ПОПЛАВКОВАЯ ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
FLOAT WAVE POWER PLANT

Изобретение относится к отрасли морской энергетики и предназначено для извлечения электрической энергии из морских волн.
Известна волновая энергетическая установка, содержащая судно с волновым компрессором, использующим энергию волнения для производства сжатого воздуха, с расположенными по периметру судна и погруженными в воду рабочими камерами с впускными и выпускными окнами, и преобразующие энергию сжатого воздуха турбины с электрогенераторами, рабочие камеры в такте всасывания при уходе волны через впускные клапаны сообщаются с коллектором низкого давления, связанным с атмосферой, а через выпускные клапаны в такте сжатия с приходом волны сообщаются с коллектором высокого давления, судно имеет размеры и количество рабочих камер, обеспечивающих одновременную работу нескольких волн, рабочие камеры размещены ступенями по глубине, причем каждая последующая ступень рабочих камер расположена глубже предыдущей, а коллектор высокого давления предыдущей ступени одновременно является коллектором низкого давления последующей ступени, коллектор высокого давления последней ступени в своей нижней части имеет дренажные колодцы с выпускными клапанами, в судне выполнена система балластных отсеков для размещения волнового компрессора на ватерлинии, располагаемой на уровне рабочих камер первой ступени, а на корме и носу расположены судовые двигатели (Патент РФ №2330987, МПК: F03B 13/24, опубл. 10.08.2008 г.).
Недостатком аналога является сложность конструкции, заключающаяся в расположении рабочих камер по периметру судна и их размещение ступенями по глубине, что приводит к увеличению габаритов волновой энергетической установки и капитальных вложений.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является волновая электростанция, содержащая неподвижную опору, пневмогидравлическую камеру, подводная часть которой сообщена с водоемом, а надводная - с атмосферой через закрепленный на верхнем торце камеры напорный воздуховод, поперек которого установлена, по меньшей мере, одна турбина с лопастями крыловидного профиля, кинематически связанная с генератором, при этом на противоположных внутренних поверхностях напорного воздуховода для каждой турбины выполнены выступы с вогнутыми стенками, примыкающие с зазором к цилиндрической поверхности, ометаемой лопастями турбины, а на опоре размещен вращающийся привод, кинематически связанный с камерой, которая закреплена на опоре с возможностью вертикального перемещения в соответствии с колебаниями среднего уровня водной поверхности (Патент РФ №2459974, МПК: F03B 13/24, опубл. 27.08.2012 г.).
Недостатки прототипа - наличие неподвижной опоры, которая ограничивает использование устройства на больших глубинах, где энергия волны максимальна, неэффективное использование энергии рабочего тела - сжатого атмосферного воздуха, так как часть кинетической энергии теряется при входе и выходе рабочего тела из напорного воздуховода, ненадежная работа при больших амплитудах морских волн, когда морская вода будет заливать турбину, которая работает в воздушной среде.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, состоит в увеличении процента выработки электрической энергии за счет более рационального использования кинетической энергии рабочего тела - сжатого воздуха, в повышении надежности работы и возможности контроля расхода сжатого воздуха турбины.
Для достижения указанного технического результата в поплавковой волновой электростанции, содержащей пневмогидравлическую камеру с надводной частью - напорный воздуховод, и подводной частью, сообщающейся с морем, цилиндрическую турбинную камеру в которой установлена, по меньшей мере, одна турбина с лопастями крыловидного профиля, на противоположных внутренних поверхностях цилиндрической турбинной камеры для каждой турбины выполнены выступы с вогнутыми стенками, примыкающие с зазором к цилиндрической поверхности, омываемые лопастями турбины, которая кинематически связана с электрогенератором, установлены поплавок, мультипликатор, заглушка с отверстиями, клапан для выпуска сжатого воздуха, клапан для впуска атмосферного воздуха, дефлектор с флюгером, ресивер, поплавок выполнен в форме круглой цилиндрической трубы, внутри которой размещен изогнутый по вертикали напорный воздуховод, выполненный в форме трубы круглого поперечного сечения, в верхней части поплавка размещен диффузор, перекрытый заглушкой с отверстиями, которые оборудованы клапанами для впуска атмосферного и выпуска сжатого воздуха, подводная часть пневмогидравлической камеры, выполненная также в форме трубы круглого поперечного сечения, диаметр которой равен диаметру трубы напорного воздуховода, турбина кинематически связана с мультипликатором и электрогенератором, которые установлены в полости поплавка у изгиба напорного воздуховода, ресивер выполнен в форме гибкой водонепроницаемой оболочки и размещен в подводной части пневмогидравлической камеры, дефлектор выполнен в форме цилиндра и установлен выше заглушки с возможностью вращения вместе с вертикальным валом, к которому горизонтально прикреплен стержень и вертикально флажок флюгера, а на боковой поверхности цилиндра дефлектора размещены окна впуска атмосферного воздуха и выпуска сжатого воздуха, ориентированные по диагонали цилиндра, направление которой совпадает с направлением стержня флюгера, окно выпуска сжатого воздуха размещено со стороны флажка флюгера.
