ВОЛНОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F03B13/12 

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к волновым электростанциям.

Известна волновая энергетическая установка, содержащая плавучую платформу, электрогенератор и лопастной ротор с вертикальной осью вращения, при этом платформа выполнена в виде оболочки с волноприемными отверстиями, размещенной вокруг ротора по его периферии (патент США N 4152895, МКИ F 03 B 13/12, 1979 г.).

Недостатком этой волновой энергетической установки является использование только потенциальной энергии волн, а также импульсный режим работы, вызванный, как правило, разрывом струи в шахте, диаметр которой не регулируется в зависимости от параметров волны. К конструктивным недостаткам относится сложность изготовления сферической оболочки и обеспечение ее герметичности, размещение вала турбины, опорной части и самой турбины в шахте, заполненной водой, что исключает возможность ее осмотра и обслуживания.

Известна также конструкция волновой энергетической установки, содержащей платформу с регулируемой плавучестью. На платформе закреплены электрогенератор и ротор с лопастями, имеющий вертикальную ось вращения, при этом ротор связан с валом электрогенератора, а его лопасти выполнены с возможностью вращения ротора под действием волн в одном направлении (патент Великобритании N 2081388, МКИ F 03 B 13/12, 1982 г.).

Недостатком конструкции этой волновой энергетической установки являются постоянные поворотные движения лопасти, что усложняет конструкцию узла вращения лопасти. В указанной конструкции необходимы расход энергии волнового потока на вращение лопасти для установки ее в рабочее положение. Только после предварительных затрат волновой энергии на установку лопастей в рабочее положение воздействие волнового потока на лопасть является полезным и служит для перемещения рабочего колеса. Конструктивным недостатком является также сложность в достижении равномерного натяжения тросов, фиксирующих опорные кольца при разной длине тросов, а также неравномерность их удлинения при переменных нагрузках, что может изменить воздействие потока на лопасть при совпадении импульса растяжения троса с движением потока при воздействии его на лопасть.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой конструкции волновой энергетической установки является волновая энергетическая установка, содержащая плавучую платформу, закрепленные на ней электрогенераторы и ротор с вертикальной осью вращения, включающий опору и кольцевой несущий элемент с закрепленными на нем рабочими лопастями (а.с. СССР N 1346845, МКИ F 03 B 13/12, 1987, авторы В.М. Ляхтер, И.С.Ковалев и С. М. Скосарева).

Недостатком конструкции данной волновой энергетической установки является невозможность использования энергии вертикальных и других потоков волны. Полезное воздействие горизонтальных потоков производится только на ту часть лопастей, которая размещена своей передней кромкой по нормали к потоку. Происходит постоянное возникновение тормозящих усилий при воздействии разнонаправленных волновых потоков на лопасти. К конструктивным недостаткам относятся невозможность концентрации энергии волновых потоков, а также ненадежность узла передачи вращения ротора через ролики к валу за счет трения и возможности их проскальзывания, а также размещение генератора вблизи волновой поверхности.

Технической задачей изобретения является усовершенствование волновой энергетической установки, в которой обеспечивается наиболее полное использование воздействия на рабочие лопасти вертикальных потоков и отраженных волн, исключение возникновения тормозящих усилий при воздействии разнонаправленных волновых потоков на лопасти, за счет чего увеличивается энергетическая мощность установки.

Технический результат решается тем, что в известном устройстве волновой энергетической установки, содержащем плавучую платформу, закрепленные на ней электрогенераторы и ротор с вертикальной осью вращения, включающий опору и кольцевой несущий элемент с закрепленными на нем рабочими лопастями, согласно изобретению, платформу выполняют с регулируемой плавучестью в виде оболочки, размещенной вокруг кольцевого несущего элемента по его периферии и снабженной сквозными волноприемными отверстиями, перекрываемыми затворами, опору ротора выполняют в виде жестко связанного с несущим элементом диска, установленного посредством катков на круговой направляющей, закрепленной в верхней части оболочки, при этом закрепленные на несущем элементе рабочие лопасти выполняют в виде кольцевых желобов, ориентированных выпуклыми поверхностями в одном направлении.

Кроме того, оболочку платформы выполняют в виде открытого сверху цилиндрического стакана с днищем, снабженным водонаполняемой полостью.

Кроме того, затворы снабжают приводом с возможностью независимого перекрытия сквозных волноприемых отверстий и выполняют в виде шандор и заслонок.

