Плавучая волновая электростанция
FLOATING WAVE POWER STATION

Группа изобретении относится к гидротехнике, а именно к сооружениям для преобразования энергии волн в электрическую.
Известны волновые электростанции, использующие энергию морских волн: патенты RU 2430264 С2, 27.09.2011, RU 2440510 С1, 20.01.2012, RU 2513070 С1, 20.04.2014, RU 2427684 С1, 27.08.2011, принцип действия которых основан на смещении под действием выталкивающей силы воды разного рода поплавковых конструкций. Они представляют собой устройства точечного исполнения и используют принципиально лишь малую часть энергии волн.
Наиболее близким к заявленной группе изобретений является волновая электростанция, описанная в патенте US 5443361 А, 22.08.1995, представляющая собой плавучую конструкцию с креплением ко дну, в которой кинетическая и потенциальная энергия волн используется путем заполнения специально сконструированных емкостей для воды, возвышающихся над усредненным уровнем водоема. Образовавшийся за счет перепада высот поток обратного течения вращает турбины генераторов. Недостатками прототипа являются низкий КПД преобразования, недостаточный уровень защиты прибрежной линии от прибойных волн.
Техническими результатами, на достижение которых направлено заявляемая группа изобретений, являются повышение КПД преобразования волновой энергии в электрическую до принципиального максимума и защита береговой линии от прибойных волн.
Для достижения  указанных технических результатов плавучая волновая электростанция (далее - ПВЭС) по первому варианту содержит установленную поперек направления движения волны секцию, включающую два поплавка, установленных по ходу движения волны друг за другом, в просвете между ними установлены на разной высоте спойлеры и ловушки, соединенные каркасом, который крепится тросом к якорю на дне водоема, при этом один поплавок выполнен регулировочным с герметичными секциями, заполняемыми водой или воздухом полностью или частично для достижения оптимального положения спойлеров и ловушек, причем ловушки связаны с круглым в сечении трубопроводом, в котором установлена турбина, согласно изобретению, электростанция снабжена дополнительными секциями и турбинами, второй поплавок выполнен несущим, каркас притянут вблизи несущего поплавка тросом ко дну системой натяжения, от ловушек вглубь толщи воды спускается круглый в сечении трубопровод с установленными по кругу на поверхности труб статорными обмотками генераторов, в которые концентрично помещены турбины, выполняющие одновременно роль роторов генераторов за счет установленных по их внешнему диаметру постоянных магнитов.
Кроме того, регулировочный поплавок выполнен адаптивным к форме волны, а его разделительные герметичные секции выполнены выстроенными в длину вдоль направления движения волн.
Для достижения  указанных технических результатов ПВЭС по второму варианту содержит установленную поперек направления движения волны секцию, включающую два поплавка, установленных по ходу движения волны друг за другом, в просвете между ними установлены спойлер и ловушка, при этом один поплавок выполнен регулировочным с герметичными секциями, заполняемыми водой или воздухом полностью или частично для достижения оптимального положения спойлера и ловушки, секция крепится тросом ко дну, причем ловушка связана с круглым в сечении трубопроводом, в котором установлена турбина, согласно изобретению, электростанция снабжена дополнительными турбинами, второй поплавок выполнен несущим, от ловушки вглубь толщи воды спускается круглый в сечении трубопровод с установленными по кругу на поверхности труб статорными обмотками генераторов, в которые концентрично помещены турбины, выполняющие одновременно роль роторов генераторов за счет установленных по их внешнему диаметру постоянных магнитов, при этом регулировочный поплавок объединен в одну деталь со спойлером, а ловушка с несущим поплавком.
