СТАНЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВОЛНЫ НА ОТКОСЕ
HYDRODYNAMIC WAVE ENERGY CONVERSION STATION ON SLOPE

Изобретение относится к области использования гидродинамической энергии волн на откосах вдоль берегов морей, озер и водохранилищ для привода гидрогенераторов в стационарных и мобильных электростанциях систем энергоснабжения, например, Крымского полуострова, средств добычи нефти и газа с морских платформ, электролизных аппаратов для получения топливного водорода и других веществ из воды, опреснения морской воды для водоснабжения населения, предприятий, индивидуальных хозяйств.
Известна 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/structoe/57/3954/ с теоретическими основами в ВСН 206-87, рис. 3; RU 2227844 С2, F03B 13/18, F03B13/22).
Станции содержат гидрогенератор и гидравлический тракт. Для подачи потока в гидрогенератор и формирования действующего напора на нем он расположен ниже уровня покоя.
Недостаток известной станции состоит в значительных потерях гидродинамической энергии волны на подъем воды по откосу для создания действующего напора на гидрогенераторе и в необходимости на выходе гидравлического тракта наличия гавани или заглубления выхода на глубины статического напора, не изменяемого волнами, или громоздкой платформы - усреднителя напоров под ней; сложность конструкции и ненадежность в работе, а также низкий коэффициент полезного действия (кпд) станции.
Прототипом станции преобразования гидродинамической энергии волны на откосе по технической сущности и решаемой задаче является станция, включающая гидравлический тракт с двумя противоположными конфузорными входами, затвор двустороннего действия, трубчатое ответвление с гидрогенератором и бустером на его выходе (GB 710685 А, 16.06.1954, F03B 13/18, с. 1, 2, фиг. 1, 2, 5).
Недостатки прототипа станции: необходимость внешнего привода к створчатому бустеру (назовем его так) на выходе гидрогенератора для выставления створки бустера в нужное положение, обеспечивающее однонаправленное движение воды через гидрогенератор независимо от наката или ската волны по откосу - от большего гидродинамического напора к меньшему напору в волне, что делает станцию конструктивно сложной и ненадежной в работе; не предусмотрены корректор расположения станции на откосе и регулятор крутизны откоса, что снижает кпд станции.
Предлагаемое изобретение направлено на упрощение конструкции и повышение надежности станции, а также на увеличение ее кпд.
Поставленная задача достигается тем, что в станции преобразования гидродинамической энергии волны на откосе, включающей гидравлический тракт с двумя противоположными конфузорными входами, затвор двустороннего действия, трубчатое ответвление с гидрогенератором и бустером на его выходе, бустер выполнен в виде вакуумируемого диффузорного насадка с внешним обтекателем и накладным фартуком с водоструйным эжектором двустороннего питания и с транзитным каналом, площадь поперечного сечения которого в противоположных направлениях от его всасывающей камеры над диффузорным насадком увеличивается, оснащена корректором расположения станции на откосе и регулятором крутизны откоса.
B
B
B
На фиг. 1 показана, для последующего объяснения работы станции, волна (вид в профиль) при набеге на откос (согласно ВСН 183-74), эпюра максимальных скоростей набега волны на откос с наибольшей V в точке В, координаты которой Y и X относительно условного начала координат 0, и положение станции 1 на откосе. Она расположена на откосе ниже уровня покоя в окрестности точки В, причем в данном примере 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 - сечение по центральной оси станции вдоль профиля волны), На фиг. 3 представлен поясняющий фронтальный вид станции 1, глядя на нее слева. Станция 1 включает гидравлический тракт 2 с двумя противоположными конфузорными входами 3 и 4 (конфузоры вытянуты по фронту волны, их грани внутри тракта 2 не выделены), затвор двустороннего действия 5, трубчатое ответвление 6 с гидрогенератором 7 и бустером 8 в виде вакуумируемого диффузорного насадка 9 с внешним обтекателем 10 и накладным фартуком 11 с водоструйным эжектором 12 двустороннего питания и с транзитным каналом, площадь поперечного сечения которого в противоположных направлениях от его всасывающей камеры 13 над диффузорным насадком 9 увеличивается. Станция 1 покоится на откосе 14 - статичном или регулируемой крутизны (береговом, прибрежном и пр.) с регулятором 15 крутизны откоса 14 и оснащена корректором 16 расположения на откосе 14. Трубчатое ответвление 6 может быть распложено не только в вертикальной плоскости, как на фиг. 2, но и горизонтально, как на фиг. 4. Станции 1 можно располагать в ряд по фронту волны без зазора - с самостоятельными затворами двустороннего действия 5, или с общим затвором двустороннего действия 5 в общем гидравлическом тракте 2, - фиг. 4.
