ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА НА БАЗЕ ПОПЛАВКОВОГО НАСОСА
POWER SYSTEM BASED ON FLOAT PUMP

Область использования изобретения
Данное изобретение в целом имеет отношение к насосным блокам, а точнее, но не ограничиваясь этим, к поплавковым насосным блокам в энергетических системах на базе поплавковых насосов, в которых используется движение воды для перемещения газа, жидкости и их сочетаний из одного места в другое.
Предпосылки создания изобретения
Предпринимались многочисленные попытки использования явления, обычно называемого волнами, и преобразования энергии, наблюдаемой в волнах, в пригодные к использованию надежные источники энергии. Явление волны включает в себя передачу энергии и импульса посредством импульсов колебаний через вещества в различных состояниях; например, в случае электромагнитных волн - через вакуум. Теоретически сама среда не перемещается в процессе прохождения через нее энергии. Частицы, которые составляют такую среду, лишь перемещаются по поступательным или циклическим (орбитальным) траекториям, осуществляя передачу энергии от одной частицы к другой. Волны, подобные образующимся на поверхности океана, имеют перемещения частиц, которые не являются ни продольными, ни поперечными. Скорее перемещение частиц в такой волне обычно содержат компоненты как продольных, так и поперечных волн. Продольные волны обычно содержат частицы, перемещающиеся назад и вперед в направлении передачи энергии. Такие волны передают энергию через вещество в любом состоянии. Поперечные волны обычно содержат частицы, перемещающиеся назад и вперед под прямым углом к направлению передачи энергии. Такие волны передают энергию только через твердые вещества. В орбитальной волне перемещение частиц происходит по орбитальным траекториям. Такие волны передают энергию по поверхности раздела между двумя текучими средами (жидкостями или газами).
Волны, возникающие, например, на поверхности океана, обычно содержат компоненты как продольной волны, так и поперечной волны, поскольку они в океанской волне осуществляют перемещения по замкнутым траекториям у поверхности раздела между атмосферой и океаном. Волны обычно имеют несколько легко определимых характеристик. Такие характеристики включают: вершину, которая представляет собой самую верхнюю точку волны; впадину, которая представляет собой самую низкую точку волны; высоту, которая представляет собой расстояние в вертикальном направлении между вершиной и впадиной; длину волны, которая представляет собой расстояние в горизонтальном направлении между вершиной и впадиной; период, который представляет собой время прохождения одной длины волны; частоту, представляющую собой количество волн, которые проходят некоторую фиксированную точку в единицу времени, а также амплитуду, которая представляет собой половину высоты и прямо связана с энергией волны.
Предпринимались многочисленные попытки практического использования энергии, вырабатываемой волновыми явлениями, которые ведут свою историю с начала прошлого столетия, такие как устройство, описанное в патенте США №597,833, выданном 25 января 1898 г. Эти попытки включали в себя сооружение волноотбойных стен для улавливания энергии, образующейся в волне; использование устройств, имеющих рельсы и направляющие, а также содержащих сложные механизмы преобразования энергии, образующейся в волне; разработки насосов, выполненных с возможностью использования только для мелководных волн; строительство башен и тому подобных сооружений в тех местах вблизи берега моря, где наблюдаются отливы и приливные волны. Предпринимались также и другие попытки, которые здесь подробно не описаны.
Каждая из этих систем обладает многочисленными недостатками. Например, отдельные устройства, предназначенные для использования в морской воде, соответственно подвергаются воздействию тяжелых условий окружающей среды. Такие устройства содержат многочисленные механические части, которые требуют постоянного технического обслуживания и замены, делая таким образом эти устройства малоприемлемыми. Использование других устройств ограничено только береговой зоной моря или мелководьем, что ограничивает возможности размещения этих систем, делая таким образом эти устройства малоприемлемыми. И наконец, другие устройства неспособны использовать полную энергию, имеющуюся в волне, т.е. они страдают потерями при ее отборе, что приводит к низкому коэффициенту полезного действия устройства.
Истощение традиционных источников энергии, таких как нефть, приводит к потребности в альтернативных высокоэффективных источниках энергии. Парниковый эффект, причиной которого считаются такие явления, как глобальное потепление и тому подобные, также способствует возникновению потребности в экологически безопасных устройствах для выработки энергии. Истощение легкодоступных известных источников топлива приводит к возрастанию стоимости энергии, которое ощущается в глобальном масштабе. Это в свою очередь способствует возникновению потребности в создании экологически безопасных, высокоэффективных, имеющих низкую стоимость устройств для выработки энергии.
Потребность в легкодоступных и имеющих низкую стоимость источниках энергии также остро ощущается во всем мире. В таких местах, как, например, Китай, реки перекрываются плотинами для создания мощных источников для обеспечения энергией быстро растущего населения. Реализация таких проектов может составить двадцать или более лет до их завершения. При этом получение энергии, вырабатываемой такой плотиной, даже не начинается до завершения такого проекта. Таким образом, это является еще одной причиной необходимости в устройстве для выработки энергии, которое вырабатывает энергию немедленно при строительстве и имеет небольшую продолжительность строительства.
Краткое изложение сущности изобретения
Указанные выше проблемы и потребности разрешаются при помощи системы, содержащей поплавковые насосные блоки, приводимые в действие волнами или течениями в соответствии с данным изобретением. Эти поплавковые насосные блоки содержат поплавковый корпус, определяющий поплавковую камеру, через которую может течь текучая среда. Поплавок расположен внутри поплавковой камеры с возможностью перемещения в осевом направлении внутри нее в первом направлении по мере подъема текучей среды в поплавковой камере и во втором направлении по мере опускания текучей среды в поплавковой камере.
Поршневой цилиндр присоединен к поплавковому корпусу и имеет по меньшей мере один клапан, расположенный внутри и работающий как впускное устройство во время перемещения поплавка во втором направлении и как выпускное устройство во время перемещения поплавка в первом направлении. Поршень размещен с возможностью скольжения внутри поршневого цилиндра и присоединен к поплавку. Он размещен с возможностью перемещения в первом и втором направлениях. При перемещении поплавка во втором направлении осуществляется всасывание текучего вещества в поршневой цилиндр по меньшей мере через один клапан, а при перемещении поплавка в первом направлении осуществляется вытеснение этого текучего вещества через по меньшей мере один клапан.
Если эти поплавковые насосные блоки предназначены для перекачивания жидкостей, они соединены с известными водохранилищами. Эта накопленная жидкость впоследствии используется для приведения в движение гидравлической турбины для выработки электрической энергии. Если перекачиваемой средой является газ, то поплавковые насосные блоки соединяются с известными накопителями газа. Этот накопленный газ впоследствии используется для приведения в движение газовой турбины с целью выработки электрической энергии.
Один из конструктивных вариантов осуществления процесса вырабатывания электричества включает в себя способ и устройство для преобразования движения волн в механическую энергию. Текучее вещество перемещается под воздействием механической энергии в резервуар. Это текучее вещество вытекает из резервуара. По меньшей мере часть кинетической энергии этого текучего вещества преобразовывается в электрическую энергию. Этим текучим веществом может быть жидкость или газ.
При разработке поплавковых насосных блоков, предназначенных для размещения в водном пространстве, могут быть использованы способ и устройство с поплавковым насосным блоком. Эта система может содержать вычислительную систему, содержащую процессор, выполненный с возможностью работы с программным обеспечением. Это программное обеспечение получает входные параметры, содержащие статистические данные из зоны данного водного пространства, и выполняет расчеты по меньшей мере одного размера поплавкового устройства поплавкового насосного блока как функции этих входных параметров. Этот размер(ы) поплавкового устройства подбирается таким образом, чтобы обеспечивать возможность создания поплавковым устройством напора подъема текучей среды, перемещаемой этим поплавковым насосным блоком.
Другой вариант осуществления в соответстнии с сущностью данного изобретения включает в себя способ и устройство для выработки электричества из энергии волн водного пространства при помощи турбины. Это устройство содержит поплавковые насосные блоки, установленные в водном пространстве на определенном расстоянии таким образом, чтобы (i) обеспечить по существу восстановление формы волны после прохождения по меньшей мере одного первого поплавкового насосного блока, а также (ii) чтобы приводить в действие по меньшей мере один второй поплавковый насосный блок. Эти поплавковые насосные блоки выполнены с возможностью перемещения текучего вещества для приведения в движение турбины.
Краткое описание прилагаемых чертежей
Более полное понимание способа и устройства по данному изобретению может быть достигнуто при изучении последующего подробного описания, в котором соответственные номера позиций обозначают соответственные элементы, выполненное в соответствии с прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг.1 представляет собой вид сбоку в разобранном состоянии поплавкового насосного блока по первому варианту осуществления в соответствии с данным изобретением для использования в энергетической системе на базе поплавковых насосов;
Фиг.2А представляет собой вид сверху поплавкового насосного блока, показанного на Фиг.1;
Фиг.2В представляет собой поперечное сечение устройства, показанного на Фиг.2А, выполненное по линии 2В-2В;
Фиг.2С представляет собой вид сбоку в собранном состоянии поплавкового насосного блока, показанного на Фиг.1;
Фиг.3А-3С представляют собой виды сверху, сбоку и в изометрической проекции примера поплавка в соответствии с данным изобретением;
Фиг.3D представляет собой местный разрез примера поплавка, имеющего телескопически выдвигающуюся часть;
Фиг.3E-3F представляют собой виды сверху примера регулируемого основания для одного из примеров поплавка в суженном состоянии и расширенном состоянии соответственно;
Фиг.4А-4С представляют собой виды сбоку поплавкового насосного блока, показанного на Фиг.1, в процессе прохождения волны через этот поплавковый насосный блок;
Фиг.4D представляет собой схематическое изображение типичной волны;
Фиг.5 представляет собой вид сбоку альтернативного варианта осуществления предложенного поплавкового насосного блока, предназначенного для использования в энергетической системе на базе поплавковых насосов в соответствии с данным изобретением;
Фиг.6 представляет собой вид сбоку другого варианта осуществления предложенного поплавкового насосного блока, предназначенного для использования в энергетической системе на базе поплавковых насосов в соответствии с данным изобретением;
Фиг.7 представляет собой вид сбоку другого варианта осуществления предложенного поплавкового насосного блока, предназначенного для использования в энергетической системе на базе поплавковых насосов в соответствии с данным изобретением;
Фиг.8 представляет собой вид сбоку другого варианта осуществления предложенного насоса, работающего от энергии волн, другого альтернативного варианта осуществления поплавкового насосного блока, предназначенного для использования в энергетической системе на базе поплавковых насосов в соответствии с данным изобретением;
Фиг.9 представляет собой вид сбоку другого варианта осуществления предложенного поплавкового насосного блока, предназначенного для использования в энергетической системе на базе поплавковых насосов в соответствии с данным изобретением;
Фиг.10 представляет собой вид сбоку другого варианта осуществления предложенного поплавкового насосного блока, предназначенного для использования в энергетической системе на базе поплавковых насосов в соответствии с данным изобретением;
Фиг.11 представляет собой вид сбоку поплавкового насосного блока, связанного с иллюстративным устройством для культивации аквикультур и предназначенного для использования в энергетической системе на базе поплавковых насосов в соответствии с данным изобретением;
Фиг.12А представляет собой иллюстрацию кольца поплавковой камеры, которое может быть использовано в качестве элемента конструкции другого варианта осуществления поплавкового насосного блока;
Фиг.12В представляет собой вид сверху в перспективе, выполненный в направлении поперечного сечения поплавковой камеры, показанной на Фиг.1, где используется кольцо поплавковой камеры, показанное на Фиг.12А;
Фиг.12С представляет собой другой вариант осуществления кольца поплавковой камеры, показанного на Фиг.12А и выполненного в виде крышки поршневой камеры;
Фиг.13 представляет собой схему устройства для динамического определения и/или регулирования размера поплавка на основании данных по волнам, на которой показано схематическое изображение предложеного поплавка на мониторе вычислительной системы;
Фиг.14 представляет собой вид предложеной энергетической системы на базе поплавковых насосов, в которой используется водонапорная башня, в соответствии с данным изобретением;
Фиг.15 представляет собой вид энергетической системы на базе поплавковых насосов в альтернативном варианте осуществления в соответствии с данным изобретением;
Фиг.16 представляет собой вид другой энергетической системы на базе поплавковых насосов в альтернативном варианте осуществления;
Фиг.17А представляет собой изображение поля насоса 1700, которое содержит поплавковые насосные блоки, выполненные с возможностью перемещать текучее вещество в резервуар под воздействием волн в океане; а также
Фиг.17В представляет собой увеличенный вид компоновки поплавковых насосных блоков, включая отдельные поплавковые насосные блоки.
Подробное описание прилагаемых чертежей
Для решения проблем, указанных выше, предусмотрен поплавковый насосный блок для преобразования потенциальной энергии, которая содержится в естественном перемещении очень больших объемов воды, находящихся в виде океана, озера, реки, но не ограниченном ими, и представляющем собой зыбь и волны, в механическую энергию со сравнительно высокой эффективностью. Этот поплавковый насосный блок выполнен с возможностью перекачивания как газа или жидкости, так и их сочетаний. Как принято в изложении, текучее вещество определяется и как жидкость, и как газ, таким образом включая как воздух, так и воду.
Перекачиваемый газ или жидкость как источники механической энергии могут при этом использоваться в турбинах энергетических установок, пневматическом инструменте, вентиляционных устройствах или любых других механических устройствах, использующих этот вид энергии. Такой источник механической энергии также может быть использован для выработки электрической энергии с использованием аналогичных механических устройств преобразования.
На Фиг.1-2С показан поплавковый насосный блок 100 в различных видах согласно первому варианту осуществления данного изобретения. Этот поплавковый насосный блок 100 содержит основание 102, поплавковый цилиндр 104, соединенный с одной стороны с основанием 102, а с другой стороны закрытый крышкой 106 поплавкового цилиндра, а также поршневой цилиндр 108, соединенный с одной стороны с крышкой 106 поплавкового цилиндра и расположенный по существу соосно с поплавковым цилиндром 104. С другой стороны поршневой цилиндр 108 закрыт крышкой 110 поршневого цилиндра. Поплавковый цилиндр 104 закрыт с одной стороны верхней поверхностью основания 102, а с другой стороны крышкой 106 поплавкового цилиндра с образованием поплавковой камеры 112 внутри.
Поплавок 114 по существу цилиндрической формы размещен с возможностью скольжения внутри поплавковой камеры 112 и с возможностью перемещения в осевом направлении внутри. Шток 116 поршня, соединенный с верхним концом поплавка 114, расположен по существу соосно с ним и выходит через отверстие 118 в крышке 106 поплавкового цилиндра. Поршень 120 по существу цилиндрической формы размещен с возможностью скольжения внутри 108 поршневого цилиндра и соединен в нижней части с другим концом штока 116 поршня с возможностью перемещения по существу в осевом направлении внутри. Поршневой цилиндр 108 закрыт с одной стороны верхней поверхностью поршня 120, а с другой стороны крышкой 110 поршневого цилиндра с образованием поршневой камеры 122 внутри.
