ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК E02B9/08 

Изобретение относится к преобразователям энергии морских волн в электрическую энергию. Вырабатывая электрическую энергию, устройство может выполнять и функцию волнолома для защиты берегов или акватории порта от воздействия морских волн.

Известно большое количество установок, в которых энергия морских волн трансформируется в энергию воздушного потока, который в свою очередь можно использовать для привода пневматического турбогенератора.

К таким преобразователям относится “Пневмобуй Масуды”, Япония [1]. Устройство содержит корпус, выполненный в виде открытой снизу трубы, вертикально погруженный в воду. В средней части корпуса размещена воздушная камера, а выше последней - отсек, оборудованный пневматической турбиной, кинематически связанной с ротором электрического генератора. Отсек сообщается с внешней атмосферой и воздушной камерой через пневматические клапаны, выполненные в его стенках. Пневматические клапаны выпрямляют переменное движение воздуха в поток с односторонним движением и тем самым обеспечивают постоянство направления вращения пневматической турбины. Пневматические клапаны также демпфируют колебания водяного столба в корпусе и позволяют частично подстраивать устройство под частоту волн. Для обеспечения постоянства скорости вращения пневматической турбины могут быть использованы системы регулирования угла атаки лопаток турбины, управляемые микропроцессором. При прохождении морских поверхностных волн столб воды в корпусе колеблется и действует как жидкий поршень в цилиндре, соответственно, всасывает атмосферный воздух внутрь воздушной камеры или вытесняет из воздушной камеры в атмосферу. Воздушный поток приводит в движение пневматическую турбину и связанный с ней электрический генератор, а последний начинает вырабатывать электрический ток.

Недостатком известного устройства является низкая эффективность, связанная с тем, что на всасывание и вытеснение воздуха использована незначительная часть статического давления, образованного проходящей волной.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является “Осциллирующий водный столб”, Великобритания [2]. В сравнении с первым аналогом устройство имеет более высокую эффективность, так как на всасывание и вытеснение воздуха использует не только часть энергии статического давления волны, но и ее скоростной напор, действующий в придонном течении. От своего предшественника устройство отличается тем, что отверстие для входа волн внутрь корпуса (сокращенно - волноприемное отверстие) расположено в боковой стенке корпуса, повернутой навстречу набегающей волне. Данные установки могут быть размещены в глубоководной зоне и закреплены якорями в виде гигантского морского буя. Во втором энергетическом эшелоне установки закреплены жестко, непосредственно на морском дне в относительно мелководной прибрежной зоне. Корпус устройства выполнен из армированного бетона и своими размерами напоминает многоэтажный дом, а цепочка таких установок - стенку гавани.

К основным недостаткам известного устройства относятся: все еще низкая эффективность и низкая надежность корпуса, особенно его стенки, повернутой навстречу набегающей волне. А совокупность этих недостатков ограничивает возможность более широкого использования корпуса в качестве, например, волнолома для защиты берегов или акватории порта от воздействия волн.

Для доказательства этих недостатков необходимо рассмотреть устройство в работе и, хотя бы в грубой форме, определить непроизводительные потери волновой энергии. Для этого представим волну, набегающую на несжимаемую, неперфорированную и вертикально установленную стенку. Набегая на такую стенку, скорость волны, практически мгновенно, падает до нуля и изменяется на обратную, а от стенки начинают отражаться волны и волновая энергия. В этот же момент образуется так называемая стоячая волна с почти удвоенной высотой, увеличенными волновым давлением и скоростями придонного течения. За счет созданного волной повышенного давления вода начинает поступать внутрь корпуса через волноприемное отверстие, и этому будет способствовать возросший скоростной напор придонного течения. Однако волноприемное отверстие расположено ниже впадины, образованной между гребнями двух наиболее высоких волн, действующих в данной акватории. На такой глубине скоростной напор волны невелик и стремится к нулю. Основная же часть волновой энергии действует выше волноприемного отверстия, где бесполезно рассеивается в виде удара и последующего отражения от стенки корпуса. При этом передняя стенка корпуса подвергается значительным по мощности ударным нагрузкам, которые снижают ее надежность или диктуют повышение материалоемкости устройства, что в свою очередь повышает себестоимость единицы конечного продукта. Корпуса известных установок, соединенных последовательно, своими размерами напоминают стенку гавани. Поэтому было бы заманчиво объединить в одно целое функции электрической станции и внешнего волнолома для защиты акватории порта от воздействия волн. Однако низкая эффективность устройства и низкая надежность корпуса ограничивают эту возможность.

