УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВОЛН Российский патент 1999 года по МПК F03B13/18 

Изобретение относится к гидравлическим двигателям, использующим перемещение элемента, приводимого в действие энергией волн, преимущественно морских, относительно другого элемента, который по меньшей мере в одном месте неподвижно прикреплен ко дну моря или берегу. Оно может использоваться для привода машин, например, электрического генератора.

Известны заякоренные устройства по преобразованию энергии волн, представляющие собой колеблющиеся и вращающиеся тела (Мак-Кормик М. Преобразование энергии волн /Пер. с англ. - М.: Энергоиздат, 1985 с. 66-72). К ним относятся:
1. Плоты Хагена-Коккереля в виде цепочки трехсекционных понтонов, принимающей очертания поверхности моря. Их секции скреплены шарнирно и в каждой из них находятся шатуны и рычаги, соединенные с поршнями внутри гидравлических цилиндров. Движение плота заставляет поршни перекачивать жидкость, которая попадает под высоким давлением в трубопровод к гидромотору, приводящему в движение электрогенератор.

2. Утки Солтера в виде качающихся поплавков, соединенных гибким валом, которые преобразуют энергию волны в механическую энергию вращения насоса внутри вала. Насос выталкивает жидкость, заставляя ее циркулировать и вращать турбинку, которая установлена между утками.

3. Осциллирующие водные столбы в виде плавающих вертикально труб, полностью открытых снизу и имеющих отверстие сверху. Волны, двигаясь внутри трубы, попеременно всасывают и выталкивают воздух, а воздушный поток приводит в движение воздушную турбинку, вращающую электрогенератор.

Существенные признаки указанных аналогов, общие с заявленным устройством - соединение с грунтом.

Причины, препятствующие достижению приведенными аналогами требуемого технического результата: низкий коэффициент полезного действия (КПД) вследствие малой инерции, которая не компенсирует нерегулярность волн. Кроме того, жесткие требования к заякорению этих устройств и высокая его стоимость делают их невыгодными. Для уток к тому же трудно изготовить достаточно прочный гибкий соединительный вал, который работает одновременно на изгиб и разрыв.

Известен преобразователь энергии волн в прибрежной зоне (в выше указанной книге с. 78-83), так называемый выпрямитель Рассела или Гис-выпрямитель. Он представляет собой шлюз из панелей с рядами отверстий. Вода с гребней волн поступает через эти отверстия во внутренний бассейн, поднимает в нем уровень и из него через турбину стекает в море.

Существенные признаки аналога Гис-выпрямителя, общие с заявляемыми устройством - шлюз, внутренний бассейн.

Причина, препятствующая достижению этим устройством требуемого технического результата - неэффективность работы при улавливании малых волн и как следствие низкий КПД.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является преобразователь энергии больших волн (в той же книге с. 58-59). Он состоит из дефлектора (стенки-отражателя волн), штока, поршня с возвратной пружиной, цилиндра и генератора. При этом всасываемая и выталкиваемая жидкость приводит во вращение гидромотор, а от него электрогенератор.

Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством - дефлектор, цилиндр, поршень, трубопроводы.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата - низкий КПД, так как устройство улавливает только большие волны и обладает малой инерционностью, которая не компенсирует нерегулярность волн.

Задачей изобретения является утилизация энергии волн различной амплитуды и интенсивности следования за счет преобразования потенциальной и кинетической энергии волны в потенциальную энергию нерасходуемого рабочего тела.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение коэффициента полезного действия устройства для преобразования энергии волн, снижение капитальных затрат на сооружение устройства, обеспечение защиты берега от эрозии.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для преобразования энергии волн поршни гидроцилиндров снабжены ограничителями хода и резервуарами с подвижной стенкой, которые имеют воздушный клапан и соединены друг с другом гибким трубопроводом, дефлектор выполнен в виде жалюзи, поворотный механизм которых соединен гибкой связью с противовесом, установленным в верхней части резервуара, воздушный клапан имеет рычаг открытия, а гидроцилиндры соединены друг с другом трубопроводом.

