ПОПЛАВКОВАЯ ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2016 года по МПК F03B13/24 

Поплавковая волновая электростанция относится к отрасли морской энергетики и предназначена для извлечения электрической энергии из морских волн.

Известна волновая энергетическая установка, содержащая судно с волновым компрессором, использующим энергию волнения для производства сжатого воздуха, с расположенными по периметру судна и погруженными в воду рабочими камерами с впускными и выпускными окнами, и преобразующие энергию сжатого воздуха турбины с электрогенераторами, причем рабочие камеры в такте всасывания при уходе волны через впускные клапаны сообщаются с коллектором низкого давления, связанным с атмосферой, а через выпускные клапаны в такте сжатия с приходом волны сообщаются с коллектором высокого давления, судно имеет размеры и количество рабочих камер, обеспечивающих одновременную работу нескольких волн, отличающаяся тем, что рабочие камеры размещены ступенями по глубине, причем каждая последующая ступень рабочих камер расположена глубже предыдущей, а коллектор высокого давления предыдущей ступени одновременно является коллектором низкого давления последующей ступени, коллектор высокого давления последней ступени в своей нижней части имеет дренажные колодцы с выпускными клапанами, в судне выполнена система балластных отсеков для размещения волнового компрессора на ватерлинии, располагаемой на уровне рабочих камер первой ступени, а на корме и носу расположены судовые двигатели (Патент на изобретение РФ №2330987, F03B 13/24, 2008). Эта волновая энергетическая установка принята в качестве аналога.

Недостаток аналога - сложность конструкции - рабочие камеры расположены по периметру судна и размещены ступенями по глубине.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является волновая электростанция, содержащая неподвижную опору, пневмогидравлическую камеру, подводная часть которой сообщена с водоемом, а надводная - с атмосферой через закрепленный на верхнем торце камеры напорный воздуховод, поперек которого установлена, по меньшей мере, одна турбина с лопастями крыловидного профиля, кинематически связанная с генератором, при этом на противоположных внутренних поверхностях напорного воздуховода для каждой турбины выполнены выступы с вогнутыми стенками, примыкающие с зазором к цилиндрической поверхности, ометаемой лопастями турбины, а на опоре размещен вращающийся привод, кинематически связанный с камерой, которая закреплена на опоре с возможностью вертикального перемещения в соответствии с колебаниями среднего уровня водной поверхности (Патент на изобретение РФ №2459974, F03B 13/24, 2012). Эта волновая электростанция принята в качестве прототипа.

Недостатки прототипа - наличие неподвижной опоры, неэффективное использование энергии рабочего тела - сжатого атмосферного воздуха; часть кинетической энергии теряется при входе и выходе рабочего тела из напорного воздуховода.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в выполнении волновой электростанции в виде поплавка, а оборудование ее дефлектором с флюгером позволит увеличить процент выработки электрической энергию за счет более рационального использования кинетической энергии рабочего тела - сжатого воздуха.

Для достижения указанного технического результата поплавковая волновая электростанция, содержащая пневмогидравлическую камеру, подводная часть которой сообщена с морем, напорный воздуховод, в котором установлена, по меньшей мере, одна турбина с лопастями крыловидного профиля, при этом на противоположных внутренних поверхностях напорного воздуховода для каждой турбины выполнены выступы с вогнутыми стенками, примыкающие с зазором к цилиндрической поверхности, и кинематически связанная с электрогенератором, причем она снабжена поплавком, мультипликатором, заглушкой с отверстиями, подпружиненным клапаном для выпуска сжатого воздуха, подпружиненным клапаном для впуска атмосферного воздуха, дефлектором с флюгером, поплавок выполнен в виде круглой цилиндрической трубы, внутри которой размещен изогнутый по вертикали напорный воздуховод - труба круглого поперечного сечения, в верхней части которого размещен диффузор, перекрытый заглушкой с отверстиями, которые оборудованы подпружиненными клапанами для впуска атмосферного и выпуска сжатого воздуха, а в нижней части крепится пневмогидравлическая камера - труба круглого поперечного сечения, диаметр которой равен диаметру трубы напорного воздуховода, турбина установлена на прямом участке изгиба в полости напорного воздуховода и кинематически связана с мультипликатором, увеличивающим частоту вращения электрогенератора, которые установлены вне напорного воздуховода в полости поплавка, дефлектор выполнен в виде круглого цилиндра с вертикальным валом вращения, на боковой поверхности которого выполнено окно впуска атмосферного воздуха и окно и выпуска сжатого воздуха, при этом они ориентированы по диагонали круглого цилиндра, направление которой совпадает с стержнем флюгера, а окно выпуска сжатого воздуха размещено со стороны флажка флюгера.

Кроме того, заявляемое техническое решение имеет факультативные признаки, характеризующие его частные случаи, а именно:

- длина напорного воздуховода составляет $$\frac{1}{3}L$$ , а длина пневмогидравлической камеры $$\frac{2}{3}L$$ ;

- поплавок выполнен со скошенными во внешнюю сторону основаниям, которые крепятся к трубе напорного воздуховода и к трубе пневмогидравлической камеры;

- окно впуска атмосферного воздуха соединено коробом с отрезком трубы, которая проходит через центральное отверстием заглушки и посажена в нижний подшипник, причем она является частью вертикального вала круглого цилиндра дефлектора.

Отличительными признаками предлагаемого устройства от указанного выше, наиболее близкого к нему, являются то, что она снабжена поплавком, мультипликатором, заглушкой с отверстиями, подпружиненным клапаном для выпуска сжатого воздуха, подпружиненным клапаном для впуска атмосферного воздуха, дефлектором с флюгером, поплавок выполнен в виде круглой цилиндрической трубы, внутри которой размещен изогнутый по вертикали напорный воздуховод - труба круглого поперечного сечения, в верхней части которого размещен диффузор, перекрытый заглушкой с отверстиями, которые оборудованы подпружиненными клапанами для впуска атмосферного и выпуска сжатого воздуха, а в нижней части крепится пневмогидравлическая камера - труба круглого поперечного сечения, диаметр которой равен диаметру трубы напорного воздуховода, турбина установлена на прямом участке изгиба в полости напорного воздуховода и кинематически связана с мультипликатором, увеличивающим частоту вращения электрогенератора, которые установлены вне напорного воздуховода в полости поплавка, дефлектор выполнен в виде круглого цилиндра с вертикальным валом вращения, на боковой поверхности которого выполнено окно впуска атмосферного воздуха и окно выпуска сжатого воздуха, при этом они ориентированы по диагонали круглого цилиндра, направление которой совпадает с стержнем флюгера, а окно выпуска сжатого воздуха размещено со стороны флажка флюгера.

Благодаря наличию этих признаков применение этого устройства позволит снизить металлоемкость конструкции, а оборудование его дефлектором с флюгером позволит увеличить процент выработки электрической энергию за счет более рационального использования кинетической энергии рабочего тела - сжатого воздуха, полученного из возобновляемого источника энергии - морских волн.

Предлагаемое устройство - поплавковая волновая электростанция иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2, 3, 4 и 5.

На фиг. 1 показан план поплавковой волновая электростанции, на фиг. 2 - вертикальный разрез поплавковой волновая электростанции в гребне волны; на фиг. 3 - вертикальный разрез поплавковой волновая электростанции в подошве волны; на фиг. 4 - вертикальный разрез дефлектора с флюгером; на фиг. 5 - горизонтальный разрез А-А дефлектора с флюгером.

Поплавковая волновая электростанция содержит поплавок 1, дефлектор 2, флюгер 3, трос 4 и якорь 5 (фиг. 1). Поплавок 1 выполнен в виде круглой цилиндрической трубы со скошенными во внешнюю сторону основаниям 6. Внутри поплавка 1 размещен изогнутый по вертикали напорный воздуховод 7 - труба круглого поперечного сечения, в верхней части которого размещен диффузор 8, перекрытый заглушкой 9. Турбина 10 установлена на прямом участке изгиба в полости напорного воздуховода 7 и кинематически связана с мультипликатором 11, увеличивающим частоту вращения электрогенератора 12, которые установлены вне напорного воздуховода 7 в полости поплавка 1. В нижней части напорного воздуховода 7 крепится пневмогидравлическая камера 13 - труба круглого поперечного сечения, диаметр которой равен диаметру трубы напорного воздуховода 7. Нижний конец пневмогидравлическая камера 13 сообщается с морем.

На фиг. 2 приняты следующие обозначения: h - амплитуда морской волны; ω - угловая скорость кругового движения частиц жидкости; ср. ур. в. - средний уровень воды в море; $$\frac{1}{3}L$$ - длина напорного воздуховода; $$\frac{2}{3}L$$ - длина пневмогидравлической камеры. На заглушке 9 размещены центральное отверстие 14, оборудованное подпружиненным клапаном 15 для впуска атмосферного воздуха, и отверстия 16, оборудованные подпружиненным клапаном 17 выпуска сжатого воздуха. Дефлектор 2 выполнен в виде круглого цилиндра 18 с вертикальным валом 19 вращения в верхнем 20 и нижнем подшипнике 21. На боковой поверхности круглого цилиндра 18 выполнено окно 22 впуска атмосферного воздуха и окно 23 выпуска сжатого воздуха, при этом они ориентированы по диагонали круглого цилиндра 18, направление которой совпадает со стержнем 24 флюгера 3, причем окно 22 впуска атмосферного воздуха размещено со стороны начала стержня 24, а окно 23 выпуска сжатого воздуха размещено со стороны флажка 25 флюгера 3. Окно 22 впуска атмосферного воздуха соединено коробом 26 с отрезком трубы 27, которая проходит через центральное отверстием 14 заглушки 9 и посажена в нижний подшипник 21, причем она является частью вертикального вала 19 круглого цилиндра 18 дефлектора 2. Подпружиненный клапан 17 выпуска сжатого воздуха имеет боковые отверстия 28 и входное отверстие 29. Круглый цилиндр 18 имеет внутренние связи 30 крепления и наружные стойки 31 крепления верхнего подшипника 20.

Работа поплавковой волновой электростанции осуществляется следующим образом.

Работа поплавковой волновой электростанции зависит от амплитуды h морской волны и от скорости ветра. Чем больше значение h, тем сильнее будет сжатие воздуха в полости пневмогидравлической камеры 13 и напорном воздуховоде 7, так как столб воды работает как поршень насоса. Изменение формы волновой поверхности таково, что наблюдается поступательное движение, хотя сама волна не перемещается в направлении распространения волны. Это кажущееся перемещение есть результат наблюдения фаз смещения последовательного расположения частиц жидкости; как только одна частица в гребне опускается, другая занимает ее место, обеспечивая сохранение формы гребня и распространения волнового движения вперед.

На фиг. 2 показана траектория угловой скорости ω кругового движения частиц жидкости. Мощность Р, переносимая волнами, на единицу ширины волнового фронта в чисто синусоидальной волне на глубокой воде прямо пропорциональна квадрату амплитуды h и периоду Т:Р=ρg²h²T/8π, где ρ - плотность морской воды; g - ускорение силы тяжести; π=3,14. Для Атлантики: длина волны 100 м, h=1,5 м, P≅73 кВт/м (Дж. Твайделл, А. Уэйр Возобновляемые источники энергии. Энергоатомиздат, М., 1990, с. 307).

В основе работы дефлектора 2 с флюгером 3 лежит теория обтекания жидкостью круглого цилиндра 18 с вертикальным валом. Согласно этой теории в фронтальной зоне у окна 22 впуска атмосферного воздуха полное давление составит а в кормовой зоне у окна 23 выпуска сжатого воздуха разность давлений где Р_а - атмосферное давление, ρ_воз. - плотность воздуха, U - скорость воздуха, Р - давление в любой точке на контуре круглого цилиндра 18 с вертикальной осью (Н.Я. Фабрикант. Курс аэродинамики, часть первая, Государственное объединенное научно-техническое издательство, М.- Л., 1938).

Из теории и опытов следует, что абсолютная величина отрицательного давления (вакуум) в кормовой зоне круглого цилиндра 18 значительно больше положительного давления в фронтальной зоне круглого цилиндра 18. Теперь рассмотрим цикл работы поплавковой волновой электростанции в гребне волны (фиг. 2). На фиг. 1 стрелками показано направление волнения и ветра у флюгера 3. Поплавок 1 со скошенными основаниями 6 удерживается на линии среднего уровня в море при помощи тросов 4 и якорей 5. Вода входит в пневмогидравлическую камеру 13 и выдавливает (сжимает) воздух, который поступает в напорный воздуховод 7, вращает турбину 10, мультипликатор 11 увеличивает частоту вращения электрогенератора 12, который вырабатывает электрический ток. Далее сжатый воздух поступает в диффузор 8 и натекает на заглушку 9. Далее сжатый воздух проходит через входное отверстие 29, сжимает пружину клапана 17 выпуска сжатого воздуха, боковые окна 28 открываются и сжатый воздух проходит через отверстия 16 и поступает в полость круглого цилиндра 18 и далее через окно 23 поступает (подсасывается) в зону пониженного давления и при этом ускоряется. Ускорение сжатого воздуха позволяет увеличить частоту вращения турбины 10, а значит повысить процент выработки электроэнергии.

Теперь рассмотрим цикл работы поплавковой волновой электростанции в подошве волны (фиг. 3). На фиг. 1 стрелками показано направление волнения и ветра у флюгера 3. Поплавок 1 со скошенными основаниями 6 удерживается на линии среднего уровня в море при помощи тросов 4 и якорей 5. Вода уходит из пневмогидравлической камеры 13 и подсасывает атмосферный воздух, который через окно 22 поступает в короб 26, проходит отрезок трубы 27, размещенный в центральном отверстии 14, сжимает пружину клапана 15 и поступает в напорный воздуховод 7, вращает турбину 10 в том же направлении, что и в цикле гребня, мультипликатор 11 увеличивает частоту вращения электрогенератора 12, который вырабатывает электрический ток. Ускорение атмосферного воздуха в окне 22 и коробе 26 позволяет увеличить частоту вращения турбины 10, а значит повысить процент выработки электроэнергии. Цикл в подошве сменяется циклом в гребне и процесс выработки электрической энергии продолжается в непрерывном режиме. При смене направления ветра конструкция дефлектора 2, включающая круглый цилиндр 18 с валом 19, который вращается в верхнем 20 и нижнем 21 подшипниках, и закрепленными связями 30 и стойками 31, автоматически отслеживает направление максимальной скорости ветра путем поворота стержня 24 и флажка 25 флюгера 3. Таким образом, дефлектор 2 с флюгером 3 в процессе работы поплавковой волновой электростанции обеспечивает в автоматическом режиме максимальную эффективность использования скорости ветра для выработки электрической энергии.

Внедрение поплавковой волновой электростанции позволит увеличить процент выработки электрической энергии из возобновляемого источника энергии - морских волн за счет более рационального использования кинетической энергии рабочего тела - сжатого воздуха и исключить гибель гидробионтов, поскольку они могут входить в пневмогидравлическую камеру в гребне и обратно выходить в море в подошве волны.

Изобретение относится к отрасли морской энергетики и предназначено для извлечения электрической энергии из морских волн. Поплавковая волновая электростанция содержит поплавок 1, дефлектор 2, флюгер 3, трос 4 и якорь 5. Поплавок 1 выполнен в виде круглой цилиндрической трубы со скошенным во внешнюю сторону основанием. Внутри поплавка 1 размещен изогнутый по вертикали напорный воздуховод - труба круглого поперечного сечения, в верхней части которого размещен диффузор, перекрытый заглушкой. Турбина установлена на прямом участке изгиба в полости напорного воздуховода и кинематически связана с мультипликатором, увеличивающим частоту вращения электрогенератора. Мультипликатор и генератор установлены вне напорного воздуховода в полости поплавка 1. В нижней части напорного воздуховода крепится пневмогидравлическая камера - труба круглого поперечного сечения, диаметр которой равен диаметру трубы напорного воздуховода. Нижний конец пневмогидравлической камеры сообщен с морем. Изобретение направлено на снижение металлоемкости конструкции и увеличение процента выработки электрической энергии. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Поплавковая волновая электростанция, включающая пневмогидравлическую камеру, подводная часть которой сообщена с морем, напорный воздуховод, в котором установлена, по меньшей мере, одна турбина с лопастями крыловидного профиля, при этом на противоположных внутренних поверхностях напорного воздуховода для каждой турбины выполнены выступы с вогнутыми стенками, примыкающими с зазором к цилиндрической поверхности, кинематически связанная с электрогенератором, отличающаяся тем, что она снабжена поплавком, мультипликатором, заглушкой с отверстиями, подпружиненным клапаном для выпуска сжатого воздуха, подпружиненным клапаном для впуска атмосферного воздуха, дефлектором с флюгером, поплавок выполнен в виде круглой цилиндрической трубы, внутри которой размещен изогнутый по вертикали напорный воздуховод - труба круглого поперечного сечения, в верхней части которого размещен диффузор, перекрытый заглушкой с отверстиями, которые оборудованы подпружиненными клапанами для впуска атмосферного и выпуска сжатого воздуха, а в нижней части крепится пневмогидравлическая камера - труба круглого поперечного сечения, диаметр которой равен диаметру трубы напорного воздуховода, турбина установлена на прямом участке изгиба в полости напорного воздуховода и кинематически связана с мультипликатором, увеличивающим частоту вращения электрогенератора, которые установлены вне напорного воздуховода в полости поплавка, дефлектор выполнен в виде круглого цилиндра с вертикальным валом вращения, на боковой поверхности которого выполнено окно впуска атмосферного воздуха и окно выпуска сжатого воздуха, при этом они ориентированы по диагонали круглого цилиндра, направление которого совпадает со стержнем флюгера, а окно выпуска сжатого воздуха размещено со стороны флажка флюгера.

2. Поплавковая волновая электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что длина напорного воздуховода составляет , а длина пневмогидравлической камеры .

3. Поплавковая волновая электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что поплавок выполнен со скошенными во внешнюю сторону основаниями, которые крепятся к трубе напорного воздуховода и к трубе пневмогидравлической камеры.

4. Поплавковая волновая электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что окно впуска атмосферного воздуха соединено коробом с отрезком трубы, которая проходит через центральное отверстие заглушки и посажена в нижний подшипник, причем она является частью вертикального вала круглого цилиндра дефлектора.