ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2000 года по МПК F03B13/14 

Изобретение относится к области устройства волновых генераторов в энергетике, а именно к установкам, способным преобразовывать энергию волн морей и океанов в электрическую.

Известна конструкция волновой электростанции /см. патент Великобритании N 2225811, обеспечивающая преобразование колебательного движения волн моря в механическую, а механическую для привода насоса или электрогенератора.

Основным существенным недостатком известной конструкции является низкий коэффициент использования энергии морских волн /менее 50%/, так как не преобразуется в электрическую энергия кинетической составляющей от полной энергии плоской волны. Кроме того, известная конструкция имеет небольшие геометрические размеры и мощность, привязана к берегу и использует частично энергию лишь прибрежных ослабленных волн.

Известны и другие конструкции, преобразующие энергию движущихся волн, например, в энергию сжатого воздуха в цилиндре, который движет колесо турбины /работы по испытанию моделей электростанций ведутся в Японии, Англии, США и др. странах/.

Однако наиболее близким, принимаемым заявителем за прототип заявляемого технического решения, является вышеуказанный аналог, в котором так же как и в заявляемом энергия движущихся волн сначала преобразуется в механическую, а последняя в электрическую,
Цель изобретения - повышение коэффициента использования энергии движущихся волн и получение больших мощностей от волновой энергии,
Поставленная цель достигается в изобретении путем преобразования двух видов волновой энергии: потенциальной, зависящей от отклонения частиц воды в волне от равновесного положения /уровня спокойного моря/ и кинетической, представляющей собой энергию орбитального движения частиц воды.

Преобразование этих двух видов энергии в механическую, а последней - в электрическую происходит за счет шарнирной установки в носовой части передних плавающих секций поворотных от набегающих волн затворов с противовесами, обеспечивающими их обратный ход, разделенных друг от друга перегородками. При этом каждый затвор шарнирно скреплен с шатунами, которые шарнирно соединены со штоками, выполненными на их противоположных сторонах в виде реек с ведущими шестернями на осях, передающими вращение через обгонную муфту на редуктор и генератор.

Кроме того, поставленная цель достигается за счет того, что каждая секция имеет шарнирно укрепленные шатуны, снабженные на одном конце ползунами, скользящими в направляющих, укрепленных на борту противоположной секции, другие концы шатунов шарнирно скреплены с осью, жестко установленной на борту другой секции параллельно первой.

Плавающие секции снабжены опускаемыми в воду поворотными щитами.

Указанная выше совокупность существенных признаков, необходима и достаточна для реализации поставленной цели.

Каждая из указанных существенных признаков самостоятельно влияет на решении поставленной изобретением задачи.

Приведенная выше совокупность существенных признаков нова и не известна ни из практики по использованию энергетических установок аналогичного типа, ни из патентно-технической литературы. Совершенно оправдан, с учетом вышеизложенного, вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Возможность неоднократного воспроизводства изобретения с учетом приведенных новых существенных признаков с реализацией поставленной цели делает обоснованным заключение о наличии и соответствии заявленного технического решения критерию "промышленная применимость.

Изложенная сущность изобретения поясняется чертежом, где
на фиг. 1 изображена волновая электростанция - вид сверху;
на фиг. 2 показан продольный, разрез по передней и средней секциям;
на фиг. 3 приведен продольный разрез по концевой плавающей секции;
на фиг. 4 показан общий вид механизмов привода электрогенератора;
на фиг. 5 вид сверху на носовую часть передней - плавающей секции со снятой палубой и вид сверху на палубу следующей секции;
на фиг. 6 приведен частично механизм привода генератора - шатун, шток выполненный на противоположном конце в виде рейки, направляющая и ведущие шестерни - вид сбоку с разрезом по направляющей;
на фиг. 7 приведен вид сверху на механизм привода генератора;
на фиг. 8 изображен вид на борт плавающей секции с шатуном, ползуном и направляющей, шарниром.

Волновая электростанция состоит из ряда плавающих секций 1, 2, 3, 5 скрепленных между собой на шарнирах 4 с горизонтальными осями. В свою очередь эти секции, установленные параллельно друг другу, соединяются по бортам между собой с помощью шатунов и ползунов 6, расположенных на заданном расстоянии по борту друг от друга.

В передней части носовых секций 1 на шарнирах 7 установлены затворы 8, разделенные в плане друг от друга перегородками 9. Каждый затвор шарнирно скреплен с шатуном 10, который в свою очередь шарнирно соединен со штоком 11, выполненным на противоположной стороне в виде рейки 12.

Сверху рейки установлены на своих осях шестерни 13, соединенные с обгонными муфтами 15 роликового типа.

В свою очередь муфта 15 соединена с шестерней 17, а обгонная муфта 16 механизма преобразования потенциальной энергии волн - с шестерней 18.

