СИСТЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ НА ПРИЛИВНЫХ ТЕЧЕНИЯХ Российский патент 2011 года по МПК F03B9/00 F03B13/26 

В целом, изобретение относится к системе преобразования энергии, в частности к системе преобразования энергии, предназначенной для преобразования энергии приливных течений в электрическую энергию.

Возобновляемая энергия стала важнейшей частью производства энергии в мире. Сегодня, однако, энергия этого вида составляет только малую часть вырабатываемой энергии, но эта часть увеличивается. В частности, Ирландия, действуя в соответствии с рекомендациями Киотского Протокола, также намерена увеличить выработку возобновляемой энергии, уже используя многие способы и собираясь расширить их перечень в будущем.

На нашу планету, в частности на ее океаны, действует значительная сила притяжения Луны и, в меньшей степени, Солнца. Эта сила притяжения при вращении Земли дважды в день перемещает миллиарды галлонов воды, процесс, известный как приливные течения. Десятилетиями люди использовали эту энергию там, где высота подъема прилива была достаточна, чтобы окупить строительство приливной плотины поперек приливного устья или в другом подходящем месте. В полный прилив ворота плотины закрываются, и вода проходит через турбины, вырабатывая электрическую энергию. Экономически рентабельной такая система может быть только тогда, когда вырабатываемая энергия компенсирует значительные затраты на строительство плотины.

В GB 2131491 раскрыто устройство, состоящее из ряда аэродинамических профилей, смонтированных на одном или нескольких ремнях, двигающихся вокруг двух или более фиксированных точек поворота, расположенных на некотором расстоянии друг от друга и обеспечивающих опору для ремней. При этом энергия может быть выделена или за счет движения ремней, или вращательного движения одной или более поворотных опор. Аэродинамические профили размещены симметрично (или приблизительно симметрично) так, что их хорды расположены по существу параллельно направлению перемещения ремня.

В основу настоящего изобретения положена задача создания системы преобразования энергии для генерирования электроэнергии с использованием приливного перемещения масс воды, которая не оказывает воздействия на уязвимые морские берега и экосистемы устьев.

Другой целью настоящего изобретения является система преобразования энергии, приводимая в действие приливными перемещениями масс воды, при работе которой не происходит и не требуется затопления окружающих земель, либо заметного изменения местного режима приливов.

Другой целью настоящего изобретения является создание системы преобразования энергии с использованием приливных перемещений масс воды, пригодной для широкомасштабного использования, обеспечивающей выработку значительных объемов электроэнергии.

В настоящем изобретении предлагается система преобразования энергии приливных перемещений масс воды, содержащая перегородку, устанавливаемую ниже уровня и поперек по меньшей мере части массы воды, и преобразователь, соединенный с перегородкой для обеспечения преобразования в электрическую энергию воздействующего на перегородку приливного давления, причем перегородка содержит по меньшей мере одну решетку парусов (крыльев), включающую несколько парусов, неподвижно закрепленных друг относительно друга и в основном параллельно друг другу, и решетка шарнирно прикреплена к опоре.

В предпочтительном варианте, по меньшей мере одна решетка парусов приспособлена для движения по существу поперек направления, в котором движется приливный поток в акватории.

В предпочтительном варианте, перегородка содержит по меньшей мере одну опору, к которой прикреплена каждая решетка парусов, причем по меньшей мере одна опора соединена с преобразователем.

В предпочтительном варианте, каждый парус имеет по существу жесткую раму.

В предпочтительном варианте, конфигурация каждого паруса адаптируема для обеспечения работы системы вне зависимости от направления приливного потока.

В предпочтительном варианте, опора включает верхний и нижний канаты (тросы).

В предпочтительном варианте, каждая решетка парусов содержит направляющие средства, обеспечивающие нужную ориентацию парусов относительно направления приливного потока.

В предпочтительном варианте, направляющие средства содержат лопасть, располагающуюся в процессе работы вниз по потоку относительно решетки.

В предпочтительном варианте, каждая решетка шарнирно прикреплена к одной или каждой опоре, при этом ось шарнира примерно совпадает, в процессе работы, с центром давления решетки.

В предпочтительном варианте, каждая решетка шарнирно прикреплена к одной или каждой опоре, причем масса решетки уравновешена относительно оси шарнира.

В предпочтительном варианте, каждый канат - верхний и нижний, образуют замкнутую петлю.

В предпочтительном варианте, система содержит направляющие средства с каждой стороны перегородки, которые, соответственно, образуют возвратный контур, вдоль которого ограничено перемещение верхнего и нижнего канатов.

В предпочтительном варианте, направляющие средства соединены с преобразователем.

В предпочтительном варианте, направляющие средства содержат группу направляющих роликов, по меньшей мере один из которых приводится в движение, соответственно, верхним или нижним канатом, причем по меньшей мере один направляющий ролик соединен с преобразователем.

В предпочтительном варианте, направляющие ролики устанавливаются попарно на соответствующем валу, разнесенными друг от друга.

В предпочтительном варианте, каждая решетка парусов содержит средства для переключения ориентации соответствующих направляющих средств между первым положением и вторым положением.

В настоящем описании, термином "перегородка" обозначается решетка парусов или аналогичная структура, которая может быть помещена поперек водного пространства, где на нее должно оказываться воздействие, и которая не предназначена для создания преграды для прохождения через нее воды.

В настоящем описании, термином "парус" обозначается любая поверхность, создающая силу тяги при помещении ее в поток текучей среды, например приливный поток воды.

В настоящем описании, термином "шарнирно" обозначается способ прикрепления одного компонента к другому таким образом, что два компонента могут вращаться вокруг оси или перемещаться относительно друг друга, при этом способ не ограничен соединением с использованием шарнира как такового.

В настоящем описании, термин "баланс масс" имеет в виду, что вес компонента или устройства, закрепленного шарнирно вокруг оси, распределен вокруг оси так, что компонент уравновешен относительно оси.

Далее настоящее изобретение будет описано со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.la-в представлены схематически виды сбоку первого варианта осуществления системы преобразования энергии, предложенной в настоящем изобретении, на различных этапах ее работы;

на фиг.2 представлен схематически вид сверху перегородки, образующей часть системы, изображенной на фиг.1;

на фиг.3а представлен схематически вид сверху системы преобразования энергии, показанной на фиг.1 и 2, когда прилив действует в первом направлении;

на фиг.3б представлен схематически вид сверху системы преобразования энергии, показанной на фиг.3а, когда прилив действует во втором направлении, противоположном первому направлению;

на фиг.4 представлен схематически вид спереди части перегородки, образующей парус, для перегородки, показанной на фиг.2;

на фиг.5 представлен схематически вид другого паруса, который может образовывать часть перегородки, показанной на фиг.2;

на фиг.6 представлен схематически вид сверху двух преобразователей, являющихся частью системы преобразования энергии, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг.7 представлен схематически вид сбоку преобразователей, показанных на фиг.6;

на фиг.8 представлен перспективный вид перегородки, являющейся частью системы преобразования энергии, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг.9 представлен схематический вид сверху перегородки, показанной на фиг.8;

на фиг.10 показан узел подшипника, являющийся частью перегородки, изображенной на фиг.8 и 9;

на фиг.11А и 11Б представлены схематически виды сверху второго варианта осуществления предложенной системы преобразования энергии;

на фиг.12 представлен перспективный вид части одной стороны перегородки, показанной на фиг.8, иллюстрирующий направляющие средства и преобразователь, которые образуют часть системы преобразования энергии, согласно ее второму варианту осуществления;

на фиг.13 представлены направляющие средства, образующие часть перегородки, показанной на фиг.8, в первом положении;

на фиг.14 представлены направляющие средства, показанные на фиг.13, но только передвинутые во второе положение; и

на фиг.15 представлены направляющие средства, показанные на фиг.14, также во втором положении, но несколько сдвинутые вперед относительно положения на фиг.14.

Чертежи на фиг.1-7 иллюстрируют первый вариант осуществления системы преобразования энергии, в целом имеющей обозначение 10, используемой для преобразования энергии прилива в электрическую энергию. Система 10 содержит перегородку 12, которая в процессе работы подвешивается ниже уровня и поперек массы воды 18, причем в показанном варианте осуществления эта массы воды 18 заключена в канале 16. В предпочтительном варианте, перегородка 12 может перегораживать существенную часть ширины канала 16 с тем, чтобы достичь максимальной эффективности системы 10, как это будет подробно показано далее. С каждой стороны, перегородка 12 соединена с парой преобразователей 14, как это показано на фиг.6 и 7, причем в предпочтительном варианте, преобразователи 14 установлены на суше по берегам канала 16, внутри специально установленных строений 34. Система 10 приспособлена, как это будет подробно показано далее, для преобразования энергии прилива масс воды 18 в электрическую энергию, с использованием функционально связанных перегородки 12 и преобразователей 14.

Как показано, в частности, на фиг.1 и 2, в представленном варианте осуществления перегородка 12 образована рядом парусов 20, каждый из которых установлен в соответствующей несущей раме 22, причем каждый парус выполнен из материала с соответствующими свойствами. Поскольку перегородка 12 и, значит, паруса 20 обычно погружены в соленую воду и при работе испытывают воздействие значительных сил, желательно, чтобы паруса 20 были изготовлены из материала, обладающего необходимой прочностью, гибкостью, а также не загрязняющего окружающую среду. Примерами такого материала могут служить арамиды, полимеры, угольное волокно, 100% нейлон и др. Перегородка 12 по краям прикреплена к служащим ей опорой верхнему канату 24 и нижнему канату 26, которые, в предпочтительном варианте, сплетены из стальных нитей, либо любого их эквивалента. Верхний и нижний канаты 24, 26, вместе с различными дополнительными элементами, описанными ниже, служат для поддержания заданной конфигурации и ориентации перегородки 12 и для обеспечения эффективной передачи воздействующих на перегородку 12 сил на преобразователи, как это будет описано далее.

Для того чтобы перегородка оставалась висящей в канале 16 и не тонула, к верхнему канату 24 по его длине прикреплено несколько буев 28. Вес перегородки 12, вместе с весом нижнего каната 26, обеспечивает по существу вертикальное расположение перегородки 12. Однако, в зависимости от условий работы системы 10, может потребоваться прикрепление к нижнему канату 26 либо, в альтернативном варианте, к самой перегородке дополнительного балласта (не показан). Каждый буй 28 прикреплен к верхнему канату 24 привязным тросом 30, длина которого в показанном варианте осуществления составляет примерно 10 м, обеспечивая размещение перегородки 12 на глубине 10 м под поверхностью масс воды 18. Этим гарантируется, что большинство судов (не показаны) смогут пройти над перегородкой 12, не задевая ее. Таким образом, поскольку перегородка 12 также прикреплена к расположенным на суше преобразователям 14, на растянутую поперек канала 16 перегородку 12 будет воздействовать приливный поток масс воды 18.

Таким образом, как показано на фиг.2, по мере продвижения прилива в направлении стрелки А, каждый парус перегородки 12 надувается в этом направлении действующим на него гидравлическим давлением, а соответствующая рама 22 удерживает парус 20 раздутым с такой ориентацией. В предпочтительном варианте, каждая рама 22 расположена под углом примерно 45° к направлению приливного потока, хотя этот угол может быть, конечно, изменен, в зависимости от условий работы и требований, предъявляемых системой 10 преобразования энергии.

Таким образом, следует понимать, что каждый парус 20 действует как парус парусного судна (не показано), создающий силу, направленную поперек направления приливного потока, как показано стрелкой В на фиг.2. Эта сила тянет всю перегородку 12 поперек канала 16 в направлении стрелки В. Фазы этого движения иллюстрируются фиг.1. На фиг.1а показано положение перегородки 12 в момент, когда начинается движение приливного потока, на фиг.1б перегородка находится посередине канала 16, а на фиг.1в перегородка уже достигла противоположного берега канала 16, к моменту, когда направление приливного потока меняется на обратное. Это перемещение поперек канала 16 обеспечивается за счет дополнительной длины верхнего каната 24 и нижнего каната 26, которые вытягиваются из преобразователя 14, когда перегородка 12 уходит от него. Создаваемая перегородкой 12 сила в направлении стрелки В, при этом преобразуется соответствующим преобразователем 14 в электрическую энергию, как это будет описано далее. Образующееся на противоположной стороне перегородки 12 провисание верхнего каната 24 и нижнего каната 26 выбирается преобразователем 14, в направлении которого движется перегородка 12, что, как будет описано далее, предотвращает отклонение перегородки 12 от положения, поперечного относительно направления приливного потока, показанного стрелкой А на фиг.2. Однако, как показано на фиг.3а, в результате воздействия на перегородку 12 силы приливного потока происходит некоторый ее изгиб. Желательно, конечно, свести этот изгиб к минимуму с тем, чтобы сохранить поперечную ориентацию перегородки 12 относительно направления приливного потока.

Когда происходит обращение направления приливного потока, что случается каждые 6 часов, каждый парус, благодаря его гибкости, раздувается в противоположном направлении, используя в качестве опоры неподвижную раму 22. Поскольку рама 22 расположена, в предпочтительном варианте, под углом примерно 45° относительно направления приливного потока, каждый парус 20 будет иметь примерно прежнюю конфигурацию и ориентацию, вне зависимости от направления приливного потока. При обращении направления приливного потока произойдет изменение на противоположное его и фаз, показанных на фиг.la-в, когда перегородка будет двигаться поперек канала 16 справа налево. Как показано на фиг.3а, перегородка 12 и верхний и нижний канаты 24, 26 при этом слегка вытянутся в противоположном направлении под действием влекущей силы потока. Для обеспечения указанного реверсивного движения перегородки 12, работа преобразователей 14 с обеих сторон перегородки 12 должна быть также переведена в реверсивный режим, как это будет описано далее.

С тем чтобы достичь максимальной выработки электроэнергии при каждом прохождении перегородки 12 поперек канала 16, желательно, чтобы перегородка 12 проходила поперек канала 16 максимально-возможное расстояние. Это достигается изменением количества и размеров парусов 20, образующих перегородку 12. Очевидно, что чем больше количество парусов 20, тем больше развиваемая перегородкой 12 сила и тем больше вырабатывается электроэнергии. Как показано на фиг.4 и 5, форма паруса 20 и, значит, форма окружающей его рамы 22, может быть изменена для придания системе 10 требуемых рабочих характеристик. Очевидно, что чем больше размер парусов 20, тем больше развиваемая сила, но также и больше влекущая сила потока, а значит, и вытягивание перегородки 12 в направлении приливного потока. В предпочтительном варианте, каждый парус 20 прикрепляется к соответствующей раме 22 несколькими крепежными элементами с возможностью снятия, чем обеспечивается ремонт или замена поврежденного паруса 20.

Далее, со ссылкой на фиг.6 и 7, приводится описание способа преобразования создаваемой перегородкой 12 силы в электроэнергию. С каждой стороны перегородки 12, верхний канат 24 и нижний канат 26 прикреплены к соответствующим преобразователям 14, одинаково устроенным и работающим. Поэтому будет достаточно описать устройство и работу одного из преобразователей 14, в данном случае, преобразователя 14, к которому подсоединен верхний канат 24. Каждая пара преобразователей 14 расположена внутри подходящей постройки 34, упоминавшейся ранее. Главным компонентом преобразователя 14 является барабан 36, на который наматывается и к которому прикреплен верхний канат 24. Барабан 36 установлен на оси 38, с одной стороны соединенной с редуктором 40. Редуктор 40 последовательно соединен со вторым редуктором 42, который, в свою очередь, соединен с генератором 44, при этом генератор 44 может быть подключен непосредственно к общей энергосистеме, либо к соответствующему накопителю (не показан). Следует, конечно, иметь в виду, что вместо редуктора 40 и второго редуктора 42 может быть использован единый редуктор (не показан), либо любой иной его эквивалент.

Таким образом, когда перегородка 12 начинает пересекать канал 16, верхний канат 24 (и нижний канат 26, соединенный с соседним преобразователем 14) вытягивается из постройки 34, при этом барабан 36 начинает вращаться вокруг своей оси 38. Однако из-за низкой скорости перемещения перегородки 12 поперек канала 16, вращение барабана 36 оказывается достаточно медленным, поэтому к барабану присоединен редуктор 40. Теперь, при вращении барабана 36 при сматывании с него верхнего каната 24, редуктор 40 приводит во вращение второй редуктор 42 с более высокой скоростью, который, в свою очередь, вращает электрогенератор 44, вырабатывающий электроэнергию.

Когда направление приливного потока меняется на обратное, начинают вырабатывать электроэнергию два преобразователя 14 с противоположной стороны перегородки 12, как это было описано выше, а два преобразователя 14, в сторону которых движется перегородка 12, теперь используются для натягивания обоих провисших канатов - верхнего каната 24 и нижнего каната 26. Для этого в каждом преобразователе 14 имеется двигатель 46 (не показан на преобразователе 14 справа на фиг.6 и 7), который, в данном варианте осуществления, показан установленным с противоположной стороны барабана 36. Двигатель 46 используется для вращения барабана 46 в обратном направлении для наматывания провисших канатов 24, 26. Так как на преобразователи 14, в частности на барабаны 36, воздействуют высокие нагрузки, в предпочтительном варианте каждый барабан прикрепляется к грунту посредством рамы 48 или ее эквивалента. Понятно, что при наматывании кабелей 24, 26 обратно на соответствующий барабан 36 расходуется энергия, однако этот расход энергии будет значительно меньше энергии, вырабатываемой системой 10, благодаря чему результирующий энергетический баланс системы 10 будет положительным.

Также следует иметь в виду, что по мере того, как канаты 24, 26 сматываются с соответствующего преобразователя 14, должны автоматически подсоединяться дополнительные буи 28, с тем чтобы поддерживать перегородки 12 на нужной глубине при ее движении поперек канала 16. Это может выполняться обычным способом.

На фиг.8-15 приложенных чертежей представлен второй вариант осуществления системы преобразования энергии, в целом обозначенной числом 110, также приспособленной для преобразования энергии прилива в электроэнергию. В этом втором варианте осуществления, аналогичные компоненты имеют одинаковые числовые обозначения и, если не указано обратное, выполняют те же функции. Так же как и в первом варианте выполнения, система 110 содержит перегородку 112, которая подвешена во время работы ниже уровня и поперек массы воды 118, движущейся в канале 116 или аналогичном месте.

На фиг.11А система 110 показана с приливным потоком, двигающимся в первом направлении, обозначенном стрелкой А, в то время как на фиг, 11Б система 110 показана с приливным потоком, двигающимся в противоположном направлении. Верхний канат 124 и нижний канат 126 (на фиг.11 не виден) перегородки 112 выполнены в виде замкнутой петли, причем по обеим сторонам перегородки 112 расположены концевые участки 70 петли, на которых направление канатов 124, 126 по существу меняется на 180°, как это будет подробно описано далее. Между верхним и нижним канатами 124 и 126 и вдоль них закреплены несколько решеток 119 парусов (на фиг.11 не показаны), которые, как это будет подробно показано ниже, приспособлены для перемещения канатов 124, 126 поперек канала для вырабатывания электроэнергии. Система 110, как это будет показано далее, устроена таким образом, что верхний и нижний канаты 124, 126 перемещаются только в одном направлении по образованному замкнутому пути, вне зависимости от направления приливного потока.

В приведенном для иллюстрации предпочтительном варианте осуществления, концевые участки 70 расположены на суше, хотя следует понимать, что концевые участки 70 могут быть вынесены в массы воды 118, хотя при этом уменьшится рабочая длина перегородки 112 и возникнут трудности в размещении системы 110. Таким образом, желательно, чтобы концевые участки 70 были размещены на суше, но при этом находились в заполненном водой заливе, врезающемся в берег с каждой стороны канала 116, сообщающейся с массами воды 118. При такой конфигурации отпадает необходимость поднимать верхний и нижний канаты 124, 126 из воды 118 для перехода из масс воды 118 на берег с каждой стороны. При этом в системе 110 не требуется производить подъем каждой из решеток 119 парусов и поддерживающих их канатов 124, 126 из воды 118 для прохождения каждого концевого участка 70. Кроме того, благодаря тому, что верхний канат 124 и нижний канат 126 находятся в воде, уменьшается действующий вес перегородки 112, и прочность канатов 124, 126 может выбираться, соответственно, с пониженными требованиями к прочности, что, в свою очередь, уменьшает и вес канатов 124, 126. В предпочтительном варианте, каждый концевой участок 70 имеет диаметр или ширину в интервале от 500 до 1000 м, хотя эта величина может, конечно, изменяться в соответствии со свойствами конкретных масс воды 118, поперек которых установлена перегородка 112.

Как показано, в частности, на фиг.8 и 12, перегородка 112 содержит по меньшей мере одну, а в предпочтительном варианте, несколько решеток 119 парусов (не показано на фиг.11), причем каждая решетка 119 содержит несколько парусов 120, которые, так же как и в описанном ранее варианте, выполнены из любого подходящего варианта, например материала на основе арамидного волокна, полимера, угольного волокна или нейлона. Каждый парус 120 закрепляется внутри по существу жесткой рамы 122, и вся решетка 119 шарнирно устанавливается между верхним канатом 124 и нижним канатом 126, как будет более подробно описано ниже. В предпочтительном варианте, перегородка 112 содержит большое число решеток 119 парусов, установленных друг за другом вдоль перегородки 112 между верхним канатом 124 и нижним канатом 126.

На показанном варианте осуществления, в решетках 119 устанавливается по пять парусов 120, хотя их может быть больше или меньше, которые закреплены неподвижно и по существу параллельно друг другу посредством по существу жесткой поперечины 60. Для закрепления парусов 120 в показанном положении могут быть, конечно, использованы любые другие средства. Поперечина 60 крепится к каждой из рам 122 любыми подходящими средствами, например сваркой. Решетка 119 парусов также содержит вал 62, который шарнирно закреплен между верхним канатом 124 и нижним канатом 126, и также жестко прикреплен к центральному парусу 120 посредством соответствующей рамы 122. Хотя вал 62 показан проходящим насквозь от верхнего каната 124 к нижнему канату 126, в предпочтительном варианте он делается разорванным или отсутствующим в области центрального паруса 120, с тем чтобы не препятствовать парусу раздуваться в любом направлении. Таким образом, на практике вал 62 желательно выполнять в виде двух цапф (не показаны), одна из которых закреплена между самой верхней точкой центральной рамы 122 и верхним канатом 124, а другая закреплена между самой нижней точкой центральной рамы 122 и нижним канатом 126.

На фиг.10 показано, что вал 62 шарнирно прикреплен к верхнему канату 124 посредством подходящего подшипника 64, который фиксирован на верхнем канате 124. Крепление такой же конструкции используется между валом 62 и нижним канатом 126. Понятно, что такая конструкция позволяет решетке 119 парусов поворачиваться вокруг оси, определяемой валом 62, с тем чтобы изменять угол атаки относительно приливного потока, как это показано стрелкой А на фиг.8.

Каждая решетка 119 парусов дополнительно содержит направляющие средства в виде лопасти 66, расположенной под верхним канатом 124 и по существу выше парусов 120. В процессе работы, лопасть 66 расположена вниз по потоку относительно решетки 119, хотя допускается и расположение лопасти 66 со стороны решетки 119 вверх по потоку. Лопасть 66 прикреплена к валу 62 посредством двух кронштейнов 68. Лопасть 66 может быть, конечно, прикреплена к центральной раме 122 или поперечине 60. В предпочтительном варианте, однако, лопасть 66 не располагается непосредственно за парусами 120 с тем, чтобы она управлялась основным приливным потоком, а не потоком, проходящим между парусами 120. Хотя на фиг.8 и 12 нижний кронштейн 68 показан присоединенным к валу 62 в точке, находящейся под верхней точкой центральной рамы 122, в предпочтительном варианте, в пределах площади паруса 120 вал отсутствует, как было упомянуто выше. Таким образом, на практике нижний кронштейн 62 размещается несколько выше, чем показано, в частности в точке на валу 62, расположенной над верхней точкой центральной рамы 122.

На фиг.9, схематически иллюстрирующей решетку 119, показанную на фиг.8, можно видеть, что лопасть 66 расположена в вертикальной плоскости под определенным углом к линии хорды каждого из парусов 120, которые по существу параллельны друг другу. По причинам, подробно изложенным ниже, когда решетка 119 парусов устанавливается в приливный поток, саморегулирующаяся лопасть 66 установится параллельно направлению приливного потока А. Угол между лопастью 66 и парусами 120 тщательно подбирается так, что когда лопасть 66 устанавливается параллельно приливному потоку, паруса 120 оказываются расположенными под оптимальным углом атаки относительно приливного потока А. Оптимальным углом атаки, в настоящем изобретении, является угол, при котором паруса 120 создают максимальную силу в направлении стрелки В. Такая установка оказывается возможной в результате как статического баланса масс каждой решетки 119 относительно вала 62, так и установкой центра приложения давления каждой решетки 119 примерно на валу 62. Наличие статического баланса масс означает, что вес решетки 119 распределен относительно оси 62 таким образом, что решетка 119 уравновешена относительно этой оси. Другими словами, центр тяжести решетки 119 расположен, по существу, на оси 62 либо достаточно близко к ней для достижения нужного результата, описанного ниже.

Положением центра давления решетки 119 для конкретного угла атаки, в данном случае, оптимального угла атаки, можно управлять, изменяя натяжение или кривизну каждого из парусов 120. При этом паруса 120, растянутые приливным потоком, как это показано на фиг.9, должны иметь профиль аэродинамической поверхности, для которого положение центра давления всей решетки 119 совпадает с валом 62. В настоящем варианте осуществления изобретения это достигается совмещением центра давления центрального паруса 120 с валом 62 и использованием одинакового числа парусов 120 с каждой из сторон центрального паруса 120 или вала 62.

При наличии статического баланса масс решетки 119 на валу 62, в процессе работы можно, используя относительно небольшую силу, поворачивать решетку 119 на валу 62. Таким образом, если лопасть 66 расположена не параллельно направлению приливного потока А, относительно небольшой силой, приложенной к лопасти 66, приливный поток поворачивает решетку 119 до тех пор, пока лопасть 66 не станет параллельной направлению приливного потока А. При такой ориентации, паруса 120 оказываются под оптимальным углом атаки относительно приливного потока А. Описанная конструкция позволяет относительно небольшой лопастью 66 удерживать паруса в этом положении, несмотря на наличие значительно большей силы, создаваемой при воздействии прилива на паруса 120.

На фиг.11 показано, что в процессе работы верхний и нижний канаты 124 и 126 слегка изгибаются в направлении приливного потока А, что приводит к изменению угла атаки парусов 120 (не показаны на фиг.11) в решетках 119 (не показаны на фиг.11), размещенных поперек канала 116. Однако использование самонастраивающейся лопасти 66 гарантирует, что вне зависимости от места расположения любой из решеток 119 парусов, каждый из парусов 120 будет расположен под оптимальным углом атаки относительно направления приливного потока А.

Как показано на фиг.11 и 12, система 110 содержит преобразователь 114, содержащий направляющие средства в виде группы направляющих роликов 72, которые установлены попарно на соответствующем валу 74 и разнесены друг относительно друга, причем верхний и нижний канаты 124 и 126 проходят по соответствующим направляющим роликам 72 и направляются ими. Видно, что концевые участки 70 по обеим сторонам перегородки 112 по существу определяются группой направляющих роликов 72, причем на каждом концевом участке 70 показанного варианта осуществления используется четыре пары направляющих роликов 72, обеспечивающих возвратный путь для верхнего и нижнего канатов 124, 126.

По меньшей мере один, а в предпочтительном варианте, каждый вал 74 вращает редуктор 96, который может быть непосредственно прикреплен к валу 74, как показано, либо соединен другим способом. Таким образом, при перемещении каждой решетки 119 парусов поперек канала 116, верхний и нижний канаты 124, 126 будут, за счет сцепления с направляющими роликами 72, вращать направляющие ролики 72 и, тем самым, вращать вал 74, который, в свою очередь, вращает редуктор 96, от которого отбор мощности может производиться обычным путем. Должны быть приняты меры от проскальзывания между канатами 124, 126 и соответствующими направляющими роликами 72. Например, на каждом направляющем ролике 72 может быть сделан круговой клиновидный желоб, либо поверхность может быть сделана шершавой или специально обработана.

Как уже упоминалось ранее, конструкция системы 110 обеспечивает движение перегородки 112, более конкретно верхнего и нижнего канатов 124, 126, в одном направлении все время, вне зависимости от направления приливного потока. При этом следует иметь в виду, что когда каждая решетка 119 парусов достигает одного из концевых участков 70 и проходит вокруг него, чтобы выйти с другой стороны концевого участка 70, двигаясь в противоположном направлении, решетка 119 парусов получит противоположную ориентацию, с направляющей лопастью 66, находящейся впереди парусов 120 относительно направления приливного потока, а не сзади них, как это требуется. Однако направляющая лопасть 66 используется для того, чтобы каждая решетка 119 парусов работала как флюгер, а приливный поток воды действовал как ветер на флюгер, постепенно поворачивая решетку 119 парусов на 180° вокруг оси 62 с тем, чтобы точно ориентировать в направлении приливного потока. Это становится возможным благодаря статическому балансу масс решетки 119 относительно вала 62, и совмещению центра давления решетки 119 с валом 62. При этом относительно слабого приливного потока, действующего на лопасть 66, достаточно чтобы повернуть соответствующую решетку 119 на валу 62 примерно на 180°, до тех пор пока лопасть 66 опять не займет место сзади парусов 120 относительно направления приливного потока.

Однако, по выходе из соответствующего концевого участка 70, каждая решетка 119 теперь должна пересекать канал 116 в противоположном направлении по сравнению с решетками 119 на параллельной части перегородки 112, лежащей вверх по потоку, и, значит, каждый отдельный парус должен встать под своим другим оптимальным углом атаки. В результате, решетки 119 на находящейся вниз по потоку стороне перегородки должны иметь угол атаки, который представляет собой, по существу, зеркальное отражение угла атаки решеток 119 на стороне перегородки 112, лежащей вверх по потоку. Поэтому следует иметь в виду, что направляющая лопасть 66 сначала будет занимать неправильное угловое положение относительно линий хорд парусов 120, и если она будет оставаться в таком положении, паруса 120 окажутся ориентированы под углом атаки относительно направления приливного потока, не обеспечивающим эффективной работы. Поэтому лопасть 66 имеет возможность перемещения между первым положением и вторым положением, как показано соответственно на фиг.13 и 14. В первом положении, установка лопасти 66 обеспечивает движение решетки 119 в одном направлении поперек канала 116, в то время как во втором положении установка лопасти 66 вызывает движение решетки 119 поперек канала 116 в противоположном направлении. Для того чтобы облегчить перемещение между первым и вторым положениями, лопасть 66 установлена на шарнире между кронштейнами 68 на шарнирной оси 80, расположенной вблизи передней кромки 82 лопасти 66.

В предпочтительном варианте, лопасть 66 автоматически переключается при необходимости между первым и вторым положениями, например, когда решетка 119 проходит вокруг одного из концевых участков 70 и поворачивается на 180° на валу 62 для того, чтобы вновь быть правильно ориентированной по направлению приливного потока. Как показано на фиг.13-15, система 110 для этого оснащена средствами переключения, функционально связанными с каждой решеткой 119, причем эти средства переключения приспособлены для правильной ориентации направляющей лопасти 66 либо в первое, либо во второе положение при изменении на обратную ориентации решетки 119 парусов. В показанном варианте осуществления, средства переключения имеют вид упругодеформируемого рычага 84, выступающего из передней кромки 82 лопасти 66, и соответствующего упора 86, проходящего вниз с нижней стороны верхнего каната 124 в месте расположения соответствующей решетки 119 парусов, причем упор 86 располагается по обеим сторонам вала 62. Средства переключения не показаны на каких-либо других чертежах, кроме чертежей, представленных на фиг.13-15.

Как показано на фиг.13, решетка 119 поворачивается на валу 62 из положения, в котором лопасть 66 находится впереди парусов 120, в положение, где лопасть 66 находится позади парусов 120. При этом лопасть 66 поворачивается примерно на 90°, проходя непосредственно под верхним канатом 124. В процессе поворота, рычаг 84 касается упора 86, в частности, его закругленного наконечника 88, как показано на фиг.13. По мере того как решетка 119 продолжает поворачиваться на валу 62, упор 86 начнет препятствовать движению рычага 84. Это приведет к тому, что лопасть 66 будет перемещена из первого положения, показанного на фиг.13, во второе положение, показанное на фиг.14, с прохождением лопасти 66 под верхним канатом 124. Из этого положения, по мере дальнейшего поворота решетки 119 и вследствие этого дальнейшего отхода лопасти 66 из-под верхнего каната 124, благодаря своей гибкости, рычаг 84 может деформироваться достаточно для того, чтобы пройти над наконечником 88 упора 86, как это показано на фиг.15. Скругление наконечника 88 упрощает прохождение рычага 84 по наконечнику 88. Из положения, показанного на фиг.15, решетка 119 продолжает поворачиваться, как было описано выше, до тех пор, пока лопасть 66, теперь переключившаяся во второе положение, не встанет параллельно направлению приливного потока. При этом паруса 120 окажутся ориентированными под оптимальным углом атаки для создания максимальной силы в направлении стрелки В. Таким образом, в процессе работы, когда решетка 119 обходит один из концевых участков 70 и начинает двигаться назад поперек канала в противоположном направлении, лопасть 66 каждой решетки 119 обеспечивает автоматическую ориентацию решетки так, чтобы паруса 120 оказывались под оптимальным углом атаки к приливному потоку.

Кроме того, когда направление приливного потока меняется на обратное, как показано, например, на фиг.11А и 11Б, каждая из решеток 119 парусов, по аналогии с флюгером, будет вынуждена медленно поворачиваться под действием потока на валу 62, благодаря использованию лопасти 66. Когда каждая из решеток 119 повернулась на 180° навстречу надвигающемуся приливу, с лопастью 66, поворачивающейся вслед за парусами 120, лопасть 66 снова оказывается неправильно ориентированной. Однако, как было описано выше, средства 84, 86 переключения выправят ориентацию направляющей лопасти 66, когда она пройдет под верхним канатом 124 при вращении решетки 119 на валу 62.

Учитывая то, что система 110, в частности решетка 119 парусов, используется под водой, желательно, чтобы средства 84, 86 имели простую и надежную конструкцию, хотя должно быть понятно, что рычаг 84 и упор 86 могут быть заменены любым другим функциональным эквивалентом. Например, между валом 62 и лопастью 66 мог быть установлен какой-либо рычажный механизм (не показан), приспособленный для перемещения лопасти 66 между первым и вторым положениями в ответ на вращение вала 66. Могут быть также использованы любые другие конструкции.

Понятно, что при необходимости может быть использовано более одной лопасти 66, а расположение лопасти 66 может быть изменено для оптимизации ее работы. Например, лопасть 66 может быть установлена ниже парусов 120 с тем, чтобы лопасть 66, как и раньше, управлялась воздействием основного приливного потока, а не потока, протекающего между парусами 120.

Желательно, чтобы, находясь в первом и втором положениях, лопасть 66 испытывала сопротивление к изменению своего положения с тем, чтобы поддерживалась правильная ориентация лопасти 66, когда соответствующая решетка 119 проходит поперек канала 116. Это сопротивление должно быть достаточным для того, чтобы удерживать положение лопасти 66 при линейном движении решетки 119 поперек канала 116, но преодолимым, когда рычаг 84 с усилием проходит мимо упора 84 во время поворота решетки 119. Это может быть достигнуто в любой подходящей конструкции, например, использованием обычных шариковых фиксаторов (не показаны), установленных на кронштейнах 68, с соответствующими углублениями (не показаны), выполненными в верхней и нижней кромках лопасти 66. Может быть также использована и любая другая функционально эквивалентная конструкция.

Подразумевается, что решетка 119 парусов из второго варианта осуществления может быть использована в комбинации с перегородкой из первого варианта осуществления, вместо парусов 20.

Изобретение относится к системе преобразования энергии, в частности к системе преобразования энергии приливов в электрическую энергию. Система содержит перегородку 112, устанавливаемую поперек массы воды и содержащую верхний и нижний канаты 124 в виде замкнутой петли, между которыми последовательно закреплены решетки парусов, обеспечивающие передвижение канатов по замкнутому пути. Это движение преобразуется в электрическую энергию одним или более преобразователем, входящим в систему. Изобретение направлено на создание системы преобразования энергии для генерирования электроэнергии с использованием приливного перемещения масс воды, которая не оказывает воздействия на уязвимые морские берега и экосистемы устьев. 15 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Система преобразования энергии для использования энергии приливных перемещений массы воды, содержащая перегородку, устанавливаемую ниже уровня и поперек по меньшей мере части массы воды, и преобразователь, соединенный с перегородкой для обеспечения в процессе работы преобразования в электрическую энергию воздействующего на перегородку приливного давления, причем перегородка содержит по меньшей мере одну решетку парусов, включающую несколько парусов, неподвижно закрепленных относительно друг друга и в основном параллельно друг другу, и решетка шарнирно прикреплена к опоре.

2. Система по п.1, в которой по меньшей мере одна решетка парусов приспособлена для движения по существу поперек направления, в котором движется приливный поток в массе воды.

3. Система по п.2, в которой перегородка содержит по меньшей мере одну опору, к которой прикреплена каждая решетка парусов и которая соединена с преобразователем.

4. Система по п.3, в которой каждый парус имеет по существу жесткую раму.

5. Система по п.3, в которой конфигурация каждого паруса приспособлена для обеспечения работы системы вне зависимости от направления приливного потока.

6. Система по п.4, в которой опора включает верхний канат и нижний канат.

7. Система по п.1, в которой каждая решетка парусов содержит направляющие средства, обеспечивающие нужную ориентацию парусов относительно направления приливного потока.

8. Система по п.7, в которой направляющие средства содержат лопасть, располагающуюся в процессе работы ниже по потоку относительно решетки.

9. Система по п.1, в которой каждая решетка шарнирно прикреплена к одной или каждой опоре с осью шарнира, которая по существу совпадает, в процессе работы, с центром давления решетки.

10. Система по п.1, в которой каждая решетка шарнирно прикреплена к одной или каждой опоре, причем масса решетки уравновешена относительно оси шарнира.

11. Система по п.6, в которой каждый канат - верхний и нижний, образуют замкнутую петлю.

12. Система по п.11, содержащая направляющие средства с каждой стороны перегородки, которые, соответственно, образуют возвратный контур, вдоль которого ограничено перемещение верхнего и нижнего канатов.

13. Система по п.12, в которой направляющие средства соединены с преобразователем.

14. Система по п.12, в которой направляющие средства содержат группу направляющих роликов, по меньшей мере один из которых приводится в движение, соответственно, верхним или нижним канатом, причем по меньшей мере один направляющий ролик соединен с преобразователем.

15. Система по п.14, в которой направляющие ролики устанавливаются попарно на соответствующем валу, разнесенными друг от друга.

16. Система по п.7, в которой каждая решетка парусов содержит средства для переключения ориентации соответствующих направляющих средств между первым положением и вторым положением.