В статическом положении станция 1 характеризуется тем, что при отсутствии волн на поверхности водоема, в элементах 2, 3, 4, трубчатом ответвлении 6, гидрогенераторе 7 и диффузорном насадке 9 движения воды нет; затвор двустороннего действия 5 (на опорном шарнире, который не показан) перекрывает под действием своей силы тяжести гидравлический канал 2 со стороны конфузорного входа 3.
В условиях волн на поверхности водоема 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 конфузорный вход 3, и энергонасыщенный поток воды отклоняет затвор двустороннего действия 5 вправо (по часовой стрелке на фиг. 2), обеспечивая тем самым поворот потока набега волны в трубчатое ответвление 6 на гидрогенератор 7. Вода приводит во вращение гидрогенератор 7, который преобразуют энергию потока в электрическую, достигая максимума выработки электроэнергии в момент максимальной скорости V. Одновременно поток набега волны обтекает диффузорный насадок 9 струями над ним по косым (касательным) траекториям, заданным внешним обтекателем 10 бустера 8, которые вакуумируют диффузорный насадок 9. Это снижает пьезометрические напоры в диффузорном насадке 9 и, поэтому - на выходе гидрогенератора 7, увеличивая тем самым действующий напор на гидрогенераторе 7 и выработку электроэнергии. После затухания набега волны гидрогенератор 7 не останавливается, и следует второй период (ската волны по откосу).
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 затвор двустороннего действия 5 влево (против часовой стрелки на фиг. 2), обеспечивая тем самым поворот потока ската в ответвление 6 на гидрогенератор 7, который продолжает вращаться в ту же сторону и преобразовывать энергию потока ската в электрическую, достигая некоторого максимума ее выработки. Одновременно поток ската волны обтекает диффузорный насадок 9 струями над ним по косым (касательным) траекториям, заданным внешним обтекателем 10 бустера 8, которые вакуумируют диффузорный насадок 9. Это снижает пьезометрические напоры в диффузорном насадке 9 и поэтому - на выходе гидрогенератора 7, увеличивая тем самым действующий напор на гидрогенераторе 7 и выработку электроэнергии. После затухания ската волны гидрогенератор 7 не останавливаются, и следует очередной период (набега волны на откос).
Далее описанные периоды повторяются, пока набегают волны любой высоты, в том числе небольшой (до ~1 м), на откос.
Водоструйный эжектор 12 двустороннего питания и с транзитным каналом, площадь поперечного сечения которого в противоположных направлениях от его всасывающей камеры 13 увеличивается, понижает в обоих периодах в пределах накладного фартука 11 пьезометрические напоры на выходе гидрогенератора 7 посредством вакуума, возникающего во всасывающей камере 13 при движении воды набега и ската волны в самом суженном месте транзитного канала водоструйного эжектора 12, поступающей в него из мощных волн окрестностей расположения станции 1.
Элементами 14,15 и 16 добиваются наибольшего кпд станции 1.
Благодаря тому, что станция 1 оснащена накладным фартуком 11 с водоструйным эжектором 12 двустороннего питания и с транзитным каналом, площадь поперечного сечения которого в противоположных направлениях от его всасывающей камеры 13 над диффузорным насадком 9 бустера 8 увеличивается, снижается пьезометрический напор на выходе гидрогенератора 7 до вакуума 7-8 м и более в результате использования для вакуумирования его выхода энергии потоков воды, имеющих место при мощных волнах, и как следствие - повышение в несколько раз действующего напора на гидрогенераторе 7, количества преобразованной энергии волн, в целом повышение кпд.
Кроме того, достигнуто упрощение конструкции и повышение надежности станции сокращением числа механических элементов бустера, представленного в прототипе створчатым бустером на выходе генератора с необходимым к нему внешним приводом.