Устройство для преобразования энергии морских волн в возвратно-поступательное движение
DEVICE FOR THE TRANSFORMATION OF THE ENERGY OF MARINE WAVES INTO RECIPROCAL

Изобретение относится к устройствам, преобразующим энергию морских волн в возвратно-поступательное движение, которое может быть использовано для преобразования в электрическую энергию или непосредственно для совершения той или иной механической работы.
Известно, что кинетическая энергия морских волн значительно выше энергии приливов и может быть использована значительно шире, чем приливная. Морские волны, вызываемые, главным образом, ветром неустойчивых направлений и силы, несут в себе значительно больший запас энергии. Однако морские волны обладают рядом недостатков, в частности непредсказуемостью и непостоянством потока энергии, а устройства для преобразования энергии морских волн - сложностью эксплуатации и транспортировки энергии к потребителю. К тому же, горизонтальное и вертикальное движение молекул морской воды обычно является наиболее интенсивным вблизи поверхности и становится более медленным с увеличением глубины.
Вследствие неустойчивости этого источника энергии и разнонаправленности движения молекул воды извлечение и накопление энергии морских волн являются трудными и дорогостоящими. В результате имеющийся запас энергии морских волн, несмотря на огромную потребность в ней, почти не используется, а существующие устройства для ее извлечения являются сложными в производстве и эксплуатации. Кроме того, преобразователи энергии морских волн рассчитаны, как правило, на преобразование вертикальной составляющей энергии морских волн и не используют наиболее существенную ее часть, которая связана с поперечным и продольным движением воды и на которую приходится до 75% всей энергии.
Известна волновая электростанция, предназначенная для установки на море или озере с целью производства энергии, содержащая плавучую структуру и по меньшей мере одно плавающее тело, которое перемещается вертикально по отношению к плавучей структуре и соединено со структурой через устройство передачи энергии, содержащее вертикальные поплавки с вертикальными трубами, в которых происходит сжатие воздуха водой и преобразование его энергии в воздушной турбине в электрическую (патент RU 2386051 С2, F03B 13/18, F03B 13/20, опубл. 10.04.2010 г., бюл. №10). Однако недостатком указанной волновой электростанции является сложность конструкции и низкий коэффициент полезного действия. Низкий коэффициент полезного действия объясняется тем, что для получения энергии используется только вертикальная составляющая разнонаправленного движения молекул морской воды.
Известен преобразователь энергии морских волн, содержащий погружаемую в водное пространство платформу, которая поддерживается в воде при помощи полностью затопленного поплавка и удерживается при помощи фала, соединяющего платформу с дном водного пространства, узел насоса, закрепляемый на платформе и совершающий возвратно-поступательное движение насос (патент RU 2472030 С2, F03B 13/18, опубл. 10.01.2013 г., бюл. №1). К недостаткам данного преобразователя, кроме сложности и дороговизны, относится то, что для надежного крепления фала на морском дне при монтаже необходимо выполнение дорогостоящих водолазных работ. Известно также устройство для подъема с помощью гидравлического насоса морской воды на определенную высоту и дальнейшего использования ее потенциальной энергии для выработки электрической энергии, в котором имеется поплавок, шарнирно соединенный с поршнем насоса, который жестко крепится относительно дна водоема (патент GR 20110100695 A, F03B 13/18, опубл. 13.07.2012). Недостатками данного преобразователя являются сложность конструкции и монтажа, низкий коэффициент полезного действия. Низкий коэффициент полезного действия также связан с тем, что при преобразовании энергии морских волн учитывается только вертикальная составляющая вектора энергии морских волн и не учитывается его продольная и поперечная составляющие. Сложность монтажа связана с тем, что при установке преобразователя необходимо жесткое крепление насоса относительно дна водоема, что связано с проведением водолазных работ.
Из уровня техники известно устройство для преобразования энергии морских волн в возвратно-поступательное движение, содержащее гибкую связь, связанную с полотнищем в форме треугольника и имеющую участок, посредством блока соединенный с устройством натяжения гибкой связи (SU 1656146 А1, 15.06.1991, F03B 13/12, столбцы 3-4, фиг. 1, 2, всего в документе 2 страницы). Устройство имеет назначение, совпадающее с назначением изобретения, и ему присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков предлагаемого изобретения. Поэтому данное устройство принято за ближайший аналог (прототип).
Техническая проблема, которую необходимо было решить в процессе разработки изобретения, заключается в создании простого по конструкции и монтажу экономичного экологически чистого устройства для преобразования энергии морских волн в возвратно-поступательное движение гибкой связи, легко преобразуемое в электрическую энергию, для монтажа которого не требуется проведение водолазных работ.
Техническим результатом изобретения является создание простого по конструкции, монтажу и эксплуатации экологически чистого, исключающего образование загрязняющих окружающую среду выбросов и отходов на протяжении всего периода эксплуатации устройства для преобразования энергии морских волн в возвратно-поступательное движение, повышение коэффициента полезного действия за счет улучшения эффективности использования течений и разнонаправленных колебательных движений, происходящих в волнах, а также расширение потребительских свойств и арсенала технических средств, предназначенных для преобразования энергии морских волн.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для преобразования энергии морских волн в возвратно-поступательное движение (далее - устройстве), содержащем гибкую связь, связанную с полотнищем в форме треугольника и имеющую участок, посредством блока соединенный с устройством натяжения гибкой связи, гибкая связь с одного конца закреплена на берегу или прибрежном острове на высоте, соответствующей уровню морской воды, с образованием горизонтально расположенного участка, при этом одна из сторон полотнища выполнена на указанном участке гибкой связи и своими концами соединена с ним, а две другие образуют угол, к вершине которого прикреплен груз для натяжения полотнища и контакта с донной поверхностью.
