Волновая энергетическая установка и ее плавучий рабочий орган
WAVE POWER PLANT AND FLOATING WORKING BODY THEREOF

Группа изобретений относится к технике получения энергии морских волн и одновременной защиты побережья от штормов.
Многие известные волновые энергетические станции, использующие энергию волнения моря для выработки электроэнергии, либо преобразующие мощность волн в полезную работу (для функционирования насосов и т.д.), имеют плавучие элементы (рабочие органы) для отбора мощности волн и передачи этой мощности различными известными способами с применением механической трансмиссии, гидравлических передач, прямого преобразования энергии волн на линейном генераторе, на преобразователь (генератор), а также для диссипации (рассеивания) части энергии морского волнения.
Известны плавучие элементы (рабочие органы), в том числе, с изменяемой массой и водоизмещением. Некоторые из них имеют рабочий орган особенной конфигурации в виде треугольной призмы, который перемещается вдоль аппарели. Такие устройства наиболее эффективны для волновых энергетических устройств двойного назначения, выработки электроэнергии и защиты побережья от штормового воздействия.
Известен гидрокомплекс, содержащий несущую железобетонную конструкцию в виде опорного сотового бона и плавательное средство в виде шарнирного дебаркадера с размещенными на нем генератором и турбинами, связанными между собой направляющей конструкцией из композитных материалов в металлическом каркасе в виде аппарели. Дебаркадер выполнен в форме объемной конструкции из композитных материалов в виде треугольной или многогранной призмы (RU 2306385, кл. Е02В 9/00, опубликовано 20.09.2006).
В известном решении дебаркадер, имеющий водный балласт, выполняет функцию плавучего элемента (рабочего тела), передающего энергию волны на силовой преобразователь (генератор), также как использующиеся в настоящее время на волновых станциях другие плавучие элементы, такие как: поплавки, буи и т.п.
Изменение в дебаркадере массы водного балласта позволяет регулировать его физические свойства в зависимости от силы шторма. Однако водный балласт необходимо закачивать в корпус дебаркадера, для чего требуется время, сложные дополнительные механизмы (насосы, помпы), а также затраты энергии.
Также известен плавучий элемент волновой станции, представляющий собой объемный корпус, который имеет не сообщающиеся с водой закрытые полости, обеспечивающие плавучесть и находящиеся в них сообщающиеся с водой ниже ватерлинии открытые полости, образующие в своей верхней части воздушные камеры, которые сообщаются с атмосферой при помощи воздуховодов. Последние оснащены регулируемыми электромагнитными впускными и выпускными клапанами (RU 115790, кл. Е02В 9/00, опубликовано 10.05.2012).
Воздуховоды и клапаны в названном решении необходимы для закачки в открытые полости воды, используемой в качестве балласта для обеспечения возможности быстрого изменения массы и водоизмещения рабочих тел (плавучих элементов) волновых станций, для более эффективной передачи энергии морского волнения различной силы и частоты (периода) на силовой преобразователь (генератор).
Однако для управления данной системой требуется сложный алгоритм управления клапанами, что на практике практически не осуществимо, а свойство воздуха к разрежению и сжатию не позволит держать балласт в неизменном виде.
Также известен шарнирный дебаркадер, представляющий собой объемную конструкцию из композитных материалов в виде треугольной призмы, содержащей внутри себя сообщающиеся открытые полости (контуры) с кингстонами (RU 2382848, кл. Е02В 9/00, опубликовано 27.02.2010).
К недостаткам известного дебаркадера можно отнести то, что он не имеет приспособления для изменения балласта, а выдвигающиеся стабилизаторы, находящиеся на передней плоскости рабочего органа при продольной качке, создают сильный изгибающий момент, создавая предельные нагрузки и клиновые эффекты на конструкции энергетических комплексов, в которых он может быть применен.
Все перечисленные устройства имеют конструкцию единого корпуса, что нецелесообразно с точки зрения безаварийности работы в море и влечет за собой как логистические проблемы, а именно сложность транспортировки конструкции к месту ее установки, так и технологические проблемы при монтаже и изготовлении, поскольку корпус рабочего органа, предназначенный для отбора мощности волн даже среднего рабочего спектра, должен иметь значительное водоизмещение и большие линейные размеры.
Техническая задача изобретения связана с исключением недостатков известных решений, позволяя повысить эксплуатационные и технологические свойства предложенной конструкции.
Эта задача обеспечена техническим результатом, направленным на повышение стабилизации и устойчивости плавучего рабочего органа и волновой энергетической установки благодаря созданию наиболее оптимальной геометрии формы и конструктивных особенностей их корпуса, что обеспечит их надежное функционирование, в том числе в экстремальных условиях штормов.