Целью настоящего изобретения являются повышение эффективности и надежности устройства в эксплуатации, а также расширение его функциональных возможностей путем более широкого использования в качестве волнолома.

Поставленная цель достигаема тем, что в стенках корпуса, а именно, в зонах вероятного удара волн, выполнены отверстия, причем внутри корпуса каждое отверстие заканчивается гидравлическим затвором в виде V-образного желоба или патрубка.

Новым в изобретении являются отверстия, выполненные в стенках корпуса на уровне действия поверхностных волн, и гидравлические затворы, выполненные в виде V-образных желобов или патрубков. А наличие в устройстве новых элементов и совокупность их взаимодействия позволяют сделать вывод, что предлагаемое устройство отвечает изобретательскому критерию “Новизна”.

На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство, где: корпус 1 жестко закреплен на морском дне в относительно мелководной зоне. В нижней части стенки 2, повернутой навстречу набегающей волне 3, выполнено волноприемное отверстие 4. Внутренняя поверхность задней стенки 5 выполнена с уклоном в сторону набегающей волны 3 для снижения мощности волнового удара и упрощения очистки корпуса от твердых включений, например, морского мусора. В средней части корпуса 1 размещена воздушная камера 6, которая сообщается с атмосферой через пневматические клапаны 7, 8 и воздуховод 9. Воздуховод 9 оборудован пневматической турбиной 10, связанной с электрическим генератором 11. В стенке 2 выполнены отверстия 12, которые внутри корпуса 1 заканчиваются гидравлическими затворами в виде V-образных желобов или патрубков 13. V-образные патрубки 13 оборудованы известными средствами для их периодической очистки от твердых включений (последние на чертеже не показаны). Сплошными стрелками показано движение воды и воздуха в момент набегания волны, а пунктирными - в момент ее спада.

Устройство работает следующим образом: даже при незначительном волнении моря волна 3 бьет в стенку 2 и через отверстия 12 заполняет водой V-образные патрубки 13. А вышерасположенные V-образные патрубки 13 постепенно заполняются оседающей после удара водяной пылью. Заполненный водой V-образный патрубок 13 начинает выполнять функцию гидравлического затвора. Последний относительно свободно пропускает морскую воду внутрь воздушной камеры 6 и препятствует движению воздуха в обратном направлении. При следующем набегании волны 3 с внешней стороны корпуса 1 повышается уровень и давление воды. Под действием давления и повышенного скоростного напора в придонном течении волна 3 поступает внутрь корпуса 1 через волноприемное отверстие 4. Данная волна 3 не совершает в корпусе 1 разрушительного удара, так как значительная часть ее кинетической энергии рассеивается на компрессию воздуха и перестройку профиля в момент подъема вверх по наклонной стенке 5. В этот же промежуток времени поверхностная волна 3 поступает внутрь воздушной камеры 6 через отверстие 12 и V-образные патрубки 13, а ее интенсивному поступлению способствует более мощный скоростной напор, действующий в горизонтальной плоскости. При этом компактная волна 3 дробится на большое количество более мелких потоков, которые преодолевают гидравлическое сопротивление V-образных патрубков 13, переливаются через их края во внутрь воздушной камеры 6, где полностью и без гидравлического удара рассеивают свою энергию. В корпусе 1 увеличивается уровень воды, который может в два раза превышать высоту набегающей волны 3, это, в основном, зависит от подбора гидравлического сопротивления стенки 2 и коэффициента отражения волн от ее поверхности. Столб воды в корпусе 1 сжимает воздух, расположенный над его поверхностью, при этом открываются пневматические клапаны 8, и поток воздуха выходит в атмосферу через воздуховод 9. В воздуховоде 9 поток воздуха приводит в движение пневматическую турбину 10 и связанный с ней электрический генератор 11. В момент спада волны 3, уровень воды с внешней стороны корпуса 1 начинает снижаться, а вода выходить из корпуса 1 в море через волноприемное отверстие 4. В этот момент давление воздуха в корпусе 1 снижается, закрываются пневматические клапаны 8 и открываются пневматические клапаны 7. Под действием созданного перепада давлений атмосферный воздух врывается в полость воздушной камеры 6 через воздуховод 9. В воздуховоде 9 поток воздуха оказывает динамическое давление на лопатки пневматической турбины 10 в том же первоначальном направлении. В дальнейшем описанный цикл будет повторяться, пневматическая турбина 10 будет вращать ротор электрического генератора 11, а последний вырабатывать электрический ток, который можно подать потребителям по морскому кабелю.

