ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Область техники
Полезная модель относится к гидроэнергетике и может быть применена для преобразования энергии волн в электрическую энергию.
Уровень техники
Известна волновая электростанция, содержащая
пневмогидравлическую камеру, подводная часть которой сообщена с водоемом, а надводная - с напорным воздуховодом, в котором установлена турбина [патент RU77362 МПК F03B 13/22 от 2008 г.]. Это устройство выбрано в качестве прототипа.
Недостаток прототипа - низкий КПД использования энергии волн. Раскрытие существа полезной модели
Предметом полезной модели является волновая электростанция, содержащая неподвижно закрепленную пневмогидравлическую камеру, подводная часть которой сообщена с водоемом, а надводная - с атмосферой через напорный воздуховод, поперек которого установлена, по меньшей мере, одна ортогональная турбина с лопастями крыловидного профиля, кинематически связанная с генератором, при этом на противоположных внутренних поверхностях напорного воздуховода поперек него выполнены выступы с вогнутыми стенками, примыкающие с зазором к цилиндрической поверхности, ометаемой лопастями турбины.
Эта совокупность признаков позволяет повысить КПД преобразования энергии волн в электроэнергию.
Полезная модель имеет развития, относящиеся к частным случаям ее осуществления.
Первое развитие полезной модели состоит в том, что в напорном воздуховоде установлен управляемый затвор. Это позволяет повысить удобство эксплуатации волновой электростанции и предотвратить перегрузку генератора при штормовых волнах.
Следующие развития полезной модели относятся к тем частным случаям, когда пневмогидравлическая камера сообщена с водоемом через открытый нижний торец и закреплена на опоре, установленной на дне водоема. При этом опора может быть выполнена, в виде трубы, а пневмогидравлическая камера - в виде стакана большего диаметра, закрепленного на опоре вверх дном, имеющим отверстие для сообщения с напорным воздуховодом. Конструкцию волновой электростанции с этими развитиями целесообразно использовать при установке волновой электростанцию на относительно большой глубине в удалении от берега.
Другие развития полезной модели предусматривают возможность закрепления пневмогидравлической камеры на берегозащитном сооружении, дамбе или плотине приливной электростанции или ее выполнения в виде части берегозащитного сооружения, дамбы или плотины приливной электростанции.
Еще одно развитие относится к всем случаям выполнения пневмогидравлической камеры с закрытым нижним торцом. При этом камера должна быть сообщена с водоемом, по меньшей мере, через одно герметично перекрываемое окно в подводной части камеры. Герметичность перекрытия окон, например, транспортными щитами позволяет обеспечить камере собственную плавучесть с возможностью ее буксировки по воде к месту установки и монтажа.
Конструкцию волновой электростанции с этим развитием целесообразно использовать в случаях ее сооружения на мелководье или в составе береговых сооружений.
Краткое описание фигур
На фиг.1 показана волновая электростанция, в которой пневмогидравлическая камера закреплена на опоре, установленной на дне водоема. Опора может представлять собой часть берегозащитного сооружения, На фиг.2 отдельно показан узел А, помеченный на фиг.1.
На фиг.3 показана волновая электростанция, в которой опора выполнена в виде трубы, а пневмогидравлическая камера - в виде стакана большего диаметра, закрепленного на опоре вверх дном, имеющим отверстие для сообщения с напорным водоводом.
Камеры на фиг.1 и 3 и выполнены с открытым нижним торцом и закреплены на опорах.
На фиг.4 и 5 показаны волновые электростанции, в которых пневмогидравлическая камера выполнена с закрытым нижним торцом, установленным на дне водоема, и сообщена с водоемом через перекрываемые окна в подводной части камеры. Показанная на фиг.4 электростанция размещена на удалении от берега, а показанная на фиг.5 - вблизи берега с использованием берегозащитного сооружения.
Осуществление полезной модели с учетом ее развитии
Волновая электростанция содержит неподвижно закрепленную относительно дна водоема пневмогидравлическую камеру 1. Подводная часть камеры 1 сообщена с водоемом через открытый нижний торец 2 (фиг.1, 3) или через перекрываемые окна 3 в подводной части камеры 1 (фиг.4, 5). Надводная часть камеры 1 через отверстие 4 в верхнем торце 5 и напорный воздуховод 6 сообщена с атмосферой. Поперек участка воздуховода 6 прямоугольного сечения установлена турбина 7 с лопастями 8 крыловидного профиля (см. фиг.2).
Турбина 7 кинематически связана с генератором 9, размещенным вне воздуховода 6 (см. фиг.3-5). На противоположных внутренних поверхностях воздуховода 6 в створе турбины 7 выполнены поперек него выступы 10 с вогнутыми стенками 11 и 12 (см. фиг.1, 2). Выступы 10 расположены один напротив другого и примыкают с зазором δ к цилиндрической поверхности 13, ометаемой лопастями 8 (см. фиг.2). Возможна установка поперек воздуховода 6 нескольких турбин 7, для каждой из которых должна быть выполнена пара выступов 10.
.Со стороны атмосферы в воздуховоде 6 (см. фиг.1, 3-5) установлен управляемый жалюзийный затвор 14 (привод затвора 14 на фигурах не показан).
В конструкциях, показанных на фиг.1 и 3, камера 1 сообщена с водоемом через открытый нижний торец 2 и неподвижно закреплена на опоре 15, установленной на дне водоема.
