ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2010 года по МПК F03B13/18 F03B13/20 

Настоящее изобретение относится к волновой электростанции в соответствии с преамбулой приложенного пункта 1 формулы изобретения.

Из публикации WO 01/96738 известна волновая электростанция, построенная на основе двух тел, которые установлены с возможностью колебаний в противоположных фазах. Тела установлены таким образом, что одно тело формирует кольцо вокруг другого. Оба тела состоят из плавающего компонента и компонента массы. Плавающий компонент плавает, качаясь на волнах, в то время как компонент массы жестко соединен с плавающим компонентом и расположен на некотором расстоянии под поверхностью воды. Компонент массы разработан с возможностью забора окружающей воды. При открывании и закрывании портов компонента массы инерцию этого компонента можно изменять. Таким образом, собственную частоту колебаний тел можно согласовывать с частотой волн. Кроме того, для двух тел можно задавать разную частоту колебаний, в результате чего они колеблются не синхронно. Гидравлическое соединение между двумя компонентами обеспечивает извлечение энергии.

Открывание и закрывание портов компонента массы означает, что в нем используются подвижные части, которые в большей или меньшей степени погружены в воду в течение всего времени. Эти части испытывают значительную нагрузку, и они являются относительно недоступными для технического обслуживания. На соединение между компонентом массы и плавающим компонентом также воздействует значительная нагрузка. Другой существенный недостаток состоит в значительном движении двух тел. Таким образом, техническое обслуживание электростанции во время ее работы становится практически невозможным.

Волновая электростанция также известна из US 5359229, в которой плавающие тела, частично наполненные водой, возбуждаются с помощью волн.

Кроме того, из US 4931662 известна волновая электростанция, в которой собственную частоту колебаний плавающего тела можно регулировать для периода волн посредством системы балласта.

В GB 2043790, US 4742241 и US 4453894 также раскрыты волновые электростанции.

Основная задача настоящего изобретения состоит в увеличении выходной энергии волновой электростанции. Это достигается путем установки плавающего тела, фиксируемого на месте в течение части движения тела, индуцируемого волной, для увеличения, таким образом, извлечения энергии из волн.

Вторая задача настоящего изобретения состоит в создании электростанции с более простой конструкцией, с минимальным количеством погруженных подвижных частей. Кроме того, настоящее изобретение также направлено на обеспечение возможности движения вокруг электростанции во время ее работы. Настоящее изобретение также предназначено для улучшения эффективности электростанции этого типа.

Электростанция с еще более высокой эффективностью получается при установке плавающего тела, удерживаемого как в нижнем, так и в верхнем фиксированных положениях, причем нижнее положение выбирают так, что гребень волны прикладывает к плавающему телу направленную вверх силу, которая больше, чем вес тела, и верхнее положение выбирают так, что вес тела действует с направленной вниз силой, которая больше, чем мощность, воздействующая при проходе подошвы волны.

Улучшенная электростанция получается при разработке плавающих тел, которые плавают, качаясь на волнах, и которые частично заполняют водой, при соединении их с плавучей структурой через устройства передачи энергии.

Плавающие тела содержат средство увеличения или уменьшения объема воды в плавающих телах, что позволяет согласовывать собственную частоту колебаний плавающих тел с периодом волны.

Средство содержит отверстие на нижнем конце плавающего тела, которое позволяет легко заполнять плавающее тело окружающей водой.

Средство также содержит закрываемое отверстие на верхнем конце плавающего тела, которое обеспечивает свободный проход для вытеснения воздуха при заполнении плавающего тела.

В качестве альтернативы средство также содержит регулируемое удлинение плавающего тела, причем это удлинение разработано так, что в него может поступать вода, что позволяет заполнять тело в большей или меньшей степени водой при выдвижении или втягивании этого удлинения.

Плавучая структура содержит ферменно-балочную конструкцию, в которой сформированы камеры для приема соответствующих плавающих тел, что образует простую плавучую структуру, на которую относительно не воздействует движение волн.

Ферменно-балочная конструкция содержит трубы, изготовленные из легкого материала, предпочтительно пластика, такого, как ПВХ, что обеспечивает возможность создания недорогой и легкой структуры с высокой собственной плавучестью.

Плавающее тело имеет форму цилиндра с закругленными концами, что обеспечивает простое при производстве плавающее тело с хорошими качествами.

Увеличение или уменьшение глубины погружения путем погружения или подъема плавающего тела на требуемую глубину погружения и обеспечение возможности для воды поступать внутрь или возможности выпуска ее из плавающего тела, пока уровень воды внутри плавающего тела приблизительно не будет таким же, как и снаружи плавающего тела, обеспечивает простое средство управления глубиной погружения.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает волновую электростанцию, предназначенную для установки на или в море или озере, для производства энергии, содержащую плавучую структуру и, по меньшей мере, одно плавающее тело, которое перемещается вертикально по отношению к плавучей структуре и соединено со структурой через устройство передачи энергии, при этом плавучая структура содержит палубу, которая поддерживается, по существу, вертикальными опорами, причем опоры имеют понтон, функционирующий в качестве демпфера, приспособленный для размещения ниже уровня воды; причем палуба, опоры и понтон образуют пространство, в пределах которого расположено плавающее тело или тела, причем понтоны имеют, по существу, квадратное сечение с острыми углами и с шириной, большей чем высоты, так что плавучая структура является, по существу, неподвижной относительно уровня спокойной воды.

