ВОЛНОВАЯ УСТАНОВКА
WAVE UNIT

Область техники.
Предлагаемое изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к волновым установкам.
Уровень техники.
В связи с ограниченными запасами углеводородов на планете в настоящее время усилия многих фирм направлены на разработку устройств, преобразующих восполняемую энергию ветра и воды в доступную полезную энергию.
Из существующего уровня техники известна прибойная гидроветроэлектростанция, патент RU 2478826 C1, содержащая платформу с прорезью, закрепленную на поверхности моря в его прибрежной полосе, роторную установку, размещенную в прорези платформы с нахождением ее части под водой и состоящую из двух роторов, зеркально расположенных на общем валу, механически связанном с валом электрогенератора, каждый из которых выполнен в виде диска с лопастями в форме аэродинамических крыльев, расположенных с зазором относительно общего вала, двух обтекателей, каждый из которых установлен на общем валу перед соответствующим ротором и охватывает зазор между внутренними кромками лопастей, и двух конфузоров, и дополнительную притопленную платформу, закрепленную перед платформой со стороны моря, причем торцы лопастей роторов выполнены скошенными к оси общего вала, а конфузоры установлены на периферийных частях торцов лопастей роторов с образованием зазора с соответствующим обтекателем.
Изобретение относится к энергетике, в частности к прибойным гидроветроэлектростанциям, и предназначено для выработки электроэнергии за счет преобразования энергии прибойного потока и энергии отливов у берегов морей, океанов и крупных водоемов, а также энергии воздушного потока.
Известная гидроветроэлектростанция имеет следующие недостатки:
В гидроветроэлектростанции отсутствует возможность ориентации ее по направлению движения ветра и волн, в результате снижается эффективность ее использования. Потоки воды и ветра за лопастями ротора упираются в поперечный диск ротора, поэтому скорость этих потоков уменьшается, а противодавление воды и воздуха перед ротором увеличивается, что снижает КПД ротора. Платформа с оборудованием и притопленная платформа жестко закреплены, поэтому при морских отливах и приливах уровень воды может быть или под роторами, или выше роторов, что также снижает эффективность работы роторов. Ротор погружен в воду примерно на одну треть своего диаметра и работает от потоков воды, формируемых рабочей и притопленной платформами, и одновременно - от потоков ветра. Поэтому конструкция этого ротора не приспособлена для работы с большими волнами. Гидроветроэлектростанция не защищена от больших волн во время бурь, что снижает ее надежность.
Известна волновая электростанция, патент RU 2443900 С1. Изобретение относится к возобновляемым источникам энергии, в частности для выработки электроэнергии путем использования энергии морских волн за счет образующихся вертикальных подъемов и спадов волн. Волновая электростанция включает преобразователь энергии, содержащий систему шестерен, заключенных в корпус, закрепленный на опоре выше поверхности воды с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, рычаг, который одним концом соединен с системой шестерен через механизм одностороннего вращения, а вторым - с цилиндрическим поплавком. Поплавок снабжен волновым оперением для ориентации по направлению волн и свободно вращается на оси рычага, компенсируя различия волновых сил на концах поплавка. Генератор закреплен на опоре выше поверхности воды и соединен с преобразователем энергии. Изобретение позволяет осуществлять ориентацию поплавка по направлению волн и более эффективно преобразовывать энергию морских волн, а также отличается простотой конструкции.
Известное изобретение имеет следующие недостатки:
Для синхронного с низкими волнами колебания поплавка он должен быть легким и поэтому малогабаритным, но при этом он будет воспринимать только малую часть энергии волны, т.е. электростанция будет маломощной и неэффективной. Энергия поступательного движения волны практически не используется. Высокая кинетическая энергия низких волн с большой длиной волны также практически не используется по причине малой амплитуды движения поплавка, при этом для работы генератора требуется громоздкий редуктор с большим передаточным отношением оборотов. Из-за указанных недостатков известная волновая электростанция недостаточно эффективно преобразует энергию морских волн.
Наиболее близкой по совокупности признаков к заявленному изобретению является волновая установка для получения электрической энергии, патент RU 2410566 С2. Изобретение относится к области гидроэнергетики и предназначено для получения электрической энергии путем преобразования кинетической энергии морских волн в электрическую энергию. Волновая установка содержит рабочее колесо, генератор и волноприемник, расположенный за рабочим колесом по направлению волн. Волноприемник одним концом шарнирно соединен с опорой на берегу, а вторым с помощью держателей жестко соединен с понтоном. Рабочее колесо с помощью держателей жестко закреплено на понтоне.
Задачей изобретения является наиболее полное использование кинетической энергии морских волн при производстве электроэнергии.
Приходящая волна поднимается с помощью понтона на рабочее колесо, что придает ему вращательное движение. Затем волна переходит на волноприемник, движется до его конца и скатывается в обратную сторону по волноприемнику к нижней части рабочего колеса, заставляя его вращаться.
