ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
WAVE ELECTRIC POWER STATION

Область техники
Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть применено для освоения энергии волн в акваториях, характеризующихся значительными колебаниями уровня, например из-за приливно-отливных, сгонно-нагонных или сезонных явлений.
Уровень техники
Для волновых электростанций (ВолнЭС) характерно большое разнообразие принципов действия и конструктивных решений [см., например, RU 2347940, МПК F03B 13/24, 2007 г.; RU 2351793, МПК F03B 13/22, 2007 г.; RU 77362, МПК F03B 13/22, 2008 г.; RU 2388933, МПК F03B 13/16, 2008 г.].
Предлагаемое устройство относится к ВолнЭС с предварительным преобразованием энергии волн в энергию воздушного потока. Преобразование осуществляется с помощью пневмогидравлической камеры, подводная часть которой сообщена с водоемом, а надводная - с атмосферой через напорный воздуховод. Воздушный поток вращает установленную в воздуховоде турбину, кинематически связанную с генератором электроэнергии.
Технико-экономические расчеты показывают, что применение мощных ВолнЭС этого типа экономически оправдано при усредненном (например, суточном) КПД не менее 0,6.
Основные потери в таких ВолнЭС связаны с преобразованием энергии воздушного потока в энергию вращения турбины, установленной в воздуховоде, и с потерями энергии в пневмогидравлической камере. В акваториях, характеризующихся значительными изменениями уровня водной поверхности, эффективность (ее усредненное значение) известных ВолнЭС этого типа падает дополнительно именно из-за увеличения потерь энергии в пневмогидравлической камере.
Это объясняется тем, что изменения уровня водной поверхности акватории сопровождаются смещениями водовоздушной границы в неподвижной пневмогидравлической камере и изменениями глубины погружения камеры относительно оптимальных положений, принимаемых при проектировании. При слишком глубоком погружении камеры уменьшается коэффициент ее полезного действия, а при слишком мелком погружении возникает опасность оголения нижнего торца камеры с потерей работоспособности устройства.
Известна волновая электростанция, содержащая закрепленную на плавающей опоре пневмогидравлическую камеру с гладкостенным напорным воздуховодом (в виде купола), в котором установлена ортогональная воздушная турбина с лопастями крыловидного профиля [патент RU 77362, МПК F03B 13/22 от 2008 г.]. Опора выполнена в виде вертикально плавающей трубы. Нижняя часть трубы перпендикулярно и жестко скреплена с плитой, обладающей большим гидродинамическим сопротивлением и погруженной на глубину не менее половины длины волны. Плавающая опора фиксируется в требуемом месте акватории с помощью канатов и якорей.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что КПД ортогональной турбины в гладкостенном напорном воздуховоде не превышает 0,35.
Кроме того, известное устройство непригодно для сооружения и эксплуатации в составе или совместно с берегозащитными сооружениями, дамбами, плотинами приливных электростанций, т.е. в условиях, существенно повышающих технико-экономические показатели ВолнЭС.
Известна выбранная в качестве прототипа волновая электростанция, содержащая закрепленную на неподвижной опоре пневмогидравлическую камеру с напорным воздуховодом, в котором установлена осевая турбина Уэллса с лопастями крыловидного профиля. Ось турбины Уэллса ориентирована вдоль воздушного потока. Генератор установлен на оси турбины в воздуховоде [Proceedings of fourth European wave energy conference, Aalborg, Denmark, December 2000, fig.3. A.F. de O. FALCAO «The shoreline OWC wave power plant at the Azores»].
Проведенные экспериментальные исследования показали, что КПД турбины Уэллса в воздушном потоке переменного направления не превышает 0,5. Генератор, установленный в воздуховоде, дополнительно снижает КПД прототипа.
Недостаток прототипа - низкая энергетическая эффективность, особенно в акваториях, характеризующихся значительными изменениями среднего уровня водной поверхности.
Задача изобретения - устранение указанного недостатка.