При этом в конструкции, показанной на фиг.3, опора 15 выполнена в виде трубы, закрепленной торцом на дне водоема посредством фундамента 16, а камера 1 выполнена в виде стакана, диаметр которого больше диаметра трубы, служащей опорой 15. Стакан, образующий камеру 1, закреплен на опоре 15 вверх дном, которое служит верхним торцом 5 камеры 1. В дне стакана выполнено отверстие 4 для сообщения с напорным водоводом 6.
В конструкциях, показанных на фиг.4 и 5, камера 1 выполнена с нижним торцом, закрытым фундаментом 16. В этом случае в подводной части камеры 1 выполняются окна 3, которые имеют возможность герметичного перекрытия транспортными щитами (на фигурах не показаны).
Полезная модель работает следующим образом.
Водоем, в котором сооружается электростанция, как правило, представляет собой акваторию моря или океана.
Водная поверхность 17 разделяет камеру 1 на воздушную полость 18 и водную полость 19. Полость 18 сообщена с атмосферой через отверстие 4 и напорный воздуховод 6.
Волны, возникающие в акватории, сопровождаются вертикальными колебаниями поверхности 17, которые через отверстие 4 в торце 5 вызывают (при открытом затворе 14) соответствующие движения воздуха в воздуховоде 6. Воздух из полости 18 поочередно выталкивается через воздуховод 6 в атмосферу и засасывается из нее также через воздуховод 6 в полость 18.
Турбина 7 с лопастями 8 крыловидного профиля представляет собой поперечно-струйную ортогональную турбину. Профиль каждой лопасти 8 подобен профилю самолетного крыла и имеет тупой и острый концы. Лопасть 8 имеет соответственно тупую и острую грани.
Воздушным потоком переменного направления, образующимся в воздуховоде 6 при колебаниях поверхности 17, приводится во вращение турбина 7. Вращающая сила действует в направлении тупых граней лопастей 8 независимо от направления воздушного потока.
При вращении турбины 7 крайние от оси вращения точки лопастей 8 ометают воображаемую цилиндрическую поверхность 13, к которой с зазором 8 примыкают вершинами поперечные выступы 10 с вогнутыми стенками 11 и 12. При этом выступы 10 с вогнутыми стенками 11 и 12 выполняют функцию пристеночного направляющего аппарата, обеспечивающего оптимальные углы атаки вращающихся крыловидных лопастей 8 по отношению к набегающему на них воздушному потоку в воздуховоде 6.
Генератор 9, связанный с турбиной 7, вырабатывает при ее вращении электроэнергию. В качестве генератора 9 целесообразно использовать генератор переменного тока совместно с преобразователем частоты. При этом турбина 7 работает с переменной скоростью, соответствующей скорости и амплитуде колебаний поверхности 17, а выходная частота преобразователя поддерживается постоянной.
КПД предлагаемой электростанции по отношению к прототипу повышается благодаря эффективной работе турбины 7 в воздуховоде 6, снабженном поперечными выступами 10 с вогнутыми стенками, примыкающими с зазором 8 к цилиндрической поверхности 13, и неподвижности камеры 1, относительно которой колеблется водная поверхность 17 (в прототипе камера закреплена на плавучей опоре и, следовательно, колеблется вместе с поверхностью воды).
Затвор 14 показан на фиг.1 в открытом положении, когда он практически не влияет на работу устройства. Он обеспечивает полное (в аварийных ситуациях) или частичное перекрытие воздуховода 6 и используется при частичном перекрытии для ограничения при необходимости мощности, развиваемой турбиной 7 в условиях шторма. Это повышает удобство эксплуатации волновой электростанции.
Варианты выполнения волновой электростанции, показанные на фиг.1 и 5, предпочтительны в случаях ее сооружения в составе берегозащитного сооружения, дамбы или плотины. Варианты выполнения волновой электростанции, показанные на фиг.3 и 4, предпочтительны в случаях ее установки в морской акватории на некотором удалении от берега при сравнительно небольших глубинах, превышающих, однако, минимальную глубину, при которой начинается обрушение волн расчетной высоты.
Конструкции волновой электростанции на фиг.1, 3 и 4 пригодны для наиболее эффективного в условиях открытого моря наплавного способа строительства. Этот способ предполагает изготовление единого плавучего блока волновой электростанции (включая фундамент) в промышленной зоне, буксировку его по воде к месту установки и последующее погружение, как правило, на естественное подводное основание с помощью водного балласта. Для обеспечения плавучести опор 15 в конструкциях по фиг.1, 3 и камеры 1 в конструкции по фиг.4 они транспортируются полыми. При этом в конструкции по фиг.4 окна 3 на период транспортировки герметично перекрываются временными транспортными щитами (на фигуре 4 не показаны), а под камеру 1 в конструкции по фиг.3 подводятся понтоны.
После установки электростанции на естественное основание внутренний объем опор 15 может быть заполнен более тяжелым, чем вода балластом, например, песчано-гравийным грунтом. Аналогичным балластом могут быть частично (до нижнего уровня окон 3) заполнена транспортируемая полой камера 1 на фиг.4.
Устойчивость сооружения на естественном основании (дне водоема) обеспечивается за счет веса опоры, включая массивный фундамент и балласт, а также за счет хорошо обтекаемой цилиндрической формы камеры 1 на фиг.3 и 4, уменьшающей воздействие штормовых волн.
Для неподвижного закрепления камеры также могут быть использованы стационарные якоря.
При закреплении опоры на берегозащитном сооружении или на наклонном откосе плотины она может располагаться в наклонном положении.