Модульний пристрій для перетворення енергії хвиль

Реферат: Винахід належить до галузі гідроенергетики, а саме до пристроїв перетворення та використання енергії хвиль. Відповідно до винаходу модульний пристрій для перетворення енергії хвиль, зафіксований довільним способом з можливістю обертання в напівзатопленому положенні на поверхні води, включає одну або більше коаксіально закріплені на загальному валу або плавучому корпусі хвилеприймальні камери, кожна з яких виконана з декількох робочих камер у вигляді сегментів тороїдальної форми, закритих з перших боків першими клапанами. Як перші клапани застосовані перші вентиляційні решітки з рухомими жалюзі, при цьому робочі камери з других боків відкриті або закриті другими вентиляційними решітками. Винахід дозволяє ефективно використовувати кінетичну енергію зворотно-поступального руху поверхневих хвиль незалежно від їх розмірів, напрямку і конфігурації. UA 114238 C2 (12) UA 114238 C2 UA 114238 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі гідроенергетики, а саме до пристроїв перетворення або використання енергії хвиль. Відома модульна установка для використання енергії хвиль, що включає хвилеприймальну камеру, утворену днищем і напрямними стінками, що звужуються до місця встановлення робочого колеса, що вміщує центральний обтічник коноїдальної форми і лопаті кільцеподібної форми, які мають переріз у вигляді симетричного сегмента. Хвилеприймальна камера додатково розділена напрямними перегородками, які огинають робоче колесо, та забезпечена люком і відвідним лотком (див. патент України № 36832 AF03B13/12). Недоліком цього пристрою є необхідність орієнтування вхідного отвору безпосередньо "проти" хвилі, а це пов'язано з енерговитратами, порівнянними або такими, що перевищують очікувану потужність пристрою. Крім цього, вертикальне розміщення осі обертання робочого колеса не дозволяє використовувати гравітаційні сили, що виникають при зворотнопоступальному русі мас води в поверхневих шарах водойми. Відомий пристрій для перетворення енергії хвиль на поверхні води в механічну енергію що має горизонтальну вісь обертання і містить множину ємностей, які зв'язані між собою, рівномірно розміщені циклічно послідовно, симетрично відносно осі обертання і на деякій відстані від осі обертання і утворюють суцільну конструкцію, що містить щонайменше один повний виток ємностей, при цьому кожну ємність обмежено корпусом, який має передню відносно напряму обертання пристрою секцію, задню відносно напряму обертання пристрою секцію і середню секцію, розташовану між передньою секцією і задньою секцією, при цьому в задній секції кожного корпусу виконаний впускний отвір, через який внутрішня порожнина ємності сполучається з навколишнім середовищем. Передня секція корпусу ємності забезпечена клапаном, який забезпечує можливість перетікання текучого середовища тільки в напрямі зовні усередину ємності і перешкоджає перетіканню текучого середовища в напрямі зсередини ємності назовні (див. патент України UA № 62659, F03B13/12). До недоліків пристрою потрібно віднести використання клапанів та їх невдале розташування. Автори припускають, що певна частина корисної роботи буде здійснюватися за рахунок ваги води, що утримується за закритим клапаном, розташованим в передній секції робочої камери. У статиці це, безумовно, надасть крутний момент всьому пристрою. Але, у динаміці це призводить до того, що під час обертання всієї конструкції відбувається зустрічний удар або "ляпанець" хвилі, що підіймається по зачинених клапанами передніх секціях робочих камер, що мусять опускатися. А, оскільки клапани мають суттєвий гідравлічний спротив, то при цьому виникають значні реверсивні навантаження, що зводять нанівець корисну дію сили тяжіння на означені робочі камери та сили Архімеда на протилежні робочі камери та призупиняють обертання усього пристрою. А це в свою чергу призводить до того, що пристрій не встигає гідно спрацювати при подальшому опусканні хвилі внаслідок необхідності подолання сили інерції для здійснення обертового руху. Найбільш близьким за технічною суттю і досягуваному ефекту до заявлюваного пристрою є