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

Изобретение относится к отрасли морской энергетики и предназначено 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, 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, 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 РФ №2330987, МПК: F03B 13/24, опубл. 10.08.2008 г.).

Недостатком аналога является сложность конструкции, заключающаяся в расположении рабочих камер по периметру судна и их размещение ступенями по глубине, что приводит к увеличению габаритов волновой энергетической установки и капитальных вложений.

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 РФ №2459974, МПК: F03B 13/24, опубл. 27.08.2012 г.).

Недостатки прототипа - наличие неподвижной опоры, которая ограничивает использование устройства на больших глубинах, где энергия волны максимальна, неэффективное использование энергии рабочего тела - сжатого атмосферного воздуха, так как часть кинетической энергии теряется при входе и выходе рабочего тела из напорного воздуховода, ненадежная работа при больших амплитудах морских волн, когда морская вода будет заливать турбину, которая работает в воздушной среде.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, состоит в увеличении процента выработки электрической энергии за счет более рационального использования кинетической энергии рабочего тела - сжатого воздуха, в повышении надежности работы и возможности контроля расхода сжатого воздуха турбины.

Для достижения указанного технического результата в поплавковой волновой электростанции, содержащей пневмогидравлическую камеру с надводной частью - напорный воздуховод, и подводной частью, сообщающейся с морем, цилиндрическую турбинную камеру в которой установлена, по меньшей мере, одна турбина с лопастями крыловидного профиля, на противоположных внутренних поверхностях цилиндрической турбинной камеры для каждой турбины выполнены выступы с вогнутыми стенками, примыкающие с зазором к цилиндрической поверхности, омываемые лопастями турбины, которая кинематически связана с электрогенератором, установлены поплавок, мультипликатор, заглушка с отверстиями, клапан для выпуска сжатого воздуха, клапан для впуска атмосферного воздуха, дефлектор с флюгером, ресивер, поплавок выполнен в форме круглой цилиндрической трубы, внутри которой размещен изогнутый по вертикали напорный воздуховод, выполненный в форме трубы круглого поперечного сечения, в верхней части поплавка размещен диффузор, перекрытый заглушкой с отверстиями, которые оборудованы клапанами для впуска атмосферного и выпуска сжатого воздуха, подводная часть пневмогидравлической камеры, выполненная также в форме трубы круглого поперечного сечения, диаметр которой равен диаметру трубы напорного воздуховода, турбина кинематически связана с мультипликатором и электрогенератором, которые установлены в полости поплавка у изгиба напорного воздуховода, ресивер выполнен в форме гибкой водонепроницаемой оболочки и размещен в подводной части пневмогидравлической камеры, дефлектор выполнен в форме цилиндра и установлен выше заглушки с возможностью вращения вместе с вертикальным валом, к которому горизонтально прикреплен стержень и вертикально флажок флюгера, а на боковой поверхности цилиндра дефлектора размещены окна впуска атмосферного воздуха и выпуска сжатого воздуха, ориентированные по диагонали цилиндра, направление которой совпадает с направлением стержня флюгера, окно выпуска сжатого воздуха размещено со стороны флажка флюгера.

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

- высота напорного воздуховода составляет не менее $$\frac{1}{3}$$ Н, где Н - высота пневмогидравлической камеры, а высота подводной части пневмогидравлической камеры составляет не менее $$\frac{2}{3}$$ Н,

- верхняя и нижняя части поплавка выполнены конусообразными и прикреплены к трубе напорного воздуховода и к трубе подводной части пневмогидравлической камеры,

- окно впуска атмосферного воздуха соединено конфузором с концевой трубой, которая является частью вертикального вала цилиндра дефлектора,

- ресивер может быть выполнен в форме сферы.

Отличительными признаками предлагаемого устройства от указанного выше, наиболее близкого к нему, являются установление поплавка, мультипликатора, заглушки с отверстиями, клапана для выпуска сжатого воздуха, клапана для впуска атмосферного воздуха, дефлектора с флюгером, ресивера; выполнение поплавка в форме круглой цилиндрической трубы, с размещенным внутри изогнутым по вертикали напорным воздуховодом; размещение в верхней части поплавка диффузора, который перекрыт заглушкой с отверстиями, оборудованными клапанами для впуска атмосферного и выпуска сжатого воздуха; выполнение подводной части пневмогидравлической камеры, выполненной в форме трубы круглого поперечного сечения, диаметр которой равен диаметру трубы напорного воздуховода; размещение мультипликатора и электрогенератора, кинематически связанных с турбиной в полости поплавка у изгиба напорного воздуховода; выполнение ресивера в форме гибкой водонепроницаемой оболочки и его размещение в подводной части пневмогидравлической камеры; выполнение дефлектора в форме цилиндра и его установление выше заглушки с возможностью вращения вместе с вертикальным валом, к которому горизонтально прикреплен стержень и вертикально флажок флюгера; размещение на боковой поверхности цилиндра дефлектора окон впуска атмосферного воздуха и выпуска сжатого воздуха, которые ориентированы по диагонали цилиндра, направление которой совпадает с направлением стержня флюгера; размещение окна выпуска сжатого воздуха со стороны флажка флюгера.

Благодаря наличию этих признаков применение поплавковой волновой электростанции позволит снизить металлоемкость конструкции, а оборудование его дефлектором с флюгером и ресивером позволит увеличить процент выработки электрической энергии за счет более рационального использования кинетической энергии рабочего тела - сжатого воздуха, полученного из возобновляемого источника энергии, повысить надежность и обеспечить безаварийную работу при больших амплитудах морских волн.

Предлагаемая поплавковая волновая электростанция иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-5.

На фиг. 1 показан план поплавковой волновой электростанции.

На фиг. 2 - вертикальный разрез поплавковой волновой электростанции в цикле выпуска сжатого воздуха.

На фиг. 3 - вертикальный разрез поплавковой волновой электростанции в цикле впуска атмосферного воздуха.

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 на дне 6 (фиг. 1). Поплавок 1 выполнен в форме круглой цилиндрической трубы, а в верхней и нижней частях - конусообразным. Внутри поплавка 1 размещена пневмогидравлическая камера, верхняя часть которой является напорным воздуховодом 7 с цилиндрической турбинной камерой 8, в форме круглой трубы с горизонтальной осью, причем на противоположных внутренних поверхностях которой выполнены выступы с вогнутыми стенками, примыкающие с зазором к цилиндрической поверхности, в верхней части цилиндрической турбинной камеры 8 прикреплен диффузор 9, перекрытый заглушкой 10. Турбина 11 установлена в цилиндрической турбинной камере 8 и кинематически связана с мультипликатором 12, увеличивающим частоту вращения электрогенератора 13.

На противоположных внутренних поверхностях цилиндрической турбинной камеры 8 для каждой турбины 11 выполнены выступы с вогнутыми стенками, примыкающие с зазором к цилиндрической поверхности, омываемые ее лопастями. Мультипликатор 12 и электрогенератор 13 установлены вне напорного воздуховода 7 в полости поплавка 1. Нижняя часть пневмогидравлической камеры, имеющая форму трубы 14 круглого поперечного сечения, имеет диаметр, равный диаметру трубы напорного воздуховода 7, и сообщается с морем. На фиг. 2 приняты следующие обозначения: h - амплитуда морской волны, Ср. ур. в. - средний уровень воды в море, Н - высота пневмогидравлической камеры. На заглушке 10 (фиг. 4 и 5) размещены отверстия: центральное 15, оборудованное клапаном 16 для впуска атмосферного воздуха с пружиной 17, и боковые 18 для выпуска сжатого воздуха, оборудованные клапаном 19 с пружиной 20. Кольцевая цилиндрическая камера 21 сообщается с боковыми отверстиями 18 заглушки 10. На стенке внутреннего цилиндра кольцевой цилиндрической камеры 21 размещены клапанные отверстия 22 и входное отверстие 23. Ресивер (фиг. 3) выполнен в форме гибкой водонепроницаемой оболочки 24, которая имеет форму сферы, расположен в полости трубы 14 пневмогидравлической камеры. Входное отверстие 25 ресивера выполнено в перегородке 26, размещенной между напорным воздуховодом 7 и трубой 14.

Дефлектор 2 (фиг. 4) выполнен в форме цилиндра с вертикальным валом вращения 27, расположенным в верхнем 28 и нижнем 29 подшипниках. На боковой поверхности круглого цилиндра - дефлектора 2 выполнено окно 30 впуска атмосферного воздуха и окно 31 выпуска сжатого воздуха, при этом они ориентированы по диагонали цилиндра дефлектора 2, направление которой ориентировано с направлением стержня 32 флюгера 3, причем окно 30 впуска атмосферного воздуха размещено со стороны острия стержня 32, а окно 31 выпуска сжатого воздуха размещено со стороны флажка флюгера 3. Окно 30 впуска атмосферного воздуха соединено с конфузором 33 с концевой трубой 34, которая проходит через центральное отверстие 15 заглушки 10 и посажена в нижний подшипник 29, причем она является частью вертикального вала вращения 27 цилиндра - дефлектора 2. Дефлектор 2 имеет внутреннюю связь 35 и внешние стойки 36.

Работа поплавковой волновой электростанции осуществляется следующим образом.

Работа поплавковой волновой электростанции связана с двумя чередующимися циклами: всасывания атмосферного воздуха и выпуска сжатого воздуха. Эффективность работы зависит от амплитуды h морской волны и от скорости ветра. Чем больше значение h, тем сильнее будет сжатие воздуха в напорном воздуховоде 7 (фиг. 2), так как столб воды в трубе 14 пневмогидравлической камеры работает как поршень насоса.

Цикл выпуска сжатого воздуха (фиг. 2). Этот цикл имеет место при размещении поплавка 1 в гребне волны. Поплавок 1 удерживается на линии Ср. ур. в. в море при помощи тросов 4 и якорей 5 на дне 6. Морская вода входит в трубу 14 пневмогидравлической камеры и сжимает гибкую водонепроницаемую оболочку 24 ресивера, сжатый воздух из которой поступает через входное отверстие 25 в перегородке 26 в напорный воздуховод 7. После этого сжатый воздух поступает в цилиндрическую турбинную камеру 8, вращает турбину 11, мультипликатор 12 увеличивает частоту вращения электрогенератора 13, который вырабатывает электрический ток. Далее сжатый воздух поступает в диффузор 9 и натекает на заглушку 10. Затем сжатый воздух проходит через входное отверстие 23 (фиг. 4), сжимает пружину 20 клапана 19 выпуска сжатого воздуха, клапанные отверстия 22 открываются и сжатый воздух входит в кольцевую цилиндрическую камеру 21, проходит через боковые отверстия 18 и поступает в полость цилиндра - дефлектора 2 и далее через окно 31 поступает (подсасывается) в зону пониженного давления и при этом ускоряется. Ускорение сжатого воздуха позволяет увеличить частоту вращения турбины 11, а значит, повысить процент выработки электроэнергии.

Цикл всасывания атмосферного воздуха (фиг. 3). Этот цикл имеет место при размещении поплавка 1 в подошве волны. Поплавок 1 удерживается на линии Ср. ур. в. в море при помощи тросов 4 и якорей 5 на дне 6. Морская вода уходит из трубы 14 пневмогидравлической камеры и давление в напорном воздуховоде 7 понижается. Гибкая водонепроницаемая оболочка 24 осушается (вода не давит на ее внешнюю поверхность) и в нее подсасывается атмосферный воздух, который через окно 30 поступает в конфузор 33, проходит концевую трубу 34, размещенную в центральном отверстии 15, сжимает пружину 17 клапана 16 и поступает в напорный воздуховод 7 (фиг. 3), вращает турбину 11 в том же направлении, что и в цикле выпуска сжатого воздуха, мультипликатор 12 увеличивает частоту вращения электрогенератора 13, который вырабатывает электрический ток. Ускорение атмосферного воздуха в окне 30 и конфузоре 33 позволяет увеличить частоту вращения турбины 11, а значит, повысить процент выработки электроэнергии. После прохода турбины 11 атмосферный воздух поступает в гибкую водонепроницаемую оболочку 24 и заполняет ее.

Цикл всасывания атмосферного воздуха сменяется циклом выпуска сжатого воздуха, и процесс выработки электрической энергии продолжается в непрерывном режиме. При смене направления ветра дефлектор 2, включающий вертикальный вал вращения 27 (фиг. 4, 5), который вращается в верхнем 28 и нижнем 29 подшипниках, закрепленный внутренними связями 35 и внешними стойками 36, автоматически отслеживает направление максимальной скорости ветра, путем поворота стержня 32 с флажком флюгера 3, который автоматически ориентируется по направлению максимальной скорости ветра.

Таким образом, дефлектор 2 с флюгером 3 в процессе работы поплавковой волновой электростанции обеспечивают в автоматическом режиме максимальную эффективность использования скорости ветра для выработки электрической энергии. В основе работы дефлектора 2 с флюгером 3 лежит теория обтекания жидкостью круглого цилиндра с вертикальной осью вращения, у которого абсолютная величина отрицательного давления (вакуум) в кормовой зоне значительно больше положительного давления в его фронтальной зоне.

Работа ресивера обеспечивает контролируемый отбор сжатого воздуха, поступающего на турбину 11, и тем самым обеспечивается безаварийная работа поплавковой волновой электростанции при высоких амплитудах h морских волн. Для обеспечения надежного образования столба морской воды в

трубе 14 длина ее принята равной, не менее $$\frac{2}{3}$$ Н, где Н - высота пневмогидравлической камеры. Сжатие воздуха производится в напорном воздуховоде 7 меньшей высоты, равной не менее $$\frac{1}{3}$$ Н.

Применение поплавковой волновой электростанции позволяет увеличить процент выработки электрической энергии из возобновляемого источника энергии - морских волн за счет более рационального использования кинетической энергии рабочего тела - сжатого воздуха, повысить безопасность при эксплуатации станции и исключить гибель гидробионтов, поскольку они могут входить в нижнюю часть пневмогидравлической камеры в цикле выпуска сжатого воздуха и обратно выходить в цикле всасывания атмосферного воздуха.

Изобретение относится к энергетике 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 форме круглой цилиндрической трубы. Внутри поплавка 1 размещена пневмогидравлическая камера, верхняя часть которой является напорным воздуховодом с цилиндрической турбинной камерой в форме круглой трубы с горизонтальной осью. В верхней части камеры прикреплен диффузор, перекрытый заглушкой. Турбина установлена в камере и кинематически связана с мультипликатором. Мультипликатор и электрогенератор установлены в полости поплавка 1 у изгиба напорного воздуховода. Дефлектор 2 выполнен в форме цилиндра и установлен выше заглушки с возможностью вращения вместе с вертикальным валом, к которому прикреплен флажок флюгера 3. На боковой поверхности цилиндра дефлектора 2 размещены окна впуска атмосферного воздуха и выпуска сжатого воздуха. Окно выпуска сжатого воздуха размещено со стороны флажка флюгера 3. Изобретение направлено на увеличение процента выработки электрической энергии, на повышение надежности работы и на обеспечение возможности контроля расхода сжатого воздуха турбины. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Поплавковая волновая электростанция, включающая пневмогидравлическую камеру с надводной частью - напорный воздуховод и подводной частью, которая сообщается с морем, цилиндрическую турбинную камеру, в которой установлена, по меньшей мере, одна турбина с лопастями крыловидного профиля, на противоположных внутренних поверхностях цилиндрической турбинной камеры для каждой турбины выполнены выступы с вогнутыми стенками, примыкающие с зазором к цилиндрической поверхности, омываемые лопастями турбины, которая кинематически связана с электрогенератором, отличающаяся тем, что она снабжена поплавком, мультипликатором, заглушкой с отверстиями, клапаном для выпуска сжатого воздуха, клапаном для впуска атмосферного воздуха, дефлектором с флюгером, ресивером, поплавок выполнен в форме круглой цилиндрической трубы, внутри которой размещен изогнутый по вертикали напорный воздуховод, выполненный в форме трубы круглого поперечного сечения, в верхней части которого размещен диффузор, перекрытый заглушкой с отверстиями, которые оборудованы клапанами для впуска атмосферного и выпуска сжатого воздуха, подводная часть пневмогидравлической камеры выполнена в форме трубы круглого поперечного сечения, диаметр которой равен диаметру трубы напорного воздуховода, турбина кинематически связана с мультипликатором и электрогенератором, которые установлены в полости поплавка у изгиба напорного воздуховода, ресивер выполнен в форме гибкой водонепроницаемой оболочки и размещен в подводной части пневмогидравлической камеры, дефлектор выполнен в форме цилиндра и установлен выше заглушки с возможностью вращения вместе с вертикальным валом, к которому горизонтально прикреплен стержень флюгера с флажком, а на боковой поверхности цилиндра дефлектора размещены окна впуска атмосферного воздуха и выпуска сжатого воздуха, ориентированные по диагонали цилиндра, направление которой совпадает со стержнем флюгера, окно выпуска сжатого воздуха размещено со стороны флажка флюгера.

2. Поплавковая волновая электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что высота напорного воздуховода составляет не менее $$\frac{1}{3}$$ Н, где Н - высота пневмогидравлической камеры, а высота подводной части пневмогидравлической камеры составляет не менее $$\frac{2}{3}$$ Н.

3. Поплавковая волновая электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что верхняя и нижняя части поплавка выполнены конусообразными и прикреплены к трубе напорного воздуховода и к трубе подводной части пневмогидравлической камеры..

4. Поплавковая волновая электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что окно впуска атмосферного воздуха соединено конфузором с концевой трубой, которая является частью вертикального вала цилиндра дефлектора.

5. Поплавковая волновая электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что ресивер может быть выполнен в форме сферы.