Прибрежная волновая электростанция
COASTAL WAVE POWER PLANT

Изобретение относится к области гидроэнергетики, в частности к устройствам, вырабатывающим электроэнергию за счет преобразования энергии морских волн на морских побережьях.
Моря и океаны занимают 71% поверхности Земли. Объемы воды в этих акваториях огромны, а имеющаяся в них возобновляемая энергия практически неисчерпаема. Вода здесь пребывает в непрерывном движении, которое проявляется в виде волн в открытом море, морском прибое, приливах и отливах, а также в морских течениях. Источником этой энергии является космос, главным образом Солнце: волны вызываются ветром, морские течения обусловлены особенностями климата, а приливы и отливы вызваны силами притяжения Луны и Солнца.
В океанах накапливается энергия. Сила прилива передвигает огромные массы воды. Сильные ветры вызывают большие волны. Почти 90% мировой энергии ветра содержится в турбулентности над поверхностью морских вод. Ветер, волны и течения вместе взятые содержат в 300 раз больше энергии, чем потребляется человечеством в настоящий момент. Морские приливы дважды в сутки накатываются на берег, а затем отступают от него в виде отливов. Приливы обладают большой энергией и разрушают берег, действуя сообща с прибоем.
Морской прибой возникает из-за разности скоростей частиц воды на поверхности водоема и у дна, где они тормозятся трением. Форма движения орбит частиц воды деформируется так, что на мелководье резко возрастает горизонтальная составляющая такого движения. Из-за замедления движения воды у дна верхние части волны, отличающиеся более высокой скоростью, поднимаются и обрушиваются на берег. Чем дно круче, тем больше разница в скоростях воды и тем мощнее прибой. Высота волн прибоя нередко превышает 50 м.
Энергия прибоя огромна. Например, в Амстердаме на пирс высотой 4 м прибой смог забросить бетонный блок массой 20 т. Наблюдались случаи, когда прибой перемещал глыбы массой 50 тонн и более.
Среднюю для океанических волн энергию оценивают величиной 50 кВт на погонный метр. Подсчитано, что с учетом неизбежных потерь использование энергии волн у побережья Англии дало бы 120 ГВт энергии, что превышает суммарную мощность электростанций страны. Суммарная мощность волн Мирового океана оценивается в 2700 ГВт. В России наиболее перспективными районами для освоения энергии морских волн считают побережье тихоокеанских морей и Баренцева моря.
Долгое время это изобилие не было использовано, но ситуация поменялась и сейчас в разных странах активно продвигаются проекты по использованию энергии волн Мирового океана.
Известна подводная приливная электростанция (RU 2361038 от 15.04.2015 г.), содержащая гидрогенератор, состоящий из гидротурбины и генератора, размещенного в герметическом корпусе и кинематически связанного с гидротурбиной, преобразователя частоты, через который гидрогенератор подключен к внешней энергосистеме, и систему управления, гидротурбина выполнена лопастного типа, а генератор с возбуждением от постоянных магнитов, при этом гидрогенератор установлен в металлическом цилиндрическом каркасе, к верхней части которого присоединены полые емкости для удержания каркаса в подводном заглубленном положении, а к нижней части каркаса прикреплены тросы, одними концами связанные с каркасом, а другими с фиксирующими блоками, опущенными на морское дно, при этом преобразователь частоты размещен на берегу и связан с гидрогенератором с помощью электрического кабеля, а на концах цилиндрического каркаса установлены конусные устройства, образующие на входе потока воды конфузор, а на выходе - диффузор.
Недостатком этого устройства является то, что система удержания каркаса, в подводном заглубленном положении использующая троссы, ненадежна и имеет сложное исполнение, проблематично и точное удержание конфузора в направлении главного потока воды.
Известна также приливная электростанция (RU 2579283 от 10.07.2009 г.), содержащая корпус с открытым входом и выходом установленных на вертикальных валах вращения, связанных с электрогенераторами, гидротурбин виде барабанов, на наружных поверхностях которых закреплены лопасти, причем на входе и выходе корпуса установлены вертикальные щиты, направляющие приливный поток на лопасти гидротурбин с обеспечением их вращения, представляющий гидротурбину. Барабан состоит из соединенных основаниями двух конусов, на наружных поверхностях которых по винтовой линии прикреплены лопасти таким образом, что начало каждой лопасти на нижней вершине конуса барабана смещено по ходу его вращения относительно конца лопасти на второй верхней вершине барабана на 1-2 шага лопастей, причем на нижней конусной части барабана лопасти имеют форму вращения в виде цилиндра, а в верхней части барабана лопасти повторяют при вращении форму конуса.
Недостатком этого устройства является сложность конструкции, в частности большие линейные размеры из-за особенностей конструкции гидротурбин.