Также предложенное изобретение обеспечивает удобство в изготовлении, транспортировке и монтаже волновой энергетической установки благодаря выполнению ее корпуса из отдельных, впоследствии соединенных между собой сегментов.
Также в предложенном изобретении обеспечена возможность быстрого, технологичного и наименее энергозатратного способа изменения массы и водоизмещения волновой энергетической установки, необходимого для наиболее эффективной работы установки с волновым воздействием различной интенсивности.
Названный технический результат достигнут в изобретении с помощью следующей совокупности признаков.
Плавучий рабочий орган волновой энергетической установки выполнен в форме прямой призмы с основанием в виде равнобедренного треугольника, повернутого своей вершиной вниз, при этом угол при вершине треугольного основания призмы составляет 50-62°, а длина медианы, выходящей из вершины треугольного основания призмы, равна длине стороны основания треугольника, лежащего в основании призмы.
Волновая энергетическая установка, корпус которой состоит по крайней мере из трех, установленных в ряд и соединенных друг с другом, сегментов. Каждый из указанных сегментов выполнен в виде вышеописанного плавучего рабочего органа, при этом крайние сегменты установки являются балластными и выполнены с отверстиями в нижней части для заполнения водой, а по меньшей мере один средний сегмент выполнен пустотелым, обеспечивающим плавучесть корпуса установки.
Снаружи балластных сегментов и по меньшей мере одного среднего сегмента в нижней их части могут быть установлены отсеки, не сообщающиеся с водой.
Также на бортовой части каждого балластного сегмента может быть расположен дополнительный не сообщающиеся с водой отсек, выполненный в виде прямой призмы с основанием в виде неправильного пятиугольника, большая сторона которого расположена вдоль медианы основания этого сегмента, а между двумя противоположными ей сторонами образован тупой угол.
Внутри балластных сегментов могут быть расположены объемные вставки из водонепроницаемого материала.
Для упрочнения, состоящей из нескольких сегментов, установки боковые грани сегментов, лежащие в одной плоскости и расположенные с задней, противоположной фронту волнового воздействия, стороны установки, могут быть соединены между собой крепежным элементом в виде рамки.
Установка снабжена системой разрежения (нагнетания), включающей турбину (вакуумную), соединенную воздуховодом через электромагнитный клапан с полостью каждого балластного сегмента.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 схематично показан плавучий рабочий орган; на фиг. 2 - корпус плавучести; на фиг. 3 - сечение В-В на фиг. 1; на фиг. 4-6 - различные сечения корпуса плавучести; на фиг. 7 - схематично изображена волновая энергетическая установка, состоящая из сегментов; на фиг. 8 и 9 - сегменты с отсеками; на фиг. 10 - работа бортовых отсеков; на фиг. 11 - система разрежения (нагнетания) воздуха внутрь балластных сегментов.
Экспериментально доказано, что плавучий рабочий орган 1 (фиг. 1) в виде клина, образованного горизонтально развернутой прямой треугольной призмой, обладает гидродинамическими свойствами, которые позволяют ему более эффективно взаимодействовать с волнением моря для отбора механической мощности и рассеивания части энергии волн при шторме.
Такая конструкция имеет преимущество перед прочими плавучими конструкциями, предназначенными для отбора энергии волн, выполненными в виде полусфер, понтонов с прямоугольными сечениями. Форма объемного клина наилучшим образом воспринимает волновые усилия, являясь наилучшим генератором волн, когда она используется в качестве волнопродуктора в исследовательских бассейнах.
Однако подобная геометрия корпуса плавучести, используемая в качестве рабочего органа волновой энергетической установки, имеет один существенный недостаток. Из-за клинообразной формы и отсутствия плоского дна на воде она ведет себя крайне неустойчиво. Происходит это вследствие того, что центр тяжести А корпуса плавучести находится гораздо выше центра плавучести Б (фиг. 2), а также смещен от оси Y в ту или иную сторону в виду разновесности конструкции, обусловленной возможным закреплением снаружи корпуса плавучести дополнительных устройств.
При этом неустойчивость при волнении усиливает момент опрокидывания. Особенно эффект опрокидывания и все негативные моменты, связанные с ним, такие как сильный изгибающий момент, концентрация предельных нагрузок на элементы трансмиссии и несущие конструкции волновых комплексов, ведущая к преждевременному выходу их из строя или разрушению при сильном волновом воздействии, проявляются в конструкциях, где корпус плавучести выполнен в виде треугольной призмы, у которой в основании лежит неравнобедренный треугольник.
