СПОСОБ И СТАНЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВОЛНЫ НА ОТКОСЕ
METHOD AND STATION OF HYDRODYNAMIC WAVE ENERGY CONVERSION ON SLOPE

Изобретение относится к области использования гидродинамической энергии волн на затопленных естественных и искусственных откосах вдоль берегов морей, озер, водохранилищ, рек и каналов для привода гидрогенераторов в стационарных и мобильных электростанциях от мелких до крупных систем энергоснабжения, например, Крымского полуострова, островов и континентов, средств добычи полезных ископаемых с морских платформ и морепродуктов, электролизных аппаратов для получения водорода и опреснения морской воды в целях водоснабжения населения, предприятий, индивидуальных хозяйств, и т.д.
Известны способ и станция преобразования гидродинамической энергии волны на откосе (Патент США №4263516, F03B 13/12, 1981; а также RU 2089746 С1 6, F03B 13/12; Возобновляемые источники энергии, рис. 9. ИрГТУ - http://www.istu.edu/structure/57/3954/ с теоретическими основами в ВСН 206-87, рис. 3; RU 2227844 С2, F03B 13/18, F03B 13/22).
Способ включает операции расположения гидрогенератора ниже уровня покоя, подачи потока в гидрогенератор и формирования действующего напора на нем. Станции содержат гидравлический тракт и гидрогенератор.
Недостаток известного способа состоит в значительных потерях гидродинамической энергии волны на подъем воды по откосу для создания действующего напора на гидрогенераторе, в необходимости на выходе гидравлического тракта гавани или заглубления выхода на глубины статического напора, не изменяемого волнами, или громоздкой платформы - усреднителя напоров под ней. А известные станции конструктивно сложны.
Прототипом способа по технической сущности и решаемой задаче является способ преобразования гидродинамической энергии волны на откосе, включающий операции расположения гидрогенератора в окрестности волны ниже уровня покоя, захвата и направления потоков набега и ската волны на вход гидрогенератора, формирования действующего напора на нем посредством станции с бустером (GB 710685 А, 16.06.1954, F03B13/18, с. 1, 2, фиг. 1-5). Здесь бустер - управляемая створка на выходе гидрогенератора.
Недостатки прототипа способа: не определяет место наиболее энергетически выгодного расположения станции на откосе и не использует энергию обтекающих станцию струй воды для увеличения действующего напора на гидрогенераторе; кроме того в недостаточной степени учитывает влияние параметров волны и откоса на количество преобразованной энергии.
Прототипом станции преобразования гидродинамической энергии волны на откосе по технической сущности и решаемой задаче является станция, содержащая гидравлический тракт с двумя противоположными конфузорными входами, трубчатое ответвление с гидрогенератором и камерой питания с устройством направления потоков в одну сторону (УНП) и бустер на выходе трубчатого ответвления (GB 710685 А, 16.06.1954, F03B 13/18, с. 1, 2, фиг. 1-5).
Недостатки прототипа станции:
- значительные потери энергии на станции и недостаточный действующий напор на гидрогенераторе из-за S-образной формы и большой длины гидравлического тракта,
- низкий коэффициент полезного действия (кпд),
- сложность конструкции УНП вследствие необходимости в его составе сигнализатора (например, электрического датчика) для выполнения третьего действия (кроме двух действий: поворотов затвора от воздействия напора воды то с одной то с другой стороны) - подачи команд переключения (в зависимости от положения затвора) на бустер в виде управляемой створки (например, 8 - фиг. 2 прототипа) и привода (например, электромеханического, причем с затратами энергии на перекрытие мощных потоков воды) в составе бустера (с помощью отлаженного взаимодействия этих элементов упреждаются возможные прекращения водообмена между бьефами плотины через гидравлический тракт, остановки гидрогенератора и блокирование функции направления потоков УНП несогласованными с ним действиями бустера);
кроме того:
- низкая чувствительность станции к волнам малой высоты (до ~1 м),
- сложность наращивания мощности станции из-за необходимости большого шага расстановки гидрогенераторов по фронту волны вследствие S-образной формы горизонтальных гидравлических трактов (фиг. 1, 2, 3 и 4 прототипа) или из-за необходимости больших геодезических перепадов входных и выходных отверстий гидравлических трактов в вертикальной плоскости (фиг. 5 и 6 прототипа),
- недостаточная надежность из-за наличия сигнализатора, привода и механического бустера (в виде створки, например, 8 - фиг. 2 прототипа)
- не предусмотрены корректор расположения станции на откосе и регулятор крутизны откоса.