Впускной клапан 124 и выпускной клапан 126 расположены внутри крышки 110 поршневого цилиндра и находятся в гидравлической связи с поршневой камерой 122, обеспечивая прохождение газа или жидкости. Впускная линия 128 и выпускная линия 130 присоединены к впускному клапану 124 и выпускному клапану 126 соответственно и выполнены с возможностью пропускать внутрь и соответственно наружу газ или жидкость с других сторон.
Основание 102 может содержать в себе балласт для удержания поплавкового насосного блока 100 неподвижно относительно места установки. Основание 102 может также включать в себя резервуар для накопления газа или жидкости, перекачанной внутрь, который соединен с выпускной линией 130 для пропускания внутрь воздуха или жидкости из поршневой камеры 122. Если основание 102 должно быть использовано как накопитель, то выход 132 основания может быть соединен с ним для обеспечения поступления потока газа или жидкости к требуемому месту из основания 102. Необходимо принимать во внимание то, что место расположения выхода 132 из основания в этом основании 102 может быть размещено в произвольном месте основания 102.
Поплавковый цилиндр 104, который может также представлять собой поплавковый корпус, может быть присоединен к верхней поверхности основания 102 цепями 134, которые в свою очередь присоединены к поплавковому цилиндру 104. Таким образом, цепи 134 обеспечивают устойчивость поплавкового цилиндра 104 на основании 102. Разумеется, что для соединения поплавкового цилиндра 104 с основанием 102 могут быть использованы оттяжки или другие средства соединения, и данное изобретение не ограничено цепями 134, выполняющими функцию этих средств соединения.
Поплавковый цилиндр 104 может также иметь множество равномерно расположенных по периметру отверстий для обеспечения прохода потока жидкости, такой как вода, через поплавковый цилиндр 104, окружающий блок плавучести 114. Для снижения турбулентности волн, сопутствующей такому потоку, множество компенсирующих отверстий 131 могут быть предусмотрены на поплавковом цилиндре 104. Так, поплавковый цилиндр 104 может содержать клетку или ей подобную конструкцию для уменьшения трения, связанного с газом, протекающим через поплавковый цилиндр 104.
Поплавковый цилиндр 104 имеет заданную длину. Длина поплавкового цилиндра 104 зависит от перемещения поплавка 114 в различных жидких средах. Например, когда поплавковый насосный блок 100 размещается в условиях океана, длина поплавкового цилиндра 104 должна быть регулируемой для обеспечения работы поплавкового насосного блока 100 в условиях годовых изменений приливов и отливов и высоты волн. Когда же поплавковый насосный блок 100 размещается, например, в условиях озера, длина поплавкового цилиндра 104 не требует регулировки по эксплуатационным характеристикам высоты волны.
В другом примере в водном пространстве, имеющем глубину 10 футов (3,048 м), поплавковый цилиндр должен быть по меньшей мере в 10 футов (3,048 м) и иметь дополнительно 7 футов (2,134 м) рабочей высоты помимо этих 10 футов (3,048 м) для обеспечения перемещения поплавка внутри поплавковой камеры. Соответственно этот поплавковый цилиндр должен иметь высоту 17 футов и 7 футов (2,134 м) полезного хода. Однако, если водное пространство имеет изменения приливных характеристик, данный пример претерпевает определенные изменения.
В измененном примере при поплавковом насосном блоке, размещенном в водном пространстве глубиной 10 футов (3,048 м), изменения уровня прилива в 2 фута (0,6096 м) приводят к потере 2 футов (0,6096 м) полезного хода. Чтобы учесть это изменение, разница между нижним и верхним уровнями годового цикла добавляется к длине поплавкового цилиндра, который должен использоваться. Т.е. в условиях, когда максимальная высота волны составляет 7 футов (2,134 м), уровень отлива 10 футов (3,048 м), а уровень прилива 14 футов (4,267 м), разница между уровнем отлива и прилива составит 4 фута (1,219 м). Эта величина добавляется к длине поплавкового цилиндра (7 футов (2,134 м) (для максимальной высоты волны) + 10 футов (3,048 м) (для обеспечения работы поплавкового насосного блока в условиях отлива) + 4 фута (1,219 м) (разница между уровнями прилива и отлива)) до полной длины поплавкового цилиндра 21 фут (6,401 м). Это позволяет иметь ход 7 футов (2,134 м) в дни прилива с полным использованием проходящих волн.
Крышка 106 поплавкового цилиндра выполнена с возможностью установки на ней цилиндра 108, а отверстие 118 в ней выполнено с возможностью предотвращения попадания через него жидкости, поступающей и поплавковую камеру 112, в поршневой цилиндр 108. Крышка 106 поплавкового цилиндра может быть соединена с поплавковым цилиндром 104 при помощи сварного, резьбового или другого пригодного соединения, выполненного с возможностью сопротивления внешним нагрузкам, а также должна выдерживать нагрузки, создаваемые поршневым цилиндром 108 и его элементами конструкции. В отверстии 118 крышки 106 могут быть использованы уплотнения для предотвращения попадания жидкостей или газов в поршневой цилиндр 108 из поплавковой камеры 112. Цилиндр 108 выполнен с возможностью уплотнения внутренней полости поршневого цилиндра 108 от окружающей среды. Поршневой цилиндр 108 выполнен из такого материала, который способен противостоять воздействию окружающей среды, включая воду в озерах, океанах и реках.
Поплавок 114, расположенный внутри поплавковой камеры 112, является по существу цилиндрическим и имеет коническую верхнюю поверхность. Поплавок 114 имеет такую заданную плавучесть, чтобы перемещаться циклически в соответствии с гидродинамическими параметрами воды, в которой установлен поплавковый насосный блок 100, а также гидравлическими или пневматическими характеристиками самого поплавкового насосного блока 100. Плавучесть поплавка 114 может соответствующим образом регулироваться в зависимости от свойств и гидродинамических характеристик воды и устройства. Такая регулировка может производиться путем (1) регулирования вручную или дистанционно поплавка 114 в осевом направлении или в радиальном направлении относительно поплавковой камеры 112 или в обоих направлениях; и (2) регулирования других характеристик поплавка 114, которые влияют на его поведение в воде. Примеры средств регулирования более подробно описаны далее.
Шток 116 поршня соединен с поплавком 114 и поршнем 120 посредством соответствующих соединений 136, 138. Эти соединения 136, 138 могут иметь подвижную или гибкую конструкцию в зависимости от радиального перемещения поршня 120 или поплавка 114, когда поршень 120 и поплавок 114 не соосны. Такая подвижность или гибкость может быть достигнута путем использования шарнирного соединения или других пригодных видов соединения.
Конструкция штока 116 поршня должна быть легкой и устойчивой к воздействиям окружающей среды, т.е. шток 116 поршня осуществляет функционирование в жестких условиях окружающей среды. Также конструкция штока 116 поршня должна обеспечивать передачу усилий с поплавка 114 на поршень 120 и с поршня 120 на поплавок 114. Кроме того, шток 116 поршня выполнен с возможностью регулирования при помощи телескопического выдвижения таким образом, что длина штока 116 поршня может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от требований эксплуатации поплавкового насосного блока 100. Регулирование штока 116 поршня может быть необходимым тогда, когда перекачиваемой средой является воздух или же высота волн или зыби является менее требуемой. Такое регулирование обеспечивает максимальное использование потенциальной энергии волн или зыби.
Для обеспечения уплотнения поршневой камеры 122 поршень 120, который расположен с возможностью скольжения внутри поршневого цилиндра 108, может иметь уплотнение между ними, расположенное по периметру поршня 120. Уплотнение выполнено с возможностью предотвращать протечку газа или жидкости из внешней среды в поршневую камеру 122 или из поршневой камеры 122 во внешнюю среду, тогда как поршень 120 остается скользящим внутри поршневой камеры 122.
Впускные и выпускные клапаны 124, 126 представляют собой однонаправленные гидравлические устройства, которые позволяют потоку газа или жидкости проходить либо внутрь, либо наружу из поршневой камеры 122 соответственно. Предпочтительно, чтобы клапаны 124, 126 могли быть расположены в различных местах на крышке 110 поршневого цилиндра, чтобы обеспечивать достижение требуемого давления внутри поршневой камеры 122.
Поскольку перемещение поплавка 114 в поплавковом цилиндре 104 может замедляться по причине трения или попадания посторонних предметов в поплавковый цилиндр 104, несколько шайб 140 могут быть установлены на внутренней поверхности поплавкового цилиндра 104. Эти шайбы 140 могут располагаться вдоль оси поплавкового цилиндра 104 со стороны его внутренней стенки и также служить для стабилизации положения поплавка 114 внутри поплавкового цилиндра. Эти шайбы 140 могут быть выполнены из пригодного материала таким образом, что коэффициент трения между шайбами 140 и поплавком 114 будет близок к нулю.
Для ограничения осевого перемещения поплавка 114 внутри поплавкового цилиндра 104 могут быть выполнены несколько упоров 142 на внутренней поверхности поплавкового цилиндра 104, расположенные в его нижней части. Положение упоров 142 может регулироваться для установки требуемой длины хода поршня 120 внутри поршневого цилиндра 108.
Разумеется, осевое перемещение поплавка 114 в поплавковом цилиндре 104 преобразуется в осевое перемещение поршня 120 внутри поршневого цилиндра 108 посредством штока 116 поршня. Шток 116 поршня и соединения 136 также задают положение поршня 120 относительно поплавка 114.
На Фиг.3А-3С показан предлагаемый поплавок 300 на видах сверху, сбоку и в изометрической проекции соответственно. Поплавок 300 имеет осевое отверстие 302, выполненное с возможностью прикрепления к соединению 136 (Фиг.2В), т.е. соединения со штоком 116 поршня (Фиг.1). Верхняя часть 304 сужается радиально внутрь от краев поплавка 300 и заканчивается осевым отверстием 302. Сужение верхней части 304 способствует осевому перемещению поплавка 300, особенно когда поплавок 300 погружен в воду и перемещается в направлении к поверхности воды. Хотя верхняя часть 304 показана отдельно от нижней части 306 поплавка 300, разумеется, что такие сужения могут начинаться от любой части поплавка 300 и заканчиваться осевым отверстием 302 для облегчения осевого перемещения поплавка 300 в воде.
На Фиг.3D показан разрез другого предлагаемого поплавка 350. Этот поплавок 350 имеет верхнюю часть 352 и нижнюю часть 354. Верхняя часть 352 имеет радиально сужающуюся часть 356 для облегчения осевого перемещения поплавка 350 в воде, а часть 358, не имеющая сужения, соединена с сужающейся частью 356. На внутренней поверхности верхней части 352 поплавка 350 выполнена резьба 360.
Нижняя часть 354 поплавка является по существу цилиндрической и имеет множество витков резьбы 362, выполненных на внешней поверхности нижней части 354. Резьба 362 нижней части 354 соответствует резьбе 360 верхней части 352 и позволяет осуществлять осевое перемещение нижней части 354 относительно верхней части 352.
Перемещение нижней части 354 относительно верхней части 352 осуществляется с помощью двигателя 364. Двигатель 364 присоединен к верхней поверхности 365 нижней части 354. Приводной вал 366 соединяет двигатель 364 с этой верхней поверхностью 365 и вращает нижнюю часть 354 в заданном направлении, таким образом осуществляя телескопическое выдвижение поплавка 350. Телескопическое перемещение нижней части 354 увеличивает или уменьшает высоту поплавка 350, таким образом увеличивая или уменьшая плавучесть поплавка 350. Разумеется, диаметр поплавка 350 может регулироваться подобным образом с использованием подобных способов.
На Фиг.3Е и Фиг.3F показаны виды сверху предлагаемого регулируемого основания поплавка 370. Регулируемое основание поплавка 370 содержит внешние пластины 372, внутренние пластины 374, присоединенные к внешним пластинам 372, расположенный по оси двигатель 376, присоединенный к редуктору 378, а также несколько расширяющих рычагов 380, присоединенных к редуктору 378 и внешним пластинам 372. Уплотнение внешнего контура основания 370 поплавка осуществляется при помощи пластика, термопластика или другого уплотнительного материала 382, такого как, например, резина. Этот уплотнительный материал 382 предотвращает попадание посторонних предметов и материалов из окружающей среды внутрь основания 370 поплавка.
Внешние пластины 372 присоединены к внутренним пластинам 374 посредством роликов 384. Ролики 384 обеспечивают перемещение внешних пластин 372 относительно внутренних пластин 374. Направляющие для роликов 384 могут быть расположены на соответствующих поверхностях внешних и внутренних пластин 372, 374.
Двигатель 376 расположен по оси на основании 370 поплавка и имеет соответствующий источник питания. Двигатель 376 присоединен к редуктору 378 таким образом, что при приведении в действие двигателя 376 редуктор 378 вращается в направлении по часовой стрелке или против часовой сделки.
Редуктор 378 связан с расширяющими рычагами 380 таким образом, что вращение редуктора 378 в направлении по часовой стрелке или против часовой стрелки приводит к соответствующему увеличению или уменьшению диаметра основания 370 поплавка за счет перемещение внешних пластин 372 относительно внутренних пластин 374 посредством роликов 384.
1
2
Например, Фиг.3Е показывает основание 370 поплавка в суженном положении, когда диаметр составляет D. Когда двигатель 376 приводится в действие таким образом, чтобы вращать редуктор 378 в направлении по часовой стрелке, расширяющие рычаги 380 соответственно поворачиваются, тем самым увеличивая диаметр основания поплавка 380, как показано на Фиг.3F он составляет D. Термопластичный материал 382 подобным образом расширяется в соответствии с увеличением диаметра поплавка. Соответственно основание поплавка 370 при использовании в поплавковом насосном блоке может расширяться или сужаться в радиальном направлении для увеличения или уменьшения диаметра присоединенного к нему поплавка. Разумеется, что, несмотря на примеры, приведенные для по существу цилиндрической конфигурации, основание 370 поплавка может иметь и другие конфигурации в зависимости от конструкции и требований, предъявляемых к данному поплавковому насосному блоку.
На Фиг.4А, Фиг.4В и Фиг.4С поплавковый насосный блок 100 показан в различных положениях по мере прохождения волны (W) через поплавковую камеру 112 (Фиг.1). Волны (W), проходящие через поплавковый насосный блок 100, имеют следующие геометрические характеристики:
H
- высота волны (W) представляет собой расстояние по вертикали между вершиной (С), или высшей точкой волны, и впадиной (Т), или низшей точкой волны;
L
- длина волны (W) представляет собой расстояние между соответствующими точками, например, вершинами или впадинами волн; а также
WL
H
- уровень невозмущенной поверхности (S) представляет собой уровень поверхности воды при полном отсутствии волн; обычно это середина высоты волны (W).
1
L
L
2
На Фиг.4А показан поплавок 114, опирающийся в своем самом верхнем положении по вертикали на вершину (C) волны (W). При этом текучее вещество выходит через выпускной клапан 126. Когда волна (W) проходит через поплавковую камеру 112 на расстояние приблизительно половины (1/2) длины волны (W), как показано на Фиг.4В, поплавок 114 опускается в свое самое нижнее положение по вертикали на впадине (Т) волны (W). При этом текучее вещество всасывается через впускной клапан 124. На Фиг.4С волна (W) прошла полную длину волны (W) таким образом, что поплавок 114 возвратился в наивысшее положение по вертикали на следующей вершине (C), и текучее вещество снова выходит через выпускной клапан 126.
