УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ЭНЕРГИИ МОРСКИХ ВОЛН
DEVICE FOR OUTFEED OF ENERGY OF SEA WAVES

иИзобретение относится к технике для получения электрической энергии путем преобразования энергии морских волн.
Известен способ использования энергии морских волн (см. патент РФ № 2221933, опубл. 20.01.2004) с помощью плавучестей путем передачи этой энергии на исполнительный механизм с помощью вертикальных штоков и зубчатой передачи. В устройстве, реализующем способ, плавучести, воспринимающие энергию волн, располагаются в направляющих шахтах, которые выполняются  ажурными, передают энергию на исполнительный механизм с помощью зубчатых реек, которые устанавливают в коробчатых штоках с возможностью перемещения в них, и храповых шестерен, которые устанавливают на главный вал, при этом штоки располагают параллельно направляющим шахтам, вводят зубчатые рейки в зацепление с храповыми шестернями при движении плавучестей вверх и выводят их из зацепления при движении плавучестей вниз, аккумулируют механическую энергию на линии главного вала, который располагают горизонтально, с помощью маховика и передают ее через редуктор на электрогенератор.
Известен также волновой энергетический комплекс (см. патент РФ № 2410489, опубл. 27.01.2011), который состоит из шарнирного дебаркадера, консоли, маятникового шарнира, аппарели и линейного генератора. Вдоль аппарели прикреплен шток, передающий механические колебания на магнитный сердечник линейного генератора. Линейный генератор расположен по оси движения штока, обозначенной углом наклона аппарели. Шток передает прямолинейные поступательные колебания на магнитный сердечник, который, перемещаясь внутри проводящей катушки (обмотке), находящейся в корпусе генератора, возбуждает ток.
Все известные устройства используют один из основных волновых эффектов - периодическое изменение уровня воды в точке относительно стабилизированного тела.   В этих устройствах отбор волновой энергии происходит в виде работы, совершаемой волновым процессом  над  рабочим телом (рабочим органом волновой энергетической станцией (ВлЭС) - поплавком, понтоном, плавучестью). В свою очередь, рабочее тело передает полученную энергию преобразователю механической энергии - генератору.
Функциональное выражение работы есть произведение силы на перемещение тела в направлении действия этой силы. Поэтому для отбора энергии помимо величины массовой или поверхностной силы значение также имеет и перемещение рабочего тела или рабочего органа.
В техническом объекте, где рабочее тело участвует в создании внутреннего потока энергии, существующего благодаря перемещению одного тела объекта относительно другого (ротор относительно статора - в волновом энергетическом комплексе по патенту РФ № 2410489, зубчатая рейка относительно шестерни вала генератора - в устройстве по патенту РФ № 2221933, поршень относительно цилиндра, гидравлический поток относительно лопастей винта или лопаток турбины в известных технических устройствах, например WAVESTAR), важно не само перемещение рабочего тела, а его перемещение относительно другого тела этого же объекта, в котором формируется внутренний поток энергии.
Для формирования возможности относительного перемещения тел внутри одного объекта необходимо осуществление специального технического мероприятия - стабилизации одного из тел в земном пространстве.
В перечисленных решениях стабилизация предполагает фиксацию неподвижных элементов (цилиндр, статор), закрепленных на стационарных либо плавучих конструкциях. При этом размеры подвижных элементов - зубчатых реек, штоков поршня цилиндра, ротора и статора линейного генератора - имеют конструктивные особенности, ограничивающие их перемещения относительно высоты возникающего волнения, что является существенным недостатком и сказывается на надежности эксплуатации.
Основным недостатком подобных решений является то, что на неподвижные элементы, которые жестко крепятся на несущих конструкциях, передаются значительные нагрузки, связанные с сопротивлением генератора, что заставляет конструировать несущие конструкции массивными и, как следствие, дорогостоящими. Все перечисленные технологии имеют критические узлы перемещения рабочих органов и при возникновении значительных волновых колебаний вынуждены уходить в аварийный режим работы. Для них обязательно должны создаваться опорные конструкции.
Также значительным недостатком для подобных устройств являются ограничения, связанные с изменением уровня моря (приливы и отливы), что заставляет выполнять несущие конструкции с возможностью подъема и опускания, что сказывается на стоимости устройств и на величине эксплуатационных расходов.
