Водоем, в котором сооружается электростанция, как правило, представляет собой акваторию моря или океана, в которой под воздействием ветра возникают волны.

Появление волн сопровождается вертикальными колебаниями поверхности 22, соответствующими колебательными изменениями объема воздушной полости 23 и пульсациями давления в примыкающей к отверстию 4 входной полости воздуховода 6. Воздух поочередно проталкивается через воздуховод 6 в атмосферу и засасывается обратно. Скорость течения воздуха можно считать обратно пропорциональной площади поперечного сечения потока (при действующих в данном случае давлениях и скоростях сжимаемостью воздуха можно пренебречь). Поскольку площадь сечения камеры 2 намного больше площади сечения турбинного створа воздуховода 6, скорость воздушного потока через турбину 7 многократно превышает скорость движения воздуха в полости 23, вызваемого колебаниями поверхности 22.

Турбина 7 с лопастями 8 крыловидного профиля (см. фиг.2) представляет собой поперечно-струйную ортогональную турбину. Профиль каждой лопасти 8 подобен профилю самолетного крыла и имеет тупой и острый концы. Лопасть 8 имеет соответственно тупую и острую грани.

Воздушный поток переменного направления, образующийся в воздуховоде 6 при колебаниях поверхности 22, достигнув некоторой минимальной скорости, приводит турбину 7 во вращение. Вращающая сила действует в направлении тупых граней лопастей 8 независимо от направления воздушного потока.

При вращении турбины 7 лопасти 8 своими крайними от оси вращения точками ометают воображаемую цилиндрическую поверхность 13, к которой с зазором δ примыкают своими верхними гранями поперечные выступы 10, имеющие вогнутые стенки 11 и 12. При этом выступы 10 с вогнутыми стенками 11 и 12 выполняют функцию пристеночного направляющего аппарата, обеспечивающего оптимальные углы атаки вращающихся крыловидных лопастей 8 по отношению к набегающему на них воздушному потоку.

Использование поперечной ортогональной турбины 7 (вместо осевой турбины Уэллса в прототипе) позволило вывести генератор 9 из воздушного потока, разместить выше уровня воды и, тем самым, улучшить условия его эксплуатации.

Генератор 9, кинематически связанный с турбиной 7, вырабатывает при ее вращении электроэнергию. Чем выше частота вращения турбины и генератора, тем большую мощность можно отдавать потребителю. В качестве генератора 9 целесообразно использовать генератор переменного тока совместно с преобразователем частоты.

Амплитуда вертикальных колебаний водной посерхности 22 внутри камеры 2 и мощность воздушного потока в воздуховоде 6 снижаются при слишком глубоком погружении торца 3 камеры 2 в воду из-за уменьшения амплитуды пульсаций давления на торце 3 от волн на поверхности воды вблизи камеры 2, а при слишком мелком погружении оголяется торец 3 с попаданием через него в полость 23 атмосферного воздуха, что в обоих случаях приводит к уменьшению КПД пневмогидравлической камеры.

При приливно-отливных или сгонно-нагонных явлениях средний уровень поверхности 22 и глубина погружения торца 3 изменяются в соответствии с изменениями уровня водной поверхности акватории. Для того чтобы при этом глубина погружения в воду торца 3 камеры 2 оставалась в требуемых пределах, камера 2 закреплена на опоре 1 с возможностью вертикального перемещения.

Перемещение осуществляется по дополнительно установленным направляющим 14 (см. фиг.1 и 3) или без них. В конструкции, показанной на фиг.5, направляющими служат стойка 20 и труба 21.

Размещенный на опоре 1 привод 15, с помощью которого перемещается камера 2, может быть, например, электрическим или бензиновым. Его вращательное движение обеспечивает вертикальное перемещение камеры 2 с помощью пары силовых элементов, преобразующих вращательное движение привода 15 в поступательное. На фиг.1, 4 и 5 в качестве примера показаны конструкции, использующие пару силовых элементов гайка - винт.

Гайка 16 (см. фиг.4) установлена в корпусе 17, жестко закрепленном на опоре 1, с использованием двух радиальных 26 и двух упорных 27 подшипниках качения. Гайку 16 вращает закрепленное на ней колесо 28 конической передачи с помощью шестерни 29, насаженной на вращающийся вал привода 15. Вращение гайки 16 придает поступательное движение винту 18, соединенному с камерой 2 удлинительной штангой 30 (см. фиг.1 и 5).

