Пристрій для перетворення енергії морських хвиль у механічну енергію

1. Пристрій для перетворення енергії морських хвиль у механічну енергію, що містить поплавець з електричним генератором, зв'язаним із заглибним вертикальним валом, на якому встановлені лопаті зі змінним кутом атаки, що утворюють реверсивну турбіну, і систему фіксації пристрою до дна, який відрізняється тим, що кожна лопать зі змінним кутом атаки виконана у вигляді лопатки, зв'язаної з заглибним вертикальним валом за допомогою поворотного пристрою, що забезпечує обмежений стопорами поворот лопатки навколо зміщеної до передньої крайки лопатки горизонтальної осі під впливом потоку води, що набігає. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що лопатки виконані з можливістю повороту навколо зміщеної до передньої крайки лопатки горизонта U 2 (19) 1 3 F03B 13/12, 1983; RU 2,065,078, F03B 13/12, 1996). Вісь обертання ротора розташована на висоті середнього рівня води й орієнтована уздовж напрямку поширення хвиль. При набіганні хвилі ковшеподібні ємності з однієї сторони ротора, звернені устями нагору (спрямовані нагору), заповнюються водою. Ковшеподібні ємності з іншої сторони ротора, звернені устями вниз (спрямовані вниз), залишаються заповненими повітрям і при зануренні всього ротора у воду прагнуть спливти, за рахунок чого створюється крутний момент. При відкоті хвилі спрямовані вниз ковшеподібні ємності спорожняються, а спрямовані нагору ковшеподібні ємності залишаються заповненими водою, що також створює спрямований у ту ж сторону крутний момент. Такі пристрої можуть ефективно працювати тільки за умови, що висота хвиль перевищує вертикальний розмір ковшеподібної ємності. Виходячи з цієї вимоги висота ковшеподібної ємності повинна бути менше середньостатистичної висоти хвиль у даній акваторії. З іншого боку, енергетична ефективність пристрою прямо пропорційна величині заповнюваного водою обсягу ємності і, отже, обмеження по висоті ковшеподібної ємності обумовлює обмеження енергетичної ефективності пристрою в цілому. Іншими словами, якщо для одержання заданої потужності пристрою його ємності повинні мати висоту 0,5 м, то це означає, що при висоті хвиль менше ніж 0,5 м відбувається повна зупинка пристрою. Оптимальним у цьому випадку представляється установка з висотою ємностей, що не перевищує середньостатистичну висоту хвиль у даній акваторії. Така установка буде працювати практично безперебійно, але її питома потужність (потужність на одиницю загального обсягу установки) виявляється обмеженою. Відомі перетворювачі енергії поверхневих хвиль на воді в механічну енергію (ВЭС), що перетворять зворотно-поступальний рух води в обертальний рух за допомогою гідравлічної передачі енергії з поршневих насосів на гідромотор (гідротурбіну) (www.pelamis.com,http\\www.finavera.com\en\wave, www.ceto.com.au, cwavepower.com). Недоліком такої системи є ненадійність роботи клапанної системи, великі втрати на тертя і, як результат, перегрів гідравлічної рідини, необхідність частого ремонту внаслідок зносу поршневої групи, великі механічні навантаження на деталі, що рухаються, що приводить до підвищеної металоємності конструкції і ризику поломки конструкції під час шторму. Цього недоліку позбавлені пристрої без зворотно-поступального руху деталей. Відомі перетворювачі енергії хвиль у механічну енергію (осцилуючий стовп – Oscillation Column), що у якості поршня використовують рух води в камерах, що сполучаються з морем (www.wavegen.co.uk, www.wavedragon.net). Вода передає енергію за допомогою виштовхування з камер і всмоктування повітря через повітряний колектор. Реверсивний потік повітря подається на турбіну, лопатки якої мають асиметричний профіль дозвукового крила по обидва боки (т.