ПВЭС по первому и второму вариантами выполнена таким образом, чтобы отобрать полную энергию волны на существенном удалении от берега, достигнув при этом двойного результата, а именно: выработка электроэнергии и предотвращение разрушительного воздействия волн на береговую линию. Полная энергия волн содержит две основные компоненты: потенциальная и кинетическая энергия масс воды, которые за счет волновых процессов движутся по направлению к берегу. После столкновения с берегом массы воды возвращаются в водоем в виде подводного так называемого «отбойного течения», которое все еще содержит существенный запас неизрасходованной при столкновении энергии. Принцип построения заявляемых ПВЭС в том, чтобы на существенном удалении от берега поставить преграду для волн, которая бы развернула избыточные массы воды вглубь водоема и позволила бы при этом осуществить отбор энергии из искусственно организованного таким образом потока воды с помощью турбин. Если рассматривать данное решение как берегоукрепительное сооружение, то в отличие от аналогов заявляемое устройство не ставит целью отразить, разрезать или отбить волну. К данному решению более подходит термин «поглотить волну». Угрожающие формы волн, которые выглядят как почти отвесные гребни высотой несколько метров, образуются именно поблизости от берега вследствие бурного противостояния встречному подводному отбойному течению. Замысел состоит в том, чтобы энергию волн отобрать, потоки воды развернуть вглубь и в обратном направлении вдалеке от берега, то есть там, где накатывающиеся волны не имеют угрожающих форм, и где имеется запас глубины достаточный для беспрепятственного отвода отбойного течения.
Общим для обоих вариантов является наличие перечисляемых по ходу движения волны регулировочного поплавка, спойлеров, непосредственно за ними ловушек с водоотводящими вглубь водоема воронками, переходящими в трубопроводы с установленными в них турбинами. Последним по ходу движения волны на поверхности установлен несущий поплавок. Трос(ы), притягивающие конструкции ко дну, крепятся непосредственно к несущему поплавку с той целью, чтобы стабилизировать его положение и за поплавком влияние прибойных волн свести к принципиальному минимуму. Регулировочный поплавок в зависимости от фазы волны задает оптимальный наклон конструкции. В фазе набора воды регулировочный поплавок ниже уровня ловушек, массы воды на гребне волны за счет взаимодействия со спойлерами поднимаются выше, расходуя на подъем часть кинетической энергии, и попадают в ловушки на более высокий уровень. Повышенный уровень воды в ловушках усиливает мощность потока вглубь водоема через воронки, трубопроводы и турбины. Остаток кинетической энергии массы воды отражается стенками ловушки в направлении также вглубь водоема, дополнительно усиливая при этом мощность потока воды через турбины. В фазе расхода воды регулировочный поплавок поднимается, при этом увлекая за собой вверх ловушки с набранной водой. Дополнительный подъем ловушек усиливает в итоге работу турбин и в фазе расхода воды. Несущий поплавок установлен последним по ходу движения волн и служит для стабилизации конструкции, создания совместно с натяжителем точки опоры для колебательных движений передней части конструкции, а также для изоляции прибрежной зоны от энергии накатывающихся волн. Конструкция максимально адаптирована для достижения поставленной цели: естественные потоки масс воды, движущиеся в направлении берега в виде волн и затем удаляющиеся от него в виде подводного «отбойного течения» на существенном удалении от берега замкнуть друг на друга, и в образовавшемся между ними канале осуществить отбор избыточной энергии с минимальными потерями.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 - общий вид плавучей волновой электростанции.
На фиг. 2 - действие механизмов во время столкновения с волной (фаза набора воды).
На фиг. 3 - действие механизмов в промежутке между волнами (фаза расхода воды).
На фиг. 4 - ПВЭС с возможностью адаптации к форме волны.
На фиг. 5 - ПВЭС в упрощенном исполнении для водоемов средних размеров.