Кроме того, учитывая распределение потока энергии по глубине распространения волны, для наиболее полного отбора мощности необходимо обеспечить взаимодействие рабочих органов ВлЭС с жидкостью по максимальному слою переноса энергии.
Однако известные устройства поверхностного расположения (понтоны, поплавки, плывучести) работают с верхними слоями переноса энергии, а значительную часть на переменной по глубине плотности потока энергии пропускают.
Кроме того, принцип взаимодействия рабочих органов с волнами создает эффект генерации вторичной волны на выходе из ВлЭС, что существенно снижает область применения их как защитных устройств от пагубного воздействия штормов.
Наиболее близким к предложенному является устройство для отбора энергии  морских    волн,      содержащее     плавучий объект,    преобразователь энергии морских волн, включающий генератор электрической энергии, и погружной элемент, связанный с плавучим объектом с возможностью их относительного  перемещения  и  расположенный  в  рабочем  положении ниже дна  плавучего  объекта,  причем в рабочем положении полый  погружной  элемент заполнен морской водой, то есть, имеет отрицательную плавучесть, а плавучий объект связан с преобразователем энергии, расположенным на погружном элементе, посредством гибкой связи в виде троса. Также предусмотрен вариант, когда преобразователь энергии расположен на плавучем объекте и связан с погружным элементом посредством троса. Этот вариант выбран в качестве ближайшего аналога предложенного изобретения. Устройство снабжено пружиной для смещения погружного элемента вниз относительно плавучего объекта и для натяжения троса (WO 2010/007418 A2, опубл. 21.01.2010).
В известном устройстве частично решена задача увеличения эффективности преобразования энергии за счет более полного отбора энергии на переменной по глубине плотности потока энергии, а также задача стабилизации ВлЭС и взаимодействия рабочих органов, организующих поток и преобразование энергии, без использования опорных конструкций.
Однако  в  известном  устройстве, поскольку   погружной элемент в рабочем состоянии имеет отрицательную плавучесть, а плавучий объект (или погружной элемент)  связан  с  преобразователем  энергии  гибким  тросом, то  при опускании плавучего объекта при спуске с гребня волны не будет передаваться усилие от плавучего объекта (или от погружного элемента) на преобразователь энергии и не будет происходить автоматического складывания подвижных элементов преобразователя энергии и перехода их в стартовое состояние, следовательно, не будет передаваться механическая мощность на генератор электрической энергии. Передача механической мощности будет происходить только при подъеме плавучего объекта на гребень волны. Кроме того, для перехода системы в стартовое состояние, то есть для натяжения троса, необходимо наличие пружины.
Задачей изобретения является повышение эффективности отбора энергии морских волн.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в обеспечении передачи механической мощности на преобразователь энергии не только при подъеме плавучего элемента на гребень волны, но и при его спуске с гребня, а также в обеспечении автоматического складывания подвижных элементов преобразователя в стартовое состояние без использования в конструкции специальных пружин.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для отбора энергии морских волн, содержащем плавучий объект, расположенный на нем преобразователь энергии морских волн, включающий генератор электрической энергии, и погружной элемент, в рабочем положении расположенный ниже дна плавучего объекта, причем площадь проекции погружного элемента на плоскость, которая в рабочем положении устройства является горизонтальной плоскостью, больше каждой из площадей его проекций на две другие плоскости, перпендикулярные первой плоскости и друг другу, а профиль погружного элемента выполнен двояковыпуклым или выпуклым с одной стороны, и выпукло-вогнутым с другой стороны, или выпукло-вогнутым с двух сторон, при этом погружной элемент соединен с преобразователем энергии с возможностью относительного перемещения погружного элемента и плавучего объекта, преобразователь энергии включает раздвижную связь, а погружной элемент имеет положительную плавучесть и соединен с раздвижной связью с возможностью передачи механической мощности на генератор при погружении плавучего объекта.
Преобразователь энергии в одном варианте выполнения включает закрепленный на плавучем объекте гидроцилиндр со штоком, связанным с погружным элементом, и гидромотор, соединенный с генератором и сообщенный с гидроаккумулятором и баком, которые посредством трубопроводов и обратных клапанов сообщены с полостями гидроцилиндра.