модульна установка для перетворення енергії хвиль [патент на корисну модель UA № 75844, F03B13/12. Модульна установка для перетворення енергії хвиль /Литовченко Михайло Юрійович, Литовченко Михайло Михайлович, заявлено 02 липня 2012 року, опубліковано 10 грудня 2012 року] (прототип), що включає обертову хвилеприймальну камеру, виконану з декількох робочих камер у вигляді сегментів тороїдальної форми, відкритих з одного боку і закритих з іншого боку клапаном. До недоліків прототипу слід віднести використання клапанів для регулювання потоку рідини, які зображені на відповідному кресленні у вигляді тарілки або товстої платівки. При невеличких розмірах моделі на випробуваннях клапан досить впевнено і в потрібний момент часу виконував свої функції. Але, при спробі збільшити розміри всього пристрою та перерізу робочих камер на чергових натурних експериментах виникли певні проблеми. Клапан постійно "запізнювався" і вода не встигала своєчасно спорожнити відповідну робочу камеру. Були випробувані різноманітні пружні та еластичні матеріали для клапана, але все марно. Причина ж виявилася у тому, що позаду клапана вода залишалася нерухомою відносно камер і клапан усією площиною як би "спирався" на неї. І це заважало йому вчасно повністю відкриватися. А у напіввідкритому стані він перекривав більшу частину прохідного перерізу отвору, тим самим створюючи додатковий гідравлічний опір. У результаті затягувався час заповнення і спорожнення робочих камер водою при підйомі або опусканні хвилі, що призводило до вкрай небажаних реверсивних навантажень. А, оскільки, в такому стані клапан знаходився протягом досить тривалого часу, це постійно уповільнювало та іноді, навіть, зупиняло обертання пристрою та унівець зменшувало його реальний ККД. 1 UA 114238 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В основу винаходу поставлена задача удосконалення пристрою для перетворення енергії хвиль, зокрема створення конструкції робочих камер, що дозволить без втрат використовувати кінетичну енергію зворотно-поступального руху поверхневих хвиль незалежно від їх розмірів, напрямку і конфігурації. Поставлена задача вирішується тим, що модульний пристрій для перетворення енергії хвиль, що містить обертову хвилеприймальну камеру, виконану з декількох робочих камер у вигляді сегментів тороїдальної форми, відкритих з одного боку і закритих з іншого боку клапаном. Робочі камери з одного та/або з іншого боку закриті вентиляційними решітками. Суть винаходу пояснює креслення. На Фіг. 1 загальний вигляд модуля з однією обертовою хвилеприймальною камерою, що складається з трьох робочих камер та фрагмента центрального корпусу (далі модуля) у компоновці з закритими вентиляційними решітками і задніми боками робочих камер. Вентиляційні решітки у варіанті креслення зображені з жорсткими плоскими рухомими жалюзі. Для пояснення принципу дії наведені динамічні схеми на Фіг. 2 та Фіг. 3. Зображена на Фіг. 1 робоча камера 1 закріплена на фрагменті центрального корпусу 5 та має відносно до напрямку обертання передній бік 2 та задній бік 3. На кресленні задній бік 3 робочої камери 1 закрито вентиляційною решіткою 4. Але, в деяких випадках, в залежності від умов використання, робоча камера закривається вентиляційними решітками з переднього або з обох боків разом. Цей вибір здійснюється індивідуально в кожному окремому випадку та обумовлюється в першу чергу можливістю запобігти обростанню плавучими водоростями або молюсками, а також геометричними розмірами пристрою, які обумовлені середньою висотою хвиль у акваторії експлуатації. За для зручності обслуговування та транспортування у розібраному вигляді кожна робоча камера виконується окремо з двох частин, які мають можливість компактного складання одна в одну. Зібрані у місці експлуатації модулі кріпляться коаксіально до вала, осі або будь-якої несучої конструкції. Для передачі отриманого обертального руху на генератор, насос або іншій пристрій з виконання корисної роботи застосовується довільної конструкції привідний вал, який на кресленнях не показаний. Пристрій, що заявляється, працює наступним чином. Модульний пристрій для перетворення