Система для концентрации энергии волн открытого моря Советский патент 1984 года по МПК E02B9/08 

Фиг.1 Изобретение относится к гидротех нике, а именно к устройствам для использования энергии морских волн. Известна система для концентраци энергии волн открытого моря, включа щая установленное в море концентрирующее устройство, вьшолненное в ви де воронки, которая позволяет собрать энергию волн с более широкого фронта волны m. Недостаток этого устройства заключается в том, что ширина фронта используемой волны ограничена шириной воронки, поэтому оно имеет низкую концентрирующую способность. Наиболее близкой к изобретению является система Для концентрации энергии волн открытого моря, включающая установленное в море концентрирующее устройство, выполненно в виде установленных в ряд навстречу движению волн элементов, расстоя ние между которыми уменьшается от середины ряда к его перифериям р Устройство также имеет низкую концентрирующую способность. Цель изобретения - повьш1ение эффективности концентрации. Поставленная цель достигается тем, что элементы расположены ниже поверхности воды. Кроме того, система .снабжена вто рым рядом элементов, параллельным первому, причем расстояния между элементами второго ряда обратно про порциональны расстояниям между элем тами первого ряда. Система может быть также снабжена вторым рядом элементов параллел ным первому, расположенным за-зоной концентрации волн и выполненным в виде вертикального препятствия. При этом в качестве элементов могут быть использованы природные ф мации, например скалы, а по меньшей мере один элемент может быть выполнен из упругого материала. По меньшей мере один элемент может быть выполнен в виде горизон- плиты. По меньшей мере один элемент может быть выполнен с возможностью регулирования формы и размеров или может быть установлен с возможность перемещения в трех взаимноперпендикулярных направлениях и/или поворота в трех взаимноперпендикулярных плоскостях. Изобретение основывается на использовании решетчатого типа структуры или дифракционной решетки по аналогии с оптической. На фиг. 1 изображена известная дифракционная структура для дифрагирующихся световых волн; на фиг. 2 известная система дифракции для фокусирующихся световых волн; на фиг. 3 - схема фокусирования водяных волн{ на фиг. 4 - установка для проведения экспериментов с амплитудной решеткой;, на фиг. 5 - система для концентрации волн открытого моря посредством применения амплитудной решетки; на фиг. 6 - то же, посредством применения фазовой решетки на фиг. 7 - система с использованием останавливающих элементов естественного происхождения, на фиг. 8 система с использованием модифицированного кораллового рифа в качестве амплитудной решетки; на фиг. 9 - альтернативные задерживающие элементы; на фиг. 10 - альтернативные останавливающие элементы; на фиг. 11 и 12 - комбинированные системы. Установка для проведения экспериментов с амплитудной решеткой 1 (фиг. 4) состоит из бассейна со стенками 2, в котором установлена решетка, выполненная в виде балки 3 с закрепленными на ней планками 4, расстояния между которыми уменьшаются от середины к периферии. В середине решетки 1 перпендикулярно ей установлена стенка 5, окрашенная в белый цвет для удобства наблюдения волновой картины. За рещеткой 1 размещен волновой генератор, обеспечивающий параллельные волны 6 (не показан). В натурных условиях (фиг. 5) решетка 1 расположена перпендикулярно преобладакнцему направлению волн б, причем зона 7 концентрации волн В находится в заливе 9, образованном в скале 10. На скале 10 находится электростанция 11 с линией электропередач, использующая энергию волн в зоне 7 концентрации, и бассейн 12. В заливе 9 может быть установлен гидравлический насос, соединенный трубопроводом с бассейном 12. Решетка может состоять из задерживающих элементов 13 (фиг. 6), выполненных в виде наполненных воздухом шлангов или буйков, закрепленных к дну посредством тросов с якорями или с лебедками 14. В зоне концентрации установлена платформа 15с роторным ковшом или другими средствами, использующими знергию волн, например турбинную установку, насос и бассейн. Решетка также может состоять из останавливающих элементов 16 (фиг. 7) в виде природных островков скал и т.д. и искусственных остана ливающих элементов 16. Вместо останавливающих элементов 16могут использоваться и задержива щие.элементы 13. На берегу 17 может быть установлена фазовая решетка 1 из задержи- вающих элементов 13. Между решетками 1 находится зона 7 концентрации, в которой расположена платформа 15 энергооборудованием. Амплитудная решетка 1 может быть образована взрывом в определенных местах кораллового рифа (фиг. 8) с получением элементов 18 с проливами 19 между ними. Задерживающие элементы 13 (фиг.9 могут быть выполнены в виде гориэонтально расположенной плиты 20 с длиной, равной длине волны, изагнутой плиты 21, причем плиты могут быть соединены между собой (показано пунктирной линией), и кубическог резервуара 22 и закреплены к дну якорями. Один из элементов может представлять судно 23 или естествен ный шельф 24. Останавливающие элементы 16 (фиг. 10). могут быть выполнены в ви де бетонного блока 25 на опорах, цилиндрического заякоренного элемен та 26, затонувшего судна 27 или искусственного острова 28. Для фокусировки параллельных вол (фиг. 11) в море устанавливают параллельно две решетки 29 и 30. Элементы решетки могут быть вы- полнены с возможностью регулирования формы и размеров, с возможность перемещения или поворота, а также представлять собой участок 31 морского дна (фиг. 12). Световые волны 6 (фиг. 1), попадая на дифракционную решетку 1, дифрагируются в определенных направ лениях, определяемых длиной волны и расстояниями между элементами решетки 1, в волны 8. 04 Если расстояния между элементами увеличиваются к центру решетки 1 (фиг. 2), образуются сходящиеся сферические волны 8 с фокусом в зоне 7. Решетка 1, помещенная в воду (фиг. 3), отклоняет волны 6, причем если расстояния между элементами решетки 1 увеличиваются к ее цент ру, образуются сходящиеся концентрические волны 8 с фокусом в зоне 7. Элементы решетки 1 могут оказывать влияние как на амплитуду волны, так и на ее фазу. В первом случае элементы останавливают волну, во втором - задерживают. Фазовая решетка, составленная из останавливающих элементов 16, является более эффективной чем амплитудная, поскольку она незначительно уменьшает энергию волн, тогда как задерживаняцие элементы 13 значительно уменьшают энергию волн за счет частичного отражения волновой энергии. Одна установка или система может включать как останавливающие элементы 16, влияющие на амплитуду, так и задерживающие 13, влияющие на фазу. В связи с концентрацией волн 6 свободного моря для производства энергии представляет интерес так называемое поле короткой дальности действия. По аналогии с опт гческой геометрией, микроскопом, представляется возможным систематизировать структуру элементов таким образом, что различные направления исходных волн фокусируются в одной точке или в зоне 7 концентрации, которая может также называться фокусной зоной. Эта фокусная зона представляет собой зону, находящуюся в поле короткой дальности действия элементарной системы, которая охватывается различными и прилежащими фокусными точка- . ми различно падаю1цих волн 6 на элементарную систему. По отношению к отдаленному полю различные фокусные точки имеют настолько большое разнесение друг от друга, что может не быть достаточно большой концентрации для генерирования энергии. Кроме того, отдаленное поле настолько нарушается посторонними исходными волнами, что еще более сокращается предполагаемая концентрация в ограниченной зоне. Использование поля короткой даль ности не является обязательным условием для производства энергии волн, однако в поле короткой дальности систем, предназначенных для производства энергии, должна располагаться фокусная зона, Большое влияние на поле короткой дальности оказывает способность системы элементов концентрировать волны, имеющие различные направления, в упомянутой зоне сосредоточения или фокусной зоне. При проектировании предлагаемой установки или системы расчеты должны выполняться методом, каким традиционно пользуются в строительстве или механике, т.е. методом выбора конфигурации и размеров и вычисления на их базе результатов. Ес ли первоначально выбранные конфигурация и размеры (параметры) не удов летворяют требованиям, необходимо повторно делать выбор параметров и расчеты до тех пор, пока не будет получен удовлетворительный результат. Для множества практических случа ев необходимо установить лимит для расширения поля короткой дальности действия, согласно следующему прави лу: если самьй большой размер в структуре всего элемента составляет D , а расстояние между зоной концентрации и ближайшим элементом в данной структуре , то зона концентрации находится внутри поля короткой дальности действия, когда flr-ci -- примерно 20°. Самьй большой размер есть рассто вне между двумя элементами, удаленными в системе на наибольшее друг от друга расстояние, которое обычно является длиной системы, имеющей на равление, перпендикулярное преимущественному направлению распространения волн. Как далеко от структуры элементов в указанных пределах поля короткой дальности должна располага ся зона сосредоточения, зависит, на пример, от топографии дна и характеристик волн в зоне расположения системы. Степень дальности расположения зоны концентрации от элементарной системы в пределах ограничений поля короткого радиуса действия зависит, в частности, от протяженности. Или апертуры, системы по отношению к фронтам исходных волн. По крайней мере некоторые из этих элементов должны быть регулируемыми, например, посредством смещения в некоторое положение и ориентации в пространстве для адаптации и регулировки, например для того, чтобы принимать во внимание изменения направления исходных волн, большие или разрушительные волны во время плохой погоды. При концентрации таких волн их разрушительный эффект может быть катастрофическим, поэтому в подобного рода ситуациях желательно иметь возможность модификации или исключения эффекта концентрации данной структуры. I Конструирование этих элементов может меняться несколькими путями. Эти элементы могут монтироваться так, чтобы они стояли неподвижно на дне моря, могли ставиться на якорь или удерживаться в соответству{Ьщем положении посредством динамических систем фиксации по месту. Таким образом, они могут образовываться бетонными блоками или обычными большими судами, такими как танкеры (альтернативно в качестве потерпевшего аварию судна), которые располагаются так, чтобы образовывать решетчатую систему желаемой конфигурации. Элементы естественного происхождения, такие как островки или что-либо им подобное, могут использоваться в качестве элементов реп1етчатой системы в фактическом местоположении для данной системы. В таком случае, расположение по месту искусственных элементов должно определяться в отношении к уже существукицим элементам естественного происхождения, которые впрочем могут модифицироваться взрывными работами или добавочной структурой. Несмотря на то, что упомянутые элементы действуют в решетчатой структуре в взаимодействии с другими элементами, может быть много конструкций элементов, которые образуют непрерывную структуру, например продолговатую шлангообраэную, которая в определенных местах, или частях, выступает в направлении или над поверхностью воды, чтобы образовывать отдельные элементы, которые в остальной части погружаются настолько глубоко, что воздействие этой конструкции на волны в промежуточных частях незаметно. При использовании предлагаемых отдельных элементов в решеткообразной структуре необходимо учитывать, что системы для генерирования энергии волн открытого моря могут иметь очень большую длину, или протяженность, например порядка нескольких километров или нескольких десятков километров, в особенности, когда используются элементы естественного происхождения, такие как коралловые рифы с взорванными проходами. Путем применения изобретения представляется возможньм в одной энергетической установке использовать энергию волн на протяженности гораздо большего региона, или береговой полосы, чем это было возможно при использовании известных систем. При использовании изобретения важ но иметь возможность регулирования системы элементов для каждого отдел ного места, или участка, с тем, что бы могла оптимизироваться структура дифракции для получения лучшей возможной концентрации энергии в ограни зоне, в которой должна иметь место трансформация в полезную мощность. Математические расчеты при этом играют важную роль в определении конфигурации системы и формы упомянутых элементов. Дифференциаль ные уравнения, используемые при этом необходимо решать, принимая во внимание пограничные условия, появление которых обусловлено желаемой конфигурацией структуры элементов. Вычисления или расчеты выполняют, используя уравнения, указанные в книге Д.Б. Уитама Линейные и нелинейные волны (Лондон, 1973, глава 13), а необходимыми для расчетов параметрами являются форма, размеры и положение элементов (независимо от того, являются ли они искусствен ными или естественными образованиями) В отношении волн единственньм важным параметром является их фаза. Систему элементов важно установить тёк, чтобы она оказьтала такое воздействие на исходные волны, при ко тором получающаяся волна имеет говой фронт, ведущий к концентрации энергии волн в фокусной зоне. В процессе теоретических вычислений важно непосредственно рассматривать приемлемые приближения, а также учитывать определенные физические состояния в волнах открытого моря, а именно их частотный спектр и угловое рассеивание направлений, в пределах которых волны обычно попадают в данном месте. Когда делается ссылка на волны открытого моря, имеются в виду мощные волны с большими периодами и длиной, которые более ипи менее постоянно накатьшаются через большие площади поверхности океана и, в конце концов, падают на некоторое, побережье. После систематических измерений и анализов установлено, что такие волны имеют достаточно узкий спектр полосы частот, от которого существенно зависит целесообразность изобретения, так как при более узком спектре частот обеспечивается большая эффективность. В качестве примера можно привести следующие цифры. Если говорить о периоде, яшляющемся противоположным понятием частоты, то средний период волн равен 10 с. В этом случае структура элементов обеспечит приемлемую концентрацию волновой энергии с изменением периода на 20%, т.е. с периодами, колеблющимися в диапазоне 8-. 12 с. Приемлемыми можно считать угловые отклонения в диапазоне 30 в обе стороны от центральной линии или основного направления. Применительно к случаю использования поля короткой дальности предел составляет 20°. Конструкция системы элементов будет менее сложной, если угловое рассеивание или отклонение направлений волн от основного направле ния не большое. Волны, исходящие из направлений, лежащих вне углового диапазона, на который рассчитана система, не фоткусируются. При получении энергии от волн в поле короткой дальности на интерференционную картину волн влияют средства или оборудование для преобразования энергии волн в иную энергию. При проектировании системы необходимо учитывать метод отвода энергии. Исследования, проведенные в бассейне (фиг. А) глубиной 0,5 м, в котором волновым генератором обр зовывали волны 6 с высотой 2 см и длиной 25 см, фикусное расстояние (от решетки 1 до зоны 7) составило 220 см, а высота волны в зоне - 7-А см. Длина решетки 1 была приме но А50 см. Расстояние между элемен тами и их ширина определялись в со аетствии с таблицей, где А - расст яние от стенки 5 до ближайшей гран цы отверстия, В - расстояние от ст ки 5 до удаленной границы. Номер отверстияАмплитудная или фазовая решетка 29 может быть использована для фокусировки плоских волн 8 (фиг. 11) Концентрическими кольцами. Впереди фокусной зоны 7 в поле короткой дальности действия располагается другая решетка 30, например фазовая, которая задерживает фазу круговых волн 8 к обеим сторонам от центра решетки 30 так, чтобы плоские волны 8 с увеличенной высотой распространялись в направлении стрелки. Решетка 30 может также образовываться из природной формации дна (фиг. 12). Здесь участок 31 морского дна образует фазовую решетку с контурами дна, симметрично расположенными П9 обеим сторонам от впадины дна. Эта система может использоваться для получения энергии, а также для разрушения ледяного покрова и образования канапа во льду. Следовательно, petueTKa 30 обладает возможностью ущового азимутального перемещения, и поэтому плоские волны могут быть под различным углом направлены к ледяному слок) для проламывания в нем веерообразного прохода. Угловое перемещение решетки 30 может быть выполнено путем передвижения каждого из элементов решетки в отдельности. Тип таких элементов аналогичен, например, типу элементов 13 (фиг. 6) . . При фокусной зоне 7 решетки 29, расположенной близко к берегу или на берегу, построенный канал может приводить волны 8 к поднятому бассейну для получения энергии. Решетки 29 и 30 в системе (фиг.11) также могут рассматриваться в качестве частей одной системы из более крупных элементов, в которой решетка 29 образует создающую концентрацию главную часть системы, а решетка 30 - диспергирующую вспомогательную систему, располагаемую в поле короткой дальности действия от решетки 29. Такое выполнение системы позволяет повысить эффективность концентрации волн открытого моря.

ОЗигЛ

(Риг. 5

«

Л

С700.а

1. СИСТЕМА ДЛЯ КОНЦЕНТРА ЦИИ ЭНЕРГИИ ВОЛН ОТКРЫТОГО МОРЯ, включающая установленное в море концентрирующее устройство, выполненное в виде установленных в ряд навстречу движению волн элементов, расстояние между которыми уменьшается от середины-ряда к его перифериям, отличаю-щаяся тем, что, с целью повышения эффективное-, ти концентрации, элементы расположены ниже поверхности воды. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена вторым рядом элементов, парал- лельным первому, причем расстояния между элементами второго ряда обратно пропорциональны расстояниям между элементами первого ряда. 3.Система по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена вторым рядом элементов, параллельным первому, расположенным за зоной концентрации волн и вьтолненным в виде вертикального препятствия. 4.Система по пп. 1-3, о т л ичающаяся тем, что в качестве элементов могут быть использованы природные формации,например скалы. 5.Система по пп. 1-3, отличающая ся тем, что по меньшей мере один элемент выполнен из упругого материала. 6.Система по пп. 1-3, 5, отСО личающаяся тем,что по меньс шей мере один элемент выполнен в видегоризонтальной плиты. 7.Система по пп. 5 и 6, отличающаяся тем, что по меньшей мере один элемент выполнен с возможностью регулирования формы о ел эо х и размеров. 8.Система по пп. 5 и 6, отличающаяся тем, что по меньшей мере элемент установлен с D возможностью перемещения в трех взаимноперпендикулярных направлениях и/или поворота в трех взаимноперпендикулярных плоскостях. 8

фиг. W

Фие.П