В еще одном варианте настоящее изобретение обеспечивает волновую электростанцию, предназначенную для установки на или в море или озере, для производства энергии, содержащую плавучую структуру, и, по меньшей мере, одно плавающее тело, которое перемещается вертикально по отношению к плавучей структуре и соединено со структурой через устройство передачи энергии, при этом плавающее тело или тела выполнены так, что их удерживают в течение частей индуцируемого волной движения тела для увеличения отбора энергии от волн, причем плавающие тела разработаны с возможностью частичного заполнения их водой, при этом плавающие тела содержат средство увеличения или снижения количества воды в плавающих телах, при этом средство содержит отверстие на нижнем конце плавающего тела, и средство также содержит закрываемое отверстие на верхнем конце плавающего тела.

В другом варианте выполнения настоящее изобретение обеспечивает волновую электростанцию, предназначенную для установки на или в море или озере, для производства энергии, содержащую плавучую структуру и, по меньшей мере, одно плавающее тело, которое перемещается вертикально по отношению к плавучей структуре и соединено со структурой через устройство передачи энергии, причем плавающее тело или тела адаптировано для плавания на поверхности воды и для частичного заполнения водой, и плавающее тело или тела содержат отверстие в нижней части тела и закрываемое отверстие в верхней части тела, причем отверстие в верхней части выполнено с возможностью открытия для обеспечения свободного прохода воздуха при впуске воды внутрь и выпуске ее через отверстия в нижней части для увеличения или уменьшения количества воды внутри плавающего тела или тел, обеспечивающего их собственную частоту колебаний.

В еще одном варианте выполнения обеспечивается волновая электростанция, предназначенная для установки на или в море или озере, для производства энергии, содержащая плавучую структуру, и, по меньшей мере, одно плавающее тело, которое движется вертикально по отношению к плавучей структуре и соединено со структурой через устройство передачи энергии, в которой плавающее тело содержит устройство передачи энергии, которое выполнено с возможностью отбора энергии в результате вертикального движения плавающего тела и, по меньшей мере, одно устройство передачи энергии, которое адаптировано для отбора энергии, получаемой в результате воздействия горизонтальных сил, действующих на тело.

Изобретение будет более подробно описано ниже с использованием предпочтительных вариантов выполнения и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1а и 1b показано плавающее тело с соответствующей подвеской в верхнем и нижнем положениях соответственно;

на фиг.2а показан вид в разрезе тела по фиг.1;

на фиг.2b показан вид в разрезе другого варианта выполнения плавающего тела;

на фиг.3 показана альтернативная подвеска и альтернативное плавающее тело;

на фиг.4 схематично представлена иллюстрация последовательности движения плавающего тела в соответствии с изобретением;

на фиг.5 показана структура связки, которая выполняет роль плавучей структуры;

на фиг.6 показан альтернативный вариант выполнения электростанции в соответствии с изобретением;

на фиг.7a-f показаны схемы, представляющие поведение плавающего тела на разных глубинах погружения, в зависимости от периода волны;

на фиг.8 показан дополнительный вариант выполнения волновой электростанции;

на фиг.9 показан еще один вариант выполнения плавучей электростанции; и

на фиг.10 показан дополнительный вариант выполнения плавучей электростанции.

На фиг.1а и 1b показано плавающее тело 1 с соответствующей подвеской. В предпочтительном варианте выполнения плавающее тело 1 имеет круглую цилиндрическую среднюю секцию 2 и два полусферических конца 3 и 4. Эта форма аналогична так называемому яйцу "Киндер сюрприз". Тело имеет так называемую пустотелую конструкцию, которая может быть изготовлена из соответствующего металла или пластмассы, такой как ПВХ.

На фиг.2а показан вид в разрезе плавающего тела 1. Тело имеет внутреннюю перегородку 5, которая разделяет внутренний объем плавающего тела на две полости, верхнюю полость 6 и нижнюю полость 7. Труба 8 продолжается через перегородку 5 из нижней полости и наружу через верхнюю полусферическую часть 3 плавающего тела 1. На верхнем конце трубы 8 установлено закрывающее устройство (не показано).

В нижней полусферической части 4, предпочтительно в самой нижней точке плавающего тела, сформировано отверстие (не показано). Вода может поступать через это отверстие в нижнюю полость 7, когда для воздуха, находящегося в ней, обеспечивается возможность выхода через трубу 8. На фиг.2а уровень воды обозначен позицией 10.