Под стороной треугольника мы понимаем также сторону полотнища.
На чертеже условно показано устройство для преобразования энергии морских волн в возвратно-поступательное движение, вид сбоку.
Устройство содержит гибкую связь 1, которая закреплена на берегу посредством крепления 2 и выполнена с полотнищем 3, сторона 4 которого концами 5 и 6 соединена с ней, а стороны 7 и 8 образуют угол α, к вершине которого прикреплен груз 9 с гребенкой 10 для натяжения полотнища 3 и контакта с донной поверхностью 11, при этом с другого конца гибкая связь 1 переходит посредством блоков 12, 13 и 14 в прямолинейный горизонтально расположенный участок 15, соединенный с устройством для натяжения гибкой связи 1 в виде груза 16.
Гибкую связь 1 выполняют в виде стального троса или каната или веревки или ленты, а груз 9 выполняют с якорем или гребенкой 10 в виде зубчатой рейки с возможностью перемещения по донной поверхности 11 или закрепления на ней. Груз 9 выполняют с якорем или гребенкой 10 для создания дополнительного сопротивления перемещению груза 9 по донной поверхности 11.
Очевидно, что наличие груза 9 способствует вертикальному положению полотнища 3, что часто повышает эффективность работы устройства. При этом вертикальное положение полотнища 3 не всегда является оптимальным. В этом случае высоту треугольника, в виде которого выполнено полотнище 3, выполняют больше глубины морского участка, на котором установлено предлагаемое устройство. В зависимости от глубины прибрежного морского участка для повышения коэффициента полезного действия устройства на гибкой связи 1 располагают  или  сторону полотнища 3. При этом на мелководном участке моря используют устройство, в котором на гибкой связи 1 выполнена большая сторона полотнища 3, а на глубоководном участке применяют устройство, в котором на гибкой связи выполнена меньшая сторона полотнища 3.
В частных случаях, отражающих конкретные условия применения устройства, сторону 4 полотнища 3, выполненную на гибкой связи 1, с одного конца с гибкой связью соединяют неподвижно, а с другого - подвижно. Как правило, соединение подвижным выполняют с того конца, с которого технологически проще изменять место соединения с гибкой связью 1. Изменение соединения стороны 4 с гибкой связью 1 необходимо для нахождения положения полотнища 3 на гибкой связи 1, при котором натяжение полотнища 3 будет наибольшим.
Возможны варианты исполнения устройства, в котором концы 5 и 6 стороны 4 полотнища 3 с гибкой связью 1 соединены подвижно или неподвижно. При подвижном соединении концов 5 и 6 стороны 4 появляется возможность смещения полотнища 3 вдоль гибкой связи 1 с выбором положения с наиболее активным перемещением водных масс.
Длина стороны 4 полотнища 3 часто берется больше длины отрезка гибкой связи 1, с которым своими концами 5 и 6 соединена сторона 4. Это позволяет использовать для натяжения гибкой связи 1 кинетическую энергию большего объема морской воды, что особенно актуально на мелководных участках.
Очевидно, что чем больше глубина морского участка, на котором располагают предлагаемое устройство, тем меньше должен быть угол α, к вершине которого прикрепляют груз 9 для натяжения полотнища 3. Поэтому устройство выполняют с полотнищем 3 в виде треугольника, величина угла α которого обратно пропорциональна глубине морского участка. Уменьшение угла α при увеличении глубины морского участка расширяет потребительские свойства устройства, что позволяет использовать его на разных глубинах без увеличения размеров участка гибкой связи 4, на котором своим концами выполняется горизонтально расположенная наружная сторона полотнища 3. Таким образом, полотнище 3 выполняют с формой, которая учитывает изменение удельного давления воды на его части в зависимости от глубины их нахождения в воде. На меньшие по площади части полотнища 3, находящиеся на большей глубине, морская вода действует с большим удельным давлением, что несколько компенсирует уменьшение площади частей полотнища по мере увеличения глубины их нахождения в воде.
Устройство для преобразования энергии морских волн в возвратно-поступательное движение используют следующим образом.
Круговое движение воды в меняющихся направлениях, происходящее в морской волне, воздействует на полотнище 3 и приводит его в выпуклое состояние, вызывающее натяжение гибкой связи 1 и движение влево горизонтального прямолинейного участка 15 гибкой связи 1 в сторону крепления 2. При затихании волны полотнище 3 в виде подводного паруса приходит в плоское или близкое к этому состояние, вызывающее ослабление натяжения гибкой связи 1 и движение прямолинейного участка гибкой связи 1 между блоками 12 и 13 и, соответственно, горизонтального прямолинейного участка 15 между блоками 13 и 14 под действием устройства натяжения гибкой связи 1 в виде груза 16 вправо, в сторону от конца гибкой связи 1 с креплением 2. Далее круговое движение воды, происходящее в волне, приводит к тому, что полотнище 3 принимает вогнутое состояние, также вызывающее натяжение гибкой связи 1 и движение расположенного с наклоном прямолинейного отрезка (участка) гибкой связи 1 между блоками 12 и 13 и горизонтального прямолинейного участка 15 между блоками 13 и 14 происходит уже в обратном направлении, а именно в сторону конца гибкой связи 1 с креплением 2. Блоки 12, 13, 14 вращаются каждый на своей оси свободно и с минимальным сопротивлением обеспечивают изменение направления движения гибкой связи 1.
Данный процесс характеризуется возвратно-поступательным движением горизонтального прямолинейного отрезка 15 гибкой связи 1 с передачей энергии этого движения посредством соответствующих устройств для преобразования в другие виды энергии.
Достоинством предлагаемого технического решения является его простота, возможность исполнения и эксплуатации устройства при минимальных затратах материальных, финансовых средств и трудовых ресурсов.