КОМБИНИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВОЛН
COMBINED WAVE ENERGY CONVERTER

Изобретение относится к области энергетики, в частности к устройствам для извлечения энергии морских волн в прибрежной зоне.
Из уровня развития техники известна волновая энергетическая установка на основе резервуара или бассейна, заполняемого водой путем перелива гребней волн через фронтальную стенку или концентратор энергии волн (тип OWEC - Overtopping Wave Energy Converter), в частности система TAPCHAN. При повышении уровня воды в резервуаре образуется напор, в результате которого в выходном канале образуется течение, приводящее в действие расположенную в нем низконапорную гидротурбину.
Из уровня техники известно устройство с раскачиваемой волнами створкой, имеющей положительную плавучесть, шарнирно связанной с фундаментом на дне, приводящей в действие устройство отбора мощности (тип OWSC - Oscillating wave surge converter), в частности система ″Oyster″ (см. US 8004105 B2, 07.02.1981, F03B13/12).
Недостатком OWEC является низкая эффективность, обусловленная высокими потерями энергии волн при их отражении от фронтальной стенки или движении по сужающемуся каналу, а также при плескании в бассейне. Кроме того, эффективная работа устройства OWEC возможна только в узком диапазоне волн. Эффективное использование OWSC возможно только на крупных волнах, когда происходит интенсивное раскачивание створок. Кроме того, для этой конструкции сложно обеспечить безопасность от разрушения штормовыми волнами. Также устройства обоих типов неэффективны в районах с существенными приливно-отливными колебаниями уровня моря.
Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство типа OWEC с впускным пластинчатым клапаном над фронтальной стенкой в виде шарнирных пластин с положительной плавучестью и выпускным проточным каналом с турбогенератором (см. RU 2046207 C1, 20.10.1995, F03B 13/26).
Недостатками этого технического решения являются: повышенные потери энергии на отражение волн от фронтальной стенки в море; отсутствие задней стенки бассейна, роль которых играет берег, что в большинстве случаев приведет к большой ширине бассейна и невозможности существенного повышения уровня в нем, следовательно, к малому напору в выпускном отверстии.
Задачей заявляемого изобретения является обеспечение наиболее полного отбора потенциальной и кинетической энергии волн в широком диапазоне их высот и частот, включая приливно-отливные и штормовые волны, при одновременной защите берега от штормовых волн.
Технический результат изобретения состоит в повышении эффективности отбора энергии волн, в обеспечении автоматического регулирования и согласования работы комбинации различных рабочих элементов устройства.
Указанный технический результат достигается трехуровневой системой отбора энергии волн (в подводной части, вблизи уровня тихой воды и над поверхностью воды). Сущность изобретения заключается в следующем. Полый железобетонный массив в виде бассейна, закрепленного на дне, имеет стенки, возвышающиеся над водой. В подводной части передней (обращенной к морю) стенки расположены входные клапаны, обеспечивающие заполнение бассейна и уменьшающие отражение волн от стенки в море. Заполнение бассейна водой также происходит путем перелива гребней волн через переднюю стенку, имеющую в верхней части плавучий понтон на шарнирах, играющий роль верхнего клапана, пропускающего внутрь бассейна гребни волн и запирающего обратный перелив воды. Задняя стенка бассейна в подводной части имеет выпускной водовод с низконапорной гидротурбиной, работающей на электрогенератор. На верхней кромке задней стенки на шарнирном соединении установлена створка, вертикально удерживаемая упругими связями, которая раскачивается гребнями крупных штормовых волн, передавая энергию на дополнительное линейное устройство отбора мощности, одновременно уменьшая волны в бассейне, предотвращая обратный перелив, а также преграждая путь штормовым волнам на внутреннюю акваторию.
Согласование работы нижних клапанов и верхнего понтона передней стенки состоит в следующем. Нижние клапаны, уменьшая отражение волн и предотвращая образование стоячих волн, обеспечивают накат гребней волн на верхний понтон. Одновременное поступление воды в бассейн через нижние клапаны и верхний понтон автоматически обеспечивает эффективный наклон понтона в момент наката гребня волны, что приводит к увеличению высоты гребня.