зв. турбіна Девіса - Davis). При 41806 4 цьому турбіна обертається в реверсивному потоці увесь час у ту саму сторону завдяки різниці тиску на короткий передній і довгий задній скоси асиметричного профілю. Однак при цьому ККД турбіни не перевищує 5-10 % через неоптимальну форму лопаток турбіни: кут атаки лопаток постійний по всій довжині лопаток, у той час, як лопатки з різним кутом атаки (т.зв. «круткою лопатей») працюють набагато ефективніше. Сама ж турбіна вимагає прецизійного виготовлення і балансування і може бути виготовлена тільки на спеціалізованих підприємствах. З огляду на низьку щільність і швидкість повітряного потоку в колекторі, обумовлену досить малим періодом хвиль, для перетворювача великої потужності необхідно будувати турбіну великих розмірів. Це обумовлює занадто велику вартість системи. До того ж, недоліком цієї системи є наявність повітряних клапанів, що ще більше знижують ККД і надійність системи. От чому вартість електричної енергії, яка виробляється такими пристроями, виявляється вище комерційної і подібні пристрої не мають попиту. У пристрої по WO 81/02329, відомому як ротор Вінкранца, опори обертання вала за допомогою тросів прикріплені до донних опор, чим обмежується вертикальний і горизонтальний зсув ротора під впливом хвиль і вітру. Пристрій містить також платформу з установленим на ній електричним генератором, ротор якого з'єднаний з напівнадводний ротором. Коли ротор Вінкранца чи окремі його ділянки періодично накриваються хвилями, то, як це описано вище, ковшеподібні ємності з однієї сторони ротора виявляються заповненими водою, а з іншого боку - вільними від води, за рахунок чого створюється момент сил, що приводить до обертання ротора. Найбільш ефективний пристрій працює при умовах, що плавучість ротора дорівнює ½ і його діаметр близький до висоти хвилі, а довжина ротора дорівнює чи перевищує довжину морської хвилі. Тут під довжиною хвилі розуміється горизонтальна відстань у напрямку поширення хвилі між сусідніми однофазними ділянками поверхні хвильової поверхні, наприклад, між вершинами двох сусідніх хвиль. При цих умовах кожний з ділянок ротора періодично проходить фази повного або майже повного занурення у воду і повного або майже повного виходу з води і досягається теоретично можливий максимум добору енергії хвилі. Довжини вітрових хвиль звичайно знаходяться в межах 20-50 м, а так званих «брижів» - 50-120 м. Таким чином, мінімальна довжина ротора Вінкранца повинна бути від 20 до 50 м. При цьому конструкція ротора повинна витримувати великі механічні навантаження, що виникають при впливі на нього морських або океанських хвиль. З урахуванням реальних умов експлуатації конструкції такої довжини, забезпечення міцності ротора вимагає спеціальних рішень і застосування особливо міцних матеріалів, у результаті чого вартість пристрою зростає настільки, що його експлуатація стає нерентабельною. Найбільш близьким аналогом корисної моделі, що заявляється, є пристрій для перетворення 5 енергії морських хвиль у механічну енергію, описаний в патенті РФ № 2303708 (F03B13/14), що містить поплавець з електричним генератором, зв'язаним із заглибним вертикальним валом, на якому встановлені лопаті з перемінним кутом атаки, що утворюють реверсивну турбіну, і систему фіксації пристрою до дна, при цьому лопать являє собою гнучке, пружне, плоске чи близьке до плоского об'ємне гідродинамічно обтічне тіло прямокутної чи близької до махового пера птаха форми, а сила тяги лопатей виникає під дією текучого середовища або середовища, що переміщується щодо турбіни уздовж осі її обертання за рахунок гнучких деформацій лопатей. Зміна кута атаки лопатей турбіни на протилежний при зміні напряму руху води дозволяє зберегти напрямок її обертання. Ця зміна кута атаки лопатей турбіни досягається за рахунок вигину пружного краю лопатей під дією гідродинамічного тиску води при коливаннях турбіни уздовж її осі. Недоліком описаного рішення є той факт, що при зміні кута атаки поверхня лопаті, звернена до потоку, стає опуклою, а протилежна поверхня увігнутою, що вкрай невигідно