енергії хвиль закріплюється будь-яким відомим способом в місці установки так, щоб знаходитися на поверхні води в "напівзатопленому" стані. Наразі необхідності для набуття плавучості можливо використання декількох пустотілих поплавців. Набігаючи хвилі будуть довільним чином тимчасово затоплювати і осушувати окремі робочі камери, створюючи при цьому дисбаланс сил, що забезпечує обертання усього пристрою і передачу крутного моменту на пристрій з виконання корисної роботи, який на кресленні не показаний. Круговий рух робочих камер можна умовно розділити на ділянки опускання (занурення) і підйому (спливання). Принцип роботи пристрою показаний на Фіг. 2 та Фіг. 3 на прикладі поперечного перерізу одного модуля з трьох робочих камер: Фаза 1, зображена на Фіг. 2: Підйом хвилі і відносне "занурення" модуля. На робочій камері 6, що умовно "підіймається" на вентиляційній решітці 7 під дією надлишкового тиску закриваються жалюзі, що уповільнює перетікання води ззовні всередину камери, і на неї починає діяти виштовхуюча сила Архімеда FA, створюючи крутний момент. У робочій камері 8, що "опускається", жалюзі на вентиляційній решітці 9 знаходяться у відкритому стані і вона безперешкодно заповнюється водою за принципом сполучених посудин. Фаза 2, зображена на Фіг. 3: Опускання хвилі і відносне "спливання" модуля. Вода, яка заповнила в першій фазі під час "занурення" модуля робочу камеру 8, намагається залишити камеру та створює у ній певне розрідження, що сприяє закриванню жалюзі на вентиляційній решітці 9. Унаслідок цього вага води FТ надає модулю крутний момент в тому ж напрямку, що і сила Архімеда FA при "зануренні" у першій фазі. У робочій камері 6, що "підіймається", за потреби на вентиляційній решітці 7 відкриваються жалюзі і вона безперешкодно звільняється від води, не протидіючи обертанню модуля. Для підтвердження правильності припущень ми побудували прототип одного модуля пристрою для перетворення енергії хвиль і провели випробування спочатку в лабораторії, а потім в реальних умовах на Азовському морі. Загальний діаметр модуля склав 1200 мм, переріз робочих камер - 300300 мм. На модулі було закріплено три робочих камери, закриті з заднього відносно напрямку обертання боку вентиляційними решітками з рухомими жалюзі. Певна річ, жалюзі не забезпечили такої герметичності, як клапана. Проте, в підсумку, вони мали набагато менший гідравлічний опір, а незначні втрати від просочування рідини надлишком компенсувалися позитивним крутним моментом, що створили решта робочих камер. У лабораторії окрема робоча камера поступально опускалася і витягувалася в прямокутної ємності з водою з амплітудою 250 мм і періодом 4 секунди. При натурних випробуваннях висота 2 UA 114238 C2 5 реальної хвилі коливалася в межах 300 мм з періодом близько 3-4 секунд. Випробування пройшли успішно і повністю підтвердили можливість стійкої роботи пристрою. Як при підйомі, так і при опусканні хвилі прототип пристрою отримував потрібний імпульс від дії сили Архімеда або тяжіння, та безперервно провертався. Головне, що у динамічній схемі не виникало реверсивних навантажень, що і привело у свою чергу, до стійкої роботи всього пристрою і значному підвищенню його ККД. Проведені випробування і попередні розрахунки доводять, що запропонований модульний пристрій для перетворення енергії хвиль може бути ефективно використаний як джерело енергії на прибережних та острівних територіях. 10 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 Модульний пристрій для перетворення енергії хвиль, зафіксований довільним способом з можливістю обертання в напівзатопленому положенні на поверхні води, що включає одну або більше коаксіально закріплені на загальному валу або плавучому корпусі хвилеприймальні камери, кожна з яких виконана з декількох робочих камер у вигляді сегментів тороїдальної форми, закритих з перших боків першими клапанами, який відрізняється тим, що як перші клапани застосовані перші вентиляційні решітки з рухомими жалюзі, при цьому робочі камери з других боків відкриті або закриті другими вентиляційними решітками. 3 UA 114238 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4