ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
WAVE ELECTRIC STATION

Изобретение относится к энергетике, в частности к волновым электростанциям, преобразующим энергию морской волны в электрическую энергию, и может быть использована в качестве прибрежной волновой электростанции. Настоящее изобретение является дальнейшей разработкой экологически чистых морских энергетических установок.
Известен пневматический преобразователь RU 2230852 С2, содержащий корпус с турбогенератором и волноприемным отверстием в нижней части боковой стенки, повернутой навстречу набегающей волне, в стенках корпуса, а именно в зонах вероятного удара волн, выполнены отверстия, причем внутри корпуса отверстия заканчиваются гидравлическими затворами в виде V-образных желобов или патрубков. Известное техническое решение имеет следующие недостатки:
- из описания совершенно непонятно, какова должна быть длина установки. Но учитывая то, что высота волны непостоянна по всей ее ширине и направление движения волны, подходящей к берегу, не всегда перпендикулярно линии берега, то, следовательно, установка должна быть короткой, т.е. представляет собой отдельный элемент с турбогенератором. В таком случае мощность отдельной установки не может быть большой. Следовательно, для создания более или менее мощной электростанции необходимо из множества этих элементов построить нечто подобное дамбе или молу на некотором удалении от берега и параллельно линии берега, либо что-то подобное набережной на берегу. Но перед такими сооружениями обычно всегда строится защита от волн.
- надежность установки небольшая, имеется как минимум четыре клапана на одну секцию, выход из строя (зависание) хотя бы одного клапана выводит установку из работы;
- наличие гидравлических затворов в виде V-образных патрубков, т.е. сифонов, не гарантирует свободного прохода волны через переднюю перфорированную стенку. При волнении более 4-х баллов время воздействия (удар) волны о переднюю стену меньше секунды, сифоны просто не успеют пропустить воду, т.е. в момент удара волны стена сработает как сплошная монолитная поверхность и вся энергия удара волны придется на эту стену. Кроме того, прибойная волна всегда несет с собой песок, водоросли и мусор, в течение короткого времени сифоны будут забиты песком и перестанут работать;
- совершенно непонятно определение "компактной мощной волны". Мощность волны зависит от количества воды, т.е. высоты, длины и скорости движения волны. Мощная волна - это высокая волна большой длины, движущаяся с большой скоростью. Компактная волна - это волна малой высоты и длины;
- при минусовых температурах воздуха неизбежно обледенение сифонов, клапанов и лопастей турбины, т.е. при минусовых температурах система работать не будет.
Известна "Волновая энергетическая аккумулирующая установка," (ВЭАУ) RU 95105395. Она содержит, по крайней мере, один полый цилиндр, воздухопровод и ресивер. Полый цилиндр в нижней части открыт и частично погружен в воду с некоторым наклоном в сторону набегающей волны, в верхней части цилиндр имеет сужение, например, конусное, переходящее в трубу. С целью повышения мощности установки она может содержать множество цилиндров, объединенных в блоки, и массивы. Воздухопровод представляет собой систему труб, в которые встроены обратные клапаны, обеспечивающие движение воздуха в одном направлении из атмосферы в ресивер. Ресивер представляет собой полую емкость любой формы, в которую встроены предохранительный клапан, распределительный кран и спускной кран. Данное техническое решение имеет следующие недостатки:
- в предложенной конструкции имеются клапаны только на нагнетательной части, при прохождении впадины волны уровень воды в цилиндре будет стремиться вниз, но обратные клапаны в этот момент будут закрыты, в полости между поверхностью воды и обратным клапаном образуется вакуум, который будет удерживать воду в цилиндре. Время прохождения впадины волны очень коротко и из цилиндра вытечет очень малое количество воды. Получается так, что после нескольких начальных циклов, уровень воды в цилиндре стабилизируется и будет колебаться в небольших пределах, а система будет работать вхолостую, создавая и убирая вакуум в пространстве между поверхностью воды и обратным клапаном.
- наклон цилиндра в сторону волны приводит к тому, что вектор силы удара волны о боковую поверхность цилиндра приближается к перпендикуляру или будет перпендикулярен боковой поверхности цилиндра. Иными словами, сила удара волны о боковую поверхность цилиндра будет либо близка к максимуму, либо максимальна, т.е. во время шторма велика вероятность разрушения цилиндра и тем более блоков из цилиндров.