Предлагаемое изобретение направлено:
B
в способе - на определение координат точки, обозначим ее В, с максимальной скоростью струи при ее ударе об откос в процессе набега волны (V) для расположения в ее окрестности гидрогенератора в составе станции, формирование действующего напора на гидрогенераторе с использованием энергии обтекающих станцию струй воды; а также на повышение количества преобразованной энергии волны;
в станции - на снижение потерь энергии, увеличение действующего напора на гидрогенераторе, повышение кпд и упрощение конструкции; а также на повышение чувствительности к волнам небольшой высоты и наращивание ее мощности, сокращение числа механических элементов, оснащение корректором расположения на откосе и обеспечение регулирования крутизны откоса.
B
В предлагаемом способе преобразования гидродинамической энергии волны на откосе, включающем операции расположения гидрогенератора в окрестности волны ниже уровня покоя, захвата и направления потоков набега и ската волны на вход гидрогенератора, формирования действующего напора на нем посредством станции с бустером, поставленная задача достигается тем, что вычисляют координаты точки с максимальной скоростью струи при ее ударе об откос в процессе набега волны (V) и располагают станцию в ее окрестности, действующий напор на гидрогенераторе формируют с использованием энергии обтекающих станцию струй воды.
Кроме того:
расположение станции на откосе корректируют в натуре, добиваясь максимального количества преобразованной энергии;
регулируют крутизну откоса в зависимости от параметров волн.
В предлагаемой станции преобразования гидродинамической энергии волны на откосе, содержащей гидравлический тракт с двумя противоположными конфузорными входами, трубчатое ответвление с гидрогенератором и камерой питания с устройством направления потоков в одну сторону (УНП) и бустер на выходе трубчатого ответвления, поставленная задача достигается тем, что бустер выполнен в виде вакуумируемого диффузорного насадка с внешним обтекателем, а УНП в виде затвора двустороннего действия.
Словосочетание «двустороннего действия» означает, что УНП (затвор) переключается напором воды на него то с одной то с другой стороны при независимости от бустера непрерывного движения воды в гидрогенератор, и что в данном УНП нет сигнализатора, осложнявшего УНП в прототипе.
Кроме того:
гидравлический тракт снабжен по фронту волны группой трубчатых ответвлений с гидрогенераторами и бустерами, общими камерой питания и УНП;
УНП выполнено в форме статичной струенаправляющей преграды Δ-образного профиля;
станция оснащена корректором расположения на откосе в виде ручной штанги;
станция оснащена откосом регулируемой крутизны посредством опоры изменяемой высоты.
B
B
B
На фиг. 1 показана волна (вид в профиль) при набеге на откос (согласно ВСН 183-74), эпюра максимальных скоростей набега волны на откос, в том числе V в точке В, координаты которой Y и X относительно расчетного начала координат 0, и положение станции 1 на откосе согласно способу: станция 1 расположена на откосе в окрестности волны, ниже уровня покоя, в окрестности точки В, причем несколько ниже по откосу, где вода не аэрирована обрушенным на откос гребнем волны.
На фиг. 2 показана схема станции 1 преобразования гидродинамической энергии волны на откосе (вид с наклоном откоса, штриховыми линиями изображены элементы, относящиеся к зависимым пунктам формулы изобретения). Станция 1 содержит гидравлический тракт 2 с двумя противоположными конфузорными входами 3 и 4 (конфузоры вытянуты по фронту волны, их грани внутри тракта 2 не выделены), камеру питания 5, УНП 6 в виде затвора двустороннего действия, трубчатое ответвление 7 с гидрогенератором 8, бустером 11 в виде вакуумируемого диффузорного насадка 9 с внешним обтекателем 10; корректор расположения на откосе в виде ручной штанги 12. Станция 1 покоится на статичном откосе (береговом), или откосе регулируемой крутизны (береговом, прибрежном, плавучем и пр.) 13 посредством опоры изменяемой высоты 14.
