ВОЛНОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2002 года по МПК F03B13/18 

Изобретение относится к области гидроэнергетики, в частности к установкам, преобразующим энергию волн в полезный вид энергии, улучшая при этом экологию водоема и побережья, предохраняя от разрушающего воздействия прибойных волн.

Известна волновая энергетическая установка, содержащая опору с закрепленным на ней и частично погруженным под уровень воды цилиндром и расположенным внутри него поршнем, кинематически связанным посредством рычага с поплавком, при этом цилиндр выполнен с открытым дном, а в его крышке и в поршне выполнены обратные клапаны, причем первый подключен посредством трубопровода к потребителю, в данном случае к поднятому наверх резервуару, в который при работе установки закачивается морская вода (см. патент США 2436517, МПК 7 F 03 В 13/12, 24.02.1948).

Однако конструкция данной установки не может обеспечить ее надежную работу, так как цилиндр и поршень, то есть ее наиболее важные элементы, находятся в зоне непосредственного воздействия ветровых волн, что особенно опасно во время шторма, причем, если выполнить установку с учетом штормовых нагрузок, то она получится настолько массивной, что не сможет воспринимать энергию волн, наиболее характерных для данной акватории.

Известна также волновая энергетическая установка, содержащая поплавок и полностью погруженный под уровень воды цилиндр с поршнем, при этом цилиндр заякорен у дна водоема и снабжен клапанами и линией нагнетания, подключенной к потребителю энергии, например гидромотору (см. заявку Франции 678551, МПК 7 F 03 В 13/12, 02.04.1930).

Данная установка может работать при более сильных нагрузках волн, но имеет сложную конструкцию, требует установки уплотнений и фильтра, что также снижает надежность ее работы.

Задачей изобретения является создание простой и надежной в работе волновой энергетической установки, способной сохранять свою работоспособность и при штормовых нагрузках без заклинивания поршня в цилиндре.

Указанный технический результат достигается за счет того, что волновая энергетическая установка содержит поплавок и погруженный под уровень воды цилиндр с расположенным внутри него поршнем, выполненными с отрицательной плавучестью, причем поршень снабжен, по меньшей мере, одним обратным клапаном и направляющим периферийным ободом, поплавок связан с поршнем посредством тросовой или жесткой связи, а цилиндр выполнен с открытым дном и крышкой, выступающей по его периметру, в которой выполнено выпускное отверстие с обратным клапаном, подключенным посредством гибкого трубопровода к потребителю, при этом цилиндр размещен с возможностью вертикального перемещения в заякоренном и охватывающем его стержневом корпусе с положительной плавучестью, обеспеченной посредством поплавковой камеры, расположенной в его верхней части, и с обечайкой, прикрепленной к нижним концам стрежней, цилиндр в нижней части снабжен выступами, размещенными над обечайкой между стрежнями корпуса, для предотвращения их относительного вращения, причем положительная плавучесть стрежневого корпуса превышает отрицательную плавучесть цилиндра.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически изображена волновая энергетическая установка при расчетном волнении и ходе поршня вниз, на фиг.2 - положение установки при волнении больше расчетного и ходе поршня вверх, на фиг.3 - сечение А-А на фиг.2.

Волновая энергетическая установка содержит поплавок 1 и погруженный под уровень воды цилиндр 3 с расположенным внутри него поршнем 4, выполненными с отрицательной плавучестью, причем поршень 4 снабжен, по меньшей мере, одним обратным клапаном 5 и направляющим периферийным ободом 6, поплавок 1 связан с поршнем 4 посредством тросовой или жесткой связи 7, а цилиндр 3 выполнен с открытым дном 8 и крышкой 9, выступающей по его периметру, в которой выполнено выпускное отверстие с обратным клапаном 10, подключенным посредством гибкого трубопровода 11 к потребителю, а также в крышке 9 выполнено центральное отверстие с уплотнением для прохода связи 7 (не показано). Цилиндр 3 размещен с возможностью вертикального перемещения в заякоренном и охватывающем его стержневом корпусе 12 с положительной плавучестью, обеспеченной посредством поплавковой камеры 13, расположенной в его верхней части, и с обечайкой 14, прикрепленной к нижним концам стрежней 15, цилиндр 3 в нижней части снабжен выступами 16, размещенными над обечайкой 14 между стрежнями 15 корпуса 12, для предотвращения их относительного вращения, причем положительная плавучесть стрежневого корпуса 12 превышает отрицательную плавучесть цилиндра 3, что не позволяет цилиндру 3 погрузиться на дно вместе с корпусом 12. Поплавок 1 и цилиндр 3 могут быть изготовлены из не подверженного коррозии металла (нержавеющая сталь, алюминиевые или титановые сплавы), а также из пластмассы, керамического материала или стекла, причем поплавок 1 может быть выполнен из пористого материала со сплошным наружным слоем. В верхней части обода 6 поршня 4 выполнен выступающий вовнутрь кольцевой уступ 17, а напротив него к внутренней поверхности крышки 9 цилиндра 3 прикреплен, по меньшей мере, один амортизирующий упругий элемент 18. В нижней части цилиндра 3 выполнена внутренняя заходная фаска 19. Якорная связь стержневого корпуса 12 выполнена посредством, по меньшей мере, трех гибких связей 20, равномерно по окружности прикрепленных к обечайке 14 или непосредственно к стержням 15 и соединенных с единой гибкой связью 21, соединенной с якорем 22, лежащим на дне водоема. Высота цилиндра 3 выбирается равной высоте волн, наиболее характерных для водоема использования (с небольшим запасом), а высота стержневого корпуса 12 выбирается с учетом возможного штормового волнения. Причем цилиндр 3 и корпус 12 при необходимости могут быть связаны между собой посредством телеуправляемых замковых соединений (не показаны), которые при повышении волнения выше расчетного эксплуатационного могут быть разъединены.