Технико-экономическая эффективность устройства

Перфорированная стенка корпуса как бы дробит мощную компактную волну на большое количество более мелких потоков, которые относительно свободно проходят внутрь воздушной камеры через отверстия и V-образные патрубки. В результате этого снижается волновое давление на переднюю стенку и соответственно этому снижается коэффициент отражения волн и волновой энергии от ее поверхности. Отдельные потоки воды все еще обладают значительной кинетической энергией, однако, последняя полностью рассеивается на гидравлических сопротивлениях V-образных патрубков, переливаясь через их края и на создание компрессии внутри воздушной камеры. При набегании волны не только с внешней стороны корпуса, но и внутри его, образуется подобие стоячей волны, а ее высота может в два раза превышать высоту приходящей - основной волны. При такой амплитуде колебаний уровня воды в корпусе, значительно увеличится эффективность устройства. Корпус устройства может быть выполнен из армированного бетона, закреплен якорями в виде гигантского морского буя или жестко непосредственно на морском дне в относительно мелководной зоне. Форма корпуса может быть прямоугольной, треугольной с уклоном перфорированной стенки в сторону набегающей волны и в виде полусферы. Перфорированная стенка корпуса может быть выполнена из эластичного материала, например, из армированной нейлоном резины, соответствующей прочности на разрыв. Применение эластичной стенки дополнительно снизит коэффициент отражения волн и увеличит эффективность устройства. Например, деформируясь под натиском волн, упругая стенка сама будет вытеснять воздух из воздушной камеры в атмосферу, а распрямляясь, будет способствовать всасыванию воздуха внутрь воздушной камеры.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что предлагаемое устройство имеет высокую эффективность, надежность в эксплуатации и более широкие возможности его использования в других гидротехнических сооружениях, например, волноломах.

Источники информации

1. Аналог в книге В.А.Коробкова “Преобразование энергии океана”, стр. 149-150, рис.6, 10. “Пневмобуй Масуды”, Япония, Ленинград, “Судостроение”, 1986 г.

2. Прототип в книге Д.Росса “Энергия волн”, стр. 90-99, рис. на стр. 96. “Осциллирующий водный столб”, Великобритания, Ленинград, Гидрометиоиздат, 1981 г.

3. Аналог в книге П.С.Никерова и П.И.Яковлева “Морские порты”, стр. 325-327, рис.5.22 на стр. 326. “Перфорированный волнолом”, Москва, “Транспорт”, 1987 г.

Изобретение относится к преобразователям энергии морских волн в электрическую энергию, устройство также может выполнять функцию волнолома. Пневматический преобразователь содержит корпус с турбогенератором и волноприемным отверстием в нижней части боковой стенки, повернутой навстречу набегающей волне. В стенках корпуса в зонах вероятного удара волн выполнены отверстия. Внутри корпуса отверстия заканчиваются гидравлическими затворами в виде V-образных желобов или патрубков. В результате повышается эффективность выработки энергии, надежность устройства, появляется возможность применения преобразователя в качестве волнолома. 1 ил.

Пневматический преобразователь, содержащий корпус с турбогенератором и волноприемным отверстием в нижней части боковой стенки, повернутой навстречу набегающей волне, отличающийся тем, что в стенках корпуса, а именно в зонах вероятного удара волн, выполнены отверстия, причем внутри корпуса отверстия заканчиваются гидравлическими затворами в виде V-образных желобов или патрубков.