Известное изобретение имеет следующие недостатки:
Волновая установка может быть использовано при узком диапазоне высот волн. Высокая волна накроет всю установку. Гребень волны после обрушения на волноприемник придавит колеблющуюся часть установки к опоре. Установка при этом будет подвергаться значительным силовым воздействиям. Защита установки от бурь не предусмотрена. Энергия низких волн, которые не накрывают рабочее колесо, практически не используется. Во время обратного хода волна растекается с волноприемника, и ее энергия существенно уменьшается. Кроме того, из-за приливов и отливов волноприемник, опускаясь или поднимаясь, может устанавливаться практически поперек волны, тем самым теряя свое функциональное предназначение.
Из-за указанных недостатков известная волновая установка не эффективно преобразует энергию движущейся морской волны и недостаточно надежна.
При исследовании отличительных признаков аналогов изобретения не выявлены решения, позволяющие одновременно преобразовывать кинетическую энергию ветра, потоков воды и горизонтального движения волн в электрическую энергию на достаточно простой и надежной установке.
Раскрытие сущности изобретения.
Техническая проблема заключается в том, чтобы одновременно преобразовывать кинетическую энергию ветра, потоков воды и горизонтального движения волн в электрическую энергию.
Техническим результатом решения предложенной проблемы является увеличение мощности на выходе волновой установки за счет одновременного преобразования кинетической энергии ветра, потоков воды и горизонтального движения волн в электрическую энергию на достаточно простой и надежной установке.
Указанный технический результат, при осуществлении изобретения, достигается тем, что в волновая установка содержит два стояка, закрепленные вертикально; плавающий гидрогенератор, включающий турбину и два однотипных первых блока, закрепленные через подшипники на концах турбины, в герметических отсеках которых размещены генераторы, и поплавковые камеры; установленные на стояках вторые блоки, включающие редуктор с входным шкивом и генератор; третий блок, включающий электрооборудование и соединенный кабелями с первыми блоками, вторыми блоками и потребителями электроэнергии; управляемый насос, соединенный шлангами с поплавковыми камерами первых блоков и с полостями грузов, размещенными в стояках, выполненными в виде трубы с возможностью перемещения в ней; тросы или цепи, закрепленные на первых блоках, огибающие шкивы вторых блоков и закрепленные на грузах в стояках.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в волновой установке поворот лопастей турбины вокруг своих осей ограничен упорами, причем рабочая часть лопасти - плавающая, а противоположная часть лопасти используется в качестве груза.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в волновой установке поплавковые камеры гидрогенератора и полость груза на тросе соединены шлангами с управляемым насосом.
Решение поставленной проблемы по преобразованию кинетической энергии ветра и потока воды в электрическую энергию реализовано в предлагаемой волновой установке, вспомогательное оборудование которой размещена на двух стояках, закрепленных на морском дне, и которая содержит плавающий гидрогенератор с вращающейся турбиной.
В предложенной установке волны, потоки воды и ветер беспрепятственно проходят между двумя стояками, воздействуют на верхние лопасти турбины гидрогенератора и вращают ее. Вращение турбины передают на расположенные в герметичных отсеках гидрогенератора редукторы и генераторы.
Преобразование кинетической энергии горизонтального движения волн в электрическую энергию реализуют за счет смещения гидрогенератора при на бегании на него волны. При горизонтальном движении волна воздействует на турбину, ускоряет ее вращение и увлекает гидрогенератор за собой. Обратное движение гидрогенератора осуществляют под действием грузов, размещенными в трубчатых стояках и связанных с гидрогенераторами тросами, при этом скорость вращения турбины также увеличивается. Возвратно - поступательное движение тросов передают на размещенные на стояках редукторы и генераторы.
Сопротивление воды вращению турбины уменьшено за счет поворотных лопастей.
Погружение гидрогенератора, в зависимости от высоты волн, осуществляют изменением его веса за счет нагнетания воды в герметичные отсеки турбины или слива воды из ее отсеков. Во время шторма гидрогенератор может быть опущен на дно моря.
Оптимальный ход гидрогенератора при различных высотах волн регулируют изменением веса грузов в стояках путем заполнения водой до определенного уровня полостей грузов.
Сущность изобретения поясняется на чертежах одного из вариантов волновой установки, содержащей два стояка, который приведен в качестве примера для пояснения принципа работы заявленной волновой установки.
На фиг.1 представлена схема установки, вид сверху.
на фиг.2 представлена схема установки, вид сбоку.
на фиг.3 представлена схема турбины, поперечный разрез.
на фиг.4 представлена схема турбины, вид сверху.
