ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВОЛН

Область техники
Настоящая полезная модель относится к области гидравлических машин, погруженных в воду, использующих перемещение элемента, приводимого в действие энергией волны, относительно другого элемента, а именно -к преобразователю энергии волн поплавкового типа, предназначенному для получения энергии из движений водных волн при расположении за пределами береговой линии.
Уровень техники
Известно большое количество различных типов поплавковых преобразователей энергии волн в электрическую энергию. Большинство из них требуют использования устройств, которые компенсируют движение во время роста волны, например противовесов (WO 2013052447 2013-04-11), механических (WO 2007130525 2007-11-15) или пневматических пружин (GB 2540615 2017-01-25), что приводит к потерям в объеме используемой энергии волн. Другие решения обращаются к жестко фиксированным основаниям на дне океана (например, WO 2016195600 2016-12-08), что увеличивает стоимость преобразователя, поскольку требует дополнительных подконструктивных элементов для упрочнения структуры в условиях сильных волн. Кроме того, такая конструкция требует решения проблемы ориентации преобразователя в направлении распространения волн.
В патенте ЕР 2245299 2015-04-08 описан преобразователь, в котором используется инерционный противовес в сочетании с плавучим буем, при этом энергия захватывается при движении плавучего буя к противоположной стороне инерционной массы с использованием гидравлических цилиндров или шланговых насосов. В любом случае часть захваченной энергии будет использоваться для восстановления положения инерционной массы относительно плавучего буя, снижая таким образом эффективность преобразователя.
В патенте ЕР 2094966 2016-08-03 используется плавающее основание для размещения генератора и фиксация плавучего буя (активный поплавок) для захвата энергии волн. Этот преобразователь работает так же, как и инерционное взаимодействие активного поплавка и реактивного тела с волнами. Когда частота волн уменьшается, эффективность преобразователя значительно снижается, в том числе за счет уменьшения разности реакции активной и реактивной частей.
Другие решения, такие как устройства, продаваемые Компанией Ocean Power Technologies, вырабатывают энергию за счет различия в реакциях поплавка и платформы, оборудованной тяжелой плитой для увеличения инерции, на воздействия волн.
Известна морская волновая энергоустановка, согласно US 4258270 А 1981-03-24 (колонка 6, абзац 4), представляющая собой два плавучих тела, одно из которых является опорным, а второе - рабочим. Рабочее тело прикреплено к опорному телу в плоскости распространения волны таким образом, что под действием набегающего потока отклоняется вверх и назад, совершая движения по части окружности с центром в месте крепления рабочего тела к опорному, при этом задняя поверхность рабочего тела выполнена соответствующей такой окружности с целью минимизировать сопротивление воды в пространстве между рабочим и опорным телом движению рабочего тела. Использование потенциальной компоненты волны не является ключевой для данного решения, поскольку для эффективного использования разницы уровня воды при росте и спаде волны (при обычной длине волны в десятки метров) центры тяжести плавучего рабочего и плавучего опорного тела должны быть значительно разнесены друг от друга по оси распространения волны. Для позиционирования устройства, согласно US 4258270 А, используются одноточечная система крепления ко дну и многоточечная система крепления к самому преобразователю. Такая система позволяет ориентировать конструкцию в направлении преимущественного распространения волн, но плохо компенсирует негативное воздействие отдельных нерегулярных волн, направление которых отличается от направления преимущественного распространения. Это объясняется относительно большим удалением конструкции от точки крепления на дне и, соответственно, необходимостью большого смещения всей конструкции для изменения угла восприятия волн (Для компенсации такого недостатка автор предполагает выполнить преобразователь в целом из отдельных элементов, имеющих некоторую свободу перемещения относительно друг друга при помощи упругих муфт).
Существует потребность в преобразователе энергии волн, эффективность которого не уменьшается движущимися частями, и который способен приспосабливаться к изменению направления волны, не расходуя полный потенциал энергии волны, а именно:
легко ориентироваться в преобладающем направлении распространения волн;
работать на поверхности или в приповерхностном слое воды;
работать в направлении распространения как потенциальной, так и кинетической энергии волны;
иметь как можно более жесткую точку опоры рабочего тела и, в то же время, способность компенсировать негативное воздействие волн, которое невозможно утилизировать;
работать как при росте волны, так и при ее спаде;
вырабатывать электрическую энергию непосредственно на преобразователе для последующей ее передачи на берег.
Сущность полезной модели
Технической задачей настоящей полезной модели является создание преобразователя энергии волн с поплавковым и опорным буями, предназначенного для размещения вне береговой линии, который ориентируется в преобладающем направлении распространения волн, работает как при росте волны, так и при ее спаде, использует и потенциальную, и кинетическую энергию волны, легко отклоняется при экстремальных волновых нагрузках, предохраняя элементы конструкции от разрушения, вырабатывает электрическую энергию непосредственно, для последующей ее передачи на берег.