Наиболее близким техническим решением является волновая электростанция, содержащая рабочие секции, выполненные в виде пустотелой прямой четырехгранной призмы в поперечном сечении имеющей форму прямоугольника, открытой снизу и сообщающейся с водной средой, при этом секции установлены продольно в ряд, вплотную друг к другу (GB 20068779 А, 10.03.1978, F03B 13/08).
Основным недостатком данной конструкции является цикличность работы, т.е. в зависимости от повышения или понижения уровня воды внутри секций воздуховоды будут работать на нагнетание либо на всасывание воздуха. Из этого следует, что для обеспечения постоянной работы воздушной турбины необходимо иметь либо поворотные лопасти на турбине, либо систему воздушных каналов с переключающимися клапанами. Задвижки, управляемые надувными мембранами, имеют пневматический привод и механический исполнительный механизм. Все это существенно усложняет и удорожает всю конструкцию, снижает надежность работы всей системы. Данная волновая электростанция конструктивно выполнена в виде дамбы или мола и может эффективно работать как приливная электростанция либо как накопительная речная, но в качестве волновой электростанции эффективно работать не может. Время прохождения морской волны исчисляется считанными секундами, соответственно и уровень воды внутри секций будет меняться достаточно быстро, при средней волне около 10 полных циклов в минуту. На один полный цикл задвижки должны сработать по 2 раза (открыться и закрыться), таким образом, получается, что в варианте волновой электростанции задвижки будут работать постоянно, с большим количеством циклов, а отсюда следует интенсивный износ и частые ремонты. Кроме того, морская волна всегда несет собой песок водоросли и мусор, а конструкция в виде дамбы или мола с каналами и задвижками в нижней части непременно приведет к быстрому засорению этих каналов. Таким образом, в качестве волновой электростанции данное техническое решение не эффективно и не целесообразно.
Задачей данного технического решения является создание простой и эффективной, установки, способной преобразовывать энергию прибойной морской волны в электрическую энергию. Технический результат заключается в увеличении мощности установки и упрощении в исполнении. Он достигается тем, что в волновой электростанции, содержащей рабочие секции, каждая из которых выполнена в виде пустотелой прямой четырехгранной призмы, в поперечном сечении имеющей форму прямоугольника, открытой снизу и сообщающейся с водной средой, при этом секции установлены продольно в ряд, вплотную друг к другу, в призме согласно изобретению в верхней части выполнены два сквозных продольных окна, образующие всасывающую и нагнетательную магистрали и прямоугольные окна, во внутренних пазах прямоугольных окон установлены впускной и выпускной клапаны, а секции размещены между вертикальными щитами, навешенными встык внутри двух параллельных рядов вбитых в дно свай. В собранном виде волновая электростанция представляет собой пирс или волнолом,
Фиг.1 - рабочая секция; фиг.2 - поперечный разрез рабочей секции; фиг.3 - клапан, вид сбоку (сечение по вертикали), фиг.4 - клапан, вид спереди; фиг.5 - клапан (общий вид); фиг.6 - продольный разрез установки, фиг.7 - схема работы двух установок, фиг.8 - поперечный разрез трехрядной установки, фиг.9 - секция с линейным или пьезогенератором.