L
D
1
Ход поршня (Ps) (не показан) поплавкового насосного блока 100 определяется как расстояние, которое проходит поршень 120 под действием поплавка 114 в то время, когда волна (W) проходит одну длину волны (W) через поплавковую камеру 112. Когда волна (W) проходит через поплавковую камеру 112, поплавок 114 опускается на расстояние (В), равное высоте волны от положения на ее вершине (C) на Фиг.4А, до положения на ее впадине (Т) на Фиг.4В, а затем поднимается на то же расстояние
R
2
H
(B) от положения на подошве (Т) на Фиг.4В до положения на вершине (С) на Фиг.4С. Следовательно, ход поршня (Ps) равняется удвоенной высоте волны (W):
D
R
H
Ps=B+B=2W.
Таким образом, поршень 120 имеет «половину хода» при опускании и «половину хода» при подъеме, также называемые соответственно «ходом опускания» и «ходом подъема».
H
P
P
Волна имеет определенную высоту волны W и период W при прохождении через поплавковый насосный блок 100. Соответственно поплавковый насосный блок 100 имеет ход поршня Ps, который проделывается поршнем, перемещающимся на протяжении одного полного периода волны W. Как видно из Фиг.4А, при перемещении волны через поплавковый насосный блок 100 поплавок перемещается в прямом соответствии с проходящей волной.
Когда поплавковый насосный блок 100 находится не под давлением, поплавок 114 может перемещаться на максимальное расстояние, зависящее от движения волн, т.е.
smax
L
P=2W. Оно преобразуется в полный полуход перемещения поршня 120 в поршневом цилиндре 108, что заставляет текучее вещество выходить из поршневой камеры через клапан.
Ссылаясь опять на Фиг.1, во время работы, после того, как поплавковый насосный блок 100 первоначально помещается в водное пространство, такое как океан, озеро, река, или другую среду, в которой образуются волны или зыбь, первоначальное давление в выпускной линии 130, выпускном клапане 126 и поршневой камере 122 является нулевым. Некоторая волна с определенными свойствами приходит на поплавковый насосный блок 100. Вода из этой волны постепенно заполняет поплавковую камеру 112. По мере того как вода заполняет поплавковую камеру 112, поплавок 114 начинает подниматься вместе с поднимающейся водой в поплавковой камере 112.
Плавучесть поплавка 114 выбрана таким образом, что большая часть поплавка 114 находится выше уровня воды внутри поплавковой камеры 112, таким образом обеспечивая осевое перемещение поплавка 114 внутри поплавковой камеры 112. Когда волна уходит, поплавок 114 опускается вместе с оседанием воды в поплавковой камере 112 и под действием силы тяжести. Шток поршня 116 передает перемещение поплавка 114 на поршень 120.
С другой стороны эксплуатационного диапазона, когда поплавковый насосный блок 100 начинает работу с максимальным давлением в выпускной линии 130 и выпускном клапане 130, большая часть поплавка 114 будет по сути погружена в воду, в которой находится поплавковый насосный блок 100. Это приводит к уменьшению длины хода поршня 120 в поршневой камере 122.
Действие силы тяжести приводит к перемещению вниз поплавка 114 и поршня 120 по мере прохода данной волны или зыби. При подъеме данной волны или зыби плавучесть поплавка 114 обеспечивает усилие/энергию подъема для поршня 120 через шток 116 поршня. Когда давление на поршне 120 и на выпускном клапане 126 низкое, поплавок 114 поднимается в воде сравнительно высоко внутри поплавковой камеры, поскольку потребное усилие подъема поплавка является только относительным противодавлением, создаваемым в поршневой камере 122 через выпускной клапан 126.
Когда давление на поршне высокое, осевое перемещение поплавка 114 внутри камеры плавучести ограничено, что приводит к более низкой посадке поплавка 114 в воде. При определенных условиях под воздействием высокого давления в поршневой камере 122 поплавок 114 может быть почти полностью погруженным, но при этом продолжать перемещаться в осевом направлении внутри поплавковой камеры, перекачивая жидкость или газ внутри поршневой камеры 122. В конечном счете давление на выпускном клапане 126 может стать таким высоким, что плавучесть поплавка 114, даже когда он полностью погружен, больше не может обеспечивать достаточного усилия подъема для перемещения поршня 120. В таком состоянии поплавок 114 и поршень 120 прекращают перемещение, даже если волна или зыбь продолжают движение относительно поплавкового насосного блока 100.
Например, в поплавковом насосном блоке, имеющем поплавок высотой один фут (0,3048 м), при условии максимального давления данный поплавковый насосный блок будет терять приблизительно один фут (0,3048 м) хода насоса внутри поршневого цилиндра. При наличии волны только в один фут (0,3048 м) этот поплавковый насосный блок не будет осуществлять перекачивание.
Если такое состояние не будет достигнуто, поплавок 114 и поршень 120 будут продолжать перемещаться в осевом направлении вместе с движением волн или зыби до тех пор, пока волна или зыбь не достигнет своей соответствующей максимальной высоты, обеспечивая перемещение поршнем 120 жидкости или газа в поршневой камере 122 через выпускной клапан 126. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнута точка максимального сжатия в поршневой камере 122, но все еще при наличии внешнего потока.
В случае, когда поплавок 114 почти погружен или погружен, но продолжает перемещение в осевом направлении, определяется высшая ватерлиния поплавкового насосного блока 100. Когда волна или зыбь проходит, самая низкая точка опускания поплавка 114 определяет низшую ватерлинию поплавкового насосного блока 100. Расстояние между высшей и низшей ватерлиниями определяет рабочий полезный ход поршня 120.
Например, когда перекачиваемой средой является газ, впускная линия 128, которая может регулироваться, чтобы быть подключенной к источнику газа, располагается в таком месте, которое соединено со средой и принимает газ из среды, содержащей газ, такой как окружающий воздух. Выпускная линия 130 может быть соединена с основанием 102 с целью накопления сжатого газа. Разумеется, что выпускная линия 130 может быть соединена и с другим средством для накопления газа, таким как стационарный резервуар, расположенный вне поплавкового насосного блока 100.
В примере для газа, когда поршень 120 опускается вместе с оседанием волны, в поршневой камере 122 создается вакуум, который обеспечивает всасывание газа через впускную линию 128 и впускной клапан 124 в поршневую камеру 122. В точке впадины волны и после того, как вода покидает поплавковую камеру 112, или же когда поплавок 114 входит в контакт с упорами 142, которые тормозят дальнейшее перемещение вниз поплавка 114 и поршня 120, максимальное количество газа заполняет поршневую камеру 122.
По мере того как волна начинает подниматься и вода постепенно заполняет поплавковую камеру 112, поплавок 114 подвергается воздействию воды, входя с ней в контакт. Плавучесть поплавка 114 приводит к естественному подъему поплавка 114 вследствие повышения уровня воды внутри поплавковой камеры 112. Благодаря неподвижности поплавка 114 относительно поршня 120, обеспечиваемой штоком поршня 116, поршень 120 поднимается в прямом соответствии с подъемом поплавка 114.
Газ, который подается в поршневую камеру 122, сжимается внутри поршневой камеры 122 по мере того, как поплавок 114 поднимается, до тех пор, пока давление сжатого газа не преодолеет давление в магистрали на выпускной линии 130. В этот момент газ проходит через выпускной клапан 126 и выпускную линию 130, а затем направляется в требуемое место для использования или накопления. Например, основание 102 в примере, описанном выше, или другое место накопления может использоваться для накопления сжатого газа. Также возможно и рассеивание газа в атмосфере при необходимости.
При достижении волной своей максимальной высоты при прохождении через поплавковый насосный блок 100 вода начинает выходить из поплавковой камеры 112. Действие силы тяжести перемещает поплавок 114 вниз вместе с волной, что приводит к перемещению вниз поршня 120 и созданию вакуума в поршневой камере 122. Вакуум при этом опять всасывает газ в поршневую камеру 122, как описывалось выше, таким образом повторяя процесс с каждой последующей волной. Тем самым поплавковый насосный блок 100 приводится в действие, последовательно и циклически всасывая газ в поршневую камеру 122, сжимая газ внутри поршневой камеры 122 и выталкивая газ из поршневой камеры 122 в основание 102. Поршень 120 далее сжимает газ, накапливающийся в основании 102, с каждым циклом до тех пор, пока поплавок 114 может преодолевать давление накапливаемого газа в выпускной линии 130. С этого момента поплавок 114 больше не будет подниматься относительно волн.
В другом примере, когда перекачиваемой средой является жидкость, впускная линия 128 присоединяется к источнику жидкости, такой как вода. Выпускная линия 130 может быть соединена с резервуаром накопления, который может включать, но не ограничивается дном озера, водонапорной башней, или другой водной системой. Когда перекачивается несжимаемая жидкость, такая как вода, шток 116 поршня не нуждается в регулировании, поскольку поплавковый насосный блок 100 будет за один раз закачивать поршневую камеру 122, полностью заполняемую несжимаемой жидкостью.
В примере для жидкости опускание поршня 120 соответственно создает вакуум в поршневой камере 122, который всасывает воду через впускную линию 128 и впускной клапан 124 в поршневую камеру 122. В точке впадины волны и когда вода покидает поплавковую камеру 112 или же когда поплавок 114 входит в контакт с упорами 142, которые тормозят дальнейшее перемещение вниз поплавка 114, максимальное количество жидкости заполняет поршневую камеру 122.
По мере того как волна начинает подниматься и вода постепенно заполняет поплавковую камеру 112, поплавок 114 подвергается воздействию воды, входя с ней в контакт. Плавучесть поплавка 114 приводит к естественному подъему поплавка 114 вследствие повышения уровня воды внутри поплавковой камеры 112. Благодаря неподвижному закреплению поплавка 114 относительно поршня 120, обеспечиваемому штоком поршня 116, поршень 120 постепенно поднимается в прямом соответствии с подъемом поплавка 114. В случае воды в качестве рабочей среды поднимающаяся несжимаемая вода внутри поршневой камеры 122 преодолевает давление в магистрали в выпускной линии 130. В этот момент вода проходит через выпускной клапан 126 и выпускную линию 130, а затем направляется в требуемое место для использования или накопления. Возможно и рассеивание жидкости и/или газа в атмосфере при необходимости.
При достижении волной своей максимальной высоты при прохождении через поплавковый насосный блок 100 и последующем уходе вода начинает постепенно выходить из поплавковой камеры 112. Действие силы тяжести перемещает поплавок 114 вниз, что приводит к перемещению вниз поршня 120 и созданию вакуума в поршневой камере 122. Вакуум служит для всасывания жидкости и/или газа в поршневую камеру 122. Процесс повторяется с каждой последующей волной. Тем самым поплавковый насосный блок 100 приводится в действие, последовательно и циклически всасывая жидкость и/или воду в поршневую камеру 122 и перекачивая жидкость и/или воду из поршневой камеры 122.
Разумеется, что в примере с жидкостью должна быть принята во внимание потеря плавучести по причине веса воды/жидкости, имеющейся внутри поршневой камеры 122. Однако в примере газа из-за сравнительной легкости газа по сравнению с жидкостью такая потеря фактически отсутствует. Такая потеря в примере с жидкостью может быть компенсирована путем регулирования характеристик поплавка 114.
Работа поплавкового насосного блока 100 зависит от среды, где он должен эксплуатироваться. Например, когда поплавковый насосный блок 100 расположен в океане, для которого имеются определенные средние данные за год по волнам, поплавковый насосный блок 100 должен быть закреплен на какой-либо конструкции в определенном положении относительно волн или установлен с балластом таким образом, чтобы поплавковый насосный блок сохранял свое положение относительно волн. Такие конструкции могли бы фиксироваться, или неподвижно фиксироваться, или могли бы содержать имеющую плавучесть емкость, конструкцию типа платформы или непосредственное прикрепление поплавкового насосного блока 100 ко дну океана. Такие соединения являются широко распространенными, особенно в нефтяной и газовой промышленности, и предполагаются для использования с новым поплавковым насосным блоком 100 в соответствии с сущностью данного изобретения.
Гидростатический подъем для приведения в движение поршня внутри поршневого цилиндра через шток поршня непосредственно связан со способностью поплавка к гидростатическому подъему. Теоретически, например, при общем водоизмещении поплавка в 100 фунтов (45,36 кг), за вычетом собственного веса поплавка (10 фунтов) (4,536 кг), штока поршня, соединений, других вспомогательных частей (5 фунтов), а также веса поршня (2,5 фунта) (1,134 кг) из общего водоизмещения (100 фунтов) (45,36 кг) остается располагаемая способность к подъему 82,5 фунта (37,422 кг). Эмпирическая проверка поплавкового насосного блока 100 говорит о приблизительно 96% соответствии этому соотношению.
Предполагается, что поплавковый насосный блок 100 может быть использован с самоустановкой положения относительно дна океана и таким образом поддержания по существу устойчивого положения относительно волновой среды, в которой он эксплуатируется. Например, поплавковый насосный блок 100 может иметь балластные отсеки, заполненные соответствующим балластом. Поплавковый насосный блок 100 может перекачивать газ или жидкость в эти балластные отсеки, таким образом регулируя положение поплавкового насосного блока 100 относительно волновой среды. Такая конфигурация может быть выполнена путем соединения выходной линии 130 поплавкового насосного блока 100 с балластным отсеком и выполнения системы управления, предназначенной для регулирования расхода поступления и выхода для балластного отсека по заданному условию. Могут быть использованы как газ, так и жидкость, в зависимости от требуемого регулирования положения поплавкового насосного блока 100.
Также предполагается, что длина и ширина (диаметр) поршня 120 могут регулироваться с целью обеспечения соответствия перекачиваемой среде или характеристикам поршня 120, поплавковой камеры 112, а также поплавка 114. Подобным образом поршень 120 может иметь телескопическое регулирование или подобное ему с целью регулирования высоты или ширины поршня 120 подобно поплавку 300 (смотри Фиг.3А-3С).
Например, настройки расходов и давления внутри поплавкового насосного блока 100 связаны с внутренним диаметром и высотой поршневого цилиндра 108. Чем больше поршневой цилиндр 108 и длиннее ход поршня внутри поршневого цилиндра 108, тем большее количество жидкости или газа пропускается с минимальным давлением. Чем меньше поршневой цилиндр 108 и чем короче ход поршня внутри поршневого цилиндра 108, тем большее давление создается в жидкости или газе и меньшее количество жидкости или газа пропускается.
Очевидно, что могут возникать, хотя и относительно незначительные, и потери на трение, которые зависят от длины и других геометрически параметров входной линии 128 и выходной линии 130 и других элементов, включая впускные и выпускные клапаны 124, 126.