В таких конструкциях эффект опрокидывания и возрастания предельных нагрузок особенно проявляется при заполнении внутреннего объема балластной водой. Также эффект опрокидывания и изгибающий момент усиливаются неравномерным размещением на поверхности (палубной части) 2 плавучего рабочего органа 1 оборудования и навесных элементов 3, расположенных на боковой стороне 4 его корпуса и связывающих рабочий орган 1 с несущими конструкциями волновых комплексов, с узлами трансмиссии и др. (фиг. 1, 2).
Все эти факторы будут усиливать неустойчивость конструкции и приводить к появлению значительных изгибающих моментов, поперечной качке и, следовательно, к возникновению критических нагрузок на элементы связей в механизмах, обеспечивающих перемещение по направляющим вдоль причальных аппарелей, что приведет к заклиниванию подвижных шарниров и разрушению опорных конструкций.
Еще одним существенным фактором, влияющим на эффективность конструкции в виде треугольной призмы, является степень ее клиновидности, которую определяет размер вершинного угла α треугольника со стороны киля 5 (фиг. 1, 3).
Выполнение корпуса рабочего органа с сечением, показанным на фиг. 4, позволяет ему эффективно разрезать волну, что будет положительно влиять на скорость перемещения и проникновение в толщу поверхности моря, а, следовательно, на увеличение кинетической динамики при движении рабочего органа вниз при волновом воздействии. Однако водоизмещение конструкции относительно мало и увеличивается незначительно при увеличении осадки, соответственно при движении вверх подъемная сила, выталкивающая корпус на поверхность, будет мала, и данный корпус не будет воспринимать значительную часть потенциальной энергии волн.
При выполнении корпуса рабочего органа с сечением, показанным на фиг. 5, водоизмещение корпуса резко увеличивается даже при незначительном увеличении осадки. Соответственно, при движении вверх на гребне волны, подъемная сила, выталкивающая корпус на поверхность будет довольно значительной. Следовательно, больше будет передано на трансмиссию потенциальной энергии. Но при движении вниз данная форма рабочего органа будет препятствовать заглублению его корпуса в воду, что в свою очередь будет уменьшать амплитуду перемещения рабочего органа и скажется на эффективности отбора мощности волнения.
На фиг. 6 показана очень неравновесная конструкция корпуса рабочего органа с сечением, имеющего большой изгибающий момент, значительно увеличивающийся при заполнении внутренних объемов корпуса балластной водой.
Исходя из вышесказанного конструкция предложенного плавучего рабочего органа должна обеспечивать:
- стабилизацию и устойчивость корпуса волновой энергетической установки, предназначенной для отбора мощности волн и передачи этой мощности на преобразователь (генератор) различными известными способами с применением механической трансмиссии, гидравлических передач, прямого преобразования энергии волн на линейном генераторе, а также для диссипации (рассеивания) части энергии морского волнения;
- наиболее оптимальную геометрию формы и конструктивных особенностей корпуса волновой энергетической установки для эффективного отбора ею энергии морских волн, а также надежного функционирования в экстремальных условиях штормов, технологичности в изготовлении и удобства для транспортировки и монтажа;
- возможность быстрого, технологичного и наименее энергозатратного способа изменения массы и водоизмещения волновой энергетической установки, а, следовательно, изменения площади ватерлинии, необходимых для наиболее эффективной работы установки с волновым воздействием различной интенсивности.
Эти задачи решены в изобретении посредством выполнения плавучего рабочего органа в форме прямой призмы с основанием в виде равнобедренного треугольника, угол а при вершине которого составляет преимущественно 56°, с возможным отклонением в большую или меньшую сторону, равным 6°, а длина медианы 6 (фиг. 3), выходящей из вершины угла а, равна длине стороны основания 7 этого треугольника.
Данная геометрия корпуса рабочего органа обладает хорошими пронизывающими толщу воды свойствами. При этом исполнении водоизмещение корпуса увеличивается пропорционально увеличению осадки. Такая плавучесть имеет хорошую динамику перемещения при переходе с гребня на впадину волны, следовательно, наиболее эффективно обеспечивает отбор мощности волнения.