Кроме того, заявляемое техническое решение имеет факультативные признаки, характеризующие его частные случаи, а именно:
<mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac></mrow>
- высота напорного воздуховода составляет не менее
Н, где Н - высота пневмогидравлической камеры, а высота подводной части пневмогидравлической камеры составляет не менее
Н,
- верхняя и нижняя части поплавка выполнены конусообразными и прикреплены к трубе напорного воздуховода и к трубе подводной части пневмогидравлической камеры,
- окно впуска атмосферного воздуха соединено конфузором с концевой трубой, которая является частью вертикального вала цилиндра дефлектора,
- ресивер может быть выполнен в форме сферы.
Отличительными признаками предлагаемого устройства от указанного выше, наиболее близкого к нему, являются установление поплавка, мультипликатора, заглушки с отверстиями, клапана для выпуска сжатого воздуха, клапана для впуска атмосферного воздуха, дефлектора с флюгером, ресивера; выполнение поплавка в форме круглой цилиндрической трубы, с размещенным внутри изогнутым по вертикали напорным воздуховодом; размещение в верхней части поплавка диффузора, который перекрыт заглушкой с отверстиями, оборудованными клапанами для впуска атмосферного и выпуска сжатого воздуха; выполнение подводной части пневмогидравлической камеры, выполненной в форме трубы круглого поперечного сечения, диаметр которой равен диаметру трубы напорного воздуховода; размещение мультипликатора и электрогенератора, кинематически связанных с турбиной в полости поплавка у изгиба напорного воздуховода; выполнение ресивера в форме гибкой водонепроницаемой оболочки и его размещение в подводной части пневмогидравлической камеры; выполнение дефлектора в форме цилиндра и его установление выше заглушки с возможностью вращения вместе с вертикальным валом, к которому горизонтально прикреплен стержень и вертикально флажок флюгера; размещение на боковой поверхности цилиндра дефлектора окон впуска атмосферного воздуха и выпуска сжатого воздуха, которые ориентированы по диагонали цилиндра, направление которой совпадает с направлением стержня флюгера; размещение окна выпуска сжатого воздуха со стороны флажка флюгера.
Благодаря наличию этих признаков применение поплавковой волновой электростанции позволит снизить металлоемкость конструкции, а оборудование его дефлектором с флюгером и ресивером позволит увеличить процент выработки электрической энергии за счет более рационального использования кинетической энергии рабочего тела - сжатого воздуха, полученного из возобновляемого источника энергии, повысить надежность и обеспечить безаварийную работу при больших амплитудах морских волн.
Предлагаемая поплавковая волновая электростанция иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-5.
На фиг. 1 показан план поплавковой волновой электростанции.
На фиг. 2 - вертикальный разрез поплавковой волновой электростанции в цикле выпуска сжатого воздуха.
На фиг. 3 - вертикальный разрез поплавковой волновой электростанции в цикле впуска атмосферного воздуха.
На фиг. 4 - вертикальный разрез дефлектора с флюгером.
На фиг. 5 - горизонтальный разрез А-А дефлектора с флюгером.