Раскрытие изобретения
Предметом изобретения является волновая электростанция, содержащая неподвижную опору, пневмогидравлическую камеру, подводная часть которой сообщена с водоемом, а надводная - с атмосферой через закрепленный на верхнем торце камеры напорный воздуховод, поперек которого установлена, по меньшей мере, одна турбина с лопастями крыловидного профиля, кинематически связанная с генератором, при этом на противоположных внутренних поверхностях напорного воздуховода для каждой турбины выполнены выступы с вогнутыми стенками, примыкающие с зазором к цилиндрической поверхности, ометаемой лопастями турбины, а на опоре размещен вращающийся привод, кинематически связанный с камерой, которая закреплена на опоре с возможностью вертикального перемещения в соответствии с колебаниями среднего уровня водной поверхности.
Технический результат изобретения - повышение эффективности ВолнЭС, работающей в акваториях с изменяющимся уровнем водной поверхности, до экономически обоснованного значения, при котором усредненный КПД составляет не менее 0,6.
Изобретение имеет развития, относящиеся к частным случаям его осуществления и состоящие в том, что:
- вращающийся привод кинематически связан с пневмогидравлической камерой через пару силовых элементов из ряда гайка - винт, зубчатое колесо - зубчатая рейка, гидроцилиндр - шток, барабан - трос;
- неподвижная опора и пневмогидравлическая камера снабжены направляющими;
- вращающийся привод снабжен средствами автоматического управления с возможностью перемещения камеры относительно опоры в соответствии с колебаниями среднего уровня водной поверхности;
- генератор установлен на верхнем торце пневмогидравлической камеры вне напорного воздуховода;
- опора выполнена в виде устанавливаемой на фундаменте вертикальной стойки, а пневмогидравлическая камера снабжена внутренней трубой, охватывающей опору;
- опора выполнена пустотелой с возможностью временной герметизации и транспортирования наплавным методом к месту ее установки.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана волновая электростанция, в которой пневмогидравлическая камера закреплена на массивной неподвижной опоре с возможностью вертикального перемещения по одной из ее стенок.
На фиг.2 показан разрез Б-Б (см. фиг.1), иллюстрирующий конструкцию напорного воздуховода с турбиной.
На фиг.3 показан разрез В-В (см. фиг.1), иллюстрирующий конструкцию направляющих, установленных на опоре и камере.
На фиг.4 представлен узел А (см. фиг.1) для иллюстрации возможного выполнения кинематической связи между установленным на опоре приводом и перемещающейся по ней пневмогидравлической камерой.
На фиг.5 показана волновая электростанция, в которой опора выполнена в виде вертикальной стойки, устанавливаемой на фундамент, а камера перемещается по опоре с использованием внутренней трубы, охватывающей опору.
Осуществление изобретения с учетом его развитий
Волновая электростанция содержит (см. фиг.1) неподвижную опору 1 и закрепленную на ней пневмогидравлическую камеру 2. Подводная часть камеры 2 сообщена через открытый нижний торец 3 с водоемом, а надводная - с атмосферой через отверстие 4 и закрепленный на верхнем торце 5 камеры 2 напорный воздуховод 6. Поперек воздуховода 6 установлена турбина 7 с лопастями 8 крыловидного профиля (показаны на фиг.2). Турбина 7 кинематически связана (например, общим валом) с генератором 9, установленным вне воздуховода 6. На противоположных внутренних поверхностях воздуховода 6 в створе турбины 7 выполнены выступы 10 с вогнутыми стенками 11 и 12 (см. фиг.2). Выступы 10 примыкают с зазором δ к цилиндрической поверхности 13, ометаемой лопастями 8.
Возможна установка поперек воздуховода 6 нескольких турбин 7, для каждой из которых должна быть выполнена пара выступов 10. В этом случае турбины могут быть кинематически связаны каждая со своим генератором или с одним, общим для них генератором.
Камера 2 закреплена на опоре 1 с возможностью вертикального перемещения. При этом вместе с камерой 2 перемещаются воздуховод 6 с турбиной 7 и генератор 9, установленный на верхнем торце 5 камеры 2.
