ПЛАВУЧИЙ ЭЛЕМЕНТ ВОЛНОВОЙ СТАНЦИИ

Изобретение относится к технике для получения электрической энергии путем преобразования энергии морских волн.
к
п
Известны волновые энергетические установки (ВлЭУ) и волновые электростанции (ВлЭС), где в качестве рабочего тела (устройства передающего энергию волны на силовой преобразователь, генератор) используются плавучие элементы такие как поплавки, буи, и иные плывучести (1). Находящееся на поверхности моря рабочее тело - поплавок - совершает вертикальные колебания в соответствии с изменениями уровня воды. Вертикальные перемещения поплавка используются для преобразования кинетической энергии волны F и потенциальной энергии F, в механическую энергию ВлЭУ, либо электрическую энергию ВлЭС. Используемые при этом усовершенствованные поплавки частично заполняются водой или к ним подвешивается груз. Но во всех случаях у поплавков остается неизменная масса, что не позволяет оперативно регулировать частоту и скорость их линейного перемещения.
Известен гидрокомплекс (2), содержащий несущую железобетонную конструкцию в виде опорного сотового бона и плавательное средство в виде шарнирного дебаркадера с размещенным на нем генератором с турбинами, который выполнен в форме объемной конструкции из композитных материалов в виде треугольной или многогранной призмы, представляющей собой закрытый объем с расположенными в нем открытыми сообщающимися полостями, выполняющими функцию пневмогенераторов. Изобретение позволяет использовать волновой прибой для выработки электроэнергии и осуществлять защиту побережья, набережных и т.д. от штормов.
В данном случае дебаркадер выполняет функции плавучего элемента (рабочего тела), передающего энергию волны на силовой преобразователь (генератор), также как и использующиеся в настоящее время на волновых станциях другие плавучие элементы, такие как поплавки, буи и иные. Дебаркадер имеет водный балласт.
Изменение массы водного балласта позволяет регулировать его физические свойства в зависимости от силы шторма. Однако водный балласт необходимо закачивать в корпус, для чего необходимо время, сложные дополнительные механизмы (насосы, помпы), а также затраты энергии.
Неизменная масса плавучих элементов (рабочих тел) известных волновых станций, либо сложные механизмы изменения их физических параметров связанных с балластной массой и водоизмещением, приводят к тому, что они эффективно работают лишь на волнении моря с определенными параметрами. Это определяется сопоставимостью их геометрических размеров, массы, водоизмещения и осадки, с параметрами волны (высоты, длины, частоты периода) и вида силового преобразователя.
Эффективно передавать волновую энергию от рабочего органа к силовому преобразователю при малом волнении можно при рабочем теле небольшой массы, а при больших штормах, наоборот, при рабочем теле большой массы.
Наиболее эффективно рабочее тело работает на волнении, частота которого совпадает с собственной частотой колебаний плавучего элемента. В этом случае возникают резонансные явления, которые характеризуются ростом амплитуды колебаний плавучего элемента и других параметров его динамики. В свою очередь, частота собственных колебаний плавающего на поверхности воды объекта зависят от его формы и массы.
1/2
Период собственных вертикальных колебаний рабочего тела Т может быть выражен через его осадку Т по формуле τ=2,5*T. Следовательно, чтобы эффективно преобразовывать волновую энергию необходимо в процессе эксплуатации изменять массу плавающего элемента «приспосабливая» ее к реальному волнению, существующему в каждый конкретный период времени.
Известные типы волновых электростанций (ВлЭС) и волновых энергоустановок (ВлЭУ), имеют плавучие элементы с неизменными массой и водоизмещением, в процессе работы не меняют осадку, а такие как шарнирный дебаркадер не имеют механизма быстрого изменения водоизмещения и массивности. Это не позволяет использовать их с одинаково высоким коэффициентом использования мощности энергопотока, при волнении моря разной бальности.
Задачей данного изобретения является обеспечение возможности быстрого изменения массы и водоизмещения рабочих тел (плавучих элементов) волновых станций, для более эффективной передачи энергии морского волнения различной силы и частоты (периода) на силовой преобразователь (генератор).
Поставленная задача решается плавучим элементом волновой станции, представляющем собой объемный корпус, который имеет несообщающиеся с водой закрытые полости, обеспечивающие плавучесть, и находящиеся в них сообщающиеся с водой ниже ватерлинии открытые полости, образующие в своей верхней части воздушные камеры, которые сообщаются с атмосферой при помощи двух воздуховодов, отличающемся тем, что воздуховоды снабжены регулируемыми электромагнитными впускным и выпускным клапанами.
На рис.1 и рис.2 представлены плавучие элементы в форме призмы и усеченного конуса (а - разрез, б - аксонометрическая проекция), где 1 - выпускной клапан, 2 - впускной клапан, 3 - закрытая полость, 4 - открытая полость. Стрелками показаны движения воды и воздуха.
При волнении моря малой степени оба клапана закрыты. При этом, сообщающаяся полость 4 заполнена воздухом до уровня ватерлинии, что является исходным положением в работе станции. В этом случае уровень воды в сообщающейся полости 4 соответствует ватерлинии, определяемой осадкой корпуса рабочего плавучего элемента станции.
Объем воздушной камеры, заполненной воздухом, будет при этом входить в объем водоизмещения плавучего элемента. В этот момент его расчетная масса будет минимальной.
При усилении волнового воздействия, клапан 1 открывается и пропускает выдавливаемый напором воды воздух из воздушной камеры, поскольку в ней создается избыточное давление при движении плавающего элемента вниз, и закрывает вход воздуха обратно, когда в воздушной камере открытой полости создается разряжение, при движении плавучего элемента вверх.
Объем выпущенного воздуха при этом увеличится на величину объема заместившей его воды. В результате этого в открытой полости быстро меняется соотношение воды и воздуха в сторону увеличения водного балласта, следовательно, увеличивается масса плавучего элемента, изменяется его водоизмещение и осадка.
При затухании шторма, в случае необходимости уменьшения балласта клапан 1 закрывается, открывается клапан 2, который впускает при разряжении воздух и блокирует его выход при избыточном давлении. В результате этого действия объем воздуха в камере увеличивается, следовательно, уменьшается масса плавучего элемента, вплоть до приведения его массы, в равновесное с исходной.
Управление электромагнитными клапанами может происходить по показаниям ультразвуковых датчиков перемещения, расположенных на элементах конструкции ВлЭС и подключенных к серверу головного компьютера станции.
В результате быстрого изменения массы рабочего тела (плавучего элемента) станции, его водоизмещения и осадки, которые происходят предложенным способом, оперативно меняются и его физические свойства, такие как инерционные силы, вертикальное ускорение, демпфирующие силы, приводящие к рассеиванию механической энергии, силы плавучести, частота и скорость линейного перемещения. Все это, в итоге, влияет на характер взаимодействия плавучего элемента с силовым преобразователем (генератором) и волнением, что позволяет волновой станции работать с одинаково высоким коэффициентом использования мощности энергопотока при волнении моря разной бальности.
Использованная литература:
1. «Использование волновой энергии». Учебное пособие. Московский энергетический институт, М., 2002 г., стр.59-60
2. Патент РФ №2306385, 2006 г.