Изображение на фиг. 1 демонстрирует принцип действия плавучей волновой электростанции в целом. Она устанавливается поперек направления движения волны при типичном в данной конкретной местности направлении ветра. Расстояние до берега определяется рельефом дна и требованиями по обустройству береговой инфраструктуры. Устройство электростанции таково, что она, как пояснялось ранее, использует максимально возможную, приближенную к теоретическому максимуму долю энергии волны для выработки электроэнергии. Таким образом, в прибрежной зоне, загороженной от прибойных волн плавучей волновой электростанцией, волнение будет минимальным на уровне, типичном для равнинных рек и небольших озер. ПВЭС собрана из однотипных выстроенных поперек направления движения волны секций, включающих несущий 1 и регулировочный 2 поплавки, установленные по ходу движения волны друг за другом, в просвете между ними спойлеры 3 и ловушки 4 воды на разной высоте, соединенные каркасом 5, который притянут вблизи несущего поплавка 1 тросом 12 к якорю 13 на дне водоема системой натяжения 6. От ловушек 4 вглубь толщи воды спускаются круглые трубопроводы 7 с установленными по кругу на поверхности труб статорными обмотками генераторов 8, в которые концентрично помещены турбины 9, выполняющие одновременно роль роторов генераторов за счет установленных по их внешнему диаметру постоянных магнитов.
ПВЭС с целью достижения адаптивности конструкции к форме волны может быть выполнена с вытянутым в длину вдоль направления движения волн 10 регулировочным поплавком 2, который разделяется на герметичные секции 11, заполняемые водой или воздухом полностью или частично для достижения оптимального положения спойлеров 3 и ловушек 4. Для балансировки заполнения секций регулировочного поплавка, регулировки нагрузки генераторов имеется система управления 15, действия которой определяются датчиками переменных состояний ПЭВС 16.
Дальнейшие две иллюстрации поясняют принцип действия установки. На фиг. 2 изображена секция ПВЭС в разрезе в фазе набора воды. Несущий поплавок 1 и закрепленный поблизости трос 12 системы натяжения 6 стабилизируют конструкцию в целом, создают своеобразную точку опоры, относительно которой могут подниматься и опускаться под действием волн функциональные узлы ПВЭС. Требуемый угол наклона конструкции задается регулировочным поплавком 2. Функция спойлеров 3 в том, чтобы кинетическую энергию волны по возможности преобразовать в потенциальную, обеспечив при этом максимальный подъем уровня воды на входе ловушек 4. Конструкция ловушек 4 такова, что они улавливают массы воды в волне и сортируют их по высоте подъема. Задача конструкции в фазе набора воды - накопить массу воды, не потеряв при этом по возможности запас потенциальной энергии каждого отдельно взятого слоя. Поскольку уровень воды в ловушках 4 в этот момент очевидно выше усредненного уровня 14 водоема, под действием силы тяжести и под действием инерции воды в набегающей волне по закругляющимся вглубь трубопроводам вода устремляется для встречи с турбинами 9 генераторов 8.
На фиг. 3 изображена секция ПВЭС в разрезе в фазе расхода воды. Задача конструкции в данный момент - с целью обеспечения стабильного режима генераторов накопленную энергию воды по возможности распределить во времени равномерно до поступления следующей волны. Регулировочный поплавок 2 вынесен навстречу набегающей волне на половину длины волны относительно спойлеров 3 и ловушек 4. Когда ловушки 4 оказываются в промежутке между волнами, регулировочный поплавок 2 оказывается уже на гребне следующей волны, за счет чего ловушки с накопленной водой приподнимаются и по-прежнему уровень воды в них остается выше усредненного уровня 14 водоема. Под действием силы тяжести вода продолжает продвижение вниз по трубопроводам 7, обеспечивая непрерывность работы генераторов 8.
На фиг. 4 изображена секция ПВЭС с возможностью адаптации по отношению к форме волны в разрезе. Регулировочный поплавок 2 располагается вдоль направления движения волн и разбивается на секции, заполняемые водой либо воздухом в соответствии с погодными условиями. Чем ветренее погода и выше волны, тем больше длина волны. При этом продуваться должны секции 11, удаленные от спойлеров 3 на большее расстояние.
На фиг. 5 изображена секция ПВЭС в исполнении для водоемов средних размеров, какими могут являться водохранилища и озера размерами от километров до десятков километров. Конструкция упрощена, рассчитана на средний уровень волнения. Регулировочный поплавок 2 объединяется со спойлером 3, ловушки 4, трубопроводы 7 и несущий поплавок 1 также объединены в одно целое. Система натяжения 6 требуется лишь в тех водоемах, где уровень воды может существенно изменяться (типичный пример - водохранилище).