Также известна безнапорная гирляндная гидроэлектростанция для использования энергии течений рек и приливов (RU 2305792 от 10.09.2007 г.), содержащая преобразователь энергии, непосредственно преобразующий энергию поступательного движения водного потока в кинетическую энергию вращения и состоящий из одной или нескольких последовательно соединенных в гирлянду гидротурбин, каждая из которых выполнена в виде полого несущего вала-цилиндра с конусными обтекателями на основаниях, к которому прикреплены по образующей цилиндра или под углом к ней лопасти-полуцилиндры таким образом, что несущий вал-цилиндр вписывается во внутренние концы лопастей-полуцилиндров, а их наружные концы, стянутые между собой в нескольких местах узкими кольцами-обручами, образуют многолопастной цилиндр.
Недостатком этого устройства является сложная техническая реализация передачи вращающего момента на ротор электрогенератора и необходимость изменения положения гидротурбины для эффективной работы устройства.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является устройство для выработки электроэнергии с водяным колесом в форме Дариуса (JPS60216070 от 1985 г.) представляющего собой генератор, закрепленный на дне моря и через редуктор соединенный с горизонтальным валом над поверхностью моря, на нем закреплены водяные колеса Дариуса в полупогруженном состоянии.
Недостатком этого устройства является то, что устройство не осуществляет накопление воды при приливе для увеличения эффективности производства электроэнергии. Так же для генерации задействована только нижняя, погруженная в воду часть колеса Дариуса, а электрогенератор находится ниже уровня моря, что требует специальной герметизации затрудняет его обслуживание.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание электростанции для существенного устранения недостатков аналогичных решений.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении эффективности использования морских приливов для производства электроэнергии за счет накопления дополнительных объемов воды.
Осуществление требуемого технического результата достигается тем, что прибрежная волновая электростанция, представляет собой набор секций корпуса, ограждающих часть побережья, выполненных полыми и заполняемыми водой, закрепленными на грунте и между собой. Между секциями корпуса в необходимом количестве располагаются центральные секции, содержащие горизонтально рассоложенные преобразователи энергии, выполненные в виде полого несущего вала, к которому прикреплены под углом лопасти. Преобразователи имеют общий вал, в средней части которого расположен редуктор, концы вала вставлены в заполненные водой и закрепленные на грунте секции корпуса электростанции. Вал преобразователей через редуктор соединен с валом электрогенератора, который через систему управления подключен к аккумуляторной батареи и энергосистеме потребителей.
Секция корпуса в верхней части имеет свободно закрепленный резервуар, заполненную воздухом и отклоняемую в одну сторону. Электрогенератор по проводной линии через систему управления подключен к аккумуляторной батарее и внешней энергосистеме.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на Фиг. 1 представлена схема прибрежной волновой электростанции, где:
1 - электрогенератор;
2 - преобразователь;
3 - центральная секция;
4 - редуктор;
5 - секция корпуса электростанции;
6 - отклоняемый резервуар.
На Фиг. 2 представлена схема центральной секции и преобразователей, где:
7 - вал электрогенератора;
8 - вал преобразователей;
9 - ведущая шестерня;
10 - ведомая шестерня.
На Фиг. 3 представлена схема положения отклоняемого резервуара при приливе или накате морской волны.
На Фиг. 4 представлена схема изменения положения отклоняемого резервуара при отливе или откате морской волны.
Изобретение работает следующим образом: предварительно огораживается секциями корпуса электростанции (5) участок моря в прибрежной зоне. В средней части устанавливается центральная секция (3) с электрогенератором (1) и редуктором (4). Редуктор (4) представляет собой соединение ведущей (9) червячной шестерни, на общем валу преобразователей (2) с ведомой, в виде цилиндрического зубчатого колеса на валу электрогенератора (7) для передачи крутящего момента при осевом вращении 90 градусов по отношению к первому элементу.
При волнении моря или приливе, морская волна, набегающая на побережье, воздействует на секции корпуса электростанции (5), захлестывая и складывая их отклоняемые резервуары (6), в этот момент осуществляется проход на огороженный участок побережья максимального количества воды. При обратном движении воды отклоняемые резервуары (6) за счет положительной плавучести принимают вертикальное положение и препятствуют уходу воды. Весь поток направляется к центральной секции (3) и истекает, вращая лопасти преобразователей (2). Надо отметить, что первоначально входной поток воздействует также на верхнюю часть преобразователя (2) и вращает его, а исходящий поток воздействует на нижнюю часть лопастей преобразователя (2) и он осуществляет преобразование энергии волн во время всего цикла работы электростанции.
Вращательное движение общего вала преобразователя (8) приводит в движение ведущую шестерню (9) передающую крутящий момент на ведомую шестерню (10) на валу электрогенератора (7).
Прибрежная волновая электростанция позволяет использовать энергию морских волн, приливов и отливов для обеспечения электроэнергией потребителей, расположенных как в прибрежной зоне, так и удаленно, и станет достойной заменой централизованного электроснабжения или альтернативой установкам, использующим углеводородное топливо. За счет аккумуляторной батареи имеется возможность компенсировать периоды штиля на море, а сборный корпус прибрежной волновой электростанции позволяет подстраивать ее под особенности рельефа. В зависимости от силы волн и приливов в конкретном месте возможна установка соответствующего количества центральных секций (3) с преобразователями (2) и электрогенератором (1) для увеличения мощности электростанции.