Размеры поплавковой камеры 112 и поплавка 114 могут также быть отрегулированы для обеспечения максимального коэффициента полезного действия поплавкового насосного блока. Такие регулировки могут быть выполнены, например, вручную, путем замены элементов, или автоматически, путем выполнения телескопических элементов в соответствующие части, или дистанционно, путем соответствующего конфигурирования системы управления с целью регулирования характеристик необходимого элемента. Таким образом, поплавковый насосный блок 100 может быть настроен для работы в волновой среде, имеющей переменные свойства, так, что поплавковый насосный блок 100 может использовать энергию больших волн, малых волн и волн, имеющих промежуточные характеристики.
Для использования энергии таких волн поплавковый насосный блок 100 не обязательно должен быть закреплен на основании 102. Этот поплавковый насосный блок также может быть, например, установлен на дне водного пространства и прикреплен к конструкции, установленной на дне водного пространства, прикреплен к жесткой плавающей платформе, прикреплен к волноотбойной стене или же к другим элементам, которые предусматривают устойчивую платформу или ее эквивалент.
Размеры поплавкового насосного блока 100 и работа этого поплавкового насосного блока 100 в отношении количества энергии в волне или зыби могут определяться несколькими факторами. Например, они включают в себя годовой график размеров высокого, низкого и среднего уровней волны; годовой график отметок высокого, низкого и среднего уровня прилива; средний период волны или зыби; глубину в месте волны или зыби; расстояние от берега до волны или зыби; географические характеристики окрестности вблизи района волн или зыби; а также конструкцию поплавкового насосного блока 100. Предполагается, что поплавковый насосный блок 100 может быть использован в комбинации с другими поплавковыми насосными блоками в сетевой конфигурации с целью перекачивания больших объемов газа или жидкости через насосы.
Для определения мощности, генерируемой из волны заданной высоты и скорости, были рассчитаны мощность волны (потенциальная энергия) и мощность поплавка в конфигурациях опускания и подъема. После этого на основании этих данных была рассчитана мощность перекачивания поршня в конфигурациях для перекачивания как воды, так и воздуха. Эти расчеты описаны далее в соответствии с примером конфигурации, в которой проводились испытания.
Пример А: Малый размер волны
1. Мощность волны
В частности, как показано на Фиг.4A-4D, мощность волны (Wave HP) определяется для волны (W), проходящей расстояние, равное половины длины волны (1/2 WL) следующим образом:
V
S
Wave HP=[(W)(D)/(HP)](W),
где:
D
H
3
Wv (объем волны) = (Ww)(W)(W) (галлонов воды/фут)
w
L
W = ширина волны (1/2 W) = 17,5 фута
D
W = глубина волны = 17,5 фута
Н
W = высота волны = 5 футов
и
D = плотность воды (8,33 фунт/галлон)
и
НР = лошадиные силы (550)
и
L
T
Ws=скорость волны (1/2 W/W)
и
T
L
W = время прохода волны = 1/2 W (7,953 с).
D
w
Например, глубина волны (W) принимается равной ширине волны (W) таким образом, что профиль волны (W) полностью покроет поплавок 114', который имеет цилиндрическую форму. Для величин, указанных выше, которые представляют собой примеры, расчет следующий:
Wave HP=[(11,453 галлона)(8,33 фунт/галлон)/(550)](2,2 фут/с)=382
где:
3
3
Wv=(1,531 фут)(7,481 галлон/фут)=11,453 галлон;
и
Ws=(17,5 фута)/(7,953 с)=2,2 фут/с.
2. Мощность при опускании поплавка
D
При прохождении волны (W) через поплавковую камеру 104 во время хода опускания (Фиг.4А и Фиг.4В) поплавок 104 опускается под действием силы тяжести во впадину (Т). Мощность, вырабатываемая на поплавке в течение хода опускания (ВВ), может определяться из следующего уравнения:
D
S
D
BB=[(BBv)(D)(WR)/HP](DS)(TR),
где:
V
3
ВВ (объем поплавка) = (VB+VC)(7,48 галлон/фут),
1
1
2
VB = объем основания 114'а=πr h,
2
1
1
2
2
2
2
VC = объем конуса 114'b=(πh/12)(d +dd+d )
и
(BBv)(D) = водоизмещение поплавка 114',
где:
D = плотность воды (8,33 фунт/галлон)
и
WR = соотношение удельных весов воды и материала поплавка 114' и
НР = лошадиные силы (550)
и
S
D
D
DS = скорость хода при опускании = В/Т,
где:
D
B = расстояние перемещения во время хода опускания;
D
D
Т = время прохода расстояния B
и
D
TR = коэффициент времени (т.е. доля времени, когда поплавок опускается, в течение периода волны) =50% (в предположении симметричных длинных волн).
D
Продолжая использовать данные примера, изложенные выше для расчетов мощности волны Wave HP, получим расчеты для BB следующим образом:
D
BB=[4,186 галлона)(8,333 фунт/галлон)(0,10)/550](0,25 фут/с)(0,5)=0,79 л.с.;
(т.е. располагаемая мощность в процессе хода опускания поплавка),
V
где: BB=(BV+VC)(7,48 галлон/фут =
1
1
2
1
1
2
2
2
2
2
3
=π h+((πh/12)(d +dd+d )(7,48 галлон/фут)
и где
1
1
d=17,5 фута; r=8,75 фута,
2
d=3,5 фута,
1
h=1,5 фута,
h2=2,0 фута,
так что
V
2
2
2
3
BB=[π(8,75)(1,5)+(π(2,0/12)(17,5)+(17,5)(3,5)+3,5)](7,48 галлона/фут)
3
3
3
=(361 фут+199 фут)(7,48 галлон/фут)
3
3
=(560 фут)(7,48 галлон/фут)=4,186 галлона
и
S
DS=(1,00 фут)/(3,976 с)=0,25 фут/с
и
V
(BB)(D)=34,874 фунта (общее водоизмещение)
и
V
(BB)(D)(WS)=3,487 (полезный вес).
2b. Мощность при подъеме поплавка
2
L
При продолжении прохождения волны (W) через поплавковую камеру 104 во время хода подъема (Фиг.4В и Фиг.4С) поплавок 114 поднимается вместе с волной до достижения наивысшей точки в вершине (С). Мощность, вырабатываемая на поплавке в течение хода подъема (BB), может быть определена из следующего уравнения:
L
V
S
R
BB=[(BB)(D)(1-WR)/HP](LS(TR),
где:
S
R
R
LS = скорость хода подъема = В/T,
R
В = расстояние перемещения во время хода подъема = 1 фут,
R
R
T = время прохода расстояния В = 4,0 с
и
R
TR = коэффициент времени
(т.е. доля времени, когда поплавок поднимается, в течение периода волны) = 50% в предположении симметричных длинных волн.
L
(BBv)(D)(1-WR) = полезный вес в течение хода подъема (UW)=31,382 фунта,
т.е.
L
BB=[(31,382 фунта)/550](1 фут/4,0 с)(0,5)=7,13 л.с.
2с. Полная входная мощность
T
Соответственно общая сумма входной мощности, снимаемой с волны поплавком (ВВ), определяется следующим образом:
T
D
L
BB=BB+BB.
Используя данные примера, изложенные выше, общая входная мощность для поплавка 114' определяется следующим образом:
T
ВВ=0,79+7,13=7,92 л.с.
3. Мощность перекачивания на поршне (CFM/PSI)
Поршень перекачивает воду с заданной производительностью, выраженной кубическими футами в минуту (CFM), и заданным давлением, выраженным в фунтах на квадратный дюйм (PSI) для каждой половины (1/2) хода, когда поплавковый насосный блок выполнен в конфигурации для перекачивания воды; она определяется согласно следующей формуле:
efr
PF = Расход воды на поршне = (Sv)(SPM)(BP),
где:
2
2
3
3
3
Sv = объем за 1/2 хода = (π/2)(радиус поршня)(длина хода)=(π/2)(8,925 дюйма)(12 дюймов)/(1,728 дюйм/фут)=1,74 фут
и
SPM = рабочих ходов в минуту = 7,54 ход/мин
и
efr
ВР = полученный эмпирическим путем коэффициент полезного действия предложенного поплавкового насосного блока = 83%
так что
3
PF=(1,74 фут)(7,54 ход/мин)(0,83)=
3
3
=10,88 фут/мин=0,181 фут/с.
2
Определение давления воды на поршне (фунт/дюйм, PSI) для каждой половины (1/2) хода в поплавковом насосном блоке (РР) осуществляется при помощи следующего уравнения:
L
V
p
3
PP={UW-[(S)(D)(7,48 галлона воды/фут)]}/SA
где:
L
UW = полезный вес в течение хода подъема = 31,386 фунта
V
3
S=1,74 фут
D = плотность воды (8,33 фунт/галлон)
и
P
2
SA = площадь поверхность поршня (дюйм)=
2
2
=π(8,925 дюйма)=250 дюйм.
Соответственно, для величин, указанных выше, данная величина в фунтах на квадратный дюйм/ход для предложенного поплавкового насосного блока рассчитывается следующим образом:
3
3
2
РР=[31,386 фунта-(1,74 фут)(8,33 фунт/галлон)(7,48 галлон/фут)]/250 дюйм=
2
=(31,386 фунта-108 фунтов)/250 дюйм=
2
=125 (фунт/дюйм)/ход.
2
2
L
а
a
а
Когда же поплавковый насос сконфигурирован для перекачивания воздуха, площадь поверхности поршня увеличивается для компенсации сжимаемости воздуха с целью достижения аналогичных результатов. Если радиус поршня увеличивается до 12,6 дюйма, площадь поверхности поршня (SAP) возрастает до 498,76 дюйм. Также исключается дополнительный вес воды над поршнем [(SV)(D)(7,48 галлон/фут)=108 фунтов], и таким образом он не вычитается из полезного веса в течение хода подъема (UW) при расчете давления воздуха на поршне (РР). Все другие цифры остаются такими же, тогда расход воздуха на поршне (PF) и давление воздуха на поршне (РР) принимают следующие значения:
a
3
PF=21,7 фут/мин,
а
2
РР=51,8 (фунт/дюйм)/ход.
Поскольку специалисту в данной области техники понятно различие между использованием поршня для перекачивания воды и воздуха, остальные примеры сконцентрированы на перекачивании воды.
4. Полезная мощность, вырабатываемая генератором
Когда предложенный поплавковый насосный блок выполнен в конфигурации для перекачивания воды и соединен с какой-либо емкостью для накопления воды с целью использования для приведения в действие водной турбины, для расчета мощности, вырабатываемой поплавковым насосным блоком, используется следующая эмпирическая формула:
eff
ВР={(РР)(ВР)(напор)-[(потери)(напор)(длина
eff
трубы/попер.сечение)]}[(PF)(Т)(KW)/НР],
где:
eff
ВР = полученный эмпирическим путем коэффициент полезного действия поплавкового насоса = 88%
Напор = PSI коэффициент пересчета фунтов на квадратный дюйм в напор (фут) = 2,310
Потери = коэффициент потерь коэффициента полезного действия в трубе = 0,068
Длина трубы/попер.сечение = одна труба имеет длину 100 футов, а 10 труб=1 сечение трубы
так что
1 миля трубы = 5,280 сечений трубы,
eff
Т = коэффициент полезного действия турбины для имеющейся водной турбины = 90%,
KW = коэффицент пересчета фут/с в кВт = 11,8,
НР = коэффицент пересчета кВт в л.с. = 0,746.
Соответственно используя данные, изложенные выше, в сочетании с предыдущими расчетами, получим выходные значения ВР для предложенного устройства для получения энергии с использованием данного поплавкового насосного блока следующим образом:
ВР={[(125)(0,88)(2,310)]-[(0,068)(2,310)(10)(5,280)]}[(0,181)(0,9/11,8)/0,746]=0,4558 (общая выходная располагаемая мощность в л.с.).
a
Когда поплавковый насос сконфигурирован для перекачивания воздуха, выходная мощность (ВР) для предложенного устройства с использованием величин, указанных выше, составит приблизительно 2,72 л.с. Вместо использования водяной турбины для выработки энергии используется воздушная турбина, содержащая, например, устройство, описанное в патенте США №5,555,728, включенном посредством ссылки.
5. Коэффициент полезного действия - Соотношение входной мощности (л. с.) с выходной мощностью
Соответственно, коэффициент пересчета входной мощности и выходной мощности может определяться следующим образом:
T
коэффициент пересчета по коэффициенту полезного действия = ВР/ВВ=4,558/7,92=57%.
T
Таким образом, с использованием эмпирических и теоретических данных оказалось, что для предложенного поплавкового насосного блока в соответствии с данным изобретением, при использовании в сочетании с водяной турбиной, коэффициент полезного действия при преобразовании энергии составляет 57% для мощности, отбираемой из проходящей волны (ВВ) с преобразованием в энергию на выходе ВР, которая может затем быть использована в качестве источника энергии.
Пример В: Средний размер волны
1
1
2
H
1
H
Вышеприведенный расчет выполнен для предложенного поплавка 114', имеющего фиксированный диаметр (d), выполненный в зависимости от геометрии поплавка 114' и высоты (h+h). Разумеется, что высота волны (W) изменяется для различных мест и для различного времени в течение года для каждого из мест. Т.е. желательно изменить конфигурацию или отрегулировать этот поплавок на основании переменных характеристик волн, как описано выше. Для обеспечения высоких коэффициентов полезного действия высота и/или диаметр поплавка 114' могут регулироваться. Например, поплавок 114' может быть выполнен или отрегулирован таким образом, чтобы увеличивать высоту основания 104'а (h) и соответствующий диаметр с целью восприятия волн, имеющих большую высоту волны (W), способом, описанным далее.
H
1
В предположении, что высота волны (W) возрастает от 5,0 футов до 9,016 фута (средняя волна), высота основания поплавка (h) возрастает на 1,5 фута (см. Фиг.4D), т.е. происходит «деформация» данного поплавка для улучшения общих характеристик поплавкового насосного блока в водных пространствах с увеличенной зыбью в среднем до 9 футов. Соответственно, длина хода поршня увеличивается, а количество ходов уменьшается следующим образом:
Количество ходов = 5,52
Длина хода поршня = 42,2 дюйма
так что
V
3
S (объем/ход) = 12,8 фут.
В предположении, что все остальные показатели остаются теми же и используя вышеприведенные формулы, получена Таблица 1:
Таблица 1
Величина
Волна 5 футов
Волна 9,016 фута
1
Мощность волны
382 л.с.
2 952 л.с.
2
Мощность на поплавке
BB<sub>D</sub>
0,79 л.с.
2,05 л.с.
ВВ<sub>L</sub>
7,13 л.с.
31,67 л.с.
ВВ<sub>T</sub>
7,92 л.с.
33,72 л.с.
3
Мощность перекачивания на поршне
PF
10,88 фут<sup>3</sup>/мин
27,98 фут<sup>3</sup>/мин
РР
125 фунт/дюйм<sup>2</sup>
185 фунт/дюйм<sup>2</sup>
4
Мощность на генераторе (ВР)
0,4558 л.с.
20,32 л.с.
