ПРИЛИВНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F03B13/18 F03B13/26 

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано в приливных энергетических установках и в волновых энергетических установках.

Известно устройство [1] для использования энергии приливов и отливов, содержащее установленный на дне водоема резервуар с поплавковой крышкой, сообщенный в нижней части при помощи запорного клапана с водоемом. Крышка снабжена отсеками с регулируемой плавучестью, расположенными вокруг резервуара и имеющими запорные клапаны и насосы. Устройство также содержит воздушную турбину и запорные клапаны для переключения потоков воздуха.

Недостатками этого устройства являются: неравномерный режим работы турбины, низкое давление воздуха, подаваемого на турбину, необходимость затраты энергии для работы насосов. Это снижает эффективность преобразования энергии приливов или волн.

Наиболее близким по техническому назначению является приливная энергетическая установка [2] Установка состоит из вертикального цилиндра, укрепленного на морском дне, поплавка, резервуара для сжатого воздуха, турбин и соединительных трубопроводов. Внутри цилиндра расположен поршень, выше и ниже которого находятся воздушные камеры повышенного давления. Поршень посредством штока соединен с поплавком, находящимся на поверхности моря. При подъеме уровня моря поплавок поднимает поршень, и сжатый воздух поступает из верхней камеры в резервуар и далее к турбинам. При снижении уровня воздух вытесняется из нижней камеры и через резервуар подается к турбинам.

Недостатком этой установки является то, что из-за изменения разности давлений между воздушными камерами повышенного давления в цилиндре и резервуаром для сжатия воздуха эффективность установки. Это происходит потому, что давление в резервуаре, который является аккумулятором сжатого воздуха для работы турбины, поддерживается постоянным или колеблется в небольших пределах, а давление в камерах сжатия (камерах повышенного давления) может быть существенно больше. Поэтому газ при перетекании из камер сжатия в резервуар-аккумулятор дросселируется, что приводит к потерям энергии [3] [4] вследствие чего работоспособность газа понижается, и снижается его полезная работа в воздушной турбине. При больших перепадах давления между камерой сжатия и резервуаром теряется часть внутренней энергии газа при его дросселировании в резервуар. Разность давлений в главном рабочем цилиндре и резервуаре существует в установке потому, что давление в резервуаре-аккумуляторе должно быть примерно постоянным и оно несколько ниже, чем давление сжатого воздуха в рабочем цилиндре. А при падении давления в камере сжатия ниже давления в резервуаре теряется остаток сжатого воздуха.

В основу технического решения поставлена задача обеспечения устойчивой и равномерной работы воздушной турбины путем уменьшения разности давлений между камерой сжатия и резервуаром.

Поставленная задача решается тем, что в приливной энергетической установке, содержащей укрепленный на морском дне вертикальный полый цилиндр с поршнем, выше и ниже которого образованы воздушные камеры повышенного давления, подключенные к воздухозабору, поплавок, связанным с поршнем посредством штока, резервуар для сжатого воздуха, турбину и соединительные трубопроводы, верхняя и нижняя воздушные камеры повышенного давления цилиндра снабжены буферными камерами, размещенными вне цилиндра и соединенные с ним посредством каналов, причем канал верхней буферной камеры выведен в пространство между крышкой цилиндра и верхним крайним положением поршня, а канал нижней буферной камеры выведен в пространство между дном цилиндра и нижним крайним положением поршня.

В каждой буферной камере установлен поршень, подпружиненный в сторону канала.

Предлагаемое устройство отличается от прототипа тем, что каждая воздушная камера повышенного давления вертикального полого цилиндра снабжена буферной камерой, которая связана посредством канала с цилиндром. Причем в каждой буферной камере установлен поршень, подпружиненный в сторону канала, соединяющего цилиндр с буферной камерой и имеющий уплотнительные кольца.

Дополнительное снабжение камер повышенного давления буферными камерами с подпружиненными поршнями позволяет снижать потери энергии, сглаживать пики давления в камере, вследствие особенностей изменения положения поплавка и поддерживать равномерный режим работы турбины.

