ВОЛНОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1995 года по МПК F03B13/18 

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к устройствам для использования энергии волнового движения.

Известно устройство для превращения волнового движения в полезную энергию, содержащее канал для усиления амплитуды морских волн, имеющий широко открытый вход, сходящийся к узкому выходу, камеру давления, связанную с указанным выходом, в котором стоячая волна может быть трансформирована в большую волну, где происходит пневматическая компрессия и всасывание, турбину двойственного действия для утилизации пневматического давления компрессии и всасывания.

Недостатком этого устройства является неподвижная установка камеры на берегу, в результате чего объем воздушной камеры сильно меняется при изменениях амплитуды волнения и приливных колебаний уровня моря. Это снижает эффективность преобразования энергии волн.

Известно также устройство, в котором камеру с открытым нижним концом устанавливают в море на жестком основании. Столб воды в камере, совершая колебательные движения, всасывает и выталкивает воздух через отверстие в крышке камеры на турбину, установленную в канале, соединенном с этим отверстием, длину погруженной части камеры выбирают из условий резонансов колебаний водного столба в камере.

Недостатком этого устройства является нерегулируемое воздушное пространство. При больших амплитудах волны вода будет попадать в канал с воздушной турбиной, если же высота установки дна камеры будет соответствовать максимальной амплитуде волнения, то при меньших амплитудах волн в камере достигается меньшее давление и разрежение, воздушная турбина работает в неоптимальном режиме, энергия волн используется с малой эффективностью.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для использования энергии приливов и отливов. Устройство содержит установленный на дне водоема резервуар с поплавковой крышкой, сообщенный в нижней части при помощи запорного клапана с водоемом, причем крышка снабжена отсеками с регулируемой плавучестью, расположенными вокруг резервуара и имеющими запорные клапаны. Перед приливом крышка опускается и в резервуаре возрастает давление воздуха, который вращает турбину. При увеличении высоты прилива воздух при открытом клапане вытесняет в турбину за счет повышения уровня воды в резервуаре. Перед окончанием действия прилива вода из отсеков откачивается, крышка поднимается, в резервуаре образуется разрежение воздуха, поступая в резервуар, вращает турбину. При уменьшении высоты прилива работа турбины обеспечивается за счет понижения уровня воды в резервуаре.

Недостатком этого устройства является то, что на откачивание воды из отсеков крышки требуются затраты энергии, на это расходуется выигрыш энергии, полученной при заполнении отсеков и опускании крышки. Кроме того, при подъеме уровня воды снаружи установки необходимо непрерывно заполнять отсеки водой, чтобы крышка не поднималась вместе с подъемом уровня воды, этот процесс идет без выигрыша энергии. А при опускании уровня воды непрерывно откачивать воду из отсеков крышки, чтобы крышка не опускалась и на это будет расходоваться энергия.

В основу изобретения положена задача выполнения установки таким образом, чтобы не затрачивать энергию на откачку воды из отсеков поплавковой крышки и в конечном итоге, при различных амплитудах волнения, обеспечить работу воздушной турбины, установленной в крышке, при оптимальных перепадах давления.

Поставленная задача решается тем, что в волновой энергетической установке, содержащей установленный на дне водоема цилиндрический резервуар, сообщенный в нижней части с водоемом, и поплавковую крышку с отсеками плавучести, образующую с резервуаром полость, подключенную к воздушной турбине посредством канала и отверстия, выполненного в центральной части крышки, турбина соединена с электрогенератором, резервуар открыт снизу, в верхней части его стенки образована открытая сверху кольцевая полость, а крышка выполнена в виде двух соосных цилиндров, жестко связанных между собой в верхней части, а отсеки соединены с наружным цилиндром, выполнены с постоянной плавучестью и размещены с возможностью перемещения в кольцевой полости, а в боковых стенках кольцевой полости на уровне невозмущенной поверхности воды выполнены отверстия, причем суммарная площадь отверстий внутренней стенки меньше, чем суммарная площадь отверстий внешней стенки. Дно внутреннего цилиндра крышки установлено непосредственно над уровнем невозмущенной поверхности воды. Кроме того, в отверстиях внешней стенки установлены запорные невозвратные клапаны, открывающие внутрь кольцевой полости, а в отверстиях внутренней стенки установлены запорные регулируемые клапаны, подключенные к датчикам давления, размещенным на внутренней стенке.