На фиг. 3 повторена схема станции 1 по фиг. 2, но УНП в виде затвора двустороннего действия выполнено в форме статичной струенаправляющей преграды Δ-образного профиля 6.
На фиг. 2 и 3 линии статичного откоса и откоса регулируемой крутизны 13 совпадают.
На фиг. 4 показана сплошными линиями предпочтительная схема станции 1 на откосе (вид в плане) с дополнительными (боковыми) трубчатыми ответвлениями 7, гидрогенераторами 8 и бустерами 11 в виде вакуумируемых диффузорных насадков 9 с внешними обтекателями 10; по центру станции 1 показано ответвление 7 (круг штрихом), как на фиг. 2, с общими (продольными по фронту) камерой питания 5 и УНП 6; ответвлениями 7 станция 1 может быть снабжена во множестве с любым малым шагом по фронту волны, вплоть до отсутствия зазора между ними.
B
B
B
Способ преобразования гидродинамической энергии волны на откосе осуществляют в такой последовательности. Вычисляют координаты Y и X точки В с максимальной скоростью струи при ее ударе об откос в процессе набега волны V, например, по приближенным формулам (Справочник по гидравлическим расчетам. Под ред. П.Г. Киселева. «Энергия». Москва. 1972, с. 249, формулы 14-23 и 14-24). Располагают гидрогенератор 8 в составе станции 1 на откосе 13 в окрестности волны и точки В ниже уровня покоя. Посредством станции 1 захватывают (путем ориентации гидравлического тракта 2 вдоль набега волны) и направляют потоки набега и ската в одну сторону, на гидрогенератор 8, с помощью УНП 6; при этом подачу направленного потока осуществляют под усиленным действующим напором, который формируют бустером 11 и для работы которого используют энергию обтекающих станцию 1 струй воды, и равным разности скоростных напоров поочередно набега или ската волны на входе и сниженного бустером 11 пьезометрического напора на выходе гидрогенератора 8.
В статическом положении станция 1, схема которой показана на фиг. 2, характеризуется тем, что при отсутствии волн, в элементах 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9 движения воды нет; УНП 6 откинуто влево (под действием силы тяжести) относительно опорного шарнира.
В условиях набега волн на откос станция 1 работает в двух последовательно повторяющихся периодах:
- преобразование гидродинамической энергии набега волны на откос;
- преобразование гидродинамической энергии ската волны по откосу.
B
В периоде преобразования гидродинамической энергии набега волны на откос вода из водоема под скоростными напорами окрестности точки В поступает в гидравлический тракт 2 через вход 3, и энергонасыщенный поток воды отклоняет в камере 5 УНП 6 вправо (по часовой стрелке), обеспечивая тем самым поворот потока набега волны в трубчатое ответвление 7 на гидрогенератор 8. Вода приводит во вращение гидрогенератор 8, который преобразует энергию потока в электрическую, достигая максимума выработки электроэнергии в момент максимальной скорости V. Одновременно поток набега волны обтекает бустер 11 струями по косым (касательным) траекториям над ним, заданными внешним обтекателем 10, которые вакуумируют выход диффузора 9. Это снижает пьезометрический напор в диффузоре 9 и, поэтому - на выходе гидрогенератора 8, увеличивая тем самым действующий напор на гидрогенераторе 8 и выработку электроэнергии. После затухания набега волны гидрогенератор 8 не останавливается, так как сразу же следует второй период (ската волны).
Период преобразования гидродинамической энергии ската волны по откосу начинается с момента начала ската волны обратно в водоем. Скат волны происходит с ускорением под действием силы тяжести Земли. Возникающий скоростной напор этого потока приводит в движение воду в гидравлическом тракте 2 через вход 4, энергонасыщенный поток воды отклоняет в камере 5 УНП 6 влево, обеспечивая тем самым поворот потока ската в ответвление 7 на гидрогенератор 8, который благодаря этому продолжает вращаться в ту же сторону и преобразовывать энергию потока ската в электрическую, достигая некоторого максимума ее выработки. Одновременно поток ската волны обтекает бустер 11 струями по косым (касательным) траекториям над ним, заданными внешним обтекателем 10, которые вакуумируют выход диффузора 9. Это снижает пьезометрический напор в диффузоре 9 и, поэтому - на выходе гидрогенератора 8, увеличивая тем самым действующий напор на гидрогенераторе 8 и выработку электроэнергии. После затухания ската волны гидрогенератор 8 не останавливается, так как сразу же следует очередной период набега волны.