Данная совокупность существенных признаков заявляемого изобретения обладает новизной и имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом. А именно, равномерность работы воздушной турбины, уменьшение потерь энергии (и работоспособности) воздуха при дросселировании на пути от камер сжатия до резервуара, увеличение продолжительности работы турбины из-за наличия буферных камер, запасающих энергию, и тем самым повышается эффективность работы установки в целом.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематически изображена приливная энергетическая установка. Приливная энергетическая установка содержит: вертикальный полый цилиндр 1, резервуар 2 для сжатого воздуха, турбину 3, поршень 4, соединенный с поплавком 5. Поршень 4 образует внутри цилиндра 1 воздушные камеры повышенного давления 6 и 7, причем к ним присоединены буферные камеры 8 и 9 с подпружиненными поршнями 10 и 11. Камеры 6 и 7 соединены с атмосферой через воздухозабор 12, при помощи трубопроводов, снабженных клапанами 13 и 14. Поршни 10 и 11 подпружинены пружинами 15. Воздушные камеры 6 и 7 повышенного давления соединены с резервуаром 2 сжатого воздуха посредством трубопроводов 16 и 17, снабженных клапанами 18 и 19. Каждая буферная камера снабжена устройством 20 для регулирования натяжения пружины 15. Цилиндр 1 приливной энергетической установки размещен на грунте 21.

Приливная энергетическая установка работает следующим образом.

При подъеме уровня воды (при приливе) поплавок 5 поднимает поршень 4 и сжимает воздух в воздушной камере 6 цилиндра 1, а свободный поршень 10 движется в буферной камере 8 и сжимает в ней воздух и пружину 15. Таким образом, в буферной камере 8 запасается энергия как в виде энергии сжатого воздуха, так и в виде энергии сжатой пружины 15. При этом клапан 19 открыт на трубопроводе 17, клапан 18 на трубопроводе 16 закрыт. Воздух поступает в резервуар сжатого воздуха 2, а оттуда на турбину 3. В камере 7 создается разрежение, поэтому в буферной камере 9 поршень 15 движется вправо, создавая в камере 9 также разрежение. Вследствие разрежения в камере повышенного давления 7 открывается клапан 14, клапан 13 закрыт. Воздух от воздухозабора 12 через клапан 14 поступает в камеру 7. Когда высота прилива приближается к максимуму, скорость движения поршня 4 понижается до нуля, давление в камере 6 начинает понижаться. Когда давление в буферной камере 8, складывающееся из давления сжатого воздуха на поршень и давления на поршень сжатой пружины 15 станет больше, чем давление на поршень со стороны камеры 6, сжатый воздух в буферной камере 8 расширяется, толкая вместе с пружиной 15 поршень 10 вправо, это обеспечивает дополнительную подачу воздуха. Наличие буферной камеры 8 с поршнем 10 и пружиной 15 и движение поршня 10 вначале влево, а потом вправо обеспечивает следующее, движение поршня 10 влево позволяет устранить возможность повышения давления воздуха в камере 6, которое существенно выше давления чем в резервуаре 2. Следовательно, позволяет устранить потери на дросселирование при перетекании воздуха из камеры 6 в резервуар 2. Однако энергия сжатия воздуха рабочим поршнем 4 в камере 6 при этом не теряется, а запасается, как указано выше, с помощью буферной камеры 8 с поршнем и пружиной. В то же время при достижении рабочим поршнем 4 крайнего верхнего положения его движение замедляется, а работа сжатия поэтому уменьшается. В этот период при движении поршня 10 вправо обеспечивается возврат энергии, запасенной в буферной камере 8 воздуху в камере 6, который перетекает в резервуар 2 и продлевает работу турбины 3 при рабочем давлении воздуха в резервуаре 2.