На фиг.1 показано, что генератор 9 установлен на верхнем торце 5 камеры 2 с помощью вспомогательной опоры. Возможна также установка генератора 9 с помощью вспомогательного кронштейна, закрепленного на воздуховоде 6.
Опора 1 и перемещающаяся относительно нее камера 2 могут быть снабжены направляющими элементами 14 (см. фиг.1 и 3).
На опоре 1 размещен вращающийся привод (двигатель) 15, который кинематически связан с камерой 2 через пару силовых элементов из ряда гайка - винт, зубчатое колесо - зубчатая рейка, гидроцилиндр - шток, барабан - трос. На фигурах 1, 4 и 5 в качестве примера показано применение пары из гайки 16, заключенной в корпус 17, и винта 18. Гайка 16 (см. фиг.4), связана с валом вращающегося привода 15 через коническую пару, а винт 18 соединен с камерой 2.
Привод 15 может быть снабжен средствами управления, обеспечивающими возможность автоматического перемещения камеры 2 относительно опоры 1 в соответствии с колебаниями уровня акватории (водоема).
Опора 1 может быть выполнена пустотелой с возможностью ее временной герметизации и транспортирования наплавным методом к месту ее установки.
Опора может быть выполнена (см. фиг.5) в виде устанавливаемой на фундаменте 19 вертикальной стойки 20. При этом камера 2 снабжается внутренней трубой 21, охватывающей стойку 20. Для повышения устойчивости опоры могут быть также использованы якорные устройства.
Для повышения технико-экономические показателей ВолнЭС, показанная на фиг.1, может быть выполнена в составе или совместно с берегозащитными сооружениями, дамбами, плотинами приливных электростанций, элементы которых могут использоваться в качестве опор. Опора ВолнЭС может быть также прикреплена к обрывистому, например скальному, берегу.
Волновая электростанция работает следующим образом.
Водная поверхность 22 разделяет камеру 2 на воздушную полость 23 и водную полость 24. Полость 23 сообщена с атмосферой через отверстие 4 и напорный воздуховод 6. При отсутствии ветровых волн или при закрытом жалюзийном затворе 25 воздуховода 6 движение воздуха через турбину 7 отсутствует.
Водоем, в котором сооружается электростанция, как правило, представляет собой акваторию моря или океана, в которой под воздействием ветра возникают волны.
Появление волн сопровождается вертикальными колебаниями поверхности 22, соответствующими колебательными изменениями объема воздушной полости 23 и пульсациями давления в примыкающей к отверстию 4 входной полости воздуховода 6. Воздух поочередно проталкивается через воздуховод 6 в атмосферу и засасывается обратно. Скорость течения воздуха можно считать обратно пропорциональной площади поперечного сечения потока (при действующих в данном случае давлениях и скоростях сжимаемостью воздуха можно пренебречь). Поскольку площадь сечения камеры 2 намного больше площади сечения турбинного створа воздуховода 6, скорость воздушного потока через турбину 7 многократно превышает скорость движения воздуха в полости 23, вызваемого колебаниями поверхности 22.
Турбина 7 с лопастями 8 крыловидного профиля (см. фиг.2) 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.
Воздушный поток переменного направления, образующийся в воздуховоде 6 при колебаниях поверхности 22, достигнув некоторой минимальной скорости, приводит турбину 7 во вращение. Вращающая сила действует в направлении тупых граней лопастей 8 независимо от направления воздушного потока.
При вращении турбины 7 лопасти 8 своими крайними от оси вращения точками ометают воображаемую цилиндрическую поверхность 13, к которой с зазором δ примыкают своими верхними гранями поперечные выступы 10, имеющие вогнутые стенки 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.
Использование поперечной ортогональной турбины 7 (вместо осевой турбины Уэллса в прототипе) позволило вывести генератор 9 из воздушного потока, разместить выше уровня воды и, тем самым, улучшить условия его эксплуатации.
Генератор 9, кинематически связанный с турбиной 7, вырабатывает при ее вращении электроэнергию. Чем выше частота вращения турбины и генератора, тем большую мощность можно отдавать потребителю. В качестве генератора 9 целесообразно использовать генератор переменного тока совместно с преобразователем частоты.