5
Коэффициент полезного действия насоса
57%
60%
3
Соответственно, можно видеть, что увеличение высоты поплавкового насоса на 1,5 фута приводит к увеличению мощности во время подъема и опускания поплавка, а также к увеличению выходной мощности в предложенном устройстве с увеличением общего коэффициента полезного действия. В целом наличие больших волн на месте обеспечивает источник энергии волн для поплавковых насосов, имеющих большие поплавки и поршни, которые имеют большие расходы (например, PF=27,98 фут/мин) и, следовательно, большую выходную мощность (например, ВР=20,32 л.с.) в заданном месте расположения.
1
T
H
Как отмечено выше, диаметр (d) поплавка 114' (смотри Фиг.4D) может также регулироваться, чтобы воспринимать большие волны в данном месте. В последующей Таблице 2 показано влияние изменения диаметра поплавка на выходную мощность (ВВ) при изменении скорости волны (Ws) для относительной высоты волны (W) и при изменении высоты волны для относительной скорости.
Таблица 2
Высота волны (W<sub>H</sub>)
Диаметр поплавка (дюйм)
Мощность на поплавке (ВВт)
W<sub>S</sub>=3 миля/часНизкая волна
W<sub>S</sub>=8 миля/часВысокая волна
W<sub>S</sub>=3 миля/часНизкая волна
W<sub>S</sub>=8 миля/часВысокая волна
3
12,6
126
0,9
26,9
4
16,8
168
2,21
64,76
5
21
210
4,39
126,94
6
25,2
252
7,67
219,88
7
29,4
294
12,28
349,77
8
33,6
336
18,45
522,78
9
37,8
378
26,39
745,09
10
42
420
36,33
1022,9
Данные в Таблице 2 были получены на основании характеристик волны, имеющей указанную высоту волны и перемещающейся со скоростью 3 мили (4,83 км) в час для низкой волны и 8 миль (12,87 км) в час для высокой волны. Уравнения, приведенные выше, использовались с целью расчета мощности для характеристик низких и высоких волн. Диаметр, или ширина, поплавка регулировалась для эксплуатации в среде больших волн, как показано и описано выше, с целью увеличения коэффициента полезного действия поплавкового насоса для переменных высот волны и скоростей волны.
Чем больше и быстрее волна, зыбь или течение, тем больше потенциальная энергия, доступная для получения посредством такого поплавкового насосного блока. Подобным образом, чем больше поплавок по высоте или диаметру, тем большие потенциальные энергии доступны для получения из энергии воды. Чем меньше и медленнее волна, зыбь или течение, тем меньшие потенциальные энергии доступны для получения из энергии воды при посредстве такого поплавкового насоса. Подобным образом, чем меньше поплавок, тем меньшие потенциальные энергии доступны для получения энергии из воды. С целью оптимизации потенциальной энергий, располагаемой на данном поплавковом насосном блоке 100, поплавок 114 должен быть полностью погружен и не должен превышать ширину или высоту дуги волны или зыби.
Все примеры, описанные выше, приведены в предположении, что определенные размеры волны присутствуют в конкретном месте ежедневно на поплавковом насосном блоке, предназначенном для эффективного использования в данном месте. К счастью, данные относительно высот волн в определенных местах на каждый день года доступны из нескольких источников, включая веб-сайт с адресом http://www.ndbc.noaa.gov., включенный посредством ссылки. Последующая таблица (Таблица 3) демонстрирует данные волн на январь 2001 г. и февраль 2001 г., полученные в бухте Грейс-Харбор, штат Вашингтон, США (Grays Harbor, WA).
Таблица 3
Средние данные за год
Грейс-Харбор, штат Вашингтон, США (данные на вехе глубины воды=125,99 фут)
Январь 2001 г.
Февраль 2001 г.
День
Высота волны (фут)
Период (с)
День
Высота волны (фут)
Период (с)
1
8,20
11,020
1
8,00
11,500
2
9,20
11,020
2
16,20
11,500
3
7,10
11,020
3
16,50
11,500
4
10,20
11,020
4
7,50
11,500
5
9,80
11,020
5
11,80
11,500
6
13,60
11,020
6
6,40
11,500
7
6,30
11,020
7
7,80
11,500
8
7,00
11,020
8
5,50
11,500
9
10,30
11,020
9
9,40
11,500
10
16,50
11,020
10
9,40
11,500
11
9,10
11,020
11
6,90
11,500
12
10,60
11,020
12
6,60
11,500
13
6,50
11,020
13
5,20
11,500
14
12,10
11,020
14
4,10*
11,500
15
8,80
11,020
15
5,60
11,500
16
5,30
11,020
16
5,70
11,500
17
8,40
11,020
17
5,00
11,500
18
9,30
11,020
18
7,20
11,500
19
14,40
11,020
19
5,60
11,500
Январь 2001 г.
Февраль 2001 г.
День
Высота волны (фут)
Период (с)
День
Высота волны (фут)
Период (с)
20
9,70
11,020
20
6,80
11,500
21
17,20
11,020
21
6,60
11,500
22
7,10
11,020
22
6,80
11,500
23
8,40
11,020
23
6,50
11,500
24
9,00
11,020
24
5,60
11,500
25
9,10
11,020
25
4,90*
11,500
26
10,50
11,020
26
6,70
11,500
27
9,80
11,020
27
5,60
11,500
28
5,00
11,020
28
6,70
11,500
29
19,00
11.020
*Неэксплуатационный режим (менее чем 5 фут)
30
9,40
11,020
31
9,60
11,020
Среднее значение
9,89
11,020
Среднее значение
7,38
11,500
Приведенные в Таблице 3 высоты волн измерялись в течение каждого соответствующего дня месяца для получения среднего значения за каждый день. Были получены средние значения периода волн за весь месяц, и такой же период волн использован для каждого дня этого месяца. В январе 2001 г. общее количество рабочих дней составило 31 день работы предложенного поплавкового насосного блока, имеющего минимальную потребную эксплуатационную высоту волны 5 футов. В феврале 2001 г., поскольку 14 и 25 числа высоты волны меньше чем 5 футов, количество дней работы предложенного поплавкового насосного блока составило только 26 дней.
В Таблице 4 показаны средние данные по высоте волн за январь и февраль, а затем за весь год (остальные данные за март-декабрь 2001 г. имеются на веб-сайте, упомянутом выше).
Таблица 4
Январь
Февраль
За год
Средняя скорость волны
11,02
11,50
9,922
Средняя высота волны
9,89
7,38
7,467
Рабочие дни
31
26
-
Рабочие дни, накопительно
31
57
236
Средневзвешенное рабочее значение высоты
9,89
7,60
-
Средняя высота волны, накопительно
9,89
8,75
8,54
Среднее значение по высотам волны для рабочих дней в январе и феврале при этом получено 9,89 фута и 7,60 фута соответственно. Пересчитанная на год рабочая высота волны за январь и февраль 2001 г. усредняется до 8,75 фута за весь период в 57 дней работы. Для календарного 2001 г. количество дней работы составляло 236 со средней рабочей высотой волны 8,54 фута. Организация, эксплуатирующая поплавковый насосный блок, описанный выше, может получить общедоступные данные и определить эффективные пересчитанные на год высоты волны и рабочие дни для заданной конфигурации поплавкового насосного блока.
Компоненты поплавкового насосного блока 100 должны быть выполнены с возможностью эксплуатации в соленой среде, такой как океан. Соответственно, компоненты поплавкового насосного блока 100 должны обладать антикоррозионными свойствами и/или иным способом обеспеченную устойчивость против коррозии. Для сведения к минимуму влияния окружающей среды вход 126 поршневой камеры 122, которая может подвергаться воздействиям со стороны окружающей среды, может иметь фильтр, установленный на нем с целью фильтрации нежелательных составляющих. В случае присутствия водорослей или других разрушающих материалов, таких как водоросли, попадающие в поплавковую камеру 112 или поплавковый цилиндр 104, эти водоросли выступят в качестве естественных смазочных материалов между подвижными частями поплавкового насосного блока 100. Например, если водоросли попадут между шайбами 140 и поплавком 114, эти водоросли уменьшают трение между шайбами 140 и поплавком 114, таким образом увеличивая коэффициент полезного действия поплавкового насосного блока.
На Фиг.5 показан вид сбоку сверху альтернативного варианта осуществления поплавкового насосного блока 500 в соответствии с данным изобретением. Этот поплавковый насосный блок 500 содержит основание 502, поплавковый цилиндр 504, присоединенный одной стороной к основанию 502, закрытый с другой стороны крышкой 506 поплавкового цилиндра и по существу соосный с поплавковым цилиндром 504. Другой конец поплавкового цилиндра 504 открыт во внешнюю среду. Поплавковый цилиндр 504 и крышка 506 поплавкового цилиндра совместно определяют поплавковую камеру 508 внутри них.
Поплавок 510 по существу цилиндрической формы размещен с возможностью скольжения внутри поплавковой камеры 508 и с возможностью перемещения в осевом направлении. Разумеется, что в поплавковом насосном блоке 500 в этом варианте осуществления исключена необходимость в поршне и штоке поршня путем объединения поплавка, показанного на Фиг.1, с поршнем, показанным на Фиг.1, в один эквивалентный поплавок 510.
Впускной клапан 512 и выпускной клапан 514 расположены внутри крышки 506 поплавкового цилиндра и находятся в гидравлической связи с поплавковой камерой 508, обеспечивая прохождение газа или жидкости. Впускная линия 516 и выпускная линия 518 присоединены к впускному клапану 512 и выпускному 514 соответственно и выполнены с возможностью пропускать внутрь и соответственно наружу газ или жидкость с разных сторон.
Основание 502 может иметь множество ног 520, опирающихся на дно 522 водного пространства 524. Опорное основание 526 присоединено к ногам 520 с целью закрепления поплавкового насосного блока 500 на дне 522. Основание 502 присоединено к балластным отсекам 528 для удерживания поплавкового насосного блока 500 в фиксированном положении относительно места установки.
В осевом направлении над крышкой 506 поплавкового цилиндра расположена балластная крышка 530, которая также служит для того, чтобы обеспечивать устойчивость поплавкового насосного блока 500. Эта балластная крышка 530 выполнена с возможностью обеспечивать связь клапанов 512, 514 и линий 516, 518 между собой сквозь нее. Вместо резервуара выпускная линия 518 может быть соединена с линией 532 для подачи газа или жидкостей к требуемому месту (не показано).
Поплавок 510, расположенный внутри поплавковой камеры 508, имеет заданную плавучесть, так что поплавок 510 перемещается циклически в соответствии с гидродинамическими параметрами воды, в которой установлен поплавковый насосный блок 500, а также гидравлическими или пневматическими характеристиками самого поплавкового насосного блока 500. Плавучесть поплавка 510 может регулироваться способом, описанным выше. Упоры 534 расположены по внутреннему периметру снизу поплавкового цилиндра 504 с целью предотвращения выхода поплавка 510 за пределы поплавкового цилиндра 504. Поплавок 510 имеет уплотнение, образованное по периметру поплавка 510 с целью предотвращения протечек между поплавковой камерой 508 и водной средой 524.
Впускные и выпускные клапаны 512, 514 представляют собой однонаправленные гидравлические устройства, которые позволяют потоку газа или жидкости проходить либо внутрь, либо наружу из поплавковой камеры 508 соответственно. Предпочтительно, чтобы клапаны 512, 514 могли быть расположены в различных местах, чтобы обеспечивать достижение требуемого давления поплавковой поршневой камеры 508.
Во время работы, по мере того как волны проходят поплавковый насосный блок 500, вода контактирует с поплавком 510 через отверстие в поплавковом цилиндре 504, поднимая поплавок 510 циклически в соответствии с гидродинамическими параметрами воды, а также гидравлическими или пневматическими характеристиками поплавкового насосного блока 500. Газ или жидкость в поплавковой камере 508 удаляются или выпускаются через выпускной клапан 514 и выпускную линию 518 в линию 532. Когда волна проходит поплавковый насосный блок 500, поплавок 510 постепенно опускается под воздействием сил тяжести, создавая вакуум внутри поплавковой камеры 508. Соответственно, газ или жидкость поступают внутрь через впускную линию 516 и впускной клапан 512 в поплавковую камеру 508. Когда приближается следующая волна, газ или жидкость, втянутая в поплавковую камеру 508, снова вытесняется через выпускной клапан 512, выпускную линию 518 и линию 532 соответственно положению поплавка, который поднимается вместе с волной.
На Фиг.6 показан вид сбоку еще одного варианта осуществления поплавкового насосного блока 600. Поплавковый насосный блок 600 содержит основание 602, поплавковый корпус 604, присоединенный к основанию 602, крышку 606 поплавкового корпуса, присоединенную к поплавковому корпусу 604, а также основание 608 поплавкового корпуса, присоединенное к другому концу поплавкового корпуса 604. Ниже крышки 606 поплавкового корпуса в осевом направлении расположен шток 610 поршня, соединенный с ней, а также несколько опор 612 поршня. С другой стороны штока 610 поршня и опор 612 поршня расположен поршень 614. Между поршнем 614 и основанием 608 поплавкового корпуса расположен поплавок 616, имеющий стенки 618 поплавка, простирающиеся в направлении крышки 606 поплавкового корпуса. Поплавок 616, стенки 618 поплавка и поршень 614 образуют внутри поршневую камеру 620. Стенки 618 поплавка выполнены с возможностью скольжения между поршнем 614 и поплавковым корпусом 604. Основание 602 имеет несколько ног 622, опирающихся на дно 624 водного пространства 626. Опорные основания 628 присоединены к ногам 622 и установлены на дно 624 водного пространства 626. Опорные основания 628 могут быть заполнены соответствующим балластом для удерживания поплавкового насосного блока 600 в определенном положении относительно места установки 626.
Поплавковый корпус 604 содержит четыре расположенные вертикально стойки 630, размещенные между крышкой 606 поплавкового корпуса и основанием 608 поплавкового корпуса и прикрепленные к ним. Несколько упоров 632 расположены соответственно в верхней и нижней частях стоек 630 для удерживания поплавка 616 внутри поплавкового корпуса 604 и ограничения его осевого перемещения. Сверху поплавкового корпуса 604 на нем установлена балластная крышка 634, способствующая удерживанию поплавкового насосного блока 600 в фиксированном положении относительно места установки в водном пространстве 626. Основание 608 поплавкового корпуса соединено одной поверхностью с выпускным клапаном 636, а другой поверхностью с выпускной линией 638. Основание 608 поплавкового корпуса предусмотрено для связи между выпускным клапаном 636 и выпускной линией 638. Выпускная линия 638 является телескопической по характеру и проходит с возможностью скольжения через основание 608 поплавкового корпуса таким образом, что при перемещении поплавка 616 относительно основания 608 поплавкового корпуса поддерживается постоянная связь между выпускным клапаном 636 и выпускной линией 638. Шток 610 поршня и опоры 612 поршня являются неподвижными относительно крышки 606 поплавкового корпуса и поршня 614 для сохранения фиксированного положения поршня 614 относительно крышки 606 поплавкового корпуса.
Поршень 614 присоединен к впускному клапану 640 для обеспечения соединения впускного клапана 640 с поршневой камерой 620. Впускной клапан 640, в свою очередь, присоединен к впускной линии 642 для обеспечения соединения с поршневой камерой 620 и необходимым источником поставки рабочего тела.
