Волновая установка
WAVE PLANT

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 береговая гидроэлектрическая установка (патент RU 2644793 С2) для генерирования электрической энергии. Установка расположена над потоком и содержит корпусную секцию, секцию водяного колеса, подвижную секцию передачи энергии, соединенную с водяным колесом, и секцию генерирования электрической энергии. Корпусная секция содержит платформу, расположенную над потоком на определенном расстоянии от него. Секция водяного колеса содержит опорное устройство, один конец которого удерживается на платформе, водяное колесо, соединенное с опорным устройством на расстоянии от указанного одного конца, и поплавковое устройство, соединенное с опорным устройством с возможностью отделения от него и расположенное под водяным колесом. Подвижная секция соединена с водяным колесом и приспособлена к положению водяного колеса для передачи энергии потока. Секция генерирования содержит генератор, соединенный с подвижной секцией. Кинетическая энергия потока извлекается секцией водяного колеса и передается к секции генерирования, приспосабливаемой к высоте уровня воды с помощью подвижной секции. Изобретение направлено на повышение выходной мощности и снижение риска повреждения течением реки.
В известной установке имеются недостатки:
В установке поток ветра и горизонтальный напор волн не используют. Установка работает при определенном направлении потока воды, при изменении направления которой эффективность установки резко падает. При набегании больших волн водяное колесо может оказаться под водой и его вращение замедлится. Отсутствует защита установки от бури.
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:
Энергия поступательного движения волны 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. При слабом волнении усилие от оперения поплавка может оказаться недостаточным для поворота корпуса на опоре. Из-за указанных недостатков известная волновая электростанция не эффективно преобразует энергию морских волн.
Известна прибойная гидроветроэлектростанция (Патент 2478826 С1, прототип).
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. Прибойная гидроветроэлектростанция содержит 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 связанным с валом электрогенератора, каждый из которых выполнен в виде диска с лопастями в форме аэродинамических крыльев, расположенными 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. Торцы лопастей роторов выполнены скошенными к оси общего вала. Конфузоры установлены на периферийных частях торцов лопастей роторов с образованием зазора с соответствующим обтекателем. Изобретение направлено на повышение полноты совместного использования энергии прибойного потока, отливов и воздушного потока, а также упрощение конструкции прибойной гидроветроэлектростанции и ее эксплуатации.
Известная прибойная гидроветроэлектростанция имеет следующие недостатки:
Ротор, закрепленный на неподвижной платформе, не отслеживает направление ветра и волн, а также уровень воды при приливах и отливах, в результате снижена эффективность работы гидроветроэлектростанции. Ротор, установленный поперек движения волн, и вспомогательное оборудование на платформе во время шторма будут испытывать большие разрушительные нагрузки. Диаметр ротора с неподвижными лопастями ограничен тем, что с увеличением глубины его погружения скорость потока воды резко уменьшается и вода начинает тормозить ротор, поэтому предлагаемый ротор может быть использован для гидроветроэлектростанции малой мощности. Перед диском на роторе создается противодавление для потоков воды и воздуха, уменьшая скорость вращения ротора.
При исследовании отличительных признаков аналогов изобретения не выявлены достаточно простые решения, позволяющие одновременно преобразовывать кинетическую энергию ветра, потоков воды и горизонтального движения волн в электрическую энергию.
Раскрытие сущности изобретения.
Решение поставленной задачи по преобразованию кинетической энергии ветра, потока воды и движения волн в электрическую энергию реализовано в предлагаемой волновой установке, представляющей собой закрепленную на морском дне опору, содержащую полость, в которой с возможностью перемещения размещен висящий на канате груз с полостью для воды и индивидуальным управляемым насосом; поворотную платформу, смонтированную наверху опоры и содержащую первый блок, в котором на валу закреплены входной шкив редуктора, подключенного к генератору, и кабельный барабан с токосъемником, и редуктор с генератором, а также -второй блок с электрооборудованием, кабель с выхода которого через токосъемник проведен к потребителю электроэнергии; третий блок, размещенный на поворотной площадке на уровне моря, содержащий шкив для троса и размещенный под ним барабан для кабеля; гидрогенератор, содержащий две турбины, закрепленные на одном валу, две поплавковые камеры, которые через подшипники размещены на концах вала; четвертый блок через подшипники установленный на валу между турбинами, содержащий редуктор, генератор и управляемый насос, подключенный ко входам поплавковых камер; к гидрогенератору прикреплены кабель и трос, который проведен под шкивом третьего блока, над шкивом первого блока и вторым концом прикреплен к грузу в опоре; кабель проведен под барабаном третьего блока, навитый на барабан первого блока и через токосъемник заведен во второй блок.
