Волновая энергетическая установка Ковалёва И.С.

Полезная модель относится к гидроэнергетике, в частности, к волновым энергетическим установкам, и может найти применение для энергоснабжения населенных пунктов и промышленных предприятий на берегах мелководных районов морей, озер с волнением малой и средней высоты.
Известны многочисленные установки, использующие вертикальные подъемно-опускные перемещения поплавков (плавучих корпусов, пластин) на волне, которые через различные кинематические устройства преобразуются в механическую энергию вращающегося вала, или в энергию сжатого воздуха, или в энергию водного потока (Н.В. Вертинский, Энергия океана. М. Наука, 1986 год. стр. 65, 70, 71; патент РФ №2150021, 1999 год). Недостаток данного типа устройств заключается в том, что все они имеют собственную частоту колебаний и могут эффективно работать только в том случае, когда их собственная частота совпадает с частотой (периодом) волн. В реальности поверхностные волны являются нелинейными, нерегулярными и меняют свои характеристики (высоту, длину, скорость, частоту, направление распространения) в широком диапазоне. В результате эффективность использования данных устройств низка.
Известна, принятая в качестве прототипа, установка по патенту РФ №2403434, опублик.10.11.2010 г. в Бюлл. №31, содержащая ротор с вертикальным поворотным валом, снабженный вертикальными и горизонтальными лопатками, для которых плоскость невозмущенной поверхности воды является плоскостью симметрии, при этом ротор кинематически связан с электрогенератором. Установка, принятая в качестве прототипа, воспринимает энергию волн в широком диапазоне изменения характеристик волн, но не способна воспринимать одновременно энергию волн и ветра, порождающего волны, что снижает ее эффективность.
Техническим результатом предложенной полезной модели является повышение эффективности работы волновой энергетической установки путем увеличения количества энергии, преобразуемой установкой в механическую энергию вращающегося вала, за счет восприятия установкой кинетической энергии волны и кинетической энергии ветра одновременно.
Технический результат достигается в волновой энергетической установке, содержащей ротор с вертикальным поворотным валом, снабженный вертикальными и горизонтальными лопатками, для которых плоскость невозмущенной поверхности воды является плоскостью симметрии, при этом вал ротора кинематически связан с электрическим генератором, согласно изобретению, вертикальный поворотный вал ротора соединен своим верхним концом с поворотным валом ветровой энергетической установки.
Предложенная полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена волновая энергетическая установка при ее размещении на дне вблизи береговой линии, на фиг. 2 представлен вид по стрелке А фиг. 1 и на фиг. 3 - разрез Б-Б по фиг. 2.
Установка состоит из корпуса 1 с вертикальным валом 2 ротора 3, который снабжен горизонтальными лопатками 4 и вертикальными лопатками 5. Лопатки 4 и 5 размещены в плоскости невозмущенной поверхности воды, которая является для них плоскостью симметрии. Вертикальный вал 2 соединен с вертикальным поворотным валом 6 ветровой энергетической установки, снабженной вертикальными лопатками 7. Вал 2 соединен с размещенным в корпусе 1 (фиг. 1) электрогенератором (на чертежах не показан). Корпус 1 установки снабжен колесами 9 (или полозьями).
Предложенная установка работает следующим образом. При контакте волны с ротором 3 происходит поперечное обтекание водой горизонтальных 4 и вертикальных 5 лопаток с возникновением на их поверхности сил, приводящих во вращение ротор 3 и его поворотный вал 2. При выполнении лопаток 4 и 5 с закругленной передней кромкой и заостренной задней кромкой (фиг. 1 и 2) ротор 3 всегда вращается в направлении от заостренной кромки лопаток 4 и 5 к их закругленной кромке.
В объеме волны движение частиц воды происходит по замкнутым траекториям, в которых можно выделить четыре характерных участка:
- горизонтальное поступательное течение вблизи гребня волны,
- горизонтальное возвратное течение вблизи подошвы волны,
- вертикальное опускное течение в передней части волны,
- вертикальное подъемное течение в задней части волны.
Размещение лопаток 4 и 5 симметрично плоскости уровня невозмущенной воды позволяет
- вертикальным лопаткам 5 воспринимать кинетическую энергию поступательного горизонтального течения у гребня волны и возвратного горизонтального течения у подошвы волны,
- горизонтальным лопаткам 4 воспринимать кинетическую энергию частиц воды вертикального опускного течения в передней части волны и вертикального подъемного течения в задней части волны.
В результате на любом участке траектории движения частиц воды в объеме волны реализуется предача кинетической энергии волны лопаткам 4 и 5 ротора 3 и вращение поворотного вала 2, которое передается валу размещенного в корпусе 1 электродвигателя. Ротор 3, обладая свойствами маховика, сохраняет свое вращение после окончания контакта с волной до прихода следующей волны. В итоге вращение ротора 3 происходит однонаправлено и непрерывно.
Установка по фиг. 1, имеющая корпус 1 с колесами (или полозьями) 9, может перемещаться с помощью троса и лебедки (механической или электрической) на большую или меньшую глубину при колебаниях уровня воды (из-за действия ветра или прилива-отлива) для сохранения симметричного расположения плоскости невозмущенной поверхности воды относительно лопаток 4 и 5 для получения устойчивого вращения вала 2 ротора 3 при высоте волн, начиная от 5 см.
Ветер и волны неразрывны друг с другом - при наличии ветра всегда появляется волна, концентрирующая его энергию. Поэтому соединение верхнего конца вала 2 ротора 3 с поворотным валом 6 ветровой энергетической установки с вертикальными лопатками 7 позволяет получить добавочное количество энергии ветра и передать его электрогенератору.
Одновременное использование энергии волны и ветра существенно увеличивает эффективность предложенной волновой энергетической установки в сравнении с известными.