Автоматика привода 15 управляет перемещением камеры 2 (например, с помощью поплавка - датчика уровня), обеспечивая требуемое погружение торца 3 в соответствии с изменениями уровня поверхности водоема.

При этом обеспечивается практическая неподвижность камеры 2 по отношению к быстрым волновым колебаниям поверхности 22, необходимая для эффективного использования энергии волн, и вертикальное перемещение камеры 2 в соответствии с относительно медленными изменениями среднего уровня поверхности 22, вызываемыми приливно-отливными и сгонно-нагонными явлениями.

Экспериментально подтвержденный КПД предлагаемой ВолнЭС с оптимальным погружением камеры 2 лежит в пределах 0.63-0.68, а расчетный среднесуточный КПД такой ВолнЭС на проектируемой Северной приливно-волновой электростанции в губе Долгая Баренцева моря составил не менее 0,6.

Предлагаемая конструкция волновой электростанции пригодна для наиболее эффективного в условиях открытого моря наплавного метода строительства. Этот метод предполагает изготовление опоры 1 в виде пустотелой железобетонной конструкции и сборку электростанции в заводских условиях. Собранная электростанция с заполненной воздухом и герметизированной опорой 1 буксируется наплаву к месту ее сооружения. При необходимости для транспортирования могут быть использованы также вспомогательные понтоны, устанавливаемые под камерой 2 в варианте конструкции опоры на фиг.5.

На месте сооружения электростанция погружается, как правило, на естественное подводное основание путем заполнения опоры 1 или понтонов водным балластом. После этого водный балласт внутри опоры 1 на фиг.1 может быть замещен более тяжелым балластом, например песчано-гравийным грунтом. Устойчивость на дне водоема опоры, выполненной в виде стойки 20 (см. фиг.5), может обеспечиваться за счет транспортируемого вместе с ней массивного фундамента 19 и балласта, а также за счет обтекаемой цилиндрической формы стойки 20 и камеры 2, уменьшающей воздействие на них штормовых волн.

Выполнение опоры волновой электростанции в виде наплавного блока облегчает и удешевляет ее сооружение.

1. Волновая электростанция, содержащая неподвижную опору, пневмогидравлическую камеру, подводная часть которой сообщена с водоемом, а надводная - с атмосферой через закрепленный на верхнем торце камеры напорный воздуховод, поперек которого установлена, по меньшей мере, одна турбина с лопастями крыловидного профиля, кинематически связанная с генератором, при этом на противоположных внутренних поверхностях напорного воздуховода для каждой турбины выполнены выступы с вогнутыми стенками, примыкающие с зазором к цилиндрической поверхности, ометаемой лопастями турбины, а на опоре размещен вращающийся привод, кинематически связанный с камерой, которая закреплена на опоре с возможностью вертикального перемещения в соответствии с колебаниями среднего уровня водной поверхности.

2. Волновая электростанция по п.1, отличающаяся тем, что вращающийся привод кинематически связан с камерой через пару силовых элементов из ряда гайка - винт, зубчатое колесо - зубчатая рейка, гидроцилиндр - шток, барабан - трос.

3. Волновая электростанция по п.1, отличающаяся тем, что неподвижная опора и пневмогидравлическая камера снабжены направляющими.

4. Волновая электростанция по п.4, отличающаяся тем, что вращающийся привод снабжен средствами автоматического управления с возможностью перемещения камеры относительно опоры в соответствии с колебаниями среднего уровня водной поверхности.

5. Волновая электростанция по п.1, отличающаяся тем, что генератор установлен на верхнем торце пневмогидравлической камеры вне напорного воздуховода.

6. Волновая электростанция по п.1, отличающаяся тем, что опора выполнена в виде устанавливаемой на фундаменте вертикальной стойки, а пневмогидравлическая камера снабжена внутренней трубой, охватывающей опору.

7. Волновая электростанция по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что опора выполнена пустотелой с возможностью временной герметизации и транспортирования наплавным методом к месту установки.