Кроме того, кольцевой несущий элемент выполняют в виде полого тора, а рабочие лопасти в виде кольцевых желобов, связанных с кольцевым несущим элементом полыми радиальными спицами, при этом внутренние полости тора и спиц выполняют с возможностью их заполнения водой.

Также несущий элемент связывают с опорным диском посредством ферм, круговую направляющую выполняют в виде рельса, а диск связывают с валами электрогенераторов посредством круговой зубчатой рейки, закрепленной на диске, и зубчатых колес, размещенных на валах электрогенераторов.

Кроме того, фигура, образованная огибающей кольцевого желоба и его хордой, имеет форму симметричного сегмента, центры желобов лежат на оси тора, а их хорды вертикальны.

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение, не выявлены в других аналогичных технических решениях при изучении данной и смежных областей техники и, следовательно, обеспечивают, по мнению заявителя, устройству соответствие критерию "новизна".

Сопоставительный анализ заявляемого устройства в отношении совокупности его существенных признаков с прототипом показывает, что в устройстве волновой энергетической установки новым является конструкция платформы в виде кольцевой оболочки с волноприемными отверстиями и ее размещение вокруг ротора, форма лопастей в виде кольцевых желобов, схема передачи крутящего момента валам электрогенераторов, возможность изменения положения платформы относительно фронта волны, а также наличие затвора.

Таким образом, заявляемое устройство волновой энергетической установки соответствует критерию "изобретательский уровень".

Выполнение платформы в виде оболочки с регулируемой плавучестью и снабженной перекрываемыми волноприемными отверстиями позволяет закрепить платформу так, чтобы горизонтальная ось несущего элемента совпадала со средней волновой линией при открытых отверстиях. При этом проходящие через эти отверстия волновые потоки любой направленности взаимодействуют с рабочими лопастями, создавая аэродинамические силы, направленные всегда в сторону выпуклости лопасти. Таким образом решается задача использования энергии волн любой направленности с наибольшей эффективностью.

Для вторичного прохождения через лопасти уже отраженной волны закрывают отверстия, противоположные входу волны в установку. Выполнение лопастей в виде кольцевых желобов, ориентированных выпуклыми поверхностями в одном направлении, увеличивает площадь взаимодействия с ними волнового потока любой направленности и исключает возможность возникновения тормозящих усилий. Кроме того, выполнение спиц, связывающих лопасти с несущим элементом, и самого несущего элемента полыми и водонаполняемыми позволяет увеличивать массу ротора за счет наполнения водой полости его вала кольцевого несущего элемента. Это приводит к улучшению равномерности вращения ротора.

На фиг. 1 дан поперечный разрез по оси волновой энергетической установки, на фиг. 2 разрез по 1-1, на фиг. 3 узел А, на фиг. 4 разрез по 2-2.

Волновая энергетическая установка представляет собой плавучую платформу, выполненную как оболочка 1 в виде открытого сверху цилиндрического стакана с днищем 2, снабженным полостью 3, выполненной с возможностью наполнения водой. Оболочка 1 снабжена волноприемными отверстиями в виде сквозных прорезей 4 в ее боковых стенках с образованием участков между прорезями стоек 5 с опорными площадками 6 в верхней части, на которых размещены электрогенераторы 7. Прорези 4 перекрыты шандорами 8 и заслонками 9, регулируемыми приводами 10, которые размещены на площадках 6.

Ротор волновой энергетической установки включает опору, выполненную в виде диска 11, установленного посредством катка 12 на круговой направляющей в виде рельса 13, расположенной на опорных площадках 6 оболочки 1. Диск 11 посредством фермы 14 жестко соединен с кольцевым несущим элементом 15, выполняющим роль вала ротора, на котором закреплены рабочие лопасти 16. Кольцевой несущий элемент 15 выполнен в виде полого тора, а рабочие лопасти 16 в виде кольцевых желобов с выпуклыми поверхностями, ориентированными в одном направлении и связанными с полым тором полыми радиальными спицами 17. При этом внутренние полости тора и спиц выполнены с возможностью их заполнения водой.

Диск 11 связан с валами электрогенераторов 7 посредством круговой зубчатой рейки 18, закрепленной на диске 11, и зубчатых колес 19, размещенных на валах электрогенераторов 7.

Работа установка осуществляется следующим образом.

