ВОЛНОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1996 года по МПК F03B13/18 

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано при утилизации энергии ветровых волн.

Известны волновые энергетические установки, содержащие ориентированные вдоль фронта волны закрепленные с возможностью полнооборотного вращения роторы, ось вращения которых расположена выше уровня воды так, что их нижние края погружены в воду /а.с. СССР NN 1105683; 1208298; 1247578; 1249191; патент Великобритании N 2110763; патенты США NN 4369374; 4495424/.

Недостатком данных конструкций является их низкая эффективность. По мере прохождения волны через нижнюю часть ротора частицы воды, движущиеся последовательно по орбитальным траекториям, постоянно изменяют направление своего движения и только один раз в каждой волне их направление движения полностью совпадает с направлением движения опущенной в воду нижней части ротора. Все остальное время направление движения частиц воды не совпадает с направлением движения нижней части ротора и создает сопротивление его вращению.

Другим недостатком данных конструкций является их незащищенность по отношению к штормовому волнению. Части роторов, расположенные как выше, так и ниже уровня воды в экстремальных условиях будут целиком подвержены мощным ударам волн. Ограждения, которые могут быть установлены для защиты роторов требуют слишком больших капитальных затрат.

Известны также волновые энергетические установки, содержащие поплавки, выполненные в форме цилиндрической спирали, расположенной поперек волнового фронта /а. с. СССР N 901608; патент Франции N 2505937; патенты США NN 4384212; 4443708/.

Недостатками этих волновых энергетических установок является громоздкость и сложность конструкции, низкая эффективность и незащищенность при штормовом волнении. Для работы этих установок шаг винтовой спирали должен совпадать с длиной волны. Поэтому требуются сложные механизмы регулировки шага. Поплавок в форме цилиндрической спирали использует только движение поверхностных слоев воды, при этом энергия, отбираемая от волн, лимитируется соотношением сил веса и плавучести, действующих на различные части спирального поплавка. В случае штормового волнения спиральный поплавок имеет слишком большое гидравлическое сопротивление и оказывается подверженным разрушительным нагрузкам.

Наиболее близкой к заявляемой конструкции является волновая энергетическая установка, содержащая ориентированный вдоль фронта волны закрепленный ниже уровня воды с возможностью полнооборотного вращения рабочий элемент, выполненный в виде ротора с несколькими симметрично расположенными лопатками /патент Великобритании N 2119449/.

Недостатком данной волновой энергетической установки является низкая эффективность. Частицы воды в волне совершают последовательное орбитальное вращение по орбитам разного уменьшающегося с глубиной диаметра. Однако их векторы мгновенных скоростей в поперечном сечении волны не образуют замкнутых траекторий, как это бывает, например, в водовороте. Поэтому ротор с несколькими симметрично расположенными лопатками будет испытывать в каждый момент времени противоположные вращательные моменты от различных лопаток. При этом вращение ротора может осуществляться только за счет разности диаметров орбитального вращения частиц воды, что малоэффективно. Другим недостатком данной конструкции является большое лобовое сопротивление, необтекаемая форма ротора, что является причиной высоких нагрузок при штормовом волнении.

Морские ветровые волны представляют собой один из наиболее привлекательных и неисчерпаемых потенциальных экологически чистых источников энергии. Однако утилизация этой энергии связана с необходимостью решения нескольких инженерных задач. Устройства, воспринимающие энергию волн, должны иметь возможно более простую и надежную конструкцию, чтобы их можно было с минимальными затратами монтировать и эксплуатировать, быть достаточно эффективными, чтобы получаемая энергия имела приемлемую цену и должны быть устойчивы в экстремальных условиях штормового волнения.

Для достижения данного технического результата волновая энергетическая установка содержит ориентированный вдоль фронта волны установленный ниже уровня воды с возможностью полнооборотного вращения рабочий элемент, выполненный в виде лопасти обтекаемой формы, ось вращения которой лежит в ее плоскости за ее пределами со стороны ее передней кромки.

Благодаря такой конструкции лопасть в каждый момент прохождения волны стремится занять положение с минимальным гидравлическим сопротивлением и поэтому совершает полнооборотное вращение вслед за орбитальным вращением частиц воды. Величина отбираемой мощности зависит от нагрузки на лопасти, создаваемой, например электрогенератором, и определяется величиной отставания вращения лопасти от орбитального вращения частиц воды. Чем больше полезная нагрузка, тем больше величина отставания и тем больший угол между плоскостью лопасти и направлением движения набегающих частиц воды, а значит больше величина крутящего момента на оси вращения лопасти. Таким образом, устройство имеет простую конструкцию и обеспечивает эффективное использование энергии волн на протяжении всего цикла орбитального вращения частиц воды при прохождении волны. В условиях штормового волнения мощность волн значительно превышает среднее значение, необходимое для работы установки, поэтому лопасть будет иметь минимальное отставание от орбитального вращения частиц воды и занимать во всякий момент времени положение, соответствующее минимальному гидравлическому сопротивлению. Благодаря этому конструкции устройства будут пропускать сквозь себя штормовые волны, испытывая минимальные нагрузки.