При начале отлива клапаны 14 и 19 закрываются. Поршень 4 опускается вниз из-за опускания поплавка 5 вместе с уровнем моря. Давление воздуха в камере 7 растет, когда оно станет выше, чем давление в резервуаре 2 открывается клапан 18, вследствие чего воздух поступает в резервуар 2. В камере 6 создается разрежение, открывается клапан 13 и через воздухозабор 12 воздух поступает из атмосферы. В буферной камере 9 поршень 11 движется влево и воздух и пружина 15 сжимается, а в буферной камере 8 поршень движется вправо, воздух расширяется. Пружины 15 отрегулированы так, что, например, когда при движении поршня 4 вниз давление воздуха в камере 7 повышается, поршень 11 сдерживается пружиной 15 в неизменном положении, пока давление в камере 7 не станет равным (или немного большим) давлению в резервуаре 2. С этого момента небольшое повышение давления в камере 7 приводит: во-первых, к перетеканию сжатого воздуха в резервуар, а, во-вторых, к перемещению поршня 11 влево, что приводит к сжатию пружины и к сжатию воздуха в полости буферной камеры 9 слева от поршня. Таким образом, при дальнейшем движении поршня 4 вниз сжатый воздух перетекает в резервуар 2 при малой разности давлений в камере 7 и в резервуаре, что соответствует минимальным потерям на дросселирование. При движении поршня 4 к своему нижнему положению, скорость движения его замедляется (до нуля), и некоторое время поршень находится в нижнем положении. Это происходит вследствие особенностей колебания уровня моря при приливах и отливах. Именно в этот период освобождается энергия в буферной камере 9, как м ранее в камере 8 при этом поршень 11 перемещается вправо, сжимает воздух в камере 9 и нагнетает его в резервуаре 2. Устройство 20 позволяет регулировать натяжение пружины 15 в зависимости от условий работы приливной энергетической установки.

Предложенная установка имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом. Благодаря наличию буферных камер происходит сглаживание пиков давления в камере повышенного давления. Перетекание воздуха в резервуар для сжатого воздуха будет производиться в режиме ближе к равновесному. Уменьшаются потери на дросселирование воздуха. Увеличивается длительность работы воздушной турбины при рабочем давлении в резервуаре сжатого воздуха. Увеличивается количество полезной работы установки. Благодаря этому повышается эффективность работы приливной энергетической установки.

Источники информации.

1. А.С. N 1341372, МКИ F 03 B 13/12, "Устройство для использования энергии приливов и отливов".

2. Заявка ДЕ 3720872AI ФРГ, МКИ4, F 03 B 13 /26 N P 3720872.1; Заявл. 24.06.87; опубликов. 05.01.89 г.

3. Кириллин В. А. Сычев В.В. Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. Изд. 4-ое. М. Энергоатомиздат, 1983 г. стр. 203-212.

4. Бахмачевский Б.И. Зах.Р.Г. Лызо Г.П. и др. Теплотехника. М. ГНТИЛЧЦМ, 1963, стр. 144-162.

Использование: к гидроэнергетике, в частности в приливных и волновых энергетических установках. Сущность изобретения: установка содержит вертикальный полый цилиндр 1, резервуар 2 для сжатого воздуха, турбину 3, поршень 4, соединенный с поплавком 5. Поршень 4 образует внутри цилиндра 1 воздушные камеры повышенного давления 6 и 7. Причем к ним присоединены буферные камеры 8 и 9 с подпружиненными поршнями 10 и 11. Камеры 6 и 7 соединены с атмосферой через воздухозабор 12, при помощи трубопроводов, снабженных клапанами 13 и 14. Поршни 10 и 11 подпружинены пружинами 15. Воздушные камеры 6 и 7 повышенного давления соединены с резервуаром 2 сжатого воздуха посредством трубопроводов 16 и 17, снабженных клапанами 18 и 19. Каждая буферная камера снабжена устройством 20 для регулирования натяжения пружины 15. Цилиндр 1 приливной энергетической установки размещен на грунте 21. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Приливная энергетическая установка, содержащая укрепленный на морском дне вертикальный полый цилиндр с поршнем, выше и ниже которого в цилиндре образованы воздушные камеры повышенного давления, подключенные к воздухозабору, поплавок, связанный с поршнем посредством штока, резервуар для сжатого воздуха, турбину и соединительные трубопроводы, отличающаяся тем, что верхняя и нижняя воздушные камеры повышенного давления цилиндра снабжены буферными камерами, размещенными вне цилиндра и соединенные с ним посредством каналов, причем канал верхней буферной камеры выведен в пространство между крышкой цилиндра и верхним крайним положением поршня, а канал нижней буферной камеры выведен в пространство между дном цилиндра и нижним крайним положением поршня. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в каждой буферной камере установлен поршень, подпружиненный в сторону канала.