Платформа с закрытыми шандорами 8 и заслонками 9 транспортируется на плаву к месту установки. При заполнении водой полости 3 в днище 2 платформы она устанавливается на грунт или закрывается на якорях таким образом, чтобы горизонтальная ось кольцевого несущего элемента 15 совпадала со средней волновой линией при открытых шандорах 8 и заслонках 9 со стороны движения волны. При прохождении волны через волноприемные отверстия прорези 4 волновые потоки взаимодействуют с рабочими лопастями 16 так, что имеющие любое направление движения волновые потоки обтекают лопасти 16, создавая при этом аэродинамические силы, направленные в сторону выпуклости лопасти, что приводит к движению несущего элемента 15, выполняющего роль вала ротора энергоустановки. Через формы 14 движение вала передается диску 11, который посредством катков 12 совершает движение по круговой направляющей рельсу 13. Через зубчатые рейки 18 и зубчатые колеса 19 во вращательное движение приводятся валы электрогенераторов 7.

Для увеличения массы ротора полости его вала кольцевого несущего элемента 15 и спиц 17, связывающих его с лопастями 16, заполняют водой. Это позволяет использовать увеличение массы в качестве маховика для улучшения равномерности вращения ротора.

При прохождении волны через установку противоположные входу волны затворы могут быть закрыты, что позволяет вторично уже отраженной волне пройти через лопасти 16 вала ротора.

Использование: изобретение относится к гидроэнергетике и может использоваться при создании волновых электростанций. Сущность изобретения: плавучая платформа, выполненная как оболочка 1 в виде открытого сверху цилиндрического стакана с днищем 2, снабженным полостью 3, выполненной с возможностью наполнения водой. Оболочка 1 снабжена волноприемными отверстиями в виде сквозных прорезей 4 в ее боковых стенках с образованием участков между прорезями стоек 5 с опорными площадками 6 в верхней части, на которых размещены электрогенераторы 7. Прорези 4 перекрыты шандорами 8 и заслонками 9, регулируемыми приводами 10, которые размещены на площадках 6. Ротор волновой энергической установки включает опору, выполненную в виде диска 11, установленного посредством катков 12 на круговой направляющей в виде рельса 13, расположенной на опорных площадках 6 оболочки 2. Диск 11 посредством фермы 14 жестко соединен с кольцевым несущим элементом 15, выполняющим роль вала ротора, на котором закреплены рабочие лопасти 16. Кольцевой несущий элемент 15 выполнен в виде полого тора, а рабочие лопасти 16 в виде кольцевых желобов с выпуклыми поверхностями, ориентированными в одном направлении и связанными с полым тором полыми радиальными спицами 17. При этом внутренние полости тора и спиц выполнены с возможностью заполнения их водой. Диск 11 связан с валами электрогенераторов 7 посредством круговой зубчатой рейки 18, закрепленной на диске 11, и зубчатых колес 19, размещенных на валках электрогенераторов 7. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Волновая энергетическая установка, содержащая плавучую платформу, закрепленные на ней электрогенераторы и ротор с вертикальной осью вращения, опору и кольцевой несущий элемент с закрепленными на нем рабочими лопостями, отличающаяся тем, что платформа выполнена с регулируемой плавучестью в виде оболочки, размещенной вокруг кольцевого несущего элемента по его периферии и снабженной сквозными волноприемными отверстиями, перекрываемыми затворы, опора ротора выполнена в виде жестко связанного с несущим элементом диска, установленного посредством катков направляющей, закрепленной в верхней части оболочки, при этом закрепленные на несущем элементе рабочие лопасти выполнены в виде кольцевых желобов, ориентированных выпуклыми поверхностями в одном направлении. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что оболочка платформы выполнена в виде открытого сверху цилиндрического стакана с днищем, снабженным водонаполняемой полостью. 3. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что затворы снабжены приводом с возможностью независимого перекрытия сквозных волноприемных отверстий и выполены в виде шандор и заслонок. 4. Установка по пп.1 3, отличающаяся тем, что кольцевой несущий элемент выполнен в виде полого тора, а рабочие лопасти в виде кольцевых желобов, связанных с кольцевым несущим элементом полыми радиальными спицами, при этом внутренние полости тора и спиц выполнены с возможностью их заполнения водой. 5. Установка по пп.1 4, отличающаяся тем, что несущий элемент связан с опорным диском посредством ферм, круговая направляющая выполнена в виде рельса, а диск связан с валами электрогенераторов посредством круговой зубчатой рейки, закрепленной на диске, и зубчатых колес, размещенных на валах электрогенераторов. 6. Установка по пп. 4 и 5, отличающаяся тем, что фигура, образованная огибающей кольцевого желоба и его хордой, имеет форму симметричного сегмента, центры желобов лежат на оси полого тора, а их хорды вертикальны.