Далее описанные периоды повторяются, пока набегают волны на откос.
Выполнение станции 1 по схеме, показанной на фиг. 3, уменьшает число недостаточно надежных механических элементов станции 1, оставляя из них только гидрогенератор 8, При этом потоки набега и ската волны поочередно направляет из гидравлического тракта 2 на гидрогенератор 8 УНП 6, которое выполнено в форме статичной струенаправляющей преграды Δ-образного профиля, с допуском некоторого перелива воды через него. Поэтому такой затвор двустороннего действия целесообразен в условиях мощных волн.
Выполнение станции 1 по предпочтительной схеме, показанной на фиг. 4, снабженной по фронту волны группой трубчатых ответвлений 7 с гидрогенераторами 8 и бустерами 11, общими камерой питания 5 и УНП 6, причем с малым шагом вплоть до отсутствия зазора между ответвлениями 7, направлено на наращивание мощности и повышение чувствительности станции 1 к низким волнам применением малогабаритных гидрогенераторов.
Штанга 12 предназначена для корректировки расположения станции 1 на откосе в окрестности точки В. Откос регулируемой крутизны 13 с опорой изменяемой высоты 14 позволяет задавать крутизну откоса в зависимости от параметров волн.
Таким образом, благодаря тому, что в способе преобразования гидродинамической энергии волны на откосе:
B
B
B
B
вычисляют координаты точки с максимальной скоростью струи при ее ударе об откос в процессе набега волны (V) и располагают станцию в ее окрестности, действующий напор на гидрогенераторе формируют с использованием энергии обтекающих станцию струй воды, становятся известными координаты Y и X точки В с V для расположения в ее окрестности гидрогенератора 8 в составе станции 1, увеличен действующий напор на гидрогенераторе 8 - минимум в 2 раза, из которых в ~1,5 раза прибавляет скоростной напор набега волны в точке В, остальная прибавка в 1,33 раза приходится на бустер 11 - при ходовых высотах волны до ~1 м (волнение поверхности водоема 3 балла) и больших, и крутизне откоса преимущественно 1,5≤m<5; соответственно преумножено количество преобразованной энергии;
кроме того, благодаря тому, что:
обеспечена коррекция расположения станции 1 на откосе в натуре, повышено количество преобразованной энергии волны на ~10%;
обеспечено регулирование крутизны откоса в зависимости от высоты волны и других ее показателей, повышено количество преобразованной энергии волны на ~5-10% (установлено, что зависимость эта нелинейная).
А благодаря тому, что в станции 1 преобразования гидродинамической энергии волны на откосе, бустер 11 выполнен в виде вакуумируемого диффузорного насадка 9 с внешним обтекателем 10, а УНП 6 выполнено в виде затвора двустороннего действия, уменьшены потери энергии более чем в 2 раза, в т.ч. за счет исключения энергоемкого привода из бустера, и увеличен действующий напор на гидрогенераторе 8 - прибавку в ~1,33 раза дает бустер 11, соответственно повышен кпд и упрощена конструкция;
кроме того, благодаря тому, что:
гидравлический тракт 2 снабжен по фронту волны группой трубчатых ответвлений 7 с гидрогенераторами 8 и бустерами 11, общими камерой питания 5 и УНП 6 в виде затвора двустороннего действия, причем с малым шагом или, тем более, без зазора между ответвлениями 7, наращена мощность и повышена чувствительность станции 1 к низким волнам (до ~1 м) применением малогабаритных гидрогенераторов;
УНП 6 в виде затвора двустороннего действия выполнено в форме статичной струенаправляющей преграды Δ-образного профиля, уменьшено число механических элементов, оставив из них только гидрогенератор 8;
станция 1 оснащена корректором расположения на откосе в виде ручной штанги 12, повышен кпд на ~10%;
станция 1 оснащена откосом регулируемой крутизны 13 посредством опоры изменяемой высоты 14, повышен кпд на ~5-10%.