Совокупность подвижной стенки и воздушного клапана резервуара обеспечивает возможность взаимодействия устройства с волнами различной амплитуды и интенсивности следования, при этом нивелирование их нерегулярности по частоте и амплитуде осуществляется объемом резервуара, который уменьшается при накате волны на подвижную стенку, выталкивая из резервуара воздух. Воздушный клапан препятствует поступлению воздуха обратно в резервуар, и новая величина объема резервуара фиксируется атмосферным давлением. В резервуаре происходит поднятие уровня рабочего тела (жидкости), что соответствует преобразованию кинетической и потенциальной энергии волн в только потенциальную. Разница в уровнях между резервуарами вызывает перетекание жидкости по закону сообщающихся сосудов, что нарушает равновесие в гидроцилиндрах, и поршни приходят в движение, ускоряя перетекание жидкости из одного резервуара в другой по гибкому трубопроводу, в котором установлена турбина для отбора энергии. С помощью дефлекторов, играющих роль золотникового механизма, осуществляется периодизация описанного процесса. Ввиду отсутствия контакта рабочего тела с внешней средой оно не расходуется.

Дополнительные новые признаки изобретения: поршни снабжены резервуарами с воздушным клапаном и подвижной стенкой и ограничителями их хода, дефлекторы выполнены в виде жалюзи, которые через рейку соединены гибкой связью с противовесом, установленным в верхней части резервуара, и снабжены защелками, резервуары соединены гибким трубопроводом.

Заявляемое устройство изображено на фиг. 1. На фиг. 2 устройство показано в одном из крайних положений. На фиг. 3 устройство показано в плане береговой полосы (схематично).

Оно состоит из гидроцилиндров 1 и 2, соединенных трубопроводом 3, поршней 4 и 5 с ограничителями хода 6 и 7, имеющих резервуары 8 и 9 с подвижными стенками 10 и 11 и воздушными клапанами 12 и 13, соединенные гибким трубопроводом 14. Поршни с резервуарами отгорожены друг от друга перегородкой 15 и от моря дефлекторами 16 и 17, жалюзи которых приводятся в движение рейками 18 и 19, соединенные гибкой связью 20 и 21 с противовесами 22 и 23, установленными в верхней части резервуаров 8 и 9 соответственно. Воздушные клапаны 12 и 13 имеют рычаги открытия 24 и 25, взаимодействующие с упорами 26 и 27 соответственно. В разрыве гибкого трубопровода 14 для отбора мощности установлена турбина 28. Рейки 18 и 19 снабжены защелками 29 и 30 для фиксации дефлекторов в закрытом положении. Резервуары и гидроцилиндры заполнены жидкостью 31, например водой.

Заявляемое устройство работает следующим образом. В исходном положении, например, поршень 4 (фиг. 1) находится в крайнем верхнем положении. При этом противовес 22 опирается на стенку резервуара 8, позволяя через гибкую связь 20 рейке 18 под действием собственного веса спуститься и зафиксировать защелкой 29. Жалюзи дефлектора 16 закрыты и изолируют подвижную стенку 10 резервуара 8 от воздействия волн. Рычаг 24 упирается в упор 26 и воздушный клапан 12 открыт. Пространство резервуара 8 сообщается с атмосферой. Подвижная стенка 10 находится в крайнем левом положении. Поршень 5 находится в крайнем нижнем положении, опираясь ограничителем хода 7 на торец гидроцилиндра 2 и одновременно удерживая защелку 30 от взаимодействия с рейкой 19, которая под действием противовеса 23 открывает дефлектор 17. Подвижная стенка 11 резервуара 9 находится в крайнем правом положении и доступна воздействию волны. Воздушный клапан 13 закрыт. Резервуар 9 максимально заполнен жидкостью.