В этом устройстве шестерня 17 большого диаметра соединена с малой шестерней 19 редуктора 20 и через остальные шестерни редуктора, повышающие число оборотов, соединяются с электрогенератором 21, вырабатывающим ток за счет кинетической энергии движущихся волн.

Механизм преобразования потенциальной энергии движущихся волн заключается в использовании вертикальных возвратно-поступательных движений качающихся на волнах плавающих секций.

Механизм приводится в движение с помощью шатунов 23 и штоков 22, шарнирно скрепленных между собой и с упорами-косынками 24. Штоки скользят в упорных подшипниках 25 за счет передачи на них усилий от шатунов 23 при вертикальных возвратно-поступательных движениях, вокруг шарниров 4, плавающих секций 1, 2, 3, 5. Ввод в механизм дополнительной шестерни 14 обеспечивает использование энергии волн на гребнях и их впадинах, с передачей вращения на обгонные муфты 15, 16, редуктор 20 и электрогенератор 21. Перегородки 26 герметически разделяют передние плавающие секции, поз.1.

Бортовые шарнирные связи между секциями 1, 2, 3, 5 выполняются с шатунами 27, шарнирно укрепленными с ползунами 6, скользящими в трубчатых направляющих 28. При этом другой конец шатуна 27 шарнирно скреплен с осью 29, жестко установленной на борту другой секции параллельно первой.

Автономная силовая установка /не показанная на чертеже/ приводит во вращение винт 30, заключенный в кожух 31; противовес 32 на затворе 8 служит для возврата его в исходное положение. Позиция 33 - положение штока затвора, когда он полностью вдвигается в корпус секции 1 при повороте затвора 8 от набегающей волны.

Опускаемые в воду поворотные щиты - поз. 34.

Волновая электростанция работает следующим образом:
при волнении на море все судно станции с помощью винтов 30 и автономной силовой установки разворачивается и становится навстречу движущимся волнам.

Набегающие на судно волны первоначально ударяются в поворотные затворы 8, которые приходят в движение и поворачиваются на шарнирах 7 с передачей усилия на шатуны 10, штоки 11, и через рейки 12 - на ведущие шестерни 13, которые приводят во вращение обгонные муфты 15, редукторы 20 и электрогенераторы 21.

Обратный ход затворов 8 осуществляется за счет противовесов 32 с поворотом затворов в первоначальное положение, без передачи усилия на генераторы 21, которые работают в это время за счет инерции вращающихся масс якорей электрогенераторов.

В этот период работы поворотных затворов обгонные муфты 15 обеспечивают передачу крутящего момента только в одном направлении, что и создает условия для нормальной работы электрогенератора и передающих усилия механизмов.

Волнение на море, распространяясь дальше параллельно фронту волн, поднимает и опускает на своих гребнях и впадинах секции 1, 2, 3, 5, которые с помощью шатунов 23 толкают штоки 22, приводящие в движение своими противоположными концами, выполненными в виде реек 12, ведущие шестерни 13 и 14, которые в свою очередь приводят в движение редукторы 20 и генераторы 21.

И здесь обгонные муфты 15 и 16 обеспечивают периодическую передачу крутящего момента только в одном направлении, создавая условия для непрерывного вращения электрогенератора.

При этом во время движения шатунов 23 в корпуса секций 1-3, 5 шестерня 14 не передает вращение на редуктор, так как ее обгонная роликовая муфта пробуксовывает и не работает.

Во время обратного хода штоков отключаются обгонные муфты 15, а муфта 16 включается и передает вращение через шестерню 14 шестерням 18 и 19, приводящим во вращение редуктор 20 и генератор 21, который вращается непрерывно.

Поворотные затворы 8 во время работы скользят под палубами плавающих секций 1, причем под действием ударов движущихся волн станция начнет смещаться по ветру.

Поэтому в целях удержания ее в заданном районе плавающие секции снабжены поворотными щитами 34, а также автономными силовыми установками с винтами 30, которые совместно снижают скорость дрейфа станции, причем силовая установка включается периодически и одновременно служит для перемещения волновой электростанции в нужный район океанов и морей.

На небольшой глубине станция устанавливается на якорях.

Из гидродинамической теории следует, что как в мелком, так и в глубоком море кинетическая и потенциальная энергии, приходящиеся на единицу площади поверхности волны в среднем за период равны а полная энергия будет равна
В плоской волне энергия, приходящаяся на участок, имеющий ширину B и длину, равную длине волны λ, будет определяться формулой ,
где ρ - плотность кг/м³, q - ускорение свободного падения м/с², h - высота волны, м. Следует подчеркнуть, тот факт, что энергия волны пропорциональна квадрату ее высоты, т.е., например, вдвое более высокая волна обладает /при равенстве остальных параметров/ вчетверо большей энергией. /см. Ю.И. Шамраев и др. "Океанология", Гидрометеоиздат. Ленинград, 1980 г., стр. 157-161. 182-184/.

Технико-экономическая часть.