Поплавковая волновая электростанция содержит поплавок 1, дефлектор 2, флюгер 3, трос 4 и якорь 5 на дне 6 (фиг. 1). Поплавок 1 выполнен в форме круглой цилиндрической трубы, а в верхней и нижней частях - конусообразным. Внутри поплавка 1 размещена пневмогидравлическая камера, верхняя часть которой является напорным воздуховодом 7 с цилиндрической турбинной камерой 8, в форме круглой трубы с горизонтальной осью, причем на противоположных внутренних поверхностях которой выполнены выступы с вогнутыми стенками, примыкающие с зазором к цилиндрической поверхности, в верхней части цилиндрической турбинной камеры 8 прикреплен диффузор 9, перекрытый заглушкой 10. Турбина 11 установлена в цилиндрической турбинной камере 8 и кинематически связана с мультипликатором 12, увеличивающим частоту вращения электрогенератора 13.
На противоположных внутренних поверхностях цилиндрической турбинной камеры 8 для каждой турбины 11 выполнены выступы с вогнутыми стенками, примыкающие с зазором к цилиндрической поверхности, омываемые ее лопастями. Мультипликатор 12 и электрогенератор 13 установлены вне напорного воздуховода 7 в полости поплавка 1. Нижняя часть пневмогидравлической камеры, имеющая форму трубы 14 круглого поперечного сечения, имеет диаметр, равный диаметру трубы напорного воздуховода 7, и сообщается с морем. На фиг. 2 приняты следующие обозначения: h - амплитуда морской волны, Ср. ур. в. - средний уровень воды в море, Н - высота пневмогидравлической камеры. На заглушке 10 (фиг. 4 и 5) размещены отверстия: центральное 15, оборудованное клапаном 16 для впуска атмосферного воздуха с пружиной 17, и боковые 18 для выпуска сжатого воздуха, оборудованные клапаном 19 с пружиной 20. Кольцевая цилиндрическая камера 21 сообщается с боковыми отверстиями 18 заглушки 10. На стенке внутреннего цилиндра кольцевой цилиндрической камеры 21 размещены клапанные отверстия 22 и входное отверстие 23. Ресивер (фиг. 3) выполнен в форме гибкой водонепроницаемой оболочки 24, которая имеет форму сферы, расположен в полости трубы 14 пневмогидравлической камеры. Входное отверстие 25 ресивера выполнено в перегородке 26, размещенной между напорным воздуховодом 7 и трубой 14.
Дефлектор 2 (фиг. 4) выполнен в форме цилиндра с вертикальным валом вращения 27, расположенным в верхнем 28 и нижнем 29 подшипниках. На боковой поверхности круглого цилиндра - дефлектора 2 выполнено окно 30 впуска атмосферного воздуха и окно 31 выпуска сжатого воздуха, при этом они ориентированы по диагонали цилиндра дефлектора 2, направление которой ориентировано с направлением стержня 32 флюгера 3, причем окно 30 впуска атмосферного воздуха размещено со стороны острия стержня 32, а окно 31 выпуска сжатого воздуха размещено со стороны флажка флюгера 3. Окно 30 впуска атмосферного воздуха соединено с конфузором 33 с концевой трубой 34, которая проходит через центральное отверстие 15 заглушки 10 и посажена в нижний подшипник 29, причем она является частью вертикального вала вращения 27 цилиндра - дефлектора 2. Дефлектор 2 имеет внутреннюю связь 35 и внешние стойки 36.
Работа поплавковой волновой электростанции осуществляется следующим образом.
Работа поплавковой волновой электростанции связана с двумя чередующимися циклами: всасывания атмосферного воздуха и выпуска сжатого воздуха. Эффективность работы зависит от амплитуды h морской волны и от скорости ветра. Чем больше значение h, тем сильнее будет сжатие воздуха в напорном воздуховоде 7 (фиг. 2), так как столб воды в трубе 14 пневмогидравлической камеры работает как поршень насоса.