При этом корпус, схематично изображенной на фиг. 7 волновой энергетической установки 8, состоит не менее чем их трех отдельных сегментов, каждый из которых имеет геометрию вышеописанного рабочего органа. Указанные сегменты могут иметь различное назначение, а именно использоваться в качестве балластных 9 сегментов и сегментов 10, обеспечивающих плавучесть установки. Как первые, так и вторые являются самостоятельными плавучестями, имеющими независимые прочные корпуса и соединены в единую конструкцию непосредственно на месте монтажа волновой установки специальными фланцевыми связями и единым прочным крепежным элементом 11, имеющим, например, форму трапеции. Крепежный элемент 11 имеет двойную функцию. Помимо того, что он прочно связывает сегменты 9 и 10 в единую конструкцию, он является основанием для крепления шарниров, связывающих волновую установку с элементами несущих конструкций, по которым он перемещается под воздействием волн.
Волновая энергетическая установка 8, состоящая из сегментов 9 и 10, обладает повышенной прочностью, практически не потопляема, надежно функционирует в экстремальных условиях штормов, а также технологична в изготовлении и удобна для транспортировки и монтажа.
Количество сегментов, их линейные размеры и водоизмещение определяются при проектировании с учетом энергетического потенциала моря в месте размещения устройства, установленной мощности преобразователя и прочих параметров в соответствии с техническим заданием на проектирование.
Особенностью при объединении сегментов в единую волновую установку является то, что по краям конструкции находятся сегменты 9, предназначенные для заполнения водным балластом, а в центре конструкции один или несколько не заполняемых водой сегментов, обеспечивающих плавучесть установки. В данной компоновке, когда масса балласта находится по краям конструкции, установка, особенно на косой волне, приобретает дополнительную инерционную продольную качку, что положительно сказывается на эффективности преобразования энергии волнения.
Предложенная установка 8 может иметь расположенные снаружи сегментов 9 и 10 призматические отсеки, обеспечивающие изменяемую плавучесть. Так, на фиг. 8 изображен балластный сегмент 9 с отсеком 12.1, установленным со стороны борта этого сегмента и отсеком 12.2, установленным в нижней части задней, противоположной фронту волнового воздействия, стороны сегмента. На фиг. 9 изображен сегмент 10, обеспечивающий плавучесть установки, с отсеком 12.3,
установленным в нижней части задней боковой стороны этого сегмента.
Внутри балластных сегментов 9 на разном уровне могут быть расположены объемные вставки 13, выполненные из легкого не проницаемого для воды материала (фиг. 11).
Наружные отсеки 12.1-12.3 с изменяемой плавучестью предназначены для стабилизации поперечной качки в зависимости от осадки рабочего органа установки, а, расположенные в балластных сегментах 9 объемные вставки 13 обеспечивают неравномерную продольную балансировку при заполнении дебаркадера балластной водой, что позволяет компенсировать различия значений центра тяжести А и центра плавучести Б (фиг. 2), что обеспечивает неустойчивое равновесие рабочего органа волновой установки как плавучести при различных значениях осадки и площади ватерлинии, регулируемых массой балластной воды.
Наружные отсеки 12.2 и 12.3 дают дополнительную положительную плавучесть корпусу установки, при малой осадке частично устраняя недостаток, связанный с отсутствием у установки плоского дна, а также создают полезный момент, который компенсирует вес крепежного элемента 11, выполненного в виде рамочной металлической конструкции, расположенной на задней части корпуса волновой установки.
На боковых поверхностях балластных 9 сегментов, из которых формируются левый и правый борта волновой установки 8 (фиг. 7), расположены наружные бортовые отсеки 12.1, каждый из которых выполнен в виде прямой призмы с основанием в виде неправильного пятиугольника, большая сторона которого расположена вдоль медианы основания балластного 9 сегмента, а между двумя противоположными ей сторонами образован тупой угол (фиг. 8). Эти отсеки расположены фактически по линии медианы 6 равнобедренного треугольника (фиг. 3) на той половине сегмента 9, которая расположена ближней к задней стороне волновой установки с расположенным на ней крепежным элементом 11. Данные отсеки стабилизируют рабочий орган 1 как плавучесть, создавая переменную величину момента при изменении ее осадки.
Бортовые отсеки 12.1 спроектированы с учетом нахождения центра тяжести А и центра плавучести Б (фиг. 2) и имеют переменный момент плавучести от киля 5 к палубе 2 (фиг. 10). Происходит это вследствие того, что, начиная от киля 5 конструкции волновой установки бортовые отсеки 12.1 постепенно увеличиваются в объеме, добавляя при этом в определенной расчетами пропорции дополнительную плавучесть и устраняя изгибающий момент, направленный от центральной оси рабочего органа вправо, затем уменьшаются в направлении к палубе 2, при погружении конструкции (заглублении при качке на волне), когда изменяется осадка и увеличивается площадь ватерлинии, происходит равномерная компенсация изгибающего момента по направлению влево.