Поплавок 616 и стенки поплавка 618 выполнены с возможностью скольжения относительно поплавкового корпуса 604 и стоек 630 поплавкового корпуса таким образом, что поплавок 616 и стенки поплавка 618 могут перемещаться в осевом направлении внутри поплавкового корпуса 604. Стык между поршнем 614 и поплавковыми стенами 618 предпочтительно имеет уплотнение таким образом, что поршневая камера 620 может находиться под фиксированным давлением в процессе перемещения в осевом направлении поплавка 616 относительно поршня 614, таким образом поддерживая давление внутри.
Впускные и выпускные клапаны 640, 636 представляют собой однонаправленные гидравлические устройства, которые позволяют потоку газа или жидкости проходить либо внутрь, либо наружу из поршневой камеры 620 соответственно. Предпочтительно, чтобы клапаны 640, 636 могли быть расположены в различных местах на крышке 606 поршневого цилиндра и основания 608 поплавкового корпуса соответственно, чтобы обеспечивать достижение требуемого давления внутри поршневой камеры 620.
В процессе работы, когда волна с заданными характеристиками приближается и вступает в контакт с поплавком 616 и стенками поплавка 618, поплавок 616 и стенки поплавка 618 перемещаются в осевом направлении вверх циклически в соответствии с гидродинамическими параметрами воды, в которой установлен поплавковый насосный блок 600, а также гидравлическими или пневматическими характеристиками самого поплавкового насосного блока 600. Плавучесть поплавка 616 может регулироваться способом, описанным выше.
Поплавок 616 создает давление на газ или жидкость в поршневой камере 620 таким образом, что газ или жидкость внутри поршневой камеры 620 вытесняются через выпускной клапан 636 и выпускную линию 638 с целью подачи в требуемое место через линию 644, присоединенную к выпускной линии 638. Когда волна проходит поплавковый насосный блок 600, действие силы тяжести перемещает поплавок 616 и стенки 618 поплавка вниз, таким образом создавая вакуум внутри поршневой камеры 620.
Газ или жидкость затем всасываются через впускную линию 642 и впускной клапан 640 в поршневую камеру 620 до тех пор, пока поплавок не остановится на упорах или не достигнет уровня подошвы волны. По мере того как последующие волны циклически достигают поплавковый насосный блок 600, процесс повторяется.
На Фиг.7 показан вид сбоку еще одного варианта осуществления поплавкового насосного блока 700. Поплавковый насосный блок 700 содержит основание 702, поплавковый корпус 704, крышку 705 поплавкового корпуса, присоединенную к поплавковому корпусу, поршневой корпус 706, присоединенный к крышке 705 поплавкового корпуса, основание 708 поплавкового корпуса, присоединенное к другому концу поплавкового корпуса 704, крышку 710 поршневого корпуса, присоединенную к поршневому 706 корпусу, а также балластную крышку 712, расположенную над крышкой 710 поршневого корпуса и присоединенную к ней.
Поплавок 714 расположен по оси внутри поплавкового корпуса 704. Шток 716 поршня присоединен к верхней поверхности поплавка 714 одним концом и к поршню 718, расположенному по оси внутри поршневого корпуса 706, другим концом. Поршневая камера 719 образована между верхней поверхностью поршня 718, нижней поверхностью крышки 710 поршневого корпуса и поршневым корпусом 706.
Впускной клапан 720 и выпускной клапан 722 соединены с поршневой камерой 719 через крышку 710 поршневого корпуса. Впускной клапан 720 и выпускной клапан 722 через баластную крышку 712 присоединены к впускной линии 724 и выпускной линии 726 соответственно.
Основание 702 имеет множество опорных ног 728, опирающихся на опорные основания 730. Опорное основание 730 предпочтительно устанавливается на дно 732 водного пространства 734.
Поплавковый корпус 704 имеет множество ног 736 поплавкового корпуса, опирающихся на основание 708 поплавкового корпуса и присоединенных к нему. Ноги 736 поплавкового корпуса обеспечивают прохождение массы воды 734 сквозь них. Несколько стопоров 738 поплавка расположены сверху и снизу внутренней поверхности ног 736 поплавкового корпуса для ограничения осевого перемещения поплавка 714 внутри поплавкового корпуса 704.
Основание 708 поплавкового корпуса имеет балластный бак 740, установленный на нем для того, чтобы сохранять положение поплавкового насосного блока 700 относительно места установки в водном пространстве 734. Основание 708 поплавкового корпуса также соединено с линией 742 и обеспечивает прохождение линии 742 через основание 708 поплавкового корпуса
Поршневой корпус 706 имеет несколько поршневых упоров 744, расположенных снизу внутри поршневого корпуса 706 для ограничения осевого перемещения поршня 718 в поршневом корпусе 706. Поршневой корпус 706 также выполнен с возможностью обеспечивать осевое перемещение скольжения поршня 718 внутри поршневого корпуса 706.
Балластная крышка 712 может быть использована также для дополнительной устойчивости поплавкового насосного блока 700 относительно места установки в водном пространстве 734 путем наличия заранее установленного балласта или переменного балласта внутри балластной крышки 712.
Поплавок 714, который может регулироваться способом, описанным выше, выполнен с возможностью скольжения в осевом направлении внутри поплавкового корпуса 704 циклически в соответствии с гидродинамическими параметрами воды 734, в которой установлен поплавковый насосный блок 700, а также гидравлическими или пневматическими характеристиками самого поплавкового насосного блока 700.
Шток 716 поршня предпочтительно является жестким и образует жесткое соединение между поршнем 718 и поплавком 714. Поршень 718 контактирует с водой со своей нижней стороны через открытый конец поршневого корпуса 706 со стороны поплавка 714. Поршень 718 предпочтительно имеет уплотнение (не показано), расположенное по периметру поршня 718, что предотвращает просачивание или утечки из поршневой камеры 719 в зону под поршнем. Таким образом, поршневая камера является изолированной от внешней среды и обеспечивает эффективное удерживание перекачиваемого газа или жидкости внутри под давлением.
Впускные и выпускные клапаны 720, 722 представляют собой однонаправленные гидравлические устройства, которые позволяют потоку газа или жидкости проходить либо внутрь, либо наружу из поршневой камеры 719 соответственно. Предпочтительно, чтобы клапаны 720, 722 могли быть расположены в различных местах на крышке 710 поршневого корпуса, чтобы обеспечивать достижение требуемого давления внутри поршневой камеры 719.
Впускная линия 724 выполнена с возможностью соединения с необходимым источником газа или жидкости и таким образом обеспечивает связь с необходимым источником газа или жидкости, которые должны перекачиваться поплавковым насосным блоком 700. Выпускная линия 726 соединена с линией 742, которая в свою очередь направляет поток в требуемое место.
Во время работы, по мере того как волна приближается к поплавковому насосному блоку 700, поплавок 714, имеющий заданную плавучесть, постепенно поднимается с волной. Поршень 718 перемещается в непосредственной связи с поплавком 714, таким образом вытесняя газ или жидкость из поршневой камеры 719 через выпускной клапан 722, выпускную линию 726 и линию 742 потока. Когда волна проходит поплавковый насосный блок 700, поплавок 714 под воздействием сил тяжести опускается с волной. Поршень 718, перемещающийся в непосредственной связи с опусканием поплавка 714, создает вакуум внутри поршневой камеры 719. Газ или жидкость всасываются через впускную линию 724 и впускной клапан 720 в поршневую камеру 719, заполняя поршневую камеру 719. Цикл продолжает повторяться в соответствии с циклом, сообразным гидродинамическим параметрам воды, а также гидравлическим или пневматическим характеристикам самого поплавкового насосного блока 700.
На Фиг.8 показан вид сбоку сверху альтернативного варианта осуществления поплавкового насосного блока 800 в соответствии с данным изобретением. Поплавковый насосный блок 800 содержит основание 802, корпус 804, присоединенный к основанию 802, крышку 806 корпуса, присоединенную к корпусу 804, и основание 808 корпуса, присоединенное к другому концу корпуса 804. Поршневой корпус 810 расположен по оси в нижней части корпуса 804. Поршневой корпус 810 содержит крышку 812 поршневого корпуса и основание 814 поршневого корпуса. Балластная часть 816 поршневого корпуса присоединена к поршневому корпусу 810 в его нижней части.
Поплавок 818, имеющий заданную плавучесть, расположен внутри корпуса 804. Шток 820 поршня присоединен к нижнему концу поплавка 818 и расположен по его оси. Поршень 822 присоединен к другому концу штока 820 поршня. Поршень 822 выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении внутри поршневого корпуса 810. Поршневая камера 824 образована нижней поверхностью поршня 822, основанием 814 поршневого корпуса и поршневым корпусом 810.
Впускной клапан 826 присоединен через основание 814 поршневого корпуса и соединен с поршневой камерой 824. Подобным образом выпускной клапан 828 присоединен к основанию 814 поршневого корпуса и соединен с поршневой камерой 824. Впускная линия 830 и выпускная линия 832 соединены с другими соответствующими концами впускного клапана 826 и выпускного клапана 828.
Основание 802 содержит опорные ноги 834, которые опираются на опорное основание 836. Опорное основание 836 выполнено с возможностью опирания на дно 838 водного пространства 840. Балластные баки 842 присоединены к верхней поверхности опорного основания 836 и выполнены с возможностью приема и/или сброса балласта, таким образом поддерживая положение поплавкового насосного блока 800 относительно его места установки в водном пространстве 840.
Корпус 804 содержит множество ног 844 корпуса, присоединенных к основанию 808 корпуса с одного конца и к крышке 806 корпуса с другого конца. Ноги 844 корпуса обеспечивают свободное прохождение воды между ними.
Отстойный резервуар 846 соединен с впускной линией 830 и выпускной линей 832; он расположен на поверхности основания 808 корпуса. Отстойный резервуар 846 также соединен с линией 848 подачи и гидравлической линией 850. Отстойный резервуар 846 может управлять потоком в поршневую камеру 824 и из нее и выходным потоком непосредственно из поршневой камеры 824 в необходимое место через гидравлическую линию 850.
Плавучесть поплавка 818 может регулироваться способом, описанным выше. Поплавок 818 выполнен с возможностью скольжения в осевом направлении внутри корпуса 804 циклически в соответствии с гидродинамическими параметрами воды 840, в которой установлен поплавковый насосный блок 800, а также гидравлическими или пневматическими характеристикам самого поплавкового насосного блока 800.
Шток 820 поршня образует жесткое соединение между поплавком 818 и поршнем 822 таким образом, что перемещение поплавка 818 соответствует перемещению поршня 822.
Корпус 804 имеет несколько упоров 852 поплавка, расположенных внутри ног 844 корпуса для того, чтобы ограничивать осевое перемещение поплавка 818. Подобным образом поршневой корпус 810 имеет несколько упоров 854 поршня на внутренней поверхности поршневого корпуса 810, выполненных с возможностью ограничивать осевое перемещение поршня 822.
Впускной клапан 826 и выпускной клапан 828 представляют собой однонаправленные гидравлические устройства, которые позволяют потоку газа или жидкости проходить либо внутрь, либо наружу из поршневой камеры 824 соответственно. Предпочтительно, чтобы клапаны 826, 828 могли быть расположены в различных местах на основании 814 поршневого корпуса, чтобы обеспечивать достижение требуемого давления внутри поршневой камеры 824.
В процессе работы, когда волна с заданными характеристиками приближается к поплавковому насосному блоку 800, поплавок 818 и поршень 822 постепенно поднимаются, и внутри поршневой камеры 824 создается вакуум; при этом происходит всасывание газа или жидкости в зависимости от источника подачи, соединенного с линией подачи 848, в поршневую камеру 824 через впускную линию 830 и впускной клапан 826. Когда волна проходит поплавковый насосный блок 800, действие силы тяжести перемещает поршень в осевом направлении вниз, сжимая газ или жидкость внутри поршневой камеры 824 и вытесняя или выпуская этот газ или жидкость, находящийся внутри поршневой камеры 824, через выпускной клапан 828, выпускную линию 832, отстойный резервуар 846 и гидравлическую линию 850.
На Фиг.9 показан вид сбоку альтернативного варианта осуществления поплавкового насосного блока 900. Этот поплавковый насосный блок 900 содержит основание 902, корпус 904, присоединенный к основанию 902, крышку 906 корпуса и основание 908 корпуса. Балластная часть корпуса 909 расположена в осевом направлении выше крышки 906 корпуса.
Металлизированный поршень 910 расположен внутри корпуса 904 и выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении внутри корпуса 904. Вне корпуса 904, сходясь у концов поршня 910, расположены множество намагниченных поплавков 912, имеющих заданную плавучесть. Эти намагниченные поплавки 912 расположены вблизи металлизированного поршня 910 таким образом, что перемещение намагниченного поплавка 912 соответствует перемещению металлизированного поршня 910 внутри корпуса 904. Направляющая 911 предусмотрена на корпусе 904 для направленного перемещения намагниченного поплавка 912 относительно металлизированного поршня 910. Поршневые камеры 913а, 913b имеются с противоположных сторон поршня 910. Неметаллическое уплотнение 915 может быть установлено и закреплено на внешней поверхности металлизированного поршня 910 между этим металлизированным поршнем 910 и корпусом 904 для того, чтобы предотвратить перетекание жидкости или другого текучего вещества между поршневыми камерами 913а, 913b.
Первый впускной клапан 914 и первый выпускной клапан 916 соединены через крышку 906 корпуса с поршневой камерой 913а. Первый впускной клапан 914 и первый выпускной клапан 916 соединены через балластную часть 909 корпуса с первой впускной линией 918 и первой выпускной линией 920 соответственно.
Второй впускной клапан 922 и второй выпускной клапан 924 соединены у одного конца через основание 908 корпуса с поршневой камерой 913b. Второй впускной клапан 922 и второй выпускной клапан 924 соединены у других соответствующих концов со второй впускной линией 926 и второй выпускной линей 928.
Основание 902 содержит множество опорных ног 930, присоединенных с одного конца к корпусу 904, а с другого конца к опорному основанию 932. Опорное основание 932 выполнено с возможностью опирания на дно 934 водного пространства, в котором установлен поплавковый насосный блок 900.
Корпус 904 включает в себя множество упоров 938 на внешней поверхности, которые выполнены с возможностью ограничивать осевые перемещения намагниченных поплавков 912. Выходные линии 920, 928 соединены с гидравлической линией 940 для прохода потока к необходимому месту.
Намагниченные поплавки 912 перемещаются циклически в соответствии с гидродинамическими параметрами воды, в которой установлен поплавковый насосный блок 900, а также гидравлическими или пневматическими характеристиками самого поплавкового насосного блока 900. Плавучесть намагниченных поплавков 912 может регулироваться путем заполнения намагниченных поплавковых блоков 912 заданным количеством жидкого или твердого вещества или же путем удаления из намагниченных поплавков 912 заданного количества жидкого или твердого вещества.