1. Снабжение волновой электростанции, в ее передних плавающих секциях, поворотными от набегающих волн затворами с противовесами обеспечивает возможность использования кинетической энергии волн, представляющей собой энергию орбитального движения частиц воды и равную в среднем равную 50% от общей /полной/ энергии движущихся волн.

В то же время при волнении на море осуществляется на станции использование и потенциальной энергии волн за счет вертикальных возвратно-поступательных движений, качающихся на волнах плавающих секций станции, также равной а полная энергия будет равна С учетом механического КПД η_м в механизмах привода электрогенератора и КПД генератора η_г, также учитывая КПД преобразования η_в кинетической и потенциальной энергии волн в полезную работу на поворотных затворах и качающихся плавающих секциях, общий КПД η_э и полная энергия на клеммах электрогенераторах будет равна:

Использование двух видов энергии движущихся волн обеспечивает 2-х кратное повышение коэффициента использования энергии вол η_в, по сравнению с известными волновыми станциями и 2-х кратное увеличение мощности волновой электростанции.

2. Размещение плавающих секций станции, шарнирно соединенных между собой друг за другом, а также параллельно между собой с образованием плавающего судна в виде диска, обеспечивает создание станции большой мощности и остойчивости, а также надежности в эксплуатации.

Так при диаметре плавающего судна станции D=300 м, длине волн λ = 300 м, энергия, генерируемая станцией на этом участке движущихся волн, будет определяться формулой

3. Наличие силовой и движительной установок на станции обеспечивает возможность автономного плавания в любых широтах морей и океанов, что создает условия для генерирования энергии наиболее мощных волн в тех районах, где они наиболее интенсивны, с получением наибольшей мощности волновой электростанции, а вместе с тем и достижением наиболее низкой стоимости киловатт-часа электрической энергии на клеммах генераторов.

5. Вышеуказанные возможности волновой электростанции позволяют использовать ее по нескольким назначениям:
- в качестве плавучего химико-технологического завода с получением на нем, путем электролиза морской воды, различных веществ, материалов и полуфабрикатов, в частности: газообразного и жидкого водорода и кислорода для работы двигателей морских судов и авиации, работающих в районе действия станции;
- получения хлоридов, сульфатов, карбонатов для дальнейшей переработки их с получением металлов и др. элементов с целью использования в химической промышленности на суше, а также в качестве топлива;
-получения микроэлементов - растворенных веществ в воде /цинка, золота, никеля, фтора и др./;
- получения пресной воды для снабжения ею судов и стран, нуждающихся в пресной воде;
- для зарядки аккумуляторных батарей с целью использования их на морских надводных и подводных судах, а также на суше /транспорт электрической энергии/;
- получения химических удобрений;
- обеспечения электроэнергией морских буровых установок;
- в качестве электрической станции, обеспечивающей энергией прибрежные населенные пункты с закреплением одной или нескольких волновых электростанций якорными устройствами.

Иными словами волновые электростанции могут использоваться: или в качестве плавучих химико-технологических предприятий, или в качестве электрических станций с передачей электроэнергии по подводным силовым кабелям.

Использование: для преобразования энергии движущихся волн морей и океанов в электрическую. Технический результат заключается в повышении коэффициента использования энергии движущихся волн и мощности волновой электростанции. На шарнирно скрепленных между собой передних плавающих секциях в носовой части шарнирно установлены поворотные от набегающих волн затворы с противовесами, обеспечивающими их обратный ход, разделенные друг от друга перегородками. Каждый затвор шарнирно скреплен с шатунами, которые шарнирно соединены со штоками, выполненными на их противоположных сторонах в виде реек с ведущими шестернями на осях, передающими вращение через обгонную муфту на редуктор и генератор. Каждая секция имеет шарнирно укрепленные шатуны, снабженные на одном конце ползунами, скользящими в направляющих, укрепленных на борту противоположной секции. Другие концы шатунов шарнирно скреплены с осью, жестко установленной на борту другой секции параллельно первой. Плавающие секции снабжены опускаемыми в воду поворотными щитами. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Волновая электростанция, содержащая плавающие секции, шарнирно скрепленные между собой, отличающаяся тем, что на передних плавающих секциях в носовой части шарнирно установлены поворотные от набегающих волн затворы с противовесами, обеспечивающими их обратный ход, разделенные друг от друга перегородками, при этом каждый затвор шарнирно скреплен с шатунами, которые шарнирно соединены со штоками, выполненными на их противоположных сторонах в виде реек с ведущими шестернями на осях, передающими вращение через обгонную муфту на редуктор и генератор. 2. Волновая электростанция по п.1, отличающаяся тем, что каждая секция имеет шарнирно укрепленные шатуны, снабженные на одном конце ползунами, скользящими в направляющих, укрепленных на борту противоположной секции, другие концы шатунов шарнирно скреплены с осью, жестко установленной на борту другой секции параллельно первой. 3. Волновая электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что плавающие секции снабжены спускаемыми в воду поворотными щитами.