для ефективності перетворення енергії потоку в енергію руху лопатей. Відомо, що оптимальною формою поверхні лопаті, зверненої до потоку, є плоска, а форма протилежної поверхні - опукла. Крім того, багаторазові знакозмінні деформації лопатей турбіни сприяють їх утомному руйнуванню, незалежно від обраного для їх виготовлення матеріалу. До того ж для забезпечення роботи пристрою при його русі вниз зв'язок турбіни і поплавця повинна бути твердою, що при великій довжині викликає великі зламуючі зусилля. Таким чином, описана конструкція не характеризується високою ефективністю, а також довговічністю. Задачею даної корисної моделі є створення пристрою для перетворення енергії морських хвиль у механічну енергію, що за рахунок простоти і надійності конструктивного виконання дозволить забезпечити найбільшу ефективність роботи, високий коефіцієнт корисної дії пристрою, високу зносостійкість при впливі експлуатаційних навантажень, а також буде недорогим в обслуговуванні. Поставлена задача вирішується тим, що розроблено пристрій для перетворення енергії морських хвиль у механічну енергію, що містить поплавець з електричним генератором, зв'язаним із заглибним вертикальним валом, на якому встановлені лопаті з перемінним кутом атаки, що утворюють реверсивну турбіну, і систему фіксації пристрою до дна, при цьому кожна лопать з перемінним кутом атаки виконана у виді лопатки, зв'язаної з заглибним вертикальним валом за допомогою поворотного пристрою, що забезпечує обмежений стопорами поворот лопатки навколо зміщеної до передньої крайки лопатки горизонтальної осі під впливом потоку води, що набігає. Таке конструктивне виконання пристрою, зокрема виконання лопатей з перемінним кутом атаки у виді лопатки, тобто з використанням найбільш оптимальної плоскої форми поверхні лопаті дозволяє забезпечити високу ефективність пристрою. Лопатки можуть бути виготовлені литтям, 41806 6 штампуванням з доступних матеріалів, крім того вони не вимагають прецизійного виготовлення і балансування, що у свою чергу забезпечує простоту конструкції і її надійність, а також економічність при виготовленні й експлуатації. Наявність поворотного пристрою дозволяє забезпечити гарну керованість реверсивної турбіни в залежності від напрямку руху потоку, що набігає, збільшити надійність і довговічність пристрою. Доцільним є виконання лопаток з можливістю повороту навколо зміщеної до передньої крайки лопатки горизонтальної осі на заданий кут атаки при одному напрямку потоку, і на кут, протилежний заданому куту при зворотному напрямку потоку води. Поворот лопаток на заданий кут атаки стосовно потоку води, що набігає, забезпечується за рахунок різниці сил гідродинамічного тиску води на поверхню лопатки по обидві сторони від зміщеної до передньої крайки лопатки горизонтальної осі, чим досягається максимальний ефект повороту лопатки. Кут атаки лопаток, що рекомендується, складає від 10 до 30 градусів. Під кутом атаки в даному випадку потрібно розуміти кут між напрямком швидкості і характерним подовжнім напрямком, обраним на тілі, зокрема, до осі симетрії поперечного переріза лопаток. Розташування лопаток під нульовим кутом атаки в момент зміни напрямку потоку, коли швидкість потоку дорівнює нулю, сприяє значному підвищенню коефіцієнта корисної дії пристрою. Доцільним також є таке виконання пристрою, коли пристрій містить гідродинамічне гальмо, виконане з можливістю забезпечення різниці фаз коливання води і пристрою, для забезпечення руху пристрою щодо води. Звичайно використовують явище загасання амплітуди хвиль зі збільшенням глибини. Відомо, що на глибині, рівній семиразовій амплітуді хвилі, коливання води практично дорівнює нулю. Таким чином, використання гідродинамічного гальма, розташованого на глибині декількох метрів і зв'язаного з пристроєм напівжорстким зв'язком, приведе до виникнення різниці фаз коливань пристрою і поверхні води завдяки запізнюванню