Преобразователь энергии в другом варианте выполнения включает соединенную с генератором турбину, связанную с, по крайней мере, одним телескопическим насосом, соединенным с погружным элементом. Телескопический насос - это объемный насос возвратно-поступательного действия со ступенчатой (телескопической) связью.
Преобразователь энергии в третьем варианте выполнения включает линейный генератор с магнитным сердечником, соединенным с погружным элементом.
В частном случае погружной элемент может быть выполнен, по крайней мере, с одной поворотной створкой.
Устройство может быть снабжено шарнирно связанными между собой звеньями, каждое из которых расположено одним концом в соответствующем направляющем пазу погружного элемента, а другим концом - в соответствующем направляющем пазу плавучего объекта.
В другом варианте устройство может быть снабжено звеньями, каждое из которых одним концом жестко соединено с погружным элементом, а другим концом расположено в соответствующем направляющем пазу плавучего объекта.
Далее погружной элемент условно называется гидродинамическим экраном (ГДЭ).
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана схема предпочтительного варианта устройства с гидроцилиндром; на фиг. 2 - вид устройства на фиг. 1 сбоку; на фиг. 3 - вариант устройства с телескопическим насосом; на фиг. 4 - вариант устройства с линейным генератором; на фиг. 5 - вариант устройства с зубчатой рейкой; на фиг. 6 - 9 схема работы ГДЭ с поворотными створками: на фиг. 6 - ГДЭ с закрытыми створками в разрезе, на фиг. 7 - то же, общий вид, на фиг. 8 - ГДЭ с открытыми вверх створками в разрезе, на фиг. 9 - то же, общий вид; на фиг. 10 - вариант устройства с шарнирно соединенными звеньями; на фиг. 11 - вариант устройства со звеньями, жестко соединенными с ГДЭ; на фиг. 12 - схема действия сил на плавучий объект и ГДЭ; на фиг. 13 - проекции ГДЭ; на фиг. 14 - вариант выполнения ГДЭ с выемками на верхней и нижней сторонах.
Предпочтительный   вариант  устройства для  отбора  энергии  морских  волн содержит погружной элемент - гидродинамический экран (ГДЭ) 1 и плавучий объект 2, связанные между собой раздвижной связью (трансмиссией) - гидроцилиндром 3. ГДЭ 1 расположен в воде ниже дна плавучего объекта 2. Преобразователь энергии включает закрепленный на плавучем объекте 2 гидроцилиндр 3, шток 4 которого связан с ГДЭ 1, а корпус - с плавучим объектом 2, и гидромотор 14, соединенный с генератором 15 и сообщенный с гидроаккумулятором 12 и баком 13, которые посредством трубопроводов и обратных клапанов 5-8 сообщены с полостями гидроцилиндра 3.
В штоковой и бесштоковой полостях гидроцилиндра 3 создается гидростатическое нагнетание и разрежение, которые при помощи обратных клапанов 5-8 преобразуются в движение рабочей жидкости через патрубки 9 рабочего давления и заборные патрубки 10.
При движении плавучего объекта 2 вверх поршень 11 гидроцилиндра 3 будет совершать относительное перемещение вниз. При этом клапан 5 будет закрыт, а клапан 6 открыт, и жидкость поступает в гидроаккумулятор 12. В свою очередь, клапан 7 будет открыт, а клапан 8 закрыт, не пропуская жидкость из бака 13 в гидроцилиндр 3. Из бака 13 в гидроаккумулятор 12 организуется относительно равномерный поток рабочей жидкости необходимой мощности через гидромотор 14, который создает крутящий момент для вращения вала генератора 15, преобразующего механическую мощность в электроэнергию.
Преобразователь энергии морских волн в электрическую энергию включает раздвижную связь (трансмиссию) и генератор 15.
Раздвижная связь ГДЭ 1 и плавучего объекта 2 может быть выполнена также, например, в виде одного или нескольких телескопических насосов 16, которые перекачивают поток воды для вращения вала гидротурбины 17, связанной с генератором 15 (фиг. 3), или в виде штока 18 магнитного сердечника 19, перемещающегося в обмотке 20 линейного генератора (фиг. 4) или в виде зубчатой рейки 21, зацепленной с шестерней 22, закрепленной на валу генератора 15 (фиг. 5).