Цикл выпуска сжатого воздуха (фиг. 2). Этот цикл имеет место при размещении поплавка 1 в гребне волны. Поплавок 1 удерживается на линии Ср. ур. в. в море при помощи тросов 4 и якорей 5 на дне 6. Морская вода входит в трубу 14 пневмогидравлической камеры и сжимает гибкую водонепроницаемую оболочку 24 ресивера, сжатый воздух из которой поступает через входное отверстие 25 в перегородке 26 в напорный воздуховод 7. После этого сжатый воздух поступает в цилиндрическую турбинную камеру 8, вращает турбину 11, мультипликатор 12 увеличивает частоту вращения электрогенератора 13, который вырабатывает электрический ток. Далее сжатый воздух поступает в диффузор 9 и натекает на заглушку 10. Затем сжатый воздух проходит через входное отверстие 23 (фиг. 4), сжимает пружину 20 клапана 19 выпуска сжатого воздуха, клапанные отверстия 22 открываются и сжатый воздух входит в кольцевую цилиндрическую камеру 21, проходит через боковые отверстия 18 и поступает в полость цилиндра - дефлектора 2 и далее через окно 31 поступает (подсасывается) в зону пониженного давления и при этом ускоряется. Ускорение сжатого воздуха позволяет увеличить частоту вращения турбины 11, а значит, повысить процент выработки электроэнергии.
Цикл всасывания атмосферного воздуха (фиг. 3). Этот цикл имеет место при размещении поплавка 1 в подошве волны. Поплавок 1 удерживается на линии Ср. ур. в. в море при помощи тросов 4 и якорей 5 на дне 6. Морская вода уходит из трубы 14 пневмогидравлической камеры и давление в напорном воздуховоде 7 понижается. Гибкая водонепроницаемая оболочка 24 осушается (вода не давит на ее внешнюю поверхность) и в нее подсасывается атмосферный воздух, который через окно 30 поступает в конфузор 33, проходит концевую трубу 34, размещенную в центральном отверстии 15, сжимает пружину 17 клапана 16 и поступает в напорный воздуховод 7 (фиг. 3), вращает турбину 11 в том же направлении, что и в цикле выпуска сжатого воздуха, мультипликатор 12 увеличивает частоту вращения электрогенератора 13, который вырабатывает электрический ток. Ускорение атмосферного воздуха в окне 30 и конфузоре 33 позволяет увеличить частоту вращения турбины 11, а значит, повысить процент выработки электроэнергии. После прохода турбины 11 атмосферный воздух поступает в гибкую водонепроницаемую оболочку 24 и заполняет ее.
Цикл всасывания атмосферного воздуха сменяется циклом выпуска сжатого воздуха, и процесс выработки электрической энергии продолжается в непрерывном режиме. При смене направления ветра дефлектор 2, включающий вертикальный вал вращения 27 (фиг. 4, 5), который вращается в верхнем 28 и нижнем 29 подшипниках, закрепленный внутренними связями 35 и внешними стойками 36, автоматически отслеживает направление максимальной скорости ветра, путем поворота стержня 32 с флажком флюгера 3, который автоматически ориентируется по направлению максимальной скорости ветра.
Таким образом, дефлектор 2 с флюгером 3 в процессе работы поплавковой волновой электростанции обеспечивают в автоматическом режиме максимальную эффективность использования скорости ветра для выработки электрической энергии. В основе работы дефлектора 2 с флюгером 3 лежит теория обтекания жидкостью круглого цилиндра с вертикальной осью вращения, у которого абсолютная величина отрицательного давления (вакуум) в кормовой зоне значительно больше положительного давления в его фронтальной зоне.
Работа ресивера обеспечивает контролируемый отбор сжатого воздуха, поступающего на турбину 11, и тем самым обеспечивается безаварийная работа поплавковой волновой электростанции при высоких амплитудах h морских волн. Для обеспечения надежного образования столба морской воды в
<mrow><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn></mfrac></mrow>
трубе 14 длина ее принята равной, не менее
Н, где Н - высота пневмогидравлической камеры. Сжатие воздуха производится в напорном воздуховоде 7 меньшей высоты, равной не менее
Н.
Применение поплавковой волновой электростанции позволяет увеличить процент выработки электрической энергии из возобновляемого источника энергии - морских волн за счет более рационального использования кинетической энергии рабочего тела - сжатого воздуха, повысить безопасность при эксплуатации станции и исключить гибель гидробионтов, поскольку они могут входить в нижнюю часть пневмогидравлической камеры в цикле выпуска сжатого воздуха и обратно выходить в цикле всасывания атмосферного воздуха.