Хвильова енергетична установка

1. Хвильова енергетична установка, що складається з нерухомої відносно дна основи, виконаної у вигляді трьох вертикальних коаксіальних порожнистих циліндрів, менший з котрих закритий зверху, а нижнім кінцем зістикований з поверхнею, яка закриває більші циліндри знизу та занурена у воду, накриваючої основи зверху, здатної переміщуватись вертикально, при незмінному рівні рідини, що займає положення стійкої рівноваги, під дією сил тиску повітря, недеформованої повітряної оболонки, яка складається з випуклої поверхні та зістикованих з нею трьох вертикальних коаксіальних порожнистих циліндрів таких розмірів, що два більших циліндри основи розташовані усередині простору між більшим та середнім циліндрами оболонки з невеликим зазором між прилягаючими поверхнями, а об'єм повітряної оболонки поділяється на дві частини: внутрішню, розташовану усередині середнього циліндра оболонки, яка приєднана до атмосфери через установлений на повітряній оболонці, виступаючий над водою повітровід та замикаючий його пристрій, обмеженої знизу поверхнею рідини, яка заповнює простір усередині середнього циліндра основи і у котру занурені менший та середній циліндри оболонки, та зовнішню, розташовану між більшим та середнім циліндрами оболонки, обмеженої знизу поверхнями рідини у основі, зовнішнього водного середовища, елементів основи, які розділяють ці рідкі середовища, які можуть, при необхідності, бути приєднані до повітряних ємкостей основи, яка відрізняється тим, що внутрішня частина повітряної оболонки поділена меншим циліндром на дві порожнини: це простір усередині циліндра, на виході із котрого у атмосферу розташована турбіна, та простір між циліндричними поверхнями, котрий вертикальними перебірками поділяється на окремі відсіки, кожний з котрих через повітропровід та замикаючий його клапан з'єднаний з атмосферою, а під поверхнею рідини розташований нерухомий відносно основи екран, котрий перешкоджає перетіканню рідини із-під відсіка при коливаннях оболонки, що під поверхнею рідини розташований накриваючий менший циліндр основи, закритий зверху, здатний переміщуватись вертикально, обважнюваний баластом, частково заповнений повітрям та займаючий положення стійкої рівноваги під дією сил тиску повітря порожнистий циліндр такого розміру, що зазор між прилягаючими поверхнями циліндрів мінімальний, а ємкість з повітрям усередині циліндра з'єднана через повітропровід та замикаючий його клапан з зовнішнюю частиною оболонки і, при необхідності, повітря може перекачуватