Патент на изобретение №2347939

(54) УНИВЕРСАЛЬНАЯ МОРСКАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

(57) Реферат:

Энергетическая установка использует энергию морской волны и приливов. Установка содержит открытый снизу полый цилиндрический корпус, сообщающийся с водной средой и прикрепленный неподвижно к морскому дну. Корпус в верхней части имеет сужение, образующее верхний малый цилиндр. К цилиндру крепится кожух с размещенным внутри него лопастным колесом, приводимым в движение воздухом, поочередно всасываемым и вытесняемым из внутренней полости корпуса через воздушные каналы, образуемые кожухом, и невозвратные клапаны, установленные внутри верхнего малого цилиндра, меняющимся уровнем воды от проходящей волны. Изобретение направлено на создание простой эффективной недорогой энергетической установки, которую можно установить в любом месте вдоль морского или океанского побережья. 3 з.п. ф-лы, 22 ил.

Изобретение относится к области гидроэнергетики, в частности к использованию энергии морской волны и энергии прилива.

Известна “Волновая энергетическая установка” (Патент RU 2010995 С1, 5 F03B 13/12, опубл. 15.04.1994), содержащая плавучий частично заполненный рабочей жидкостью корпус с выпуклой поверхностью днища, разделенный посредством пустотелой вертикальной перегородки на две сообщенные между собой в нижней части камеры сжатия с всасывающими клапанами, и воздухосборник потребителя, подключенный к камерам сжатия при помощи обратных клапанов, нижняя поверхность перегородки выполнена криволинейной обтекаемой формы, воздухосборник образован всей ее внутренней полостью, а конфигурация днища корпуса имеет форму двух сопряженных цилиндрических поверхностей с различными радиусами кривизны, с большим у поверхности, расположенной со стороны моря, при этом потребитель выполнен в виде турбогенератора и установлен на воздухосборнике.

Известна “Волновая пневмоэнергетическая установка” (Патент RU 2010996 С1, 5 F03B 13/12, опубл. 15.04.1994), содержащая плавучий корпус, выполненный в виде двух цилиндрических поплавков, камер сжатия со всасывающими клапанами, частично заполненными рабочей жидкостью и соединенными между собой водяным трубопроводом, и воздухосборник с турбогенератором, подключенный к камерам посредством воздушных трубопроводов с обратными клапанами, камеры сжатия выполнены внутри цилиндрических поплавков, обратные клапаны установлены на концах трубопроводов со стороны воздухосборника, а турбогенератор установлен на последнем.

Недостатком известных технических решений является то, что обе системы являются поплавковыми и затапливаемыми при штормовой погоде. Т.к. все поплавковые системы совершают колебательные движения под действием волн, то возникает необходимость дополнительной защиты электрического кабеля от повреждений о грунт, растягивающих и изгибающих нагрузок. Кроме того, данные поплавковые устройства необходимо время от времени ориентировать по фронту волны путем регулировки длины якорных креплений. При приближении шторма данные устройства необходимо затапливать, т.к. в противном случае во время шторма они могут быть сорваны с якорей. После окончания шторма эти устройства необходимо поднимать с грунта путем продувки сжатым воздухом поплавков. Учитывая вышеизложенное, для данных устройств необходимо иметь дополнительное оборудование для регулировки якорных креплений, устройств открытия и закрытия клапанов затопления, устройств продувки воздухом поплавков, системы контроля и поддержания рабочего уровня жидкости в поплавках. Т.к. время от времени устройства затапливаются, то требуется дополнительная защита генераторов от попадания внутрь воды. Так, согласно изобретению по патенту RU 2010995 предполагается покрывать поверхность рабочей жидкости минеральным маслом, отсюда следует, что при затоплении устройства часть масла, а возможно и все масло, будет вытекать из затопленного поплавка и загрязнять поверхность моря. Таким образом, получается, что надежность предложенных технических решений весьма низкая. Из-за наличия дополнительного оборудования необходима дополнительная защита генератора, кабелей и шлангов, а вариант с минеральным маслом экологически вреден. Кроме того, особенности конструкций этих электростанций не позволяют делать их большими. Следовательно, количество и давление воздуха, идущего на воздушные турбины, невелико, сами воздушные турбины являются турбинами осевого типа с невысоким кпд, из чего следует, что и мощность, вырабатываемая такими станциями, будет небольшая.

В случае же с переменным направлением движения воздуха и попеременным направлением вращения воздушных турбин и генераторов возникает сомнение о работоспособности этих устройств. Известно, что время движения волны исчисляется считанными секундами, разумеется и колебание этих устройств будет таким же, а ротор генератора и колесо турбины имеют инерцию. Для погашения инерции и раскрутки в другую сторону потребуется время, следовательно, ротор генератора если и будет попеременно вращаться, то очень медленно, т.к. он не будет успевать раскручиваться. Эффективность работы такой установки очень низка.

Известна “Волновая энергетическая установка” (Патент RU 2049928 С1, 6 F03B 13/18, опубл. 10.12.1995), выбранная в качестве прототипа, содержащая установленный на дне водоема цилиндрический резервуар, сообщенный в нижней части с водоемом, и поплавковую крышку с отсеками плавучести, образующую с резервуаром полость, подключенную к воздушной турбине посредством канала и отверстия, выполненного в центральной части крышки, турбина соединена с электрогенератором, резервуар открыт снизу, в верхней части его стенки образована открытая сверху кольцевая полость, при этом крышка выполнена в виде двух соосных цилиндров, жестко связанных между собой в верхней части, а отсеки соединены с наружным цилиндром, выполнены с постоянной плавучестью и размещены с возможностью перемещения в кольцевой полости, а в боковых стенках кольцевой полости на уровне невозмущенной поверхности воды выполнены отверстия, причем суммарная площадь отверстий внутренней стенки меньше, чем суммарная площадь отверстий внешней стенки. Дно внутреннего цилиндра крышки установлено непосредственно над уровнем невозмущенной поверхности воды. Кроме того, в отверстиях внешней стенки установлены запорные невозвратные клапаны, открывающие внутрь кольцевой полости, а в отверстиях внутренней стенки установлены запорные регулируемые клапаны, подключенные к датчикам давления, размещенным на внутренней стенке.

Недостатком известного технического решения является его конструктивная усложненность и малая мощность. Согласно описанию изобретения к патенту RU 2049928 дно крышки устанавливается и поддерживается на среднем уровне амплитуды волны, т.е. крышка не реагирует на каждую волну, из чего следует, казалось бы, более эффективное использование воздушного объема резервуара. Получается, что в длительных промежутках времени крышка будет неподвижна. Не ясно, в чем заключается эффективность, ведь при неподвижной крышке количество вытесняемого и всасываемого воздуха не зависит от высоты расположения дна крышки, а зависит только от амплитуды волны. Из этого следует, что нет необходимости менять высоту установки крышки, т.е. наличие системы изменения высоты крышки нецелесообразно. Кроме того, конструкция устройства такова, что во время шторма или урагана при прохождении аномально высоких волн крышка будет поднята на максимальную высоту и фактически сброшена с устройства. Далее, как видно из представленных схем, воздушный канал в дне крышки имеет малый диаметр, соответственно и диаметр колеса воздушной турбины будет небольшим, следовательно, и вращающий момент на валу турбины будет тоже небольшим, т.е. выдаваемая мощность будет малая. Особенность работы устройства такова, что воздушная турбина должна вращаться попеременно в одну и в другую сторону, однако работоспособность такой системы вызывает большие сомнения. Время прохождения волны исчисляется считанными секундами, т.е. колебания уровня жидкости внутри устройства происходит в среднем в течение 3-6 секунд, а система турбина-ротор генератора имеет инерцию. Из этого следует, что для остановки вращающегося ротора и раскрутки его в другую сторону требуется время, следовательно, часть времени подъема и опускания уровня жидкости будет уходить на преодоление инерции вращения системы турбина-ротор генератора. А при таком режиме работы говорить об эффективности данной электростанции не приходится, да и сама работоспособность системы вызывает большие сомнения.

Предлагаемое техническое решение лишено всех выше перечисленных недостатков, может работать и во время шторма, может выдавать достаточно большую мощность, является универсальным устройством для привода генераторов с вращающимся ротором, линейных генераторов, пьезогенераторов, насосов и других устройств, в которых используется вращательное или возвратно-поступательное движение.

В основу изобретения поставлена задача выполнения универсальной, простой, эффективной, дешевой волновой или приливной энергетической установки, которую можно было бы устанавливать в любом месте вдоль морского и океанского побережья и получать экологически чистую электроэнергию.

Поставленная задача решается тем, что в универсальной морской энергетической установке, содержащей полый цилиндрический корпус, открытый снизу, сообщающийся с водной средой и прикрепленный неподвижно к морскому дну, корпус в своей верхней части имеет сужение, образующее верхний малый цилиндр, к которому крепится кожух с размещенным внутри него лопастным колесом, приводимым в движение воздухом, поочередно всасываемым и вытесняемым из внутренней полости корпуса через воздушные каналы, образуемые кожухом, и невозвратные (впускной/выпускной) клапаны, установленные внутри верхнего малого цилиндра, меняющимся уровнем воды от проходящей волны. К выходным концам вала лопастного колеса присоединяется генератор и, при необходимости, водяной насос. В нижней подводной части корпуса имеется сужение, образующее конфузор, предназначенный для снижения скорости изменения уровня воды внутри корпуса в штормовых условиях, для предотвращения возможных пневматических и гидравлических ударов. При средней и малой волне влияние конфузора незначительно. Для варианта с линейным генератором или пьезогенератором внутри корпуса в верхней части перед сужением устанавливается мембрана, соединяющаяся с генератором жесткой связью, а сам генератор устанавливается над верхним цилиндром, при этом воздушное пространство над мембраной должно сообщаться с атмосферой. Для всех вариантов размеры корпуса зависят от среднего значения длины волны и от максимально возможной высоты гребня волны. Внутренний диаметр конфузора или минимальный внутренний диаметр сужения в нижней части корпуса должен быть в пределах 1/6-1/4 длины средней волны, а высота корпуса до сужения в верхней части должна быть выше максимально возможного высокого гребня волны, считая от среднего уровня спокойной воды. Для различных районов морского и океанского побережья имеются специальные каталоги с таблицами величин средней длины волны, максимальной высоты гребня волны, диаграммы приливов и отливов. Устройство устанавливается на сваях, вбитых в дно таким образом, чтобы при прохождении волны с максимально возможной амплитудой колебаний нижняя часть корпуса не осушалась во впадине волны, а верхняя часть – район сужения не захлестывался гребнем волны.

На фиг.1 показан общий вид со стороны берега на установку с горизонтальным расположением оси лопастного колеса, на фиг.2 – вид сбоку в разрезе, на фиг.3, 4, 5 – установка с вертикальным, центральным расположением оси лопастного колеса, на фиг.3 – вид с берега на установку, на фиг.4 – вид сбоку, на фиг.5 – вид снизу на кожух и лопастное колесо, на фиг.6, 7 – невозвратный клапан, на фиг.8 – вид сбоку на установку с вертикальным расположением оси вала лопастного колеса, установленного эксцентрично оси корпуса установки, на фиг.9 – сечение В-В, на фиг.10, 11 – водяной насос, на фиг.12, 13 – лопастное колесо, на фиг.14 – установка для линейного генератора или пьезогенератора, на фиг.15 – схема волновой накопительной гидроэлектростанции, на фиг.16 – приливная электростанция, на фиг.17, 18, 19, 20, 21, 22 – диаграммы приливов в разных районах Земного шара.

Универсальная энергетическая морская установка содержит: корпус 1, конфузор 2, верхний цилиндр 3, кожух лопастного колеса 4, воздушный канал 5, выпускной клапан 6, впускной клапан 7, лопастное колесо 8, генератор 9, редуктор 10, водяной насос 11, сваю 12, мембрану 13, жесткую связь 14, генератор (линейный генератор/пьезогенератор) 15. Накопительная гидроэлектростанция содержит: напорный бак 16, водоем 17, гидротурбину 18, насосные установки 19, установку 20 с линейным генератором или пьезогенератором.

Универсальная энергетическая морская установка работает следующим образом: при прохождении волн внутри корпуса 1 происходит колебание уровня воды и таким образом происходит поочередно вытеснение и всасывание воздуха. При прохождении гребня волны уровень воды внутри корпуса 1 поднимается и вытесняет воздух из него, воздух выходит через выпускной клапан 6 и воздушный канал 5, воздействует на лопатки лопастного колеса 8 и заставляет его вращаться. При прохождении впадины волны уровень воды понижается, воздух всасывается через противоположный воздушный канал и впускной клапан 7, опять же воздействует на лопатки лопастного колеса 8 и также раскручивает лопастное колесо. Получается, что при любом колебании уровня воды вытесняемый и всасываемый воздух совершает полезную работу по раскручиванию колеса. Направление вращения колеса зависит только от установки невозвратных клапанов 6 и 7, т.е. в какую сторону будут направлены клапаны. Сами клапаны абсолютно одинаковые, выполнены в виде прямоугольной рамки с горизонтальными перегородками, к которым с одной стороны прикреплены внахлест полоски из мягкого материала типа прорезиненной ткани, резины или синтетического материала. Для разворота клапанов 6 и 7 на 180° достаточно переставить монтажную пластину с ручками с одной боковой стороны на другую. Отбор мощности осуществляется от вала лопастного колеса 8. Так как вращающий момент на валу колеса достаточно большой, то привод генератора 9 целесообразно осуществлять через повышающий редуктор. Устройства с вертикальным расположением оси лопастного колеса (фиг.3 и 8) устанавливаются таким образом, чтобы открытая часть колеса была обращена в сторону берега, устройство с горизонтальным расположением оси колеса (фиг.1) ориентируется так, чтобы ось колеса и линия берега были примерно параллельны. Лопасти лопастного колеса 8 могут быть прямыми или изогнутыми. Для электростанции с линейным генератором или с пьезогенератором (фиг.14) устройство работает еще проще. Среднее положение мембраны 13 соответствует уровню спокойной воды, в этом положении давление воздуха между мембраной и поверхностью воды равно атмосферному, полость над мембраной сообщается с атмосферой, полость между мембраной и поверхностью воды замкнутая и любое колебание уровня воды внутри корпуса тут же вызывает колебание мембраны 13. Возвратно-поступательное движение от мембраны через жесткую связь 14 передается на линейный генератор или пьезогенератор 15.

Предлагаемые установки с лопастным колесом 19 (фиг.15) можно использовать и для накопительной гидроэлектростанции. Для этого к другому концу вала колеса 8 присоединяется водяной насос 11 через редуктор или напрямую. Колесо 8 приводит в действие водяной насос 11, который закачивает морскую воду по трубе в напорный бак 16, установленный на берегу. В напорный бак морская вода заливается сверху, а из бака вода самотеком по трубам поступает в искусственный водоем 17, находящийся на некотором удалении от берега. Из этого водоема вода самотеком по сливным трубам возвращается обратно к берегу, стекает вниз. Внизу, на пляже, вода попадает на гидротурбину 18, приводит в действие генератор и дальше уже возвращается назад в море. Предлагаемые устройства можно расположить вдоль береговой линии в большом количестве, их можно собирать в группы разной конфигурации, либо выстраивать в цепь, все зависит от рельефа дна и линии берега. Напорные баки могут принимать воду от одного или нескольких насосов, расстояние между напорными баками ограничивается только рельефом местности и условием, что вода от бака до водоема идет только самотеком. Учитывая, что штилевая погода бывает достаточно редко и недолго, то посредством этих установок можно заполнить водоем большой вместимости или группу сообщающихся водоемов, способных поддерживать работу гидротурбин электрогенераторов в течение 10-15 дней в случае штилевой погоды.

Из вышеизложенного следует, что предлагаемое техническое решение дает возможность получать экологически чистую, дармовую электроэнергию, вырабатываемую морской волной. Так как в накопительной гидроэлектростанции морская вода в водоемах постоянно обновляется, то эти водоемы можно использовать как бассейны для плавания, а часть вырабатываемой электроэнергии можно использовать для подогрева воды в этих водоемах. Таким образом, сами водоемы и территории около них можно использовать для отдыха и оздоровления населения. Это особенно актуально для районов с сезонными изменениями температуры воздуха. Установка предлагаемых устройств вдоль береговой линии группами различной конфигурации будет способствовать укреплению дна и частично гасить подходящую к берегу волну, т.е. будет выполнять защитную функцию для пляжей и береговых сооружений.

Кроме того, предлагаемые устройства с лопастными колесами могут быть использованы и для приливных электростанций. Так как прилив это та же волна, только растянутая во времени, то и здесь работает тот же принцип – изменение уровня воды. Предлагаемый вариант приливной электростанции представляет собой перевернутую коробчатую конструкцию, опирающуюся на вертикальные стены 21 и вбитые в дно опоры 22. Вертикальные стены 21 идут по периметру конструкции и образуют с верхней площадкой 23 герметичную полость. В нижней части стен, под водой, на глубине ниже самого низкого уровня отлива Н_min, имеются окна 24 для прохода воды. Верхняя площадка 23 находится на высоте выше высоты максимального уровня прилива Н_max. На верхней горизонтальной площадке 23 имеются отверстия 25, над которыми устанавливается верхняя рабочая часть 26 волновой электростанции с клапанами, воздуховодами, лопастным колесом и генератором.

Приливная электростанция работает следующим образом: во время приливов и отливов внутри полости коробчатой конструкции меняется уровень воды и происходит вытеснение воздуха из полости или всасывание воздуха в полость. Движение воздуха осуществляется через рабочие элементы 26, то есть происходит тот же самый рабочий процесс, что и в волновой электростанции, только растянутый во времени. Диаграмма приливов и отливов в большей части Земли имеет плавную изогнутую линию на максимальных верхних Н_max и минимальных нижних Н_min уровнях, т.е. скорость изменения уровня воды на этих участках диаграммы постепенно снижается до 0 и потом медленно начинает увеличиваться от 0. В зависимости от географической широты длительность и высота прилива в разных районах Земного шара разная и на эти участки приходится от 30 минут до 9 часов. Однако имеются районы, где диаграмма приливов имеет вид неправильной кривой, например в районах Петропавловск-Камчатский и Ванкувер. Диаграмма прилива в этих местах имеет два пика при Н_max и фактически в течение 8-13 часов колебание уровня воды очень незначительно. Получается, что на этих участках диаграммы приливная электростанция практически не работает. Из этого следует, что целесообразно, чтобы проходное сечение окон 24 предлагаемой конструкции было таким, чтобы уровень воды внутри конструкции менялся с некоторым запаздыванием от изменения уровня воды в море. Запаздывание должно быть таким или примерно таким, чтобы диаграмма изменения уровня воды внутри полости максимально приближалась к форме ломаной кривой, т.е. в положениях Н_max и Н_min кривая должна быть сильно изогнутой и больше походить на ломаную. Таким образом, можно максимально сократить время простоя генераторов между концом прилива и началом отлива и концом отлива и началом прилива. Наиболее предпочтительными местами для строительства подобных электростанций являются заливы, бухты или искусственные водоемы, сообщающиеся с морем через проливы, каналы или подземные туннели. На фиг.16 представлен один из возможных вариантов приливной электростанции, находящейся в водоеме 27 на берегу 28 на некотором удалении от моря и сообщающейся с морем 29 через подземный туннель 30.

Предлагаемое техническое решение является универсальной морской энергетической установкой, так как один корпус с незначительными изменениями может быть использован в трех вариантах с лопастными колесами для электростанций с генераторами с вращающимся ротором, и такой же корпус может быть использован для электростанции с линейным генератором или пьезогенератором. Кроме того, волновые электростанции с лопастными колесами могут быть использованы и в качестве насосных установок для накопительной гидроэлектростанции, и как рабочие элементы приливных электростанций.

Формула изобретения

1. Универсальная морская энергетическая установка, содержащая открытый снизу полый цилиндрический корпус, сообщающийся с водной средой и прикрепленный неподвижно к морскому дну, отличающаяся тем, что корпус в верхней части имеет сужение, образующее верхний малый цилиндр, к которому крепится кожух с размещенным внутри него лопастным колесом, приводимым в движение воздухом, поочередно всасываемым и вытесняемым из внутренней полости корпуса через воздушные каналы, образуемые кожухом, и невозвратные клапаны, установленные внутри верхнего малого цилиндра, меняющимся уровнем воды от проходящей волны.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что к любому выходному концу вала лопастного колеса присоединен генератор.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в нижней части корпус имеет сужение, образующее конфузор.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что от вала лопастного колеса осуществлен привод на водяной насос.

РИСУНКИ