Приходящая волна через открытый дефлектор 17 давит на подвижную стенку 11, перемещает ее, тем самым уменьшая объем резервуара 9 и вызывая подъем уровня жидкости. Вытесняемый из резервуара 9 воздух выходит через клапан 13 в атмосферу, и сила атмосферного давления препятствует возврату подвижной стенки в исходное положение отката волны, фиксируя величину кинетической и потенциальной энергии волны в потенциальной энергии жидкости в резервуаре 9. Нарушение равновесия жидкости в резервуарах 8 и 9 вызывает перетекание жидкости из резервуара 9 в резервуар 8 по гибкому трубопроводу 14, обеспечивая вращение турбины 28. Это приводит к нарушению равновесия в гидроцилиндрах 1 и 2, и поршень 4 начинает двигаться вниз, а поршень 5 - вверх. Это, в свою очередь, еще больше нарушает равновесие жидкости в резервуарах 8 и 9. Одновременно атмосферное давление воздействует на подвижную стенку 11, перемещает ее по мере перетекания жидкости, поддерживая первоначальный градиент потенциальной энергии между жидкостью в резервуарах 8 и 9. Повторно приходящие волны независимо от амплитуды и частоты следования только усиливают эффект. Происходит "опрокидывание" устройства, и поршень 5 занимает верхнее положение, а поршень 4 - нижнее. При этом гибкая связь 21 позволяет рейке 19 опуститься, зафиксироваться на защелку 30 и закрыть дефлектор 17. Рычаг 25 открывает воздушный клапан 13, подвижная стенка отходит вправо. Поршень 4 достигает крайней нижней точки, освобождает ограничителем хода защелку 29, и противовес 22 открывает дефлектор 16. Устройство приняло положение, противоположное исходному, и готово к повторению цикла. Для начального пуска устройства сбрасывают вручную какую-либо из защелок 29 и 30.

На фиг. 3 направление потока волн показано стрелками. Перегородка 15 (фиг. 1) образует в действительности конструктивный модуль устройства, который может стать основой для построения, например, причальных сооружений или системы сооружений берегоукрепления. Как видно из фиг. 3, дефлекторы 16 и 17 ориентированы в сторону моря и перекрывают доступ волнам к резервуарам 8 и 9 устройства. Фиг. 3 показывает, что устройство может быть смонтировано на берегу, а затем просто установлено на предварительно подготовленную фундаментную плиту из блоков или монолитного железобетона.

КПД устройства повышается за счет возможности преобразования энергии волн или потока воды в широком диапазоне их интенсивности и амплитуды (напора), при этом устройство взаимодействует со всей массой движущейся воды, а не только с частью (гребни, приливный поток и т.п.).

Для сооружения устройства нет необходимости выноса работ в открытое водное пространство, одновременно устройство защищает часть береговой полосы от воздействия волн или размыва потоком воды, что обуславливает его экологические свойства.

Волногасящее действие волноэнергетических установок у побережья повышает экологическую чистоту прибрежной зоны и сохранность берега, что особенно важно при осуществлении берегозащитных мероприятий. Мощность потока волновой энергии у побережья Черного и Азовского морей составляет от 4 до 32 кВт/м при высотах волн от 0,5 до 1,8 м, что позволяет получать ориентировочно до 11 млрд. кВт-ч электроэнергии в год, т.е. столько же, сколько дают все гидроэлектростанции Украины. Это количество энергии оценивается в 440 млн. долларов США (Голос Украины, 15 сентября 1993 г., стр. 6).

Изобретение предназначено для преобразования энергии волн в механическую энергию для привода машин, например, электрического генератора. Устройство содержит два поршневых цилиндра, два дефлектора и трубопроводы. При этом поршни гидроцилиндров снабжены ограничителями хода и резервуарами с подвижной стенкой, а также воздушным клапаном с рычагом его открытия и соединены друг с другом гибким трубопроводом. В проточной части последнего для отбора мощности установлена турбина. Каждый дефлектор выполнен в виде жалюзи, поворотный механизм которых соединен гибкой связью с противовесом, установленным в верхней части соответствующего резервуара. Конструкция устройства позволяет повысить его КПД и обеспечить защиту берега от разрушения. 3 ил.

Устройство для преобразования энергии волн, содержащее гидроцилиндр, поршень, дефлектор и трубопроводы, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит второй гидроцилиндр, поршень и дефлектор, при этом поршни гидроцилиндров снабжены ограничителями хода и резервуарами с подвижной стенкой, а также воздушным клапаном с рычагом его открытия и соединены друг с другом гибким трубопроводом, а каждый дефлектор выполнен в виде жалюзи, поворотный механизм которых соединен гибкой связью с противовесом, установленным в верхней части соответствующего резервуара.