Впускные клапаны 914, 922 и выпускные клапаны 916, 924 представляют собой однонаправленные гидравлические устройства, которые позволяют потоку газа или жидкости проходить либо внутрь, либо наружу из поршневых камер 913а, 913b. Например, первый впускной клапан 914 обеспечивает подачу в поршневую камеру 913а, а первый выпускной клапан 916 обеспечивает удаление из поршневой камеры 913а. Второй впускной клапан 922 и второй выпускной клапан 924 обеспечивают подачу в и удаление из поршневой камеры 913b. Разумеется, первый впускной клапан 914 и первый выпускной клапан 916 могут быть расположены в различных местах на крышке 906 корпуса. Подобным образом второй впускной клапан 922 и второй выпускной клапан 924 могут быть расположены в различных местах в основании 908 корпуса таким образом, чтобы обеспечивать достижение требуемого давления внутри поршневых камер 913а, 913b.
Во время работы, когда волна из водного пространства 946 проходит поплавковый насосный блок 900, намагниченные поплавки 912 постепенно опускаются под действием силы тяжести, таким образом опуская металлизированный поршень 910 действием магнитных сил для создания вакуума внутри поршневой камеры 913а. В то же время опускание намагниченных поплавков 912 и металлизированного поршня 910 сжимает газ или жидкость внутри поршневой камеры 913b. Газ или жидкость при этом выпускаются или вытесняются через второй выпускной клапан 924, вторую выпускную линию 928 и гидравлическую линию 940. В поршневой камере 913а вакуум всасывает газ или жидкость из первой впускной линии 918 через первый впускной клапан 914, а затем в поршневую камеру 913а.
Когда приближается следующая волна, намагниченные поплавки 912 и металлизированный поршень 910 постепенно поднимаются, находясь во взаимодействии за счет магнитных сил, соответственно уровню проходящей воды 936, таким образом сжимая газ или жидкость внутри поршневой камеры 913а и удаляя газ или жидкость через первый выпускной клапан 916 и первую выпускную линию 920 в гидравлическую линию 940. В поршневой камере 913b создается вакуум, всасывающий газ или жидкость через вторую впускную линию 926 и второй впускной клапан 922 в поршневую камеру 913b. Процесс циклически повторяется с каждой последующей волной.
Если давление в каждом выпускном клапане 916, 924 тормозит перемещение металлизированного поршня 910, то намагниченные поплавки 912 отделяются от металлизированного поршня 910 и перемещаются относительно волны, впоследствии вновь вступая во взаимодействие с металлизированным поршнем 910 в цикле следующей волны.
На Фиг.10 показан другой вариант осуществления поплавкового насосного блока 1000 в соответствии с данным изобретением. Поплавковый насосный блок 1000 содержит основание 1002, корпус 1004, прикрепленный к основанию 1002, крышку 1006 корпуса, прикрепленную к корпусу 1004, и основание корпуса 1008. Поршневой цилиндр 1010 расположен внутри корпуса 1004 и содержит крышку 1012 поршневого цилиндра и балластную часть 1014 поршневого цилиндра, прикрепленную к поршневому цилиндру 1010 и расположенную над крышкой 1012 поршневого цилиндра. Поршень 1016 выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении внутри поршневого цилиндра 1010. Поплавок 1018 расположен по оси корпуса 1004 над поршневым цилиндром 1010 и выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении внутри корпуса 1004. Множество штоков 1020 поршня прикреплены к нижней поверхности поршня 1016 и прикреплены к боковым поверхностям поплавка 1018.
Впускной клапан 1022 и выпускной клапан 1024 соединены через крышку 1012 поршневого цилиндра с поршневой камерой 1026, образованной крышкой 1012 поршневого цилиндра, поршневым цилиндром 1010 и верхней поверхностью поршня 1016. Впускная линия 1028 и выпускная линия 1030 соединены с впускным клапаном 1022 и выпускным клапаном 1024 соответственно. Впускная линия 1028 и выпускная линия 1030 проходят через балластную часть 1014 поршневого цилиндра.
Основание 1002 включает в себя опорные ноги 1032, присоединенные к нижней части корпуса 1004 с одного конца и к опорному основанию 1034 с другого конца. Опорное основание 1034 выполнено с возможностью опоры на дно 838 водного пространства 1038. Балластный бак 1040 размещен на верхней части опорного основания 1034 для удерживания поплавкового насосного блока 1000 в определенном положении относительно места установки в водном пространстве 1038.
Корпус 1004 включает в себя несколько ног 1042 корпуса, которые выполнены с возможностью прохождения воды 1038 между ними. Ноги корпуса 1042 присоединены к основанию 1008 корпуса. Корпус 1004 также содержит несколько упоров 1045, выполненных на внутренней поверхности ног 1042 корпуса для того, чтобы ограничивать осевое перемещение поплавка 1018.
С выпускной линией соединен отстойный резервуар, который соединен также с основанием корпуса 1008. Отстойный резервуар 1046 выполнен с возможностью направлять поток, приходящий с выпускной линии 1030, и подавать поток с выпускной линии 1040 в линию 1048.
Поршневой цилиндр 1010 является открытым со стороны, противоположной крышке 1012 поршневого цилиндра таким образом, что вода может вступать в контакт с нижней поверхностью поршня 1016. Уплотнение (не показано) предусмотрено по периметру поршня 1016 для предотвращения перетечек между поршневой камерой 1026 и водным пространством 1038.
Поршень 1016, который может регулироваться способом, описанным выше, размещен с возможностью скольжения внутри поршневого цилиндра 1010. Поскольку поршень 1016 и поплавок 1018 соединены через шток поршня 1020, перемещение поплавка 1018 находится в прямом соответствии с перемещением поршня 1016.
Поплавок 1018 имеет заданную плавучесть таким образом, что поплавок 1018 перемещается циклически в соответствии с гидродинамическими параметрами воды, в которой установлен поплавковый насосный блок 1000. Плавучесть поплавка 1018 может регулироваться способом, описанным выше, в зависимости от свойств и гидродинамических характеристик воды и устройства.
Впускные и выпускные клапаны 1022, 1024 представляют собой однонаправленные гидравлические устройства, которые позволяют потоку газа или жидкости проходить либо внутрь, либо наружу из поршневой камеры 1026 соответственно. Предпочтительно, чтобы клапаны 1022, 1024 могли быть расположены в различных местах на крышке 1012 поршневого цилиндра, чтобы обеспечивать достижение требуемого давления внутри поршневой камеры 1026.
Во время работы, после того, как поплавковый насосный блок 1000 первоначально помещен в водное пространство, такое как океан, озеро, река, или другую среду, в которой образуются волны, первоначальное давление в выпускной линии 1030, выпускном клапане 1024 и поршневой камере 1026 является нулевым. Волна, имеющая определенные свойства, приходит на поплавковый насосный блок 1000. Вода волны постепенно поднимает поплавок 1018, таким образом поднимая как поплавок 1018, так и поршень 1016. Газ или жидкость, попавшие в поршневую камеру 1026, начинают сжиматься до тех пор, пока давление в поршневой камере 1026 не преодолеет давление в выпускной линии 1030. В этот момент газ или жидкость начинает течь через выпускной клапан 1024 и выпускную линию 1030 и подается через линию 1048 в нужное место для использования или накопления.
Когда волна проходит поплавковый насосный блок 1000, действие силы тяжести перемещает поплавок 1018 вниз, что приводит к соответствующему перемещению поршня 1016 в осевом направлении вниз внутри поршневого дилиндра 1010. Внутри поршневой камеры 1026 создается вакуум; при этом происходит всасывание газа или жидкости через впускную линию 1028 и впускной клапан 1022 в поршневую камеру 1026. Процесс циклически повторяется с каждой последующей волной.
На Фиг.11 показаны виды сбоку предложенного поплавкового насосного блока 100, показанного на Фиг.1, установленного на оборудовании 1100 для культивирования водных организмов. В этой конфигурации оборудование 1100 для культивирования водных организмов содержит множество балластных баков 1110, концентрически размещенных вокруг и присоединенных к поплавковому насосному блоку 100. Эти балластные баки 1110 также присоединены к смежным балластным бакам 1110 при помощи множества проволочных растяжек 1120. Множество балластных баков 1110 могут меняться по длине или ширине для обеспечения устойчивости поплавкового насосного блока 100 в отношении волн, набегающих из водного пространства 1130, в котором установлен поплавковый насосный блок 100.
Этот поплавковый насосный блок может иметь модульную конструкцию для обеспечения его мобильности. Мобильный поплавковый насосный блок может быть установлен в одном месте, разобран и установлен в другом месте. Мобильность поплавкового насосного блока может являться отличием от других гидроэлектроэнергетических устройств, которые не являются мобильными, такие как гибротурбина, которая сооружается постоянно для эксплуатации на одном месте. Кроме того, группа или поле мобильных поплавковых насосных блоков может перемещаться для обеспечения энергией различных наземных или морских потребителей (подвергающихся изменениям спроса на энергию). Например, группа из одного или нескольких поплавковых насосных блоков может быть развернута на территории морской акватории с целью обеспечения военной базы, которая развертывается в новом районе дислокации на неизвестный срок и которая впоследствии передислоцируется в другой район дислокации. Группа поплавковых насосных блоков может быть развернута по существу везде, где имеются достаточные источники энергии волн, которые соответствуют техническим характеристикам поплавковых насосных блоков.
На Фиг.12А показано кольцо 1200 поплавковой камеры, которое может быть использовано в качестве структурного компонента для создания предложенной конструкции, показанной на Фиг.12В и образованной из нескольких колец 1200 поплавковых камер с целью функционирования по существу подобно поплавковому цилиндру 104 (смотри Фиг.1) поплавкового насосного блока. Поплавковый насосный блок, в котором используется кольцо 1200 поплавковой камеры, является по конструкции модульным. Кольцо 1200 поплавковой камеры содержит внешнее кольцо 1202 и внутреннее кольцо 1204. Внешние и внутренние кольца 1202 и 1204 являются концентрическими и могут быть соединены при помощи некоторого количества распорок, образующих пары распорок 1206a-1206d (в целом 1206). Пары распорок 1206 могут быть скомпонованы параллельно и расположены симметрично относительно осей Х и Y. Эти пары распорок 1206 обеспечивают поддержку конструкции внешних и внутренних колец 1202 и 1204. Другие конструктивные и/или геометрические конфигурации распорок также могут использоваться для того, чтобы обеспечить поддержку конструкции внешних и внутренних колец 1202 и 1204. Например, может быть использована форменная конфигурация распорок между внешними и внутренними кольцами 1202 и 1204.
Направляющие кольцевые цилиндры 1210 могут быть расположены посередине между парами распорок 1206 и прикреплены как к внешним, так и внутренним кольцам 1202 и 1204. Эти направляющие кольцевые цилиндры 1210 могут быть использованы для позиционирования и удерживания кольца 1200 поплавковой камеры на свайных основаниях 1216 (как показано ниже на Фиг.12В). Каждый компонент кольца 1200 поплавковой камеры может быть выполнен из стали и/или таких материалов, как стекловолокно или пластмасса, устойчивых к воздействию внешних условий, которые наблюдаются в океане или других средах.
Фиг.12В представляет собой вид сверху в перспективе, выполненный в направлении поперечного сечения поплавковой камеры, показанной на Фиг.1, где используется кольцо поплавковой камеры, показанное на Фиг.12А. Поплавковая камера 104 образована путем соединения множества колец 1200 поплавковой камеры в осевом направлении вдоль восьми свайных оснований или стоек 1216, которые могут быть установлены на основании (не показано) и расположены на нем вертикально, опираясь на дно водного пространства. В зависимости от глубины водного пространства каждое из свайных оснований 1216 может быть сформировано множественными сегментами. Как показано на фигуре, свайные основания 1216 могут проходить через направляющие кольцевые цилиндры 1210, расположенные радиально вокруг кольца 1200 поплавковой камеры.
Трубчатые проставки 1218, установленные вертикально на основании поплавкового насосного блока 1212, могут быть присоединены к внутреннему кольцу 1204 в местах установки каждой распорки в паре распорок 1206. Эти трубчатые проставки 1218 использованы как направляющие для поплавка 1220 (показан частично). Поплавок 1220 может содержать или быть присоединенным к поплавковому кольцу 1222. Это поплавковое кольцо 1222 может присоединяться к или направляться трубчатыми проставками 1218 для того, чтобы сохранять осевую ориентацию поплавка 1220 при его перемещении вверх и вниз внутри поплавковой камеры 104. В силу модульности конструкции поплавковый насосный блок 1212 может быть устанавлен и разобран с целью смены места расположения.
На Фиг.12С показан другой вариант осуществления кольца поплавковой камеры 1200', сконфигурированный в виде крышки для поплавковой камеры 104. Кольцо поплавковой камеры 1200' также может быть сконфигурировано таким образом, чтобы позиционировать поршневую камеру 1224. Позиционирующие распорки 1226 могут быть по существу совмещены с парами распорок 1206 с образованием прямоугольной зоны 1228 вокруг центра внешнего и внутреннего колец 1202 и 1204. Прямоугольный направляющий элемент 1230 может быть расположен в этой прямоугольной зоне 1228 и присоединен к позиционирующим распоркам 1226. Прямоугольный направляющий элемент 1230 может иметь отверстие 1232 с размерами, достаточными для того, чтобы вставить поршневую камеру 1224 насквозь и удерживать поршневую камеру 1214 в нем при помощи соединенительных элементов (не показаны). Следует понимать, что отверстие 1232 может также иметь размеры и форму в зависимости от формы и размера элемента конструкции (например, поршневой камеры 1224), которая поддерживается и центруется кольцом 1200' поплавковой камеры.
Фиг.13 представляет собой схему устройства 1300 для динамического определения и/или регулирования размера поплавка на основании данных по волнам, на которой показано схематическое изображение предложенного поплавка 1302 на мониторе 1303 вычислительной системы 1304. Вычислительная система 1304 содержит процессор 1306, выполненный с возможностью работы с программным обеспечением 1308. Программное обеспечение 1308 используется для того, чтобы рассчитывать размеры и/или модель функционирования поплавка 1302 на основании статистических данных по волнам для места в водном пространстве, в котором устанавливается поплавковый насосный блок, содержащий поплавок 1302. Программное обеспечение 1308 может формироваться, например, из строк кода или формул, содержащихся в крупноформатной электронной таблице. Программное обеспечение 1308 содержит алгоритм, который имеет входные параметры для обработки статистических данных по волнам и выдает механические характеристики и эксплуатационные данные устройства.
Вычислительная система 1304 также содержит запоминающее устройство 1310, связанное с процессором 1306. Это запоминающее устройство может быть использовано для хранения программы 1308 и данных, полученных в результате ее работы. Устройство ввода/вывода 1312 связано с процессором 1306 и используется для принятия и передачи данных внутри системы в или вне ее из вычислительной системы 1304. Устройство хранения 1314 связано с процессором 1306 и выполнено с возможностью хранения базы 1316 данных. База 1316 данных может хранить статистические данные по волнам и другие данные, связанные с конфигурацией одного или более поплавковых насосных блоков для их установки. В одном из вариантов осуществления база 1316 данных является файлом данных, связанных с поплавком 1302.