Техническим решением задачи является то, что преобразователь энергии волн, состоит из продолговатого поплавкового буя, постоянно погруженного нижнего опорного буя, отсека генератора и механизма отбора мощности, приводимого в действие жесткими тягами, выполненными с возможностью скольжения в направляющих, одноточечной системы якорения. Новым является то, что отсек генератора и механизма отбора мощности расположен на поплавковом буе, причем от механизма выведены два одинаковых соосных вала, по одному с каждой из длинных сторон буя, две жесткие тяги, имеющие форму вилки, закреплены в верхней части на каждом из валов с помощью храповых механизмов противоположного вращения, наклонные направляющие, обеспечивающие каждая свободное скольжение нижней части одной из тяг, сходятся в верхней части над центром опорного буя и закреплены на опорном буе в нижней части, опорный буй имеет круглое сечение в горизонтальной плоскости, система якорения прикреплена к преобразователю энергии волн в одной точке - центральной нижней точке опорного буя.
Сущность полезной модели поясняется чертежами и иллюстрациями, где
- на фиг. 1 схематично изображен преобразователь энергии волн, фронтальный вид;
на фиг. 2 - то же, вид сбоку;
на фиг. 3 - схематично отображена эффективная траектория движения преобразователя;
на фиг. 4 - график эффективной траектории движения преобразователя энергии волн;
на фиг. 5 - возможные воздействия волн на преобразователь;
на фиг. 6 - фотографическое изображение опытного образца преобразователя энергии волн.
Основными частями преобразователя являются:
верхний, поплавковый буй 1 продолговатой формы;
механизм отбора мощности с генератором, расположенный в отсеке 2 вверху и в центре поплавкового буя, причем от механизма выведено два соосных вала 3 - по одному над каждой из длинных сторон буя 1, перпендикулярно этим сторонам;
две жесткие тяги 4, выполненные в форме вилки, посаженные верхними концами на каждый из вышеуказанных валов 3, а нижними концами свободно скользящие в противоположных направляющих 5;
сходящиеся над центром опорного буя симметрично расположенные наклонные направляющие 5, обеспечивающие каждая свободное скольжение нижнего конца одной из тяг 4;
нижний, постоянно погруженный, опорный буй 6, который имеет круглое сечение в горизонтальной плоскости (например: буй цилиндрической или конической формы), и на котором жестко зафиксированы нижние концы направляющих 5;
одноточечная система якорения 7, прикрепленная к центральной нижней точке опорного буя 6.
Указанная конструкция самостоятельно ориентируется в преобладающем направлении распространения волн благодаря воздействию кинетической компоненты волны на продолговатый верхний буй 1, в практике мореходства такой эффект называется "разворот лагом на волну". При этом круглый в горизонтальном сечении опорный буй 6, тяги 4, направляющие 5 и одноточечная якорная система 7, оказывают минимальное сопротивление такой ориентации.
Верхний поплавковый буй 1, расположенный на поверхности воды абсорбирует как потенциальную энергию волны (совершая движение вверх при росте волны и вниз под действием собственного веса при ее спаде), так и кинетическую (накат волны, воздействуя на переднюю вертикальную поверхность поплавкового буя 1, отклоняет всю конструкцию в целом от вертикальной оси). За счет этого ход поплавкового буя 1 относительно опорного буя 6 возрастает, как показано на Фиг. 3а и Фиг. 3б. Движение тяг 4, передающих полезное усилие на валы 3 механизма отбора мощности, при этом происходит в одной плоскости, в которой и расположен результирующий вектор энергии волны.
Нижний опорный буй 6 при спаде волны создает усилие, которое возвращает всю конструкцию в вертикальное положение и которое достаточно для работы генератора при движении поплавкового буя 1 вниз под собственным весом. В результате поплавковый буй 1 максимально сближается с опорным буем 6, вырабатывая энергию на спаде волны.
Если рассмотреть другие возможные воздействия волн на поплавковый буй 1 (Фиг. 4), такие как рыскание, качание относительно поперечной и продольной осей (крен и дифферент соответственно), снос в сторону, то можно увидеть, что в силу своей конструкция преобразователь легко отклоняется под их воздействием, не допуская экстремальных вредных нагрузок. Крен и снос компенсируются подвижностью нижних концов тяг 4 в направляющих 5. Дифферент преобразуется в дополнительные движения в направлениях вверх-вниз и вперед-назад, что обуславливается жесткостью в узлах крепления деталей конструкции.
Крепление тяг 4 на валах 3 механизма отбора мощности осуществляется с помощью храповых механизмов противоположного вращения, что обеспечивает постоянное вращение каждого вала в одном направлении при любой фазе волны.
Возможен вариант жесткой фиксации на валах одной тяги и свободного крепления другой тяги, при котором одна из тяг не задействована в полезной работе, а исполняет поддерживающую роль, и направление вращения валов меняется в зависимости от фазы волны, обеспечивая возможность применения принципиально другого механизма отбора мощности.