коливань гальма і всієї системи, зв'язаної з ним. У якості гідродинамічного гальма використовується гальмова турбіна, що з'єднана з пристроєм напівжорсткою віссю і розташована на глибині 5-10 м. Гальмова турбіна містить лопаті з перемінним кутом атаки, при цьому значення кута атаки лопатей гальмової турбіни протилежно значенню кута атаки лопатей реверсивної турбіни. Така динамічна схема компенсує крутний момент як реверсивної турбіни так і гальмової турбіни щодо води, викликаний опором електричного генератора. Це подвоїть енергетичний ефект усього пристрою в цілому без істотного збільшення його вартості і, у той же час, спростить конструкцію системи фіксації пристрою до дна, оскільки пристрій не буде зазнавати великих зламуючих навантажень, тому немає необхідності використовувати складні і дорогі конструкції системи фіксації пристрою до дна. Пристрій утримується вертикально в поверхневих шарах води завдяки поплавцю, усередині якого знаходиться тихохідний електричний генератор. Крутний момент на генератор передається 7 через сальники в корпусі поплавця з осей реверсивної турбіни. Відомо, що електрорушійна сила генератора пропорційна швидкості зміни магнітного потоку через контури котушок генератора, тобто лінійної швидкості обертання якоря щодо статора. Тому в даному випадку представляється перспективним збільшити електрорушійну силу генератора шляхом передачі на якір генератора обертаючого моменту з гальмової турбіни, а на статор - у протилежному напрямку з реверсивної турбіни. При цьому кутові швидкості обертання якоря і статора підсумовуються, що сприяє одержанню достатньої електрорушійної сили, що у свою чергу дозволяє забезпечити досить високий ККД пристрою. Доцільним є у якості системи фіксації пристрою до дна використовувати якір, з'єднаний якірним ланцюгом з карабіном-пружиною. Карабін запобігає перекручуванню троса системи фіксації, а пружина охороняє трос від провисання і різких ривків. Переважним є таке виконання пристрою, при якому він містить набір реверсивних турбін і набір гальмових турбін, розміщених на одній вертикальній осі. Таке виконання пристрою дозволяє значно збільшити потужність пристрою. Перелік графічних матеріалів Фіг. 1 - загальний вид пристрою для перетворення енергії морських хвиль у механічну енергію. Фіг. 2 - місцевий вид реверсивної турбіни. Фіг. 3 - схема розташування лопатей турбіни при русі потоку води нагору. Фіг. 4 - схема розташування лопатей турбіни при русі потоку води вниз. На фіг. 1 представлений загальний вид пристрою для перетворення енергії морських хвиль у механічну енергію. Пристрій для перетворення енергії морських хвиль у механічну енергію містить поплавець 1 з електричним генератором 2, зв'язаним із заглибним вертикальним валом 3, на якому встановлені лопаті 4 з перемінним кутом атаки у виді лопаток, що утворюють реверсивну турбіну 5, і систему фіксації пристрою до дна 6, поворотний пристрій 7, що забезпечує обмежений стопорами поворот лопатки навколо зміщеної до передньої крайки лопатки горизонтальної осі 8 під впливом потоку води, що набігає. Також на фігурі представлений маховик 10, якір 11 генератора 2, статор 12 генератора 2, гальмова турбіна 13. Система фіксації пристрою до дна містить якір 14, карабінпружину 15, якірний ланцюг 16. На фіг. 2 представлений місцевий вид турбіни пристрою. Елементи конструкції позначені тими ж позиціями, що і на фіг. 1. Також на фіг. 2 представлені стопори 17 поворотного пристрою 7. На фіг. 3 представлена схема розташування лопатей турбіни при русі потоку води нагору. Елементи конструкції позначені тими ж позиціями, що і на фігурах 1 і 2. Також на фігурі представлений напрямок 18 дії гідродинамічної сили на нижню поверхню лопаті 4, а також напрямок 19 дії гідродинамічної сили. На фіг. 4 представлена схема розташування лопатей турбіни при русі потоку води вниз. Елементи конструкції позначені тими ж позиціями, що і 