ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ ИЩЕНКО Российский патент 1995 года по МПК E02B9/00 

Изобретение относится к преобразованию энергии морских волн в электрическую и может быть использовано в системах электроснабжения, например, континентальных и плавучих энергопотребителей.

Известно устройство для преобразования энергии морских волн в электрическую, содержащее корпус в виде плавающего ящика (платформы), обращенного открытой стороной вниз и разделенного на секции, заполненные воздухом, являющимся рабочей средой. Когда секция находится под гребнем волны, объем находящегося в ней воздуха уменьшается, воздух сжимается, давление его растет. Когда же секция находится над межволновой впадиной, давление воздуха снижается. При перетекании воздуха из секции с большим давлением через воздушную трубу, соединенную с электрическим генератором, в секцию с меньшим давлением устройство преобразует энергию волн в электрическую энергию [1]
Недостатком известного устройства является низкая выработка электроэнергии. Устройство преобразует энергию волн только определенной длины. В устройстве отсутствует выпрямитель потока рабочей среды для обеспечения вращения туpбины в одном направлении. Кроме того, часть энергии волн теряется на сжатие рабочей среды.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа волновая электростанция, содержащая плавающий корпус с внешним нисходящим трубчатым трактом, соединенным через обратноклапанный выпрямитель потока с внутренним трубчатым трактом, и расположенную на внутреннем тракте гидротурбину, соединенную с генератором. Корпус станции имеет неопределенную форму, снабжен внешним нисходящим трубчатым трактом, внутренним трубчатым трактом с двумя трубами: одной для подвода воды к гидротурбине, когда она накрывается волной, другой для выталкивания воды в этот полупериод во внешний нисходящий трубчатый тракт.

Между внутренним и внешним нисходящим трубчатыми трактами имеется обратноклапанный выпрямитель, создающий однонаправленный поток воды, подаваемой на турбину.

Недостатком известной станции является низкая выработка электроэнергии. Электростанция осуществляет однополупериодное преобразование энергии волн, а именно энергии гребня волны.

Кроме того, произвольный подход к форме корпуса и, следовательно, к гидравлическому сопряжению внутреннего трубчатого тракта с поверхностью водоема, также уменьшают выработку электроэнергии.

Целью изобретения является увеличение выработки электроэнергии путем полнопериодного преобразования энергии волн, повышение производительности генератора путем уменьшения влияния инерционных обратно-поступательных движений воды в устройстве, а также предупреждение проникновения механических примесей с поверхности водоема в глубинные слои по внешнему нисходящему трубчатому тракту.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем плавающий корпус с внешним нисходящим трубчатым трактом, соединенным через обратноклапанный выпрямитель потока с внутренним трубчатым трактом, и расположенную на внутреннем тракте гидротурбину, соединенную с генератором, корпус выполнен в виде капсулы с боковой кольцевой водоприемной горловиной, выполненной затопленной и соединенной с внутренним трактом, а обратноклапанный выпрямитель потока выполнен в виде двухполупериодного обратноклапанного моста с двумя соединенными параллельно ветвями, каждая из которых содержит по два соединенных последовательно обратных клапана, при этом узлы встречного соединения клапанов соединены водоводом, на котором размещена гидротурбина.

Внешний нисходящий трубчатый тракт выполнен в виде двух отдельных водоводов, каждый из которых соединен с ветвью обратноклапанного выпрямителя потока.

Водоприемная горловина снабжена фильтром.

На фиг. 1 изображена предлагаемая волновая электростанция; на фиг. 2 схема обртаноклапанного выпрямителя потока с внешним нисходящим трубчатым трактом в виде двух отдельных водоводов; на фиг. 3 схема распределения пьезометрических напоров.

Волновая электростанция содержит корпус 1 в виде капсулы с боковой кольцевой водоприемной горловиной 2, снабженной фильтром 3 и соединенной внутренним трубчатым трактом 4 через обратноклапанный выпрямитель потока с гидротурбиной. Ватерлиния корпуса 1 размещена выше водоприемной горловины 2, т.е. горловина выполнена затопленной. Корпус 1 снабжен внешним нисходящим трубчатым трактом 5. Выпрямитель потока выполнен в виде двухполупериодного обратноклапанного моста с двумя параллельно соединенными ветвями 6 и 7. Каждая из ветвей содержит по два последовательно соединенных обратных клапана 8, 9 и 10, 11. Выходы моста расположены в узлах встречного соединения клапанов. Гидротурбина 12 с генератором 13 подсоединена к узлам выхода моста. Внешний нисходящий трубчатый тракт 5 присоединен к одному из узлов последовательного соединения клапанов выпрямителя потока, а водоприемная горловина 2 через внутренний трубчатый тракт 4 к другому.

Для уменьшения влияния инерционных колебаний воды внешний нисходящий трубчатый тракт 5 выполняют из двух отдельных водоводов 14 и 15. Водовод 14 соединен с ветвью 7, а водовод 15 с ветвью 6 обратноклапанного выпрямителя потока.

В исходном положении при отсутствии волн на поверхности водоема корпус 1 погружен в воду до его ватерлинии, проходящей выше основания водоприемной горловины 2 не менее, чем на половину высоты заданной минимальной энергетически эффективной волны, причем диаметр D капсулы 1 не должен превышать половину длины L этой волны. Этим условием обеспечивается преобразование энергии волны как можно меньшей заданной длины и резонансное колебание станции на поверхности водоема в такт с частотами волн, равной этой и больших длин. Поверхность волны соединена через водоприемную горловину 2 и внешний нисходящий трубчатый тракт с глубинами постоянного результирующего напора.

В условиях волнения поверхности водоема можно выделить на его различных глубинах следующие гидравлические режимы, т.е. зоны пьезометрических напоров относительно плоскости сравнения (дна O-O) вблизи вертикали расположения станции: зона переменного пьезометрического напора на глубинах до уровня B-B с максимальным колебанием непосредственно на поверхности водоема, причем это колебание относительно исходного статического пьезометрического напора ▿_стат достигает соответственно положительной величины +H_д^max и отрицательной величины -H_д^max; зона результирующего пьезометрического напора ▿_ср близкого по величине к статическому напору ▿_стат и равного среднему переменных напоров, мало отличающихся друг от друга в этой зоне при прохождении над нею гребня и ложбины волны. Эта зона занимает глубину между уровнями A-A и B-B; зона ниже уровня A-A, так называемая "батиальная зона", достигающая в прибрежных акваториях глубин от 200 до 2000 м, на пьезометрические напоры которой практически не влияют колебания поверхности водоема от воздействия на нее ветра, причем пьезометрический напор в ней практически всегда равен ▿_стат
Таким образом, между отметкой гребня волны и пьезометрическим напором на уровне B-B имеет место действующий напор
+Hmд

^ax= ▿maxэне_рг-▿_стат (или ▿_ср) между подошвой волны и уровнем B-B действующий напор составит
-Hmд^ax=▿minэне_рг-▿_стат (или ▿_ср)
Следовательно, если опустить в воду трубу, верхний конец которой незначительно опустить под вершину гребня волны, а нижний расположить между уровнями B-B и A-A или ниже, то в этой трубе возникнет нисходящий поток воды, расход которого будет определяться действующим напором +H_д^max. Если же верхний конец той же трубы заглубить под подошву волны в ее ложбине, то в ней возникнет обратный ток воды, т.е. восходящий поток воды, расход которого будет определяться действующим напором -H_д^max.

При промежуточных положениях верха трубы в волне будут наблюдаться в трубе расходы воды промежуточных значений с восходящим или нисходящим направлением потока.

Следовательно, если в трубе установить гидротурбину с генератором, то представляется возможным преобразовать таким образом двухполупериодную (полнопериодную) энергию волны в электрическую энергию.

Волновая электростанция работает следующим образом.

Когда корпус 1 станции размещен на гребне волны, вода поступает через кольцевую водоприемную горловину 2 на фильтр 3 и далее движется через внутренний трубчатый тракт 4 в ветвь 6 выпрямителя потока через клапан 8, гидротурбину 12 с генератором 13, клапан 9 и далее во внешний нисходящий трубчатый тракт 5. При этом клапаны 10 и 11 ветви 7 выпрямителя закрыты давлением воды сверху. Вода движется через гидротурбину справа налево и вращает ее.

Когда станция оказывается в ложбине волны, то вода движется вверх по внешнему нисходящему трубчатому тракту 5 через клапан 11, гидротурбину 12, клапан 10 и далее через фильтр 3 и водоприемную горловину 2. При этом обратные клапаны 8 и 9 закрыты давлением воды снизу. Вода вновь поступает на турбину справа налево, вращая ее.

При выполнении внешнего нисходящего трубчатого тракта 5 в виде двух каналов 14 и 15 и нахождении станции на гребне волны, вода поступает из водоема в водоприемную горловину 2 и далее через фильтр 3 движется по ветви 6 выпрямителя потока через клапан 8, гидротурбину 12 с генератором 13, клапан 9 и далее в водовод 15. При этом клапаны 11 и 10 ветви 7 закрыты. Вода движется через гидротурбину 12 справа налево и вращает ее.

Когда станция оказывается в ложбине, то вода движется вверх по водоводу 14 через клапан 11, гидротурбину 12, клапан 10, далее через фильтр 3 и водоприемную горловину 2 сбрасывается в водоем. При этом обратные клапаны 9 и 8 закрыты. Вода вновь попадает на гидротурбину 12 справа налево и вращает ее.

При промежуточных положениях станции на волне действующий напор на гидротурбине 12 будет меняться по величине, снижаясь до нуля, когда станция будет находиться на отметке. Соответственно будет меняться и скорость вращения гидротурбины и количество вырабатываемой энергии. При необходимости сглаживания пульсаций электрического тока станция должна содержать или инерционный маховик или сглаживающий электрический фильтр известных конструкций в системе элементов управления станции. Конструкция станции позволяет объединять их в блоки, при этом не возникает необходимости ориентировать станцию по ветру.

Предлагаемая волновая электростанция преобразует энергию волны в течение ее полного периода, увеличивая за счет этого выработку электроэнергии в 2 раза. Кроме того, уменьшаются строительные затраты за счет возможности размещения станции в акватории энергетически эффективных разгонов характерных ветров (вдали от берега). Станция преобразует также энергию хаотических колебаний поверхности водоема, например, при шторме, обеспечивая вращение гидротурбины в одном направлении.

Использование: для выработки электроэнергии для континентальных и плавучих энергопортребителей. Сущность изобретения: при расположении корпуса 1 на гребне волны вода поступает через кольцевую водоприемную горловину 2 во внутренний трубчатый тракт 4 и направляется по ветви 6 выпрямителя потока на гидротурбину 12, откуда поступает во внешний нисходящий трубчатый тракт 5. Когда корпус оказывается в ложбине волны, вода движется вверх по тракту 5, по ветви 7 поступает на гидротурбину 12 и отводится через горловину 2 в водную акваторию. Вращение гидротурбины 12 и выработка электроэнергии генератором 13 обеспечивается для верхнего и нижнего положений корпуса 1, что позволяет преобразовывать энергию волны в течение ее полного периода. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Волновая электростанция, содержащая плавающий корпус с внешним нисходящим трубчатым трактом, соединенным через обратноклапанный выпрямитель потока с внутренним трубчатым трактом, и расположенную на внутреннем тракте гидротурбину, соединенную с генератором, отличающаяся тем, что корпус выполнен в виде капсулы с боковой кольцевой водоприемной горловиной, выполненной затопленной и соединенной с внутренним трактом, а обратноклапанный выпрямитель потока выполнен в виде двухполупериодного обратноклапанного моста с двумя соединенными параллельно ветвями, каждая из которых содержит по два соединенных последовательно обратных клапана, при этом узлы встречного соединения клапанов соединены водоводом, на котором размещена гидротурбина. 2. Электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что внешний нисходящий тракт выполнен в виде двух отдельных водоводов, каждый из которых соединен с ветвью обратноклапанного выпрямителя потока. 3. Электростанция по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что водоприемная горловина снабжена фильтром.