Уменьшение объема бортовых отсеков 12.1 в верхней части необходимо для снижения положительного момента, компенсирующего вес крепежного элемента 11, соединяющего все сегменты в единый корпус, а также уменьшение объема бортовых отсеков 12.1 в верхней части позволяет избежать отрицательного момента, направленного в сторону крепежного элемента 11 при увеличении осадки корпуса установки.
Схематичное положение центра тяжести А и центра плавучести Б корпуса рабочего органа изображено на фиг. 2. Разница между ними по оси «X» равна величине Lx. Разница между ними по оси «Y» равна величине Ly. Центр плавучести Б при конструкции корпуса рабочего органа в виде треугольной призмы без дополнительных отсеков при изменении осадки мог меняться только по оси «Y», по оси «X» он оставался неизменным. Предложенная форма дополнительных наружных отсеков позволяет изменять величину центра плавучести Б по оси «X», тем самым уменьшая плечо Lx и, соответственно, опрокидывающий момент, тем самым стабилизируя дебаркадер.
Позволяют изменять центр тяжести корпуса плавучего органа и расположенные в полости балластных сегментов 9 объемные вставки 13, которые могут иметь различный объем и конфигурацию. Эти вставки расположены таким образом, чтобы обеспечить внутри балластного сегмента наличие нескольких слоев с различными расчетными значениями объема балласта и его распределения относительно продольной оси сегмента (фиг. 11). Это позволяет при заполнении водой полости сегмента 9 создавать переменный объем водного балласта с различными конфигурациями смещения нагрузки относительно продольной оси плавучего элемента и распределять балласт таким образом, чтобы с учетом изменения ватерлинии при волновом воздействии смещались и плечи Lx и Ly (фиг. 2), что соответственно уменьшает опрокидывающий момент и стабилизирует плавучесть конструкции.
Волновая установка может быть снабжена системой для нагнетания и разрежения путем закачки водного балласта при помощи которой создается эффект разрежения (либо наддува) воздуха в полости балластных сегментов и происходит забор воды из моря или опустошение полости сегментов без использования энергозатратных и менее эффективных устройств, таких как помпы и насосы.
Система для разрежения воздуха в полости балластных сегментов (фиг. 11) состоит из вакуумной турбины 14, расположенной, как правило, на верхней палубе 2 корпуса установки и соединенной воздуховодом 15 через электромагнитный клапан 16 с полостью 17 балластного сегмента 9.
В нижней части балластного сегмента 9 ниже ватерлинии образовано отверстие 18, через которое поступает забортная вода в полость этого сегмента. Для быстрого забора балластной забортной воды электромагнитный клапан 16 открывают и запускают вакуумную турбину 14 на ток воздуха из полости сегмента по воздуховоду 15 в противоположную сторону от открытого электромагнитного клапана 16 в атмосферу.
В этот момент в полости 17 сегмента 9 создается разрежение воздуха, и в балластный сегмент поступает забортная вода. Когда в полости сегмента появляется необходимое количество забортной воды - увеличивается масса корпуса сегмента, и установка дает необходимую осадку, увеличивая площадь ватерлинии, электромагнитный клапан 16 закрывается, а вакуумная турбина 14 выключается.
Для сброса водного балласта в море и уменьшения массы балластного сегмента 9 достаточно открыть электромагнитный клапан 16 и под действием первоначальной (расчетной) плавучести, которую обеспечивают не сообщающиеся с водой, расположенные в средней части установки, сегменты 10, она будет выдавливаться на поверхность моря, и в балластный сегмент будет поступать воздух, а водный балласт уходить за борт из-за действия принципа сообщающихся сосудов.
Отверстие 18, образованное в нижней части балластного сегмента 9 может быть оснащено управляемой задвижкой 19, при помощи которой поступление забортной воды в балластные сегменты может перекрываться. Балластные сегменты 9 могут быть оснащены системой измерения объема поступающего водного балласта, включающей датчик уровня балласта 20.
Для более оперативной работы системы закачки и сброса балластной воды в эту систему могут дополнительно входить обратный электромагнитный клапан и турбина (надувная), при помощи которых может подаваться воздух из атмосферы в полости балластных сегментов, создавая в них повышенное давление, вследствие чего будет происходить более оперативное удаление водного балласта, вплоть до полного продува полости балластных сегментов.
Управление турбинами, электромагнитными клапанами, задвижками и датчиками измерения объема может происходить удаленно, известным способом через кабель или по радиочастотным устройствам как оператором, так и в автоматическом режиме, через сервер системы контроля и управления, по алгоритму, заложенному в специальном программном обеспечении.