Амплитуда вертикальных колебаний водной посерхности 22 внутри камеры 2 и мощность воздушного потока в воздуховоде 6 снижаются при слишком глубоком погружении торца 3 камеры 2 в воду из-за уменьшения амплитуды пульсаций давления на торце 3 от волн на поверхности воды вблизи камеры 2, а при слишком мелком погружении оголяется торец 3 с попаданием через него в полость 23 атмосферного воздуха, что в обоих случаях приводит к уменьшению КПД пневмогидравлической камеры.
При приливно-отливных или сгонно-нагонных явлениях средний уровень поверхности 22 и глубина погружения торца 3 изменяются в соответствии с изменениями уровня водной поверхности акватории. Для того чтобы при этом глубина погружения в воду торца 3 камеры 2 оставалась в требуемых пределах, камера 2 закреплена на опоре 1 с возможностью вертикального перемещения.
Перемещение осуществляется по дополнительно установленным направляющим 14 (см. фиг.1 и 3) или без них. В конструкции, показанной на фиг.5, направляющими служат стойка 20 и труба 21.
Размещенный на опоре 1 привод 15, с помощью которого перемещается камера 2, может быть, например, электрическим или бензиновым. Его вращательное движение обеспечивает вертикальное перемещение камеры 2 с помощью пары силовых элементов, преобразующих вращательное движение привода 15 в поступательное. На фиг.1, 4 и 5 в качестве примера показаны конструкции, использующие пару силовых элементов гайка - винт.
Гайка 16 (см. фиг.4) установлена в корпусе 17, жестко закрепленном на опоре 1, с использованием двух радиальных 26 и двух упорных 27 подшипниках качения. Гайку 16 вращает закрепленное на ней колесо 28 конической передачи с помощью шестерни 29, насаженной на вращающийся вал привода 15. Вращение гайки 16 придает поступательное движение винту 18, соединенному с камерой 2 удлинительной штангой 30 (см. фиг.1 и 5).
Автоматика привода 15 управляет перемещением камеры 2 (например, с помощью поплавка - датчика уровня), обеспечивая требуемое погружение торца 3 в соответствии с изменениями уровня поверхности водоема.
При этом обеспечивается практическая неподвижность камеры 2 по отношению к быстрым волновым колебаниям поверхности 22, необходимая для эффективного использования энергии волн, и вертикальное перемещение камеры 2 в соответствии с относительно медленными изменениями среднего уровня поверхности 22, вызываемыми приливно-отливными и сгонно-нагонными явлениями.
Экспериментально подтвержденный КПД предлагаемой ВолнЭС с оптимальным погружением камеры 2 лежит в пределах 0.63-0.68, а расчетный среднесуточный КПД такой ВолнЭС на проектируемой Северной приливно-волновой электростанции в губе Долгая Баренцева моря составил не менее 0,6.
Предлагаемая конструкция волновой электростанции пригодна для наиболее эффективного в условиях открытого моря наплавного метода строительства. Этот метод предполагает изготовление опоры 1 в виде пустотелой железобетонной конструкции и сборку электростанции в заводских условиях. Собранная электростанция с заполненной воздухом и герметизированной опорой 1 буксируется наплаву к месту ее сооружения. При необходимости для транспортирования могут быть использованы также вспомогательные понтоны, устанавливаемые под камерой 2 в варианте конструкции опоры на фиг.5.
На месте сооружения электростанция погружается, как правило, на естественное подводное основание путем заполнения опоры 1 или понтонов водным балластом. После этого водный балласт внутри опоры 1 на фиг.1 может быть замещен более тяжелым балластом, например песчано-гравийным грунтом. Устойчивость на дне водоема опоры, выполненной в виде стойки 20 (см. фиг.5), может обеспечиваться за счет транспортируемого вместе с ней массивного фундамента 19 и балласта, а также за счет обтекаемой цилиндрической формы стойки 20 и камеры 2, уменьшающей воздействие на них штормовых волн.
Выполнение опоры волновой электростанции в виде наплавного блока облегчает и удешевляет ее сооружение.