Вычислительная система 1304 может быть связана с сетью 1318 через линию связи 1320. В одном из вариантов осуществления сеть 1318 является сетью Интернет. Также сеть 1318 может быть спутниковой системой связи. Сервер 1322 статистических данных по волнам поддерживает базу 1324 данных или другой файл данных, содержащий данные по волнам, собранные буями из различных мест водных пространств по всему миру, как понятно для специалиста в данной области техники. Сервер 1322 статистических данных по волнам связан с сетью 1318 через линию связи 1326 таким образом, что вычислительная система 1304 может иметь доступ или вести поиск данных по волнам, хранимым в базе 1324 данных. Эти данные по волнам, к которым осуществляется доступ для их получения с сервера 1322 статистических данных по волнам при помощи вычислительной системы 1304, могут вручную, полуавтоматически или автоматически включаться в базу 1316 данных и использоваться программным обеспечением 1308 для генерирования размеров и/или модели функционирования поплавка 1302.
Изображение 1301 поплавка 1302 может также содержать целый ряд областей данных, предназначенных для того, чтобы получать входные параметры и/или отображать вычисленные результаты в областях дисплея для проектирования поплавка 1302. Разработчик поплавка 1302 может использовать эти входные параметры для того, чтобы вводить информацию, связанную со специфическими или типичными статистическими движениями волн за определенные периоды времени. Также входные параметры могут быть считаны из файла данных, хранимых в устройстве 1314 хранения, на сервере 1322 данных по волнам или где-либо еще, и отображены на изображении 1301.
При проектировании поплавка 1302 соображения места установки и длительности установки должны быть приняты во внимание. Например, если поплавковый насосный блок должен быть устанавлен в определенном месте на определенный период времени, такой как три месяца, то разработчик может ввести низкий, пиковый и средний уровень статистических данных по движению волны в течение тех конкретных месяцев в конкретном месте при проектировании поплавка 1302. Если поплавковый насос должен быть установлен на больший период времени, то низкий, пиковый и средний уровень статистических данных по движению волны может вводиться на более длинный период времени, такой как пять лет, с целью определения размеров поплавка 1302.
Изображение 1301 может содержать входные и выходные области, включая таблицы, матрицы, графические изображения или другой визуальный материал для того, чтобы помочь разработчику поплавкового насосного блока.
H
В течение фазы конструирования поплавкового насосного блока разработчик может выполнять процесс конструирования, такой как предложен в соответствии с примерами А и В, таблицы 1-4 и Фиг.3A-3F и Фиг.4D. В процессе выполнения конструирования пример А (низкий размер волны), пример В (средний размер волны) и таблица 1 предусматривают примеры для использования статистических данных по волнам при расчете размеров различных узлов (например, поплавка) и параметров системы (например, мощности). Размеры, такие как объем поплавка (BBv), объем конуса (VC), объем основания (VB) и другие размеры могут быть рассчитаны как величины, зависимые от статистических данных по волнам. Таблица 2, в которой описан диаметр поплавка как функция высоты волны (W), может быть использована для того, чтобы определить как размеры, так и рабочие параметры системы. Результаты, показываемые на изображении 1301, могут графически отображаться в связи с элементами и размерами, показанными, например, на Фиг.3A-3F и Фиг.4D. Следует понимать, что более простые или подробные графические изображения элементов поплавкового насосного блока также могут быть рассчитаны и показаны на изображении 1301. Входные данные, приведенные в таблице 3 (средние данные волн по годам) и таблице 4, отражающие среднюю ежемесячную информацию по волнам, могут быть введены в вычислительную систему 1300 в процессе проектирования узлов поплавкового насосного блока на основании данных по месту и длительности установки.
1
1
2
На Фиг.13 также показаны области дисплея, используемые для того, чтобы показать результаты расчетов, произведенных с программным обеспечением 1308 вычислительной системой 1304. Результаты, показанные в областях дисплея, могут содержать целый ряд механических характеристик для поплавка 1301, включая высоту (h) основания (смотри Фиг.4D), диаметр (d) основания, высоту (h) конуса и другие размеры. К тому же могут быть рассчитаны и другие размеры узлов поплавкового насосного блока, такие как размеры поршня. Области дисплея могут также содержать параметры, которые влияют на рабочие характеристики, такие как возможная длина хода и время хода подъема, а также давление при подъеме, которое является величиной давления, направленного вверх и создаваемого поплавком 1301 как функция параметров волн (например, высота и длина).
Поплавковые насосные блоки являются также наращиваемыми для того, чтобы отвечать потребностям конкретного региона. Например, заданное количество поплавковых насосных блоков может быть первоначально установлено для того, чтобы отвечать потребностям конкретного региона или части региона, а затем дополняться другими поплавковыми насосными блоками для обслуживания этого региона при его расширении или для оставшейся части исходного региона. Этот регион может иметь только небольшую потребность в энергии, требующую, например, только 200 поплавковых насосных блоков, или иметь большую потребность в энергии, которая покрывалась бы несколькими квадратными милями поплавковых насосных блоков и была сравнима с мощностью плотины с энергетической установкой. Т.е. поплавковые насосные блоки являются наращиваемыми и адаптируемыми к любым энергетическим потребностям для конкретного обслуживаемого региона.
На Фиг.14 показан вариант осуществления предложенной энергетической системы 1400 на базе поплавковых насосов, в которой используется водонапорная башня. Группа 1405 из одного или нескольких поплавковых устройств 1410 размещена на дне 1415 водного пространства 1420 в заданной конфигурации. Эта группа 1405 поплавкового насосного блока (блоков) 1410 может быть скомпонована в сеть, массив или размещена иным способом так, чтобы установить каждый поплавковый насосный блок 1410 для приема движения волн с минимальным влиянием или вообще без взаимного влияния других поплавковых насосных блоков 1410.
Выпускные линии 1425 из поплавковых насосных блоков 1410 могут проходить по дну 1415 в направлении к берегу 1430, где установлена водонапорная башня 1435. Эти выпускные линии 1425 функционируют как линии подачи воды, которые доставляют воду на или вблизи вершины водонапорной башни 1435.
Водонапорная башня 1435 функционирует как резервуар для перекачиваемой воды, которая приводит в действие одну или более турбин 1439, расположенных в машинном зале 1440 внутри или вблизи основания водонапорной башни 1435. Следует понимать, что машинный зал 1440 может быть расположен внутри, рядом или вблизи водонапорной башни 1435 таким образом, чтобы получать воду, накапливаемую в водонапорной башне 1435, за счет силы тяжести для вырабатывания электрической энергии из потока воды, проходящей через турбину (турбины) 1439. Вода, проходящая через турбину (турбины) 1439, может быть возвращена обратно в водное пространство 1420 через водовыпуск 1440 турбины. Вода также может быть подана для распределения для другого вида использования, такого как, например, орошение или опреснение с целью превращения в питьевую воду.
Линии 1445 электропередачи могут быть подключены к турбине (турбинам) 1439 для передачи электроэнергии, выработанной этими турбинами, в электрическую сеть 1450, в которую включены линии 1445 электропередачи. Предполагается, что насосы, которые вырабатывают энергию другим способом, отличным от использования принципов поплавковых устройств, также могут быть использованы для того, чтобы подавать воду в водонапорную башню 1435 в соответствии с данным изобретением. Например, насосы, которые вырабатывают энергию за счет вращения и/или энергии ветра, также могут быть использованы для подачи воды в водонапорную башню 1435.
Фиг.15 представляет собой изображение другого варианта осуществления характерной энергетической системы 1500 на базе поплавковых насосов. Может быть установлена такая же или подобная компоновка группы 1505 из одного или более поплавковых насосных блоков 1510, расположенных на дне 1515 водного пространства 1520, как показана на Фиг.14. Эта группа 1505 поплавковых насосных блоков 1510 может быть скомпонована в сеть, массив или размещена иным способом так, чтобы установить каждый поплавковый насосный блок 1510 для приема движения волн с минимальным влиянием или вообще без взаимного влияния других поплавковых насосных блоков 1410.
Выпускные линии 1525 из поплавковых насосных блоков 1510 могут проходить по дну 1515 в направлении к скале 1530, где установлены один или более резервуаров 1535 на вершине 1540. Альтернативно резервуар(ы) 1535 могут быть выполнены на вершине 1540 скалы в виде одного или нескольких бассейнов или емкостей. Выпускные линии 1525 функционируют как средства для подачи воды в или вблизи верхней части резервуара 1535. В одном из вариантов осуществления резервуар(ы) 1535 могут быть выполнены таким образом, чтобы обеспечить вторичное использование. Одним из таких вторичных видов использования является рыбопитомник. Резервуар 1535 функционирует для того, чтобы накапливать воду, перекачиваемую от поплавковых насосных блоков 1510, для приведения в действие одной или более турбин 1540, расположенных в машинном зале 1545 у или вблизи основания скалы 1530 для обеспечения максимального давления воды на турбине (турбинах) 1540 за счет силы тяготения. Альтернативно машинный зал 1545 может быть расположен и в других местах ниже резервуара с возможностью приведения в действие турбины (турбин) 1540. Как понятно для специалиста в данной области техники, различные турбины работают на различных давлениях воды, т.е. высота скалы и/или превышение резервуара 1535 над турбинами могут быть выбраны на основании типа используемой турбины. Электричество, вырабатываемое турбинами 1540, может быть передано по линиям 1550 электропередачи в электрическую сеть 1555.
На Фиг.16 показан другой пример компоновки поплавковых насосных блоков 1602, расположенных в водном пространстве 1604 для преобразования энергии волн в механическую энергию. Поплавковые насосные блоки 1602 скомпонованы таким образом, чтобы подавать газ, такой как воздух, через выпускные линии 1606 в зависимости от перемещения волнами поплавков (не показаны) поплавковых насосных блоков 1602. Резервуар 1608 может быть расположен на берегу 1610 или под землей на берегу 1610, поскольку газ может быть сжат и нет необходимости его поднимать для того, чтобы приводить в действие турбину 1612, установленную в машинном зале 1614. Турбина 1612 может быть соединена с резервуаром 1608 через входные линии 1616 подачи для подвода сжатого газа с целью приведения в действие турбины 1612. Турбина подключена к линиям 1618 электропередачи для передачи электричества, вырабатываемого турбиной 1612, в электрическую сеть 1620 или другому потребителю, такому как предприятие.
1
2
14
13
15
2
1
Фиг.17А иллюстрирует предложенное поле 1700 насосов, которое включает в себя поплавковые насосные блоки 1702, скомпонованные так, чтобы подавать текучее вещество в резервуар 1704 под действием волн 1706 в океане 1708. Поле 1700 насосов скомпоновано как сеть поплавковых насосных блоков 1702, содержащая ряды 1710 и колонны 1712 участков 1713, предназначенных для установки поплавковых насосных блоков 1702. Пустой участок вдоль колонны разделяет или отделяет друг от друга два поплавковых насосных блока 1702 в каждом ряду. Подобным образом пустой участок вдоль ряда отделяет друг от друга два поплавковых насосных блока 1702 в каждой колонне. При разделении или отделении друг от друга поплавковых насосных блоков 1702, как показано на рисунке, волна, которая проходит через первую колонну с и между двумя поплавковыми насосными блоками 1714а и 1714b, восстанавливая свою форму перед поплавковым насосным блоком 1714с во второй колонне с, и по ряду r, перпендикулярно расположенному между рядами r и r, на два поплавковых насосных блока 1714а и 1714b, таким образом обеспечивает получение поплавковым насосным блоком 1714с во второй колонне с по существу той же энергии волн, которая получена поплавковыми насосными блоками 1714а и 1714b в первой колонне c. Разделение поплавковых насосных блоков 1702 также способствует минимизации количества энергии, отбираемой из каждой волны. Путем минимизации количества энергии, отбираемой из каждой волны, каждый поплавковый насосный блок 1702, расположенный в поле 1700 насосов, получает по существу одинаковое количество энергии. Следует понимать, что могут быть использованы и другие компоновки поплавковых насосных блоков 1702, которые обеспечивают такую же или подобную картину минимального изменения в течении волн с целью подвода максимальной энергии волн к каждому насосу. При использовании компоновки поля 1700 насосов, показанного на Фиг.17, на берег 1714 попадают волны, по существу такие же, как и в случае, если бы поля 1700 насосов не было перед берегом 1714. Таким образом, эта компоновка поля 1700 насосов является решением для получения энергии из волн, не наносящих ущерба окружающей среде.
1
14
13
15
Фиг.17В представляет собой увеличенное изображение компоновки поплавковых насосных блоков 1702, содержащих отдельные поплавковые насосные блоки 1714а-1714с. Выпускные линии 1718а и 1718b поплавковых насосных блоков 1714а и 1714b соответственно выполнены выходящими из каждого поплавкового насосного блока 1714а и 1714b вдоль первой колонны c в направлении к ряду r, содержащему поплавковый насосный блок 1714с. Выпускные линии 1718а и 1718b соединены с другой выпускной линией 1718с, которая проходит вдоль ряда 114 в направлении к берегу (1716). Соответственно, выпускная линия (не показана) из поплавкового насоса 1714с может соединяться с выпускной линией 1718с. Кроме того, выпускные линии из других поплавковых насосов 1702, расположенных в рядах r-r, могут соединяться с выпускной линией 1718с с целью подачи текучего вещества (т.е. жидкости или газа), выходящего из поплавковых насосных блоков 1702 в резервуар (не показан), расположенный на земле, или иным способом. Следует понимать, что могут быть использованы и другие конфигурации выпускных линий для текучего вещества, подаваемого в резервуар. Другие конфигурации могут конструктивно или геометрически отличаться. Например, вместо соединения выходных линий 1718а и 1718b с одной выпускной линией 1718с каждая выпускная линия 1718а и 1718b может оставаться отдельной.
2
1
2
Также на Фиг.17В показаны предлагаемые в качестве примера компоновочные размеры для сети насосов. Каждый поплавковый насосный блок 1702 имеет размер основания 47,3 фут. Принято расстояние в 15,8 фута между рядами (например, рядами r и r) поплавковых насосных блоков 1702.
На Фиг.17А резервуар 1704 расположен на вершине скалы 1718 и принимает воду, перекачиваемую из поплавковых насосных блоков 1702, через выпускные линии 1720. Вода может накапливаться в резервуаре 1704 и вытекать через выпускные линии подачи 1722 на турбину (турбины) (не показаны), расположенные в машинном зале 1724. Вода может сбрасываться снова в океан 1708 через линии 1726 сброса. В другом варианте осуществления резервуар может быть расположен над уровнем водного пространства, т.е. на судне или нефтяной платформе.
Разумеется, что система поплавковых насосов может быть предназначена и для того, чтобы полностью поглощать почти всю потенциальную энергию из проходящей волны и использовать эту энергию способом, описанным и показанным в данном описании. Альтернативно эта система поплавковых насосов может быть предназначена и для того, чтобы поглощать часть (например, 50%) потенциальной энергии из проходящей волны. Такие технические решения могут использовать сеть или другую структуру поля насосов, однако содержать поплавковые насосные блоки в некоторых или всех пустых участках.
Предшествующее описание выполнено для предпочтительных вариантов осуществления изобретения и не должно ограничивать область данного изобретения. Рамки данного изобретения определяются изложенной далее формулой изобретения.