41806 8 на фігурах 1, 2 і 3. Також на фігурі представлений напрямок 20 дії гідродинамічної сили на верхню поверхню лопаті 4 і напрямок 21 дії гідродинамічної сили. Пристрій працює в такий спосіб. Коли гребінь хвилі рухається в напрямку пристрою, що утримується на місці якорем 14 через карабін-пружину 15 за якірний ланцюг 16, поплавець 1 рухається разом з водою нагору і тягне всю конструкцію нагору. При цьому гальмова турбіна 13 рухається нагору щодо спокійних шарів води і виникає потік води, що набігає на неї. Через гідродинамічне гальмування турбіни 13 поплавець 1 притоплюється і потік води у верхніх шарах починає рухатися в напрямку нагору щодо реверсивної турбіни 5. У результаті виникнення різниці сил гідродинамічного тиску води на нижню поверхню лопатей 4 реверсивної турбіни, виконаних у виді лопаток, впливає сила, напрямок якої позначений позицією 18, при цьому здійснюється поворот лопаток нагору на заданий кут атаки щодо зміщеної до передньої крайки лопаток горизонтальної осі 8, зокрема нагору повертаються задні крайки лопаток, при цьому поворот лопаток обмежується за допомогою стопорів 17. На лопатки починає діяти гідродинамічна сила, напрямок дії якої позначений позицією 19, при цьому вона діє в горизонтальному напрямку убік передніх крайок лопаток, під дією чого реверсивна турбіна 5 обертається. Крутний момент на генератор 2 передається через сальники в корпусі поплавця 1 з вала 3. Коли гребінь хвилі досягає реверсивної турбіни 5, рух води припиняється щодо її і лопатки реверсивної турбіни 5 приймають горизонтальне положення через опір води. Завдяки обтічній формі лопаток втрати енергії на тертя мінімальні й обертання реверсивної турбіни 5 підтримується завдяки маховику 10. Коли западина між гребенями хвиль рухається на пристрій, поплавець 1 і з ним уся конструкція рухається вниз під впливом карабіна-пружини 15 і потік води починає рухатися в напрямку нагору щодо гальмової турбіни 13. При цьому гідродинамічне гальмування турбіни 13 протидіє тязі пружини 15 і поплавець 1 спливає, а верхня реверсивна турбіна 5 рухається нагору крізь верхні шари води. У результаті виникнення різниці сил гідродинамічного тиску води на верхню поверхню лопаток турбіни 5 впливає сила, напрямок якої позначений позицією 20, при цьому здійснюється поворот лопаток униз на заданий кут атаки (значення його протилежне значенню кута атаки при повороті лопаток нагору) щодо зміщеної до передньої крайки лопаток горизонтальної осі 8, зокрема вниз повертаються задні крайки лопаток, при цьому поворот лопаток обмежується за допомогою стопорів 17. На лопатки починає діяти гідродинамічна сила, напрямок дії якої позначений позицією 21, при цьому вона діє в горизонтальному напрямку убік передніх крайок лопаток, під дією чого реверсивна турбіна 5 обертається в ту ж сторону. Коли западина досягає турбины 5, рух води припиняється щодо її і лопатки турбіни 5 приймають горизонтальне положення через опір води. Далі усе повторюється при підході наступних гребенів і западин. Гальмову турбіну 13 розташову 9 41806 ють на глибині 5-10 м, але при цьому кути атаки лопатей 4 гальмові турбіни 13 протилежно спрямовані по відношенню до кутів атаки лопатей 4 реверсивної турбіни 5 (що знаходиться на глибині 1-2 м) і зв'язують з реверсивною турбіною 5 гнучкою віссю-тросом. Така динамічна схема компенсує крутний момент обох турбін щодо води, викликаний опором електричного генератора 1. Комп’ютерна верстка І.Скворцова 10 Таким чином, корисна модель, що заявляється, представляє собою пристрій для перетворення енергії морських хвиль у механічну енергію, що за рахунок простоти і надійності конструктивного виконання дозволяє забезпечити найбільшу ефективність роботи, високий коефіцієнт корисної дії пристрою, високу зносостійкість при впливі експлуатаційних навантажень, а також є недорогим в обслуговуванні. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601