Ветер и потоки воды вращают в гидрогенераторе турбины и связанные с ними редуктор и генератор. Полученное на выходе генератора напряжение по кабелю через токосъемник передают во второй блок. Преобразование кинетической энергии горизонтального движения волн в электрическую энергию реализуют за счет смещения гидрогенератора при набегании на него волны. При горизонтальном движении волна воздействует на турбины, ускоряет вращение турбин и увлекает гидрогенератор за собой. Обратное движение гидрогенератора осуществляют под действием груза, размещенного в трубчатой опоре и связанного с гидрогенератором тросом, при этом скорость вращения турбины также увеличивается. Возвратно-поступательное движение троса через шкивы передают на размещенные на опоре в первом блоке редуктор и генератор.
Погружение гидрогенератора, в зависимости от высоты волн, осуществляют изменением его веса за счет нагнетания воды в поплавковые камеры гидрогенератора или слива воды из них. Во время шторма гидрогенератор может быть опущен на дно моря на висящую под ним подставку.
Оптимальный ход гидрогенератора при различных высотах волн регулируют изменением веса груза в стояке путем заполнения его полости водой.
В результате для выработки электрической энергии используют энергию попутного ветра, потока воды и энергию горизонтального движения волн.
Сущность изобретения поясняется на чертежах одного из вариантов волновой установки, содержащей опору, который приведен в качестве примера для пояснения принципа работы заявленной волновой установки.
На фиг. 1 представлена схема установки, вид сбоку.
на фиг. 2 представлена схема установки, вид сверху.
на фиг. 3 представлена схема разводки троса и кабеля в третьем блоке.
Осуществление изобретения.
Волновая установка содержит:
Трубчатую опору 1, закрепленную на дне моря, в полости которой перемещается на канате груз 2 с полостью для воды и содержащий индивидуальный управляемый насос (на схеме не показан). Наверху опоры 1 смонтирована поворотная платформа 3, на которой установлен первый блок 4, содержащий закрепленные на одном валу и выполненные с одинаковыми диаметрами входной шкив 5 и кабельный барабан 6, редуктор с генератором 7, первый токосъемник 8, второй токосъемник 9 и второй блок 10, содержащий электрооборудование. В нижней части площадки на уровне моря, установлен третий блок 11, содержащий параллельно установленные первый вал 12 с закрепленными на нем шкивами 13 и 14 и второй вал 15 с закрепленными на нем барабаном 16 и шкивом 17. Шкив 14 и шкив 17 охвачены гибкой передачей 18. Шкивы и барабаны вращаются синхронно. Окружные скорости у шкива 13 и барабана 15 одинаковы. Вращение поворотной платформы вокруг опоры осуществляют с помощью управляемого электродвигателя через червячно-шестеренчатую передачу (на схеме не показаны). Плавающий гидрогенератор 19 содержит две однотипные турбины 20 с поворотными лопастями, закрепленными на одном валу 21, поплавковые камеры 22, через подшипники установленные на концах вала 21, четвертый блок 23, расположенный между турбинами 20 и через подшипники установленный на валу 21, содержащий редуктор, генератор и управляемый насос 24, а также подставку 27, расположенную под гидрогенератором 19. Трос 25, который одним концом прикреплен к четвертому блоку 23, проведен под шкивом 13 третьего блока 11, над шкивом 5 первого блока 4 и вторым концом прикреплен к грузу 2 в опоре 1. Кабель 26, подключенный к выходу генератора в четвертом блоке 23, огибает барабан 16, намотан вокруг барабана 6 и через токосъемник 8 заведен в блок 10. Поворотная платформа 3 соединена с опорой 1 через подшипники и может поворачиваться вокруг опоры с помощью червячно-шестеренчатой передачи от управляемого электродвигателя (на схеме не показаны).