При любом варианте выполнения устройства при подъеме плавучего объекта (понтона) 2 на гребне волны ГДЭ 1 всей своей верхней поверхностью сопротивляется подъему, и в это время их раздвижная связь будет раскрываться. При погружении плавучего объекта (понтона) 2 в связи с тем, что ГДЭ 1 находится в менее возмущенных слоях воды, нижняя его поверхность будет подвержена гидростатическому давлению, препятствующему погружению, и при этом раздвижная (телескопическая) система будет собираться, передавая механическую мощность через раздвижную трансмиссию генератору 15.
Раздвижная связь (трансмиссия) выполняет две функции, а именно функцию связи ГДЭ 1 с плавучим объектом 2 и функцию трансмиссии, транспортирующей возникающие механические усилия (механическую мощность) на систему преобразования механической мощности в электрическую энергию.
Механическая энергия волн имеет различные составляющие: потенциальную энергию положения, обусловленную разностью между уровнем гребня и ложбиной волны и гидростатическим давлением на горизонтальную поверхность, и кинетическую, связанную с энергией циркуляционного движения масс воды. Эффективно преобразовывать первую составляющую могут ВлЭС с одним плавучим объектом, тогда как использовать кинетическую энергию, т.е. энергию движущихся масс воды в волне, могут погружные роторы и водяные колеса.
Использование устройства с   ГДЭ   1, заглубленным  в   менее  возмущенные слои воды и соединенным с плавучим объектом 2 динамической (раздвижной) связью, выполняющей функции крепления и телескопической трансмиссии, позволяет использовать обе составляющие механической энергии волн.
Это        вызвано   тем,  что  на  заглубленный  в  менее  возмущенные     слои жидкости ГДЭ 1 воздействует циркуляционное движение частиц воды. При этом     силы,  воздействующие  на  ГДЭ  1 и   плавучий   объект    2,  будут действовать разнонаправленно (фиг. 12). При подъемном усилии на плавучий объект 2 на ГДЭ 1 будут действовать силы вдавливания, особенно данный эффект будет значительным, если ГДЭ 1 будет смещен относительно плавучего объекта 2.
Площадь проекции ГДЭ 1 на плоскость, которая в рабочем положении устройства является горизонтальной плоскостью, больше каждой из площадей его проекций на две другие плоскости, перпендикулярные первой плоскости и друг другу (см. фиг. 13).
ГДЭ 1 имеет значительную площадь верхней и нижней поверхностей, каждая из которых всегда больше по площади, чем боковые, и которые могут рассчитываться в зависимости от рабочих параметров плавучего объекта 2, планируемой мощности и региона расположения ВлЭС. Верхняя и нижняя поверхности ГДЭ 1 размещаются горизонтально или под углом, определенным в соответствии с конструктивными особенностями ВлЭС.
Особенностью устройства является, что гидродинамический экран 1 обладает положительной плавучестью и при отсутствии волнения произвольно занимает стартовое положение, поднимаясь вверх и поднимая в собранное положение элементы трансмиссии, которыми могут являться элементы телескопического гидравлического насоса, либо рабочий шток гидравлической передачи, либо шток механической трансмиссии. ГДЭ 1 находится ниже плавучего объекта 2, следовательно, в менее возмущенных слоях воды. Величина погружения ГДЭ 1 и его нахождение относительно плавучего объекта 2 зависит от гидрологической ситуации в районе предполагаемого расположения ВлЭС и соотносится с установленной мощностью устройства и характером проектируемого взаимодействия с волновым режимом.
ГДЭ 1 может быть выполнен в виде объемного корпуса с внутренними полостями либо монолитным из материала, плотность которого меньше плотности воды, что придает ему положительную плавучесть.
ГДЭ 1 может иметь различный обтекаемый профиль, например двояковыпуклый сегментный профиль, как это показано на фиг. 1, 3-12, или с одной стороны выпуклый, а с другой - выпукло-вогнутый сегментный профиль, как это показано на фиг. 2, или выпукло-вогнутый с обеих сторон сегментный профиль, как это показано на фиг. 14. Возможно выполнение ГДЭ плоским, но обтекаемая форма придает ему лучшие гидродинамические свойства.