Эффективность волновой энергетической установки повышается также благодаря тому, что лопасть имеет нулевую плавучесть, то есть имеет среднюю плотность, равную плотности окружающей воды. Это позволяет исключить влияние силы тяжести лопасти на работу установки, повысить плавность вращения и уменьшить сопротивление штормовым волнам.

На фигуре 1 изображена волновая энергетическая установка.

На фигуре 2 то же, поперечный разрез.

На фигуре 3 изображены планы мгновенных скоростей частиц воды в поперечном сечении волны и положения лопасти волновой энергетической установки в различных стадиях прохождения волны при незначительном превышении мощности волнения над энергетической мощностью волновой установки.

На фигуре 4 то же, при значительном превышении мощности волнения над энергетической мощностью волновой установки.

Волновая энергетическая установка /фиг. 1 и 2 / имеет корпус 1, расположенный над уровнем воды водоема и опирающийся пустотелыми стойками 2 на дно. Она содержит ориентированный вдоль фронта волны, установленный ниже уровня воды с возможностью полнооборотного вращения рабочий элемент в виде лопасти обтекаемой формы 3. Лопасть имеет на торцах боковины выполненные в форме кривошипов 4, валы которых 5 имеют общую геометрическую ось, расположенную в плоскости лопасти за ее пределами со стороны передней кромки 6. Валы кривошипов установлены в подшипниках в пустотелых стойках 2, внутри которых расположены зубчато-ременные передачи 7. Нижние шкивы 8 зубчато-ременных передач закреплены на валах 5 кривошипов, а верхние шкивы 9 - на выходном валу 10 установки, расположенном в ее корпусе 1.

Лопасть 3 обладает нулевой плавучестью, то есть имеет среднюю плотность, равную плотности окружающей воды.

Свойство нулевой плавучести исключает влияние сил гравитации при взаимодействии лопасти с движущимися частицами воды во время прохождения волны /фиг. 3 и 4/. Вслед за изменением направления движущихся по орбитальным траекториям частиц воды лопасть 3 совершает полнооборотное вращение относительно оси валов 5 и передает крутящий момент через зубчато-ременные передачи 7 на выходной вал 10 установки. Применение синхронно-работающих двух зубчато-ременных передач сокращает скручивающие нагрузки на лопасти. Лопасть имеет обтекаемую форму и создает тем меньшее сопротивление движущимся частицам воды, чем более мощность волнения превышает энергетическую мощность установки. Если мощность волнения меньше энергетической мощности установки, тогда лопасть будет оставаться неподвижной или будет совершать колебательные движения, создавая переменное сопротивление движению волны, изменяющееся в зависимости от стадии ее прохождения. Если мощность волнения незначительно превысит энергетическую мощность установки, тогда лопасть начнет совершать полнооборотное вращение, занимая почти перпендикулярное положение к векторам мгновенных скоростей частиц воды в волне, создавая тем самым максимальное гидравлическое сопротивление и убирая большую часть энергии волны /фиг. 3/. Если же мощность волнения значительно превысит энергетическую мощность установки /например в условиях шторма/, тогда для осуществления вращения лопасти будет достаточно небольшой части энергии волны и лопасть будет занимать в каждый момент времени положение, почти соответствующее направлению векторов мгновенных скоростей частиц воды в волне /фиг. 4/, и будет иметь минимальное гидравлическое сопротивление.

Таким образом, волновая энергетическая установка будет работать в оптимальном режиме во всем диапазоне мощности волнения, начиная от минимальной величины, соответствующей энергетической мощности установки до штормового волнения.

Минимальное гидравлическое сопротивление лопасти во время штормового волнения уменьшает до минимума нагрузки, испытываемые установкой в экстремальных условиях. Пустотелые стойки 2 корпуса 1 установки, опирающиеся на дно, также имеют небольшое миделево сечение и не испытывают критических нагрузок от штормовых волн. ЫЫЫ2

Сущность изобретения: рабочий элемент ориентирован вдоль фронта волны и установлен ниже уровня воды с возможностью полнооборотного вращения. Элемент выполнен в виде лопасти обтекаемой формы, ось вращения которой лежит в ее полости за пределами со стороны передней кромки. Лопасть выполнена с нулевой плавучестью. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Волновая энергетическая установка, содержащая ориентированный вдоль фронта волны и установленный ниже уровня воды с возможностью полнооборотного вращения рабочий элемент, отличающаяся тем, что рабочий элемент выполнен в виде лопасти обтекаемой формы, ось вращения которой лежит в ее плоскости за пределами со стороны передней кромки. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что лопасть выполнена с нулевой плавучестью.