Волновая установка содержит плавающий гидрогенератор 1, в состав которого входят турбина 2 с лопастями 3 и два первых блока 4. В герметических отсеках блоков 4 смонтированы редуктор, генератор и поплавковая камера. Блоки 4 через подшипники соединены с валом турбины 2 на ее концах. Установка содержит два стояка 5. Каждый стояк закреплен вертикально и представляет собой трубу, в которой движется груз 6. На стояках смонтированы вторые блоки 7, содержащие редуктор с входным шкивом 8 и генератор; третий блок 9, содержащий необходимое электрооборудование и соединенный кабелями с блоками 4 гидрогенератора 1, с блоками 7 и потребителями электроэнергии; управляемый насос 10, соединенный шлангами с поплавковыми камерами блоков 4 и с полостью грузов 6. Тросы 11 или цепи одним концом закрепленные на первых блоках 4, вторым концом закрепленные на грузах 6 в стояках 5 и огибающие шкивы 8 вторых блоков 7.
Поворот лопастей 3 турбины 2 вокруг своих осей ограничен упорами, причем рабочая часть лопасти - плавающая, а противоположная часть лопасти используется в качестве груза.
Вес гидрогенератора 1 и груза 6 на тросе 11 оперативно регулируют подачей от насоса 10 воды в поплавковые полости гидрогенератора и в полость грузов.
Работа волновой установки осуществляется следующим образом:
При вращении турбины 2 ее верхние лопасти 3 поворачиваются вокруг своей оси таким образом, что утяжеленная часть лопасти опускается вниз, а рабочая часть лопасти всплывает и устанавливается поперек движения ветра или воды, причем дальнейший поворот лопасти ограничен упором. При на бегании волны на гидрогенератор 1 ее гребень, перехлестывая турбину 2 сверху, увеличивает скорость вращения турбины, и одновременно волна увлекает гидрогенератор 1 за собой. Вращение турбины через редукторы передается на генераторы в первых блоках 4 гидрогенератора 1. Смещение гидрогенератора 1 через цепи или тросы 11, огибающие шкивы 8 блоков 7, передается на грузы 6. Грузы 6, поднимаясь из воды, за счет увеличения своего веса плавно останавливают гидрогенератор 1 и затем, опускаясь, возвращают его в исходное положение. Перед остановкой грузы 6 опускаются на подвижную площадку 12, гасят скорость и плавно останавливаются. Знакопеременные движения тросов 11 через шкивы 8 и редукторы передаются на генераторы в блоках 7. Потоки электроэнергии от блоков 4 и блоков 6 преобразуются в блоке 9 и по кабелю передаются потребителю. Управление насосами 10 может быть осуществлено дистанционно сигналами по кабелю. По этим сигналам с помощью насосов регулируют количество воды в поплавковой камере блоков 4, что дает возможность производить заглубление гидрогенератора 1, в зависимости от высоты волн, а также опускание его на дно перед штормом и его подъем после шторма. Кроме того, с помощью насосов 10 возможна регулировка веса грузов 6 в трубах 5 путем заполнения водой полостей грузов, что позволяет поддерживать оптимальный ход гидрогенератора 1 при различных высотах волн.
В результате для выработки электрической энергии используют энергию попутного ветра, волн и энергию горизонтального движения волн.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного результата, следующие:
Предложенный вариант волновой установки может быть предпочтительным при ориентации ее по наиболее вероятному направлению ветра и волн. При смещении ветра и волн относительно наиболее вероятного направления надежность совместной работы троса и шкивов обеспечивают с помощью пары вертикальных роликов, установленных перед шкивом 8 с двух сторон троса. Ветрогенератор принимает устойчивое положение относительно уровня воды при размещении поплавковых камер на концах гидрогенератора. В предложенном варианте волновой установки кабель к генератору и шланг с водой для камеры гидрогенератора могут быть проложены непосредственно по дну моря.
Устойчивость стояка 5 может быть увеличена за счет установки дополнительного шкива у его основания. Для этого трос 11, идущий от гидрогенератора 1, огибает дополнительный шкив, затем огибает шкив 8 и крепится к грузу 6 в трубе 5.
При воздействии волн на гидрогенератор его движение должно начинаться с повышенным ускорением для того, чтобы успеть за волной, а завершение движения - с повышенным торможением. Обратное его движение в исходное состояние должно начинаться с большим ускорением, чтобы успеть занять исходное положение и затем плавно завершиться. С этой целью использовано движение груза в частично заполненной водой трубе. Начало подъема груза вверх облегчено движением груза в воде, при свободном перетоке воды в нижнюю часть трубы. Перед завершением подъема груз выходит из воды и с повышенным усилием останавливает гидрогенератор, а затем с повышенным ускорением тянет его в исходное положение. Перед остановкой груз опускается на подвижную площадку 12, гасит скорость и плавно останавливается.
При работе волновой установки на реке используют оборудование, связанное с вращением турбины. Первый блок 4 может быть установлен на платформе и связан с турбиной с цепной передачей вращения.