ГДЭ 1 может иметь открытые полости (углубления, выемки) на верхней или на нижней, или на обеих сторонах (см. фиг. 6-9 и фиг. 11) для увеличения гидравлического сопротивления подъему вверх при работе раздвижной связи на растяжение при перемещении плавучего объекта 2 вверх и гидравлического сопротивления вдавливанию при работе раздвижной связи на вдавливание, когда плавучий объект 2 перемещается вниз.
ГДЭ 1 может иметь систему снижения давления (Pw) на его поверхность в случае возникновения волновой нагрузки и соответственно направленного усилия (F>), превышающих расчетные параметры (фиг. 6-9). Система представляет собой створки 23, шарнирно соединенные с краями 24 контура отверстий в ГДЭ 1 и открывающиеся при возникновении давления (Pw) на них больше расчетного. Открытие створок 23 может происходить известным способом автоматически, если поворотный шарнир 25, соединяющий створку 23 с контуром 24, выполнен в виде торсиона, рассчитанного на сопротивление напора массы воды определенной мощности и держащий створку 23 в закрытом состоянии, но поворачивая ГДЭ 1 в сторону избыточной силы давления (Pw) при возникновении нагрузок больше расчетных.
При этом раскрытие створки 23 будет тем больше, чем больше будет создаваться давление на нее. В результате чего будет происходить саморегулирование снижения действия силы на ГДЭ 1 вплоть до полного ее раскрытия.
Соответственно будет происходить снижение сопротивления ГДЭ 1 при полном раскрытии трансмиссии, что позволит избежать аварийного механического воздействия на элементы крепления и рабочие органы при возникновении волновых нагрузок превышающих расчетные.
Раскрытие створок 23 может происходить и в управляемом режиме при помощи управляемых гидравлических поворотных механизмов по показаниям тензометрических датчиков с сервера системы управления, которая может применяться для подобных устройств.
ГДЭ 1 может быть оборудовано одной либо несколькими створками 23 в зависимости от расчетных и конструктивных особенностей. Створки 23 могут раскрываться вдоль оси ГДЭ 1 либо поперек, а также могут состоять из нескольких составляющих. Торсионы и поворотные механизмы могут располагаться вдоль одной из сторон створки 23 либо находиться в противоположных точках крепления створки 23 по оси поворота.
Система снижения давления на поверхность ГДЭ 1 в случае возникновения волновой нагрузки, превышающей расчетные параметры, может быть организована известным способом, например, фиксаторами в виде магнитной системы, состоящей из блоков постоянных магнитов.
Плавучий объект 2 может быть соединен с одним или несколькими ГДЭ 1, в зависимости от конструктивных особенностей и предназначением ВлЭС. ГДЭ 1 может иметь одну либо несколько конструктивных связей в виде раздвижной трансмиссии с плавучим объектом 2, расположенным на поверхности моря.
Для придания устройству конструктивной прочности телескопическая раздвижная система крепления ГДЭ 1 может быть выполнена в виде звеньев 26, которые при шарнирном соединении между собой концами расположены в соответствующих направляющих пазах 27 и 28, выполненных соответственно в ГДЭ 1 и корпусе плавучего объекта 2 (фиг. 10). В другом варианте звенья 26 могут быть жестко закреплены на ГДЭ 1 и направляющих пазах 29 плавучего объекта 2 (фиг. 11).
Данная конструкция позволит перемещаться плавучему объекту 2 на волне относительно ГДЭ 1, сохраняя при этом динамику трансформации потока энергии по вертикальной оси, обозначенной направлением силы (F) и сокращая поперечные нагрузки на все элементы конструкции.
Изобретение направлено на создание волновых энергетических станций, самонастраивающихся на изменение уровня моря вследствие возникновения прилива (отлива). Предлагаемое устройство исключает генерацию вторичной волны на выходе из ВлЭС, когда энергетические комплексы, состоящие из групп волновых станций, расположены вдоль линии берега и предназначены для защиты побережья от штормов.