Волновая электростанция состоит из ряда полых секций 1, установленных продольно в ряд, вплотную друг к другу и размещенных внутри между вертикальными щитами 2. Щиты навешены встык внутри двух параллельных рядов вбитых в дно свай 3. На верхние концы свай уложены опорные балки 4, на которые навешиваются щиты 2. Секция 1 выполнена в виде пустотелой прямой четырехгранной призмы открытой снизу, в поперечном сечении имеющей форму прямоугольника. В верхней части секция 1 имеет два сквозных продольных окна 5, образуемых верхней плитой, боковыми стенками, внутренними наклонными и вертикальными перегородками. В вертикальных перегородках имеются прямоугольные окна 6 с внутренними пазами для впускного и выпускного клапанов 7 и 8. Клапаны вставляются сверху через прорези в верхней плите. Сами клапаны 7 и 8 абсолютно одинаковые, выполнены в виде прямоугольной рамки с горизонтальными перегородками, к которым с одной стороны внахлест прикреплены полоски из мягкого материала типа прорезиненной ткани, резины или синтетического материала. С трех сторон, внизу и по бокам на рамках имеются выступающие ребра, предназначенные для фиксации и правильной ориентации клапанов в окнах. Для правильной ориентации клапанов 7, 8 в окнах 6 в пазы окон вставляются П-образные установочные рамки (не показаны). В собранном виде окна 5 образуют воздушную магистраль и в зависимости от того, в какую сторону повернуты клапаны, магистраль будет нагнетательной 9 (+) или всасывающей 10 (-). Для герметизации воздушных магистралей, образуемых окнами 5, по периметру окон крепятся уплотнительные прокладки (не показаны). Так как во время работы в нагнетательной магистрали 9 неизбежно будет скапливаться вода, то для ее удаления в основании, перед трубой воздуховода, имеется колодец и клапан с поплавком (не показан). В собранном виде конструкция представляет собой пирс или волнолом, в качестве которого и может дополнительно использоваться. Со стороны берега конструкция опирается на бетонное основание 12, со стороны моря на конце конструкции имеется обтекатель 13, защищающий передний конец от ударов волн. Волновая электростанция работает следующим образом:
при прохождении волны внутри каждой секции 1 поочередно меняется уровень воды и соответственно происходит вытеснение или всасывание воздуха. Вытесняемый воздух выходит через выпускной клапан 8 в нагнетательную магистраль 9, из нагнетательной магистрали по воздуховоду воздух поступает на турбину 14 и приводит ее в действие, из турбины воздух поступает в воздушную камеру 15. Воздушная камера 15 представляет собой полость, сообщающуюся с атмосферой, с двух противоположных сторон в полость входят, воздуховод от нагнетательной части и воздухозаборник от всасывающей части. Всасываемый воздух через воздухозаборник поступает на турбину 16, приводит ее в действие, далее по воздуховоду поступает во всасываемую магистраль 10 и через впускной клапан 7 поступает внутрь секции 1. Вращающий момент от турбин 14 и 16 через редуктор 17 передается на генератор 18. Так как установка состоит из множества секций, то в любой момент времени в одних секциях происходит вытеснение воздуха (↑), в других всасывание (↓). Таким образом, получается, что в нагнетательной полости создается постоянное давление воздуха, во всасываемой полости создается постоянное разряжение, т.е. поток вытесняемого и всасываемого воздуха равномерный и постоянный. Причем количество вытесняемого воздуха примерно равно количеству всасываемого. Так как вытесняемый и всасываемый воздух проходят через воздушную камеру 15, то получается, что вытесняемый воздух тут же поступает во всасывающий воздухозаборник, из этого следует, что воздушная камера поддерживает температуру рабочего воздуха примерно на одном уровне, чуть выше температуры воды. Это очень важно для зимнего времени, т.е. предотвращается обмерзание всасывающей части турбины при минусовых температурах атмосферного воздуха.
В случае же, если по каким-либо причинам нецелесообразно использовать воздушные турбины, то возможен вариант использования пьезогенераторов или линейных генераторов. Для этого внутри рабочих секций устанавливается мембрана 19, над мембраной устанавливается пьезогенератор или линейный генератор 20, связанный штоком 21 с мембраной 19 и закрепленный в верхней части секции. Впускные и выпускные клапаны удаляются, а в воздушных магистралях 9, 10 укладываются электрические кабели. При этом всасывающая и нагнетательные магистрали должны быть открыты со стороны берега, т.е. сообщаться с атмосферой. Мембрана 19 устанавливается максимально высоко перед сужением. Работает такая установка следующим образом, проходящая волна меняет уровень воды под мембраной 19 и воздушной подушкой между мембраной и водой либо приподнимает, либо опускает ее. Шток 21 линейного генератора или пьезоэлемента совершает возвратно-поступательное движение по вертикали и приводит в действие линейный или пьезогенераторы.
Предлагаемое изобретение является простым в исполнении, может выдавать большую мощность, монтируется с суши, от берега, без использования специализированных судов. Турбогенератор располагается на берегу в отдельном помещении. Схема установки очень гибкая, т.к. длина конструкции ограничивается только глубиной и рельефом дна, по ширине конструкция может иметь от 1 до 5 рядов, на один турбогенератор может работать одновременно несколько рядов рабочих секций. В качестве рабочего элемента может быть использовано лопастное колесо или воздушные турбины осевого либо радиального типов, линейные или пьезогенераторы. Кроме того, в случае необходимости, данная схема позволяет сооружать волновую электростанцию и вдали от берега в открытом море, в данном случае турбогенератор устанавливается непосредственно на самой конструкции, а сама конструкция может использоваться как вертолетная площадка или как причальная платформа.