Волновая энергетическая установка работает следующим образом.

При отсутствии волнения длиной связи 7 обеспечивается расположение поршня 4 в средней части цилиндра 3. При волнении поплавок 1 приводит в движение поршень 4, который при подъеме поплавка 1 на гребень волны движется вверх и нагнетает воду из надпоршневой полости цилиндра 3 через обратный клапан 10 и гибкий трубопровод 11 к потребителю, в качестве которого может служить любая расположенная наверху емкость, из которой вода может использоваться для непосредственного потребления или поступать на турбину гидроагрегата, вырабатывая электрическую энергию. При движении поплавка 1 и поршня 4 вниз открывается, по меньшей мере, один обратный клапан 5 и вода вновь поступает в надпоршевую полость цилиндра 4, при этом обратный клапан 10 закрыт. Величина отрицательной плавучести поршня 4 и пропускная способность клапана 5 должны обеспечить возврат поршня 4 в нижнее положение в соответствии с характеристикой волны, при этом добиться этого можно, используя жесткую связь 7, что позволит участвовать в данном процессе и силе веса поплавка 1, причем выполнение дна 8 цилиндра 3 открытым способствует скорейшему движению вниз поршня 4, а следовательно, и готовности всей установки к последующему рабочему ходу поршня 4 для нагнетания воды. Выполнение крышки 9, выступающей за периметр цилиндра 3, позволяет увеличить ее гидродинамическое сопротивление, что вместе с отрицательной плавучестью обеспечивает ее неподвижное положение несмотря на увеличение давления в надпоршневой полости цилиндра 3.

При волнении выше расчетного и даже при шторме поршень 4 может воздействовать уступом 17 своего направляющего обода 6 на амортизирующий упругий элемент 18, выполненный, например, в виде резинового кольца, прикрепленного к внутренней поверхности крышки 9, при этом крышка 9 вместе с цилиндром 3 приподнимутся несколько вверх, а стержневой корпус 12 с якорем 22 останутся на своем месте, что исключит аварийную ситуацию. Наличие у цилиндра 3 выступов 16 не позволит ему выйти из внутренней полости стержневого корпуса 12, выполненного по типу "беличьей клетки", так как выступы 16 упрутся в поплавковую камеру 13, которая в месте контакта может быть снабжена дополнительными силовыми элементами. Гибкие связи 20 исключат потерю поршня 4 даже при обрыве связи 7, а наличие у цилиндра 3 заходной фаски 19 обеспечит вхождение без заклинивания поршня 4 внутрь в любой экстремальной ситуации.

Данные волновые энергетические установки можно расположить в шахматном порядке вдоль побережья любого водоема, при этом они помимо выработки полезной энергии предотвратят разрушающее воздействие прибойных волн и обеспечат подъем воды из нижних слоев, куда переместятся более обогащенные кислородом верхние слои, что безусловно скажется на экологии всего побережья.

Установка предназначена для использования в области гидроэнергетики, в частности для преобразования энергии ветровых волн, например, в электрическую. Установка содержит поплавок и погруженный под уровень воды цилиндр с расположенным внутри него поршнем, выполненными с отрицательной плавучестью. Поршень снабжен, по меньшей мере, одним обратным клапаном и направляющим периферийным ободом. Поплавок связан с поршнем посредством тросовой или жесткой связи. Цилиндр выполнен с открытым дном и крышкой, выступающей по его периметру. В крышке выполнено выпускное отверстие с обратным клапаном, подключенным посредством гибкого трубопровода к потребителю. Цилиндр размещен с возможностью вертикального перемещения в заякоренном и охватывающем его стержневом корпусе с положительной плавучестью, обеспеченной посредством поплавковой камеры, расположенной в его верхней части, и с обечайкой, прикрепленной к нижним концам стержней. Цилиндр в нижней части снабжен выступами, размещенными над обечайкой между стержнями корпуса, для предотвращения их относительного вращения. Положительная плавучесть стержневого корпуса выполнена превышающей отрицательную плавучесть цилиндра. Конструкция установки позволяет обеспечить ее надежную работу даже при штормовых нагрузках. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Волновая энергетическая установка, содержащая поплавок и погруженный под уровень воды цилиндр с расположенным внутри него поршнем, выполненными с отрицательной плавучестью, причем поршень снабжен, по меньшей мере, одним обратным клапаном и направляющим периферийным ободом, поплавок связан с поршнем посредством тросовой или жесткой связи, а цилиндр выполнен с открытым дном и крышкой, выступающей по его периметру, в которой выполнено выпускное отверстие с обратным клапаном, подключенным посредством гибкого трубопровода к потребителю, при этом цилиндр размещен с возможностью вертикального перемещения в заякоренном и охватывающем его стержневом корпусе с положительной плавучестью, обеспеченной посредством поплавковой камеры, расположенной в его верхней части, и с обечайкой, прикрепленной к нижним концам стержней, цилиндр в нижней части снабжен выступами, размещенными над обечайкой между стержнями корпуса, для предотвращения их относительного вращения, причем положительная плавучесть стержневого корпуса превышает отрицательную плавучесть цилиндра. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что поплавок и цилиндр изготовлены из керамического материала или стекла, причем поплавок выполнен из пористого материала со сплошным наружным слоем. 3. Установка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что в верхней части обода поршня выполнен выступающий вовнутрь кольцевой уступ, а напротив него к внутренней поверхности крышки цилиндра прикреплен, по меньшей мере, один амортизирующий упругий элемент. 4. Установка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что в нижней части цилиндра выполнена внутренняя заходная фаска.