Автоматическое согласование работы верхнего понтона передней стенки и створки на задней стенке состоит в следующем. Створка с дополнительным устройством отбора мощности поглощает энергию попавших в бассейн волн, одновременно уменьшая отраженные волны в бассейне и предотвращая их негативное влияние на наклон понтона, при котором обеспечивается эффективный накат внешних волн в бассейн и их поглощение створкой.
Существенные признаки, характеризующие изобретение.
Ограничительные: преобразователь энергии морских волн в прибрежной зоне в виде полого железобетонного массива, образующего бассейн, имеющий переднюю (обращенную к морю) стенку с входными пластинчатыми клапанами в подводной части и входным клапаном в верхней части, и заднюю стенку с выпускным водоводом и низконапорной гидротурбиной в подводной части.
Отличительные: верхний клапан передней стенки выполнен в виде наклонного внутрь бассейна плавучего понтона на шарнирном соединении, а на верхней кромке задней стенки посредством шарнира прикреплена створка, возвышающаяся над поверхностью воды и удерживаемая в вертикальном положении упругими связями, способная раскачиваться гребнями крупных волн и имеющая дополнительное линейное устройство отбора мощности.
Новые существенные признаки позволяют повысить эффективность работы установки в условиях широкого спектра высоты волн и переменного уровня за счет комбинирования нескольких средств захвата и преобразования волновой энергии и их расположения относительно друг друга, что обеспечивает их согласованную работу и автоматическое регулирование потоков, уменьшая потери вследствие отражения волн и защищая побережье от штормовых волн.
На чертеже изображен боковой вид преобразователя энергии волн.
Комбинированный преобразователь энергии волн содержит массив-гигант 1 гравитационного типа, который может быть выполнен из железобетона и дополнительно зафиксирован от смещения сваями 2 и/или балластом 3. Стенки массива (передняя 4, боковые 5 и задняя 6) и днище 7 образуют бассейн. Передняя стенка имеет подводные отверстия с входными пластинчатыми клапанами 8, шарнирно закрепленный понтон 9 с упорами 10. В задней стенке расположено выходное отверстие с низконапорной гидротурбиной 11, шарнирно закрепленная створка 12, удерживаемая в вертикальном положении упругими связями 13, устройство отбора мощности (линейный генератор) 14.
Установка для преобразования энергии волн работает следующим образом. Набегающая волна открывает клапаны 8 в подводной части передней стенки 4, образуя входной поток воды в бассейн. Уровень воды в бассейне повышается, приподнимая понтон 9. Одновременно гребень волны накатывается на понтон 9 и затем переливается в бассейн. При этом понтон имеет наклон, обеспечивающий увеличение высоты накатывающегося гребня волны. При большом повышении уровня в бассейне, например при значительных приливных или штормовых волнах, понтон 9 может принять вертикальное положение. Для предотвращения его поворота в сторону моря предусмотрены упоры 10. После прохождения вершины волны клапаны 8 в передней стенке закрываются вследствие того, что давление в бассейне в этот момент превышает давление под подошвой волны перед стенкой. Образующийся в бассейне напор воды приводит в движение гидротурбину 11 в задней стенке 6, связанную с электрогенератором. Гребни крупных волн, попавшие в бассейн, отклоняют створку 12, возврат которой в вертикальное положение осуществляется упругими связями 13. Энергия движения створки преобразуется в электрическую линейным генератором 14. Для предотвращения смещения установки экстремальными волнами предусмотрены сваи 2 и/или балласт 3.
Ширина и угол наклона понтона при среднем уровне воды в бассейне подбираются из условия достижения наибольшей концентрации энергии на гребнях волн. Впускные клапаны в подводной части передней стенки уменьшают отражение волн, исключают образование стоячих волн перед стенкой, чем способствуют лучшему накату гребней волн и переливу их через плавучий понтон. Створка на задней стенке дополнительно уменьшает отражение волн в бассейне и предотвращает их выплескивание обратно в море, а также защищает побережье от штормовых волн.
Для увеличения мощности электростанции и образования защищенной от волн акватории может быть установлено несколько преобразователей в виде волнолома, вытянутого вдоль берега моря.