Впуская большее или меньшее количество воды в полость 7, можно управлять весом и, таким образом, водоизмещением тела 1. Это влияет на собственную частоту колебаний, с которой колеблется плавающее тело, как будет понятно из следующего описания.

Плавающее тело 1 подвешено на стержне 11, который соединен со штоком 11а поршня в гидравлическом или пневматическом цилиндре 12. Верхний конец цилиндра 12 закреплен на раме 13. Очевидно, что шток поршня и цилиндр могут быть установлены в противоположном положении так, что цилиндр будет закреплен на плавающем теле, и шток на раме. В качестве альтернативы гидравлический цилиндр может быть расположен рядом с направляющим рельсом. Также можно использовать два цилиндра, при этом один используется при движении вверх и другой используется при движении вниз. Рама 13 содержит раму 14 из горизонтальных балок и вертикальных балок 16, 17, 18, 19, которые продолжаются от нее вниз. Балки 16, 17, 18, 19 установлены на нижней раме 20, составленной из балок. Балки могут представлять собой двутавровые балки, изготовленные из металла или пластика, такого как ПВХ. Также используется промежуточная рама 15, которая, в принципе, аналогична раме 20. В центре рам 15 и 20 установлены направляющие 15а, 20а соответственно, через которые продолжается стержень 11.

На фиг.2b показан вид в разрезе другого варианта выполнения плавающего тела 1. Здесь тело имеет полностью открытое основание, вместо полусферического основания с малым отверстием. Это тело также имеет внутреннюю перегородку 5, которая разделяет внутренний объем плавающего тела на две полости, верхнюю полость 6 и нижнюю полость 7. Труба продолжается через перегородку 5 из нижней полости и наружу через верхнюю полусферическую часть 3 плавающего тела 1. На верхнем конце трубы 8 установлено закрывающее устройство (не показано).

Полностью открытое основание обеспечивает возможность более быстрого заполнения тела и опорожнения тела. Это играет важную роль в ситуации, когда требуется производить быстрые регулировки в результате изменения периода волны.

На фиг.3 показана альтернативная подвеска плавающего тела. Здесь плавающее тело 60, которое также имеет альтернативную форму (эллипсоид), подвешено на трех диагональных цилиндрах 61, в дополнение к подвеске на центральном цилиндре 12, как в варианте выполнения, показанном на фиг.1 и 2. Три цилиндра 61 соответствующим образом закреплены одним концом на нижней раме 20 через универсальное соединение, и другим концом - на плавающем теле. В нижнем положении плавающего тела 60 цилиндры 61 устанавливаются под углом приблизительно 45 градусов к вертикали, и в верхнем положении плавающего тела цилиндры 61 располагаются в большей или меньшей степени горизонтально. Это означает, что они поглощают горизонтальные силы от плавающего тела 60. Вертикальные силы передаются на вертикальный цилиндр 12. Таким образом, возможно исключить вертикальные направляющие из плавучей структуры. Силы, поглощаемые диагональными цилиндрами 61, также можно использовать для производства электроэнергии. Цилиндры 61 также могут быть установлены на некотором расстоянии по горизонтали от вертикального цилиндра 12, что обеспечивает возможность поглощения с помощью цилиндров 61 сил, вызываемых в результате продольной качки и бортовой качки тела.

Использование настоящего изобретения позволяет оптимизировать извлечение энергии из движения волн с помощью плавающего тела 1, которое перемещается в большей степени, чем волны.

На фиг.4 показано девять положений плавающего тела. Эти положения представляют состояние, в котором первая волна приближается к плавающему телу 1, когда плавающее тело расположено неподвижно, и затем последующие волны перемещают плавающее тело. В положении 1 волна приближается к плавающему телу 1, и в этом случае подошва волны воздействует на тело, которое находится полностью в неподвижном состоянии. В представленном случае волна приближается с левой стороны. В положении 2 волна начинает подниматься вокруг плавающего тела. Плавающее тело удерживается на месте путем поддержания стержня 11, который соединяет тело с платформой в фиксированном положении. Когда гребень волны достигает плавающего тела, его освобождают, как показано в позиции 3, путем освобождения фиксации стержня 11. Плавающее тело при этом всплывает с большой силой и с высокой скоростью. Когда тело достигает наивысшего положения, стержень 11 снова удерживают в фиксированном положении, оставляя плавающее тело 1 в подвешенном состоянии, по мере того, как волна проходит, как показано в позиции 4. Когда подошва волны располагается приблизительно непосредственно под плавающим телом, его освобождают, и оно падает на подошву волны, как показано в позиции 5. Плавающее тело при этом погружается глубже, чем в положении 1. В результате этого вода повышается еще больше по отношению к плавающему телу 1, когда приближается следующий гребень волны, как показано в позиции 6. В этом время, когда тело 1 высвобождают, оно резко поднимается на еще большую высоту, чем в позиции 4, как показано в позиции 7. Затем тело падает еще глубже, когда его снова высвобождают на подошву волны, перед тем, как его положение зафиксируют. Увеличение амплитуды продолжается до тех пор, пока не будет достигнута максимальная амплитуда. Величина максимальной амплитуды зависит, помимо прочего, от того, насколько точно можно подобрать частоту резонанса. Таким образом, аспект настоящего изобретения состоит в том, что плавающее тело заполняют водой до такой степени, которая обеспечивает установку частоты собственных колебаний плавающего тела достаточно близко к частоте собственных колебаний волн.

Предпочтительно положение стержня 11 фиксируют с помощью гидравлической фиксации, например с использованием открывания и закрывания клапана. Когда стержень 11 необходимо удерживать на месте, клапан закрывают, и затем открывают для освобождения плавающего тела.

Моменты времени, в которые необходимо высвобождать плавающее тело из положений 2 или 8 можно определять по вертикальной силе, прикладываемой к плавающему телу волной. Идеальный момент времени наступает тогда, когда вертикальная сила, воздействующая со стороны волны, будет максимальной. Эту силу можно измерять с помощью датчиков гидравлической системы. Однако волна не должна проходить над верхней частью плавающего тела, поскольку в этом случае для плавающего тела требуется определенная сила, чтобы разорвать поверхность воды.

После открывания клапана, который фиксирует гидравлический механизм, его можно оставить открытым приблизительно в течение времени, которое требуется, чтобы волна прошла диаметр плавающего тела. В идеальном случае плавающее тело затем будет находиться в положении максимального подъема. В случае необходимости могут быть установлены датчики, которые измеряют положение стержня 11 и которые закрывают клапан в момент, когда стержень начинает снова двигаться вниз.

Плавающее тело в идеальном случае необходимо высвобождать так, чтобы оно падало в основание волны. Поэтому могут быть установлены датчики, измеряющие высоту волны относительно плавающего тела и высвобождающие его, когда подошва волны находится непосредственно под плавающим телом.

Таким образом, длина хода стержня 11 будет больше, чем высота волны, в то время как период остается тем же. Это приводит к существенному повышению эффективности волновой электростанции.

Энергия, извлекаемая из каждого плавающего тела, если плавающее тело не удерживают, как описано выше, и ему позволяют следовать движению волны, описывается формулой (1), приведенной ниже

где

Е представляет выходную мощность в киловаттах;

D представляет диаметр плавающего тела, измеренный в метрах;

H_S представляет существенную высоту волны, измеренную в метрах;

Т_р представляет период волны, измеренный в секундах.

Эта формула построена на основе плавающего тела, имеющего удлиненную форму с закругленными концами, в основном, как показано на фиг.1.

Если плавающее тело удерживают и освобождают, как описано выше, как показано на фиг.4, следует использовать формулу (2)

где

Е представляет выходную мощность в киловаттах;

H_S представляет существенную высоту волны, измеренную в метрах;

T_p представляет период волны, измеренный в секундах;

D_p представляет водоизмещение плавающего тела, измеренное в тоннах;

Р представляет оставшуюся энергию после высвобождения тела, измеренного в тоннах;

K₁ представляет собой константу, приблизительно равную 0;

К₂ представляет параметр, приблизительно равный ОАО (RAO) (оператор амплитуды отклика), который должен быть равен 1, если движение тела следует движению волн.

К₃ представляет константу, которая в идеальной ситуации приблизительно равна 2,5, но которая может находиться в диапазоне от 1 до 3.

Член К₃P в формуле (2) представляет собой вклад от удержания плавающего тела до момента, пока волна придает телу максимальную силу, направленную вверх, перед освобождением тела. Также можно сказать, что этот член представляет дополнительное водоизмещение тела. Было определено, что сумма водоизмещения тела, создаваемая весом нетто тела, и дополнительного водоизмещения, получаемого от удержания тела, не должна превышать V·ρ, где V представляет собой общий объем плавающего тела и ρ представляет собой плотность воды. Если это значение будет превышено, выходная энергия может быть уменьшена. Другое условие состоит в том, что уровень воды не должен превышать верхнюю часть тела.

Пример.

Волны имеют существенную высоту волны 4 м и период 8 с. Используют плавающее тело диаметром 3,5 метра. При использовании формулы (1) по этим данным выходная мощность составляет 135 кВт, когда тело следует движению волн.

Если водоизмещение установить равным 1000 кг (что обеспечивается при заполнении тела водой) и удерживать тело до тех пор, пока направленная вверх сила со стороны волны не составит 24900 кг, и предположить, что К₃ равен 2,5, в то время как К₂ (то есть ОАО) равен 1, выходная мощность составит 317 кВт. Это представляет существенное увеличение выходной мощности, даже при консервативной оценке и ОАО, равным 1. Однако, как будет ясно из следующего описания, можно ожидать, что при использовании этого способа значение ОАО будет большим.

Приведенные выше формулы не учитывают сопротивление трения и аналогичные коэффициенты потерь.

На фиг.5 показан пример варианта выполнения плавучей структуры. Она состоит из центральной, продольной жесткой рамы 26 с ферменно-балочной конструкцией 21, предпочтительно изготовленной из ПВХ труб, композитного или другого легкого, дешевого и прочного материала, которая продолжается до обеих сторон рамы 26, причем эта ферменно-балочная конструкция 21 образует камеры 22 для плавающих тел 1, и руль 27 на одной стороне рамы 26. Сборка плавучей структуры из труб позволяет обеспечить достаточную плавучесть даже благодаря тому, что внутри труб находится воздух. Поэтому, вероятно, не потребуется использовать другие элементы, обеспечивающие плавучесть.

Чтобы обеспечить возможность уменьшения размеров, без ухудшения структурной целостности, плавучая структура оборудована мачтой 40, от которой протянуты тросы 41 до точек соединения на структуре. При использовании такой конструкции структура стабилизирована таким же образом, как подвесной мост, и вся структура может быть выполнена более легкой и более тонкой, без каких-либо последствий для плавучести структуры. Вместо диагональных труб 25, показанных на фиг.4, можно использовать проволочные тросы. На вершине мачты может быть установлен световой сигнал.

Как можно видеть на фиг.5, плавучая структура, в общем, имеет форму лодки с более узким концом, расположенным противоположно рулю 27. Во время работы этот конец должен быть установлен в направлении волн. Следовательно, волны, которые ударяют в структуру, вначале будут ударять несколько плавающих тел, находящихся в передней части структуры. После этого волны будут распространяться назад и будут ударять все большее количество плавающих тел. Это позволяет исключить демпфирование волны первыми плавающими телами и, таким образом, уменьшение передачи энергии к расположенным сзади телам.

Плавающие тела не обязательно должны быть установлены во всех камерах 22. Может оказаться целесообразным оставить некоторые камеры пустыми, что обеспечивает возможность распространения волн через структуру с минимальным их демпфированием до того, как они ударят в следующее плавающее тело.

Предпочтительно в тех камерах, в которых установлено плавающее тело, на дне камеры установлены крестообразные элементы 28, которые предотвращают падение плавающих тел во время ремонта или в случае аварии.

Плавучая структура должна быть соответствующим образом закреплена с помощью якорей, таким образом, чтобы передняя часть (нос) была направлена к преобладающему направлению распространения волн. На борту могут быть установлены лебедки, которые ослабляют и натягивают якорные канаты для поворота структуры в направлении распространения волн. На руле 27 с этой целью могут быть установлены датчики, которые регистрируют направление распространения волн и передают сигналы на лебедки, которые, в свою очередь, ослабляют и натягивают якорные канаты для поворота структуры против волн.

Структура этого типа, которая зафиксирована по отношению к направлению распространения волн, также будет идеально работать, как волнорез, предназначенный для разрезания поступающих волн, например, в портовом сооружении. В этом случае такая структура, предпочтительно, должна быть выполнена прямоугольной и должна быть зафиксирована по отношению к портовому сооружению.

Передача гидравлической энергии, производимой в гидравлическом цилиндре 12 для последующего использования, будет очевидна для специалиста в данной области техники. Она может быть выполнена, например, с помощью передачи гидравлического давления через гидравлические линии в гидравлический двигатель, который, в свою очередь, приводит в движение электрический генератор. Затем электрическую энергию можно передавать на берег обычным и очевидным способом.

Структура может быть оборудована демпфирующим устройством, которое демпфирует движения структуры, индуцируемые волнами, для обеспечения как можно меньшей степени ее перемещения в вертикальном направлении. В качестве демпферов волны можно использовать, например, демпферы такого типа, как описаны в норвежском патенте №300883 или в норвежском патенте №300884. При использовании структуры с наибольшей степенью неподвижности для персонала обеспечивается возможность ходить по палубе структуры для проведения технического обслуживания или регулировок.

Плавающие тела могут быть заполнены водой путем открывания закрывающего устройства, расположенного в верхней части трубы 8 (см. фиг.2). Оно расположено над водой и, таким образом, является легко доступным. Во время этой операции шток поршня может быть зафиксирован гидравлически для исключения движения плавающего тела. После открывания закрывающего устройства вода поступает через отверстие 9 в основание плавающего тела. Благодаря удержанию плавающего тела на заданной глубине погружения, вода может заполнять плавающее тело до такого же уровня внутри тела, что и снаружи. После этого закрывающее устройство можно закрыть и освободить гидравлический замок. Глубину погружения во время заполнения водой определяют по преобладающей частоте волн. Если она изменяется, например, в результате сезонных изменений, процедуру можно повторить. Плавающее тело движется вверх или вниз с гидравлическим управлением на требуемую глубину погружения, и закрывающее устройство открывают для заполнения его большим количеством воды или для выпуска воды. В качестве альтернативы гидравлического подъема плавающего тела вверх или опускания его вниз можно использовать кран, который может быть постоянно установлен на плавучей структуре. Другие плавающие тела во время выполнения этой операции могут продолжать производство энергии обычным образом. Назначение перегородки 5 состоит в предотвращении переполнения плавающего тела водой. Перегородка 5 представляет верхний уровень воды внутри плавающего тела. Благодаря этому, плавающее тело также не может утонуть в случае неисправности, в результате которой плавающее тело отделяется от подвески.

Альтернативная электростанция будут описана ниже со ссылкой на фиг.6. Здесь используется центральная предпочтительно круглая плавучая структура 30. Предпочтительно она имеет демпферы волны такие, как описаны в норвежском патенте №300883 или в норвежском патенте №300884, предназначенные для удержания ее как можно в большей степени неподвижной. Вокруг плавучей структуры расположены плавающие тела 31, которые могут перемещаться вертикально по направляющим 32.

Здесь плавающие тела 31 выполнены как круглые цилиндры. Они содержат верхнюю трубку 33 и нижнюю трубку 34. Нижняя трубка 34 может перемещаться по отношению к верхней трубке 33 с помощью гидравлического или пневматического привода 35. Нижняя трубка 34 открыта с нижней стороны, что позволяет заполнять ее водой. Верхняя трубка имеет перегородку 36, которая не позволяет воде поступать дальше вверх по трубке. При перемещении нижней трубки 34 вверх и вниз, она может выступать с конца верхней трубки 33 в большей или меньшей степени. Это означает, что часть тела, заполненная водой, может быть более длинной или короткой. Чем более длинной выполнена эта часть, тем больше воды может "переносить" плавающее тело при перемещении вверх и вниз под действием волн.

На фиг.8 показан дополнительный вариант выполнения, в котором плавающие тела 50 установлены на стержнях 51, продолжающихся через канал в плавающем теле. Это исключает необходимость использовать полностью связанные структуры для формирования камер, предназначенных для удержания плавающих тел. Плавучая структура поэтому может быть выполнена относительно более простой и, как показано, может состоять из основания 52 и множества опор 53, которые продолжаются от основания и на которых установлена палуба 54. Предпочтительно палуба 54 выполнена в виде ферменно-балочной структуры. Предпочтительно направляющие рельсы закреплены на основании 52, но они также могут быть прикреплены к палубе 54. Основание 52 и опоры 53 также могут быть выполнены в виде ферменно-балочных структур.

Основание 52 может иметь такую форму, что она будет подниматься от конца набегающей волны до конца уходящей волны, или оно может быть выпуклым.

В противном случае данный вариант выполнения может быть построен таким же образом, как варианты выполнения, представленные на фиг.1-5. Гидравлические цилиндры могут быть прикреплены по бокам направляющих рельсов 51.

Основание, сформированное со спойлерами, может быть установлено в вариантах выполнения плавучих структур, показанных на фиг.5 и на фиг.8. В случае необходимости они могут быть адаптированы к движению волн, что позволяет накапливать высоту проходящих волн для передачи энергии поверхности волн, что позволяет передавать большую кинетическую энергию плавающим телам.

На фиг.9 показан вариант выполнения плавучей структуры. Он состоит из палубы платформы 60, составленной из горизонтальных балок в ферменно-балочной структуре, причем эта ферменно-балочная структура образует камеры 61 для плавающих тел 1. На каждом углу палубы платформы установлена опора 62 платформы. Средство 63 демпфирования волн установлено вокруг каждой опоры 62. Предпочтительно плавучая структура представляет собой структуру с малым весом, обладающую собственной плавучестью, обеспечиваемой в результате того, что для структуры используют полые балки и трубы. Возможно обеспечить достаточную плавучесть платформы просто, благодаря наличию воздуха внутри опор 62 платформы. Поэтому вероятно не потребуется использовать дополнительные элементы, обеспечивающие плавучесть. Однако они могут быть установлены в случае необходимости.

Средство 63 демпфирования волн выполнено так, что оно захватывает воду через отверстие 66 в основании опоры 62. Вода перенаправляется, в основном, в горизонтальном направлении и вытекает через узкие отверстия 67 по сторонам демпфера волны. В верхней части демпфера 63 сформирована изогнутая поверхность 65, которая действует на воду, когда платформа поднимается, заставляя изменять направление течения воды. Таким образом, движение платформы демпфируется. Аналогичная изогнутая поверхность используется на нижней стороне демпфера, которая тормозит движение вниз платформы.

На фиг.10 показан дополнительный альтернативный вариант выполнения плавучей структуры в соответствии с настоящим изобретением. Он имеет характеристики, аналогичные варианту выполнения, показанному на фиг.9. Наиболее существенное отличие состоит в том, что в варианте выполнения по фиг.10 понтоны 64 продолжаются между нижними концами опор 62 платформы, и что направляющие стержни 65 продолжаются от плавающих тел 1 через отверстия в понтонах 64. Благодаря использованию направляющего стержня 65 раму 13, расположенную над палубой 60 платформы, можно опускать ниже, и при этом требуется управлять стержнем 11 только в одном месте.

На фиг.10 не показаны средства демпфирования волн; однако, очевидно, что их также можно использовать в данном варианте выполнения.

Во всех вариантах выполнения следует обеспечить возможность размещения балласта в плавучей структуре для изменения ее водоизмещения, обеспечивая, таким образом, оптимальное движение волн через или вокруг структуры.

Влияние количества воды внутри плавающего тела или глубины его погружения будет описано ниже со ссылкой на схемы, представленные на фиг.7. На этих схемах период волны в секундах обозначен по горизонтальной оси, в то время как на вертикальной оси обозначено вертикальное отклонение плавающего тела, пропорционально оператору амплитуды отклика (ОАО) высоты волны. ОАО, равный 1, означает, что плавающее тело движется в фазе с волнами. На всех схемах можно видеть, что требуется определенная длительность периода волны, чтобы тело начало перемещаться вертикально. Это происходит из-за того, что при коротком периоде волны образуются короткие волны. При этом тело будет одновременно находиться на гребне волны и на ее подошве. Таким образом, эти два явления взаимно компенсируют друг друга. При увеличении периода волны волна становится более длинной, и на тело во все большей степени будут воздействовать силы, которые толкают его в одном направлении.

На фиг.7а плавающее тело такого типа, как показано на фиг.1, с диаметром 3,5 метра, было заполнено водой, с тем, чтобы получить глубину погружения 0,5 м, и провели испытания при воплощении способа, в соответствии со ссылкой на фиг.4. В этом случае тело следовало движению волны, начиная с периода волн 4 с и больше.

На фиг.7b то же тело было заполнено водой, так, что оно погрузилось на глубину 1,75 м. В этом случае было получено несколько большее отклонение, чем высота волны, при периоде волны 4 с, но незначительно.

На фиг.7с то же плавающее тело было заполнено водой до тех пор, пока оно не достигло глубины погружения 2,5 м. В этом случае было существенно большее отклонение плавающего тела, чем высота волны при периоде волны 4 с. Это можно видеть по ОАО, который больше 1.

На фиг.7d тело по фиг.1 было заполнено водой, до глубины погружения 3,5 м. Отклонение в этом случае было еще большим по отношению к высоте волны, при периоде волны приблизительно 4,5 с.

На фиг.7е то же тело было заполнено водой до глубины погружения 4,5 метра. При этом отклонение было существенно большим, чем высота волны при периоде волны приблизительно 6 с.

На фиг.7f тело было заполнено водой до глубины погружения на 5 м. Максимальное значение ОАО теперь составило 10, то есть отклонение может быть в 10 раз большим, чем высота волны. Максимальное отклонение в этом случае получают приблизительно при 7 с.

Исходя из этого, можно видеть, что можно не только увеличивать отклонение плавающего тела путем увеличения глубины погружения, повышая, таким образом, количество производимой энергии; собственная частота плавающего тела также зависит от глубины погружения. В случае малого периода волны глубину погружения плавающего тела необходимо уменьшать, так как, в противном случае, отклонение будет меньшим, чем высота волны. В случае большого периода волны можно использовать большую глубину погружения, что приведет к увеличению выработки энергии.

Также следует учитывать, что при использовании настоящего изобретения волновые электростанции необходимо оборудовать датчиками, которые должны измерять период волны и автоматически увеличивать или уменьшать глубину погружения, в зависимости от периода волны. При использовании технологии, описанной со ссылкой на фиг.4, было бы целесообразно попытаться оптимизировать выходную энергию путем заполнения тела водой, до получения резонанса, то есть собственной частоты колебания плавающего тела, как можно более близкой к периоду волны.

Изобретение относится к волновой электростанции. Волновая электростанция, предназначенная для установки на или в море или озере для производства энергии, содержит плавучую структуру и, по меньшей мере, одно плавающее тело 1, которое перемещается вертикально по отношению к плавучей структуре и соединено со структурой через устройство передачи энергии. Плавучая структура содержит палубу, которая поддерживается, по существу, вертикальными опорами. Опоры имеют понтон, функционирующий в качестве демпфера, приспособленный для размещения ниже уровня воды. Палуба, опоры и понтон образуют пространство, в пределах которого расположено плавающее тело 1 или тела. Понтоны имеют, по существу, квадратное сечение с острыми углами и с шириной большей, чем высота, так что плавучая структура является, по существу, неподвижной относительно уровня спокойной воды. Изобретение направлено на увеличение выходной энергии волновой электростанции. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Волновая электростанция, предназначенная для установки на или в море или озере, для производства энергии, содержащая плавучую структуру и, по меньшей мере, одно плавающее тело, которое перемещается вертикально по отношению к плавучей структуре и соединено со структурой через устройство передачи энергии, отличающаяся тем, что плавучая структура содержит палубу, которая поддерживается, по существу, вертикальными опорами, причем опоры имеют понтон, функционирующий в качестве демпфера, приспособленный для размещения ниже уровня воды, причем палуба, опоры и понтон образуют пространство, в пределах которого расположено плавающее тело или тела, причем понтоны имеют, по существу, квадратное сечение с острыми углами и с шириной, большей, чем высота, так что плавучая структура является, по существу, неподвижной относительно уровня спокойной воды.

2. Волновая электростанция по п.1, отличающаяся тем, что диаметр опор, по существу, равен диаметру плавающего тела или тел.

3. Волновая электростанция по п.1, отличающаяся тем, что демпфер приспособлен для захвата воды, когда структура перемещается под действием волн, и для перенаправления потока воды, протекающего, по существу, вертикально в, по существу, горизонтальный поток.

4. Волновая электростанция по п.2, отличающаяся тем, что опоры открыты на их нижнем конце так, что вода может протекать внутрь опор и вытекать через демпфер волны, когда структура движется вниз по отношению к воде.

5. Волновая электростанция по п.3 или 4, отличающаяся тем, что демпферы волны на верхнем и/или нижнем концах имеют изгиб, который перенаправляет воду.

6. Волновая электростанция, предназначенная для установки на или в море или озере, для производства энергии, содержащая плавучую структуру и, по меньшей мере, одно плавающее тело, которое перемещается вертикально по отношению к плавучей структуре и соединено со структурой через устройство передачи энергии, отличающаяся тем, что плавающее тело или тела выполнены так, что их удерживают в течение частей индуцируемого волной движения тела для увеличения отбора энергии от волн и что плавающие тела разработаны с возможностью частичного заполнения их водой, при этом плавающие тела содержат средство увеличения или снижения количества воды в плавающих телах, при этом средство содержит отверстие на нижнем конце плавающего тела и средство также содержит закрываемое отверстие на верхнем конце плавающего тела.

7. Волновая электростанция по п.6, отличающаяся тем, что плавающее тело выполнено с возможностью его удержания как в нижнем положении, так и в верхнем положении, причем нижнее положение выбирают таким образом, что гребень волны прикладывает к плавающему телу направленную вверх силу, которая больше, чем вес тела, и верхнее положение выбирают таким образом, что вес тела воздействует с силой, направленной вниз, которая больше, чем мощность, создаваемая подошвой волны.

8. Волновая электростанция по п.6, отличающаяся тем, что средство также содержит регулируемое удлинение плавающего тела, которое выполнено для приема воды.

9. Волновая электростанция по одному из пп.6-8, отличающаяся тем, что плавучая структура содержит ферменно-балочную структуру, в которой сформированы камеры, предназначенные для удержания соответствующих плавающих тел.

10. Волновая электростанция по п.6, отличающаяся тем, что плавающие тела поддерживают на направляющем рельсе, который закреплен на структуре.

11. Волновая электростанция по п.10, отличающаяся тем, что ферменно-балочная структура содержит трубы, изготовленные из легкого материала, предпочтительно пластика.

12. Волновая электростанция по п.6, отличающаяся тем, что плавающее тело имеет форму цилиндра с закругленными концами.

13. Волновая электростанция по п.6, отличающаяся тем, что плавучая структура содержит основание, выполненное из регулируемых деталей, предназначенное для накопления высоты проходящих волн, что позволяет передавать энергию в поверхностные волны, которые передают больше энергии в плавающие тела.

14. Волновая электростанция по п.6, отличающаяся тем, что водоизмещение плавучей структуры можно увеличивать или уменьшать, используя балласт структуры, для обеспечения максимального движения волн через или вокруг структуры.

15. Волновая электростанция, предназначенная для установки на или в море или озере, для производства энергии, содержащая плавучую структуру и, по меньшей мере, одно плавающее тело, которое перемещается вертикально по отношению к плавучей структуре и соединено со структурой через устройство передачи энергии, отличающаяся тем, что плавающее тело или тела адаптированы для плавания на поверхности воды и для частичного заполнения водой и что плавающее тело или тела содержат отверстие в нижней части тела и закрываемое отверстие в верхней части тела, причем отверстие в верхней части выполнено с возможностью открытия для обеспечения свободного прохода воздуха при впуске воды внутрь и выпуске ее через отверстия в нижней части для увеличения или уменьшения количества воды внутри плавающего тела или тел, обеспечивающих их собственную частоту колебаний.

16. Волновая электростанция, предназначенная для установки на или в море или озере, для производства энергии, содержащая плавучую структуру и, по меньшей мере, одно плавающее тело, которое движется вертикально по отношению к плавучей структуре и соединено со структурой через устройство передачи энергии, отличающаяся тем, что плавающее тело содержит устройство передачи энергии, которое выполнено с возможностью отбора энергии в результате вертикального движения плавающего тела, и, по меньшей мере, одно устройство передачи энергии, которое адаптировано для отбора энергии, получаемой в результате воздействия горизонтальных сил, действующих на тело.

17. Волновая электростанция по п.16, отличающаяся тем, что устройство передачи энергии представляет собой гидравлические цилиндры.