Работа волновой установки осуществляется следующим образом:
Набегающая волна проникает через отверстия в стенке опоры в ее полость. Груз на тросе начинает всплывать. Волна, достигнув гидрогенератора 19, перехлестывает сверху турбины 20, увеличивает скорость вращения турбин, и одновременно волна увлекает гидрогенератор 19 за собой. Вращение турбин 20 через редуктор четвертого блока 23 передается на генератор в четвертом блоке 23 гидрогенератора 19. Горизонтальное смещение гидрогенератора 19 через трос 25, огибающий шкив 13 в блоке 11 и шкив 5 в блоке 4, передается на груз 2. Груз 2, поднимаясь из воды, за счет увеличения своего веса плавно останавливает гидрогенератор 19 и затем, опускаясь, возвращает его в исходное положение. Подъем из воды и опускание груза 2 в воду происходит при свободном перетоке воды между опорой 1 и грузом 2. В нижней части полости опоры канал для перетока воды сужается и груз 2 плавно останавливается. Знакопеременное движение троса 25 через шкив 5 и редуктор передается на генератор 7 в блоке 4. Управление работой насосов в блоке 23 и в полости груза 2 может быть осуществлено с помощью управляющих сигналов дистанционно. По этим сигналам с помощью управляемого насоса 24 регулируют количество воды в поплавковых камерах 22, что дает возможность производить заглубление гидрогенератора 19 в зависимости от высоты волн, а также опускание его на дно перед штормом и подъем его после шторма. При опускании гидрогенератор 19 опирается на дно через подставку 27. Кроме того, с помощью индивидуального управляемого насоса возможна регулировка веса груза 2 в опоре 1 путем заполнения полости груза водой или слива ее, что позволяет поддерживать оптимальный ход гидрогенератора 19 при различных высотах волн. Управляемый насос может нагнетать воду или сжатый воздух. Нагнетание воздуха осуществляют в то время, когда гидрогенератор 19 под действием груза 2 в опоре 1 возвращают в исходное положение. В это время волна уходит и гидрогенератор 19 всплывает на поверхность воды. В результате для выработки электрической энергии используют энергию попутного ветра, потока воды и энергию горизонтального движения волн.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного результата, следующие:
Линейные скорости шкивов для троса и барабанов для кабеля должны быть одинаковы, что позволит избежать растягивающих усилий на кабель. Длина намотанного на барабан 6 кабеля должна превышать максимальное смещение гидрогенератора 19.
Гидрогенератор 19 принимает устойчивое положение относительно уровня воды при размещении поплавковых камер на концах гидрогенератора.
Рабочая часть лопасти легче воды, а вторая половина лопасти относительно ее оси тяжелее воды, поэтому лопасть наверху турбины устанавливается против движения потоков ветра и воды, а лопасть внизу турбины прижимается к ней, уменьшая сопротивление воды вращению турбины.
При воздействии волн на гидрогенератор 19 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 2 в частично заполненной водой опоре 1. Начало подъема груза вверх облегчено наполнением полости опоры водой набегающей волны. Груз начинает всплывать при свободном перетоке воды в нижнюю часть трубы. Перед завершением подъема груз выходит из воды и с повышенным усилием останавливает гидрогенератор 19, а затем с повышенным ускорением тянет его в исходное положение. Перед остановкой переток воды между трубой и грузом замедлен, и груз плавно останавливается.
Управляемый насос 24 блока 23 может одновременно или избирательно наполнять поплавковые камеры 22 воздухом или водой, причем выброс воды осуществляют через обратный клапан параллельно оси гидрогенератора и от гидрогенератора. Возможен случай, когда ветер, дувший с моря на берег, меняет направление и начинает дуть с берега в море. При этом гидрогенератор может столкнуться с опорой. В этом случае непрерывно наполняют водой одну из поплавковых камер. Под действием реактивной силы струи воды гидрогенератор, удерживаемый тросом, поворачивается вокруг опоры и синхронно с его поворотом с помощью управляемого электродвигателя поворачивают платформу 4.
Кабель во избежание его перегибов от волн проложен ниже волн. Во время шторма поплавковые камеры полностью заполняют водой, и гидрогенератор опускается на дно, опираясь на подставку 27. При работе волновой установки на реке используют оборудование, связанное с вращением турбины.