Предлагаемое устройство отличается от прототипа тем, что установка снабжена электрогенератором, соединенным с воздушной турбиной, резервуар открыт снизу, в верхней части его стенки образована открытая сверху кольцевая полость, на внутренней и внешней стенке которой выполнены отверстия на уровне невозмущенной поверхности воды, причем суммарная площадь отверстий внутренней стенки меньше, чем суммарная площадь внешней стенки. В отверстиях внешней стенки установлены запорные невозвратные клапаны, открывающиеся внутрь кольцевой полости, а в отверстиях внутренней стенки установлены запорные регулируемые клапаны, подключенные к датчикам давления на внутренней стенке. Также в отличие от прототипа крышка выполнена в виде двух соосных цилиндров, жестко связанных между собой в верхней части, внутренний цилиндр снабжен дном, а отсеки постоянной плавучести соединены с наружным цилиндром и размещены с возможностью перемещения в кольцевой полости. Дно поплавковой крышки установлено непосредственно над уровнем невозмущенной поверхности воды.

Данные признаки отличают заявляемое устройство от прототипа и являются новыми, так как не известны из предшествующего уровня техники.

Выполнение резервуара с полостью, в которую помещена поплавковая крышка, состоящая из двух соосных цилиндров, обуславливает при использовании заявленного решения положительный эффект, состоящего в том, что на регулирование положения поплавковой крышки с воздушной турбиной не потребуется дополнительных затрат энергии.

При различных амплитудах волнения нет необходимости откачивать воду из отсеков крышки, в результате на эту работу не будет расходоваться энергия, следовательно, повышается эффективность преобразования энергии. Кроме того, размещение отверстий с клапанами с датчиками давления во внешней и внутренней стенке резервуара на уровне невозмущенной поверхности моря, также способствует достижению технического результата.

Сравнение предлагаемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники позволяет сделать вывод о наличии изобретательского уровня.

На фиг. 1 представлена схема установки при невозмущенной поверхности моря; на фиг. 2 то же, при прохождении гребня волны; на фиг. 3 то же, при прохождении впадины волны; на фиг. 4 диаграммы работы волновой установки:
а) график изменения уровня моря около установки,
б) график изменения высоты крышки,
в) изменение уровня моря в полости,
г) изменение давления воздуха в резервуаре.

Волновая энергетическая установка содержит цилиндрический резервуар 1 и поплавковую крышку 2. Поплавковая крышка 2 состоит из двух соосных цилиндров наружного 3 с отсеками постоянной плавучести 4 и внутреннего 5, жестко соединенных между собой в их верхней части. Внутренний цилиндр 5 имеет дно 6, по центру которого в отверстие установлен канал 7. Воздушная турбина 8 с электрогенератором размещены в канале 7. Резервуар 1 выполнен в верхней части с двойными стенками, наружной 9 и внутренней 10, образующими цилиндрическую полость 11, заполненную водой. Наружный цилиндр 3 с отсеками 4 постоянной плавучести помещен в полость 11 резервуара с возможностью перемещения. Полость 11 резервуара сообщена с водоемом снаружи посредством отверстий, в которых установлены запорные невозвратные клапаны 12, а с внутренней стороны через отверстия малого сечения, в которых установлены запорные регулируемые клапаны 13, причем каждый из последних соединен с датчиками давления 14, расположенными по окружности резервуара на уровне невозмущенной поверхности моря. Суммарная площадь отверстий 13 много меньше суммарной площади отверстий 12. Сам резервуар 1 установлен на опорах 15, на дне моря и открыт снизу.

На фиг. 4 дополнительно обозначено: H_o амплитуда волны; Н_кр высота крышки над уровнем невозмущенной поверхности моря; Р_о атмосферное давление; Р давление воздуха в камере; τ время.

Волновая энергетическая установка работает следующим образом.

При отсутствии волнения уровень воды внутри резервуара 1 в полости 11 и снаружи установки одинаков. Поплавковая крышка 2 плавает в воде, заключенной в полости 11 между стенками 9 и 10 резервуара 1. Дно внутреннего цилиндра 5 при этом находится непосредственно над поверхностью воды внутри резервуара 1 (фиг. 1).

При волнении моря в резервуаре 1 возникают колебания водяного столба, что вызывает периодическое изменение давления воздуха, расположенного между поверхностью воды над водяным столбом и дном 6 поплавковой крышки 2, которое используется для организации воздушного потока в канале 7 для обеспечения вращения воздушной турбины 8 с электрогенератором (фиг. 2, 3).

С возникновением волнения, при прохождении гребня волны (фиг. 2), (точки τ₁, фиг. 4) вода поступает в полость 11 между стенками 9 и 10 резервуара 1 через отверстия с клапанами 12, 13. Вода в полости 11 поднимается до высоты соответствующей амплитуде волны. Поплавковая крышка 2 при этом поднимается (точка τ₂ фиг. 4). При спаде волны (фиг. 3), когда уровень воды снаружи стенки 9 резервуара 1 ниже уровня воды в полости 11, клапаны 12 автоматически закрываются. Клапаны 13 закрываются от датчиков давления 14, когда давление в резервуаре станет равно атмосферному давлению (точки τ₂^I,τ₁, фиг. 4). Уровень воды в резервуаре 1 падает, при этом атмосферный воздух поступает в резервуар 1 через канал 7, вращая турбину 8 с электрогенератором. За счет разрежения в резервуаре 1 крышка 2 при этом притапливается. При достижении минимального уровня воды в резервуаре (точки τ₃,τ₅ фиг. 4) давление воздуха Р в резервуаре начинает расти. Крышка 2 всплывает, компенсируя уменьшение разрежения. Когда давление Р становится равно атмосферному Р_о (точки τ₃^I фиг. 4), клапаны 13 открываются от датчика давления 14. Вода начинает выходить из полости 11. Крышка 2 начинает медленно опускаться, увеличивая давление воздуха в резервуаре 1 дополнительно к увеличению давления из-за подъема уровня воды внутри резервуара 1. Воздух при этом выходит из резервуара 1 через канал 7, приводя в действие турбину 8 с электрогенератором. Когда уровень воды снаружи установки станет выше уровня воды в полости (точки τ₆, τ₄^I, фиг. 4), открываются клапаны 12 и вода поступает в полость 11. При достижении максимума волны давление в резервуаре падает (точка τ₇), крышка опускается, частично компенсируя это падение давления. Если амплитуда волны уменьшается, то при прохождении гребня волны вода внутрь полости 11 поступать не будет. Вода в полости 11 опускается до уровня, соответствующего амплитуде волны, и соответственно до этого уровня опустится и дно 6 крышки 2. При увеличении амплитуды волны дно 6 крышки 2 будет поднято до уровня, соответствующего амплитуде волны благодаря поступлению воды в полость 11 через большую суммарную площадь сечений отверстий 12 и 13. Таким образом, высота дна 6 крышки 2 поддерживается на уровне средней амплитуды волны.

Предложенная установка имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом. На регулирование положения дна крышки не расходуется энергия. Дно крышки устанавливается и поддерживается на высоте вблизи средней амплитуды волны, а не движется вместе с изменением уровня волны, как в прототипе, это позволяет наиболее эффективно использовать воздушный объем резервуара.

Давление, которое может быть получено в резервуаре при закрытом отверстии
P₁= P_o где Р_о начальное давление в камере; Н_кр расстояние от уровня не возмущенной поверхности воды до дна крышки; Н_о амплитуда волны. Видно, что давление тем больше, чем ближе значение Н_о к Н_кр. И, наоборот, разрежение в резервуаре
P₂= P_o Величина его тем меньше, чем ближе значение Н_о к Н_кр. Кроме того, если при незначительном подъеме уровня воды в камере остается свободный воздушный объем, то теряется энергия равная
Е Р_р˙S˙(Н_кр Н_о), где Р_о рабочее давление в камере; S площадь поперечного сечения в камере; Р₁ давление воздуха в камере при подъеме уровня воды; P₂- давление воздуха при падении уровня воды.

Изобретение на волновую энергетическую установку является промышленно применимым, так как может быть использовано для получения энергии в прибрежной зоне морей для энергосбережения удаленных населенных пунктов, морских и береговых производств, автономных объектов в море. Использование волновой энергии позволит покрыть значительную часть энергетических нужд потребителей, экономить топливо. Средний поток волновой возобновляемой энергии составляет, к примеру, в Японском море 36 кВт на метр фронта волны, в Беринговом море 45 кВт/м [4] Реальная мощность, которую можно получить при использовании энергии в прибрежной зоне составляет до 5 кВт на 1 м фронта волны, т. е. до 500 кВт на 100 м.

Техническим преимуществом волновой энергетической установки является возможность установки дна поплавковой камеры на высоте, соответствующей средней амплитуде волнения уровня моря, т.е. регулирование воздушного объема камеры без дополнительных затрат энергии и тем самым повышения КПД преобразования энергии волн.

Работа за время сжатия в первом приближении будет равна
A ΔP_p(H_o-Δh)·S ΔPH1- Δh_o
где ΔР_р оптимальная рабочая разность давлений на пневматической турбине; S площадь поперечного сечения резервуара; h изменение уровня воды в камере, необходимое для достижения рабочей разности давлений, Δ h_o Н_кр Н_о расстояние от крышки до поверхности воды при максимальном подъеме уровня.

Работа за время расширения равна
A ΔP_pSH_o-Δh_o
Из этих выражений видно, что чем больше величина Δ h_o расстояние от дна камеры до максимального уровня воды в камере, тем меньше будет полезная работа.

К примеру, если нерегулируемая камера рассчитана на высоту волн 4 м, а волнение составляет 2 м, тогда при рабочем давлении 0,1 атм потери будут составлять 10% Для воздушной камеры с площадью поперечного сечения 100 м², при волне высотой 2 м и периодом 6 с расчеты определяют мощность 180-200 кВт (1,82-2 кВт/м²) [5] Японская же станция "Каймэй" имеет удельную мощность 2,7 кВт/м² при волне высотой 3 м. Таким образом, потери из-за неэффективной работы установки составляют около 20 кВт.

Использование: в гидроэнергетике. Сущность изобретения: на дне водоема установлен цилиндрический резервуар, сообщенный в нижней части с водоемом. Поплавковая крышка с отсеками плавучести образует с резервуаром полость, подключенную каналом и отверстием, выполненным в центральной части крышки, к воздушной турбине. Электрогенератор соединен с турбиной. В верхней части стенки открытого снизу генератора образована открытая сверху кольцевая полость. Крышка выполнена в виде двух соосных цилиндров, жестко связанных между собой в верхней части. Внутренний цилиндр снабжен дном. Отсеки соединены с наружным цилиндром и размещены с возможностью перемещения в кольцевой полости. Отсеки выполнены с постоянной плавучестью. В боковых стенках кольцевой полости на уровне невозмущенной поверхности воды выполнены отверстия. Суммарная площадь отверстий внутренней стенки меньше, чем суммарная площадь отверстий внешней стенки. 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ВОЛНОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, содержащая установленный на дне водоема цилиндрический резервуар, сообщенный в нижней части с водоемом, и поплавковую крышку с отсеками плавучести, образующую с резервуаром полость, подключенную к воздушной турбине посредством канала и отверстия, выполненного в центральной части крышки, отличающаяся тем, что она снабжена электрогенератором, соединенным с воздушной турбиной, резервуар открыт снизу, в верхней части его стенки образована открытая сверху кольцевая полость, а крышка выполнена в виде двух соосных цилиндров, жестко связанных между собой в верхней части, внутренний цилиндр снабжен дном, а отсеки соединены с наружным цилиндром и размещены с возможностью перемещения в кольцевой полости, при этом отсеки выполнены с постоянной плавучестью, а в боковых стенках кольцевой полости на уровне невозмущенной поверхности воды отверстия, причем суммарная площадь отверстий внутренней стенки меньше, чем суммарная площадь отверстий внешней стенки. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что дно внутреннего цилиндра крышки установлено непосредственно над уровнем невозмущенной поверхности воды. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в отверстиях внешней стенки установлены запорные невозвратные клапаны, открывающиеся внутрь кольцевой полости. 4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в отверстиях внутренней стенки установлены запорные регулируемые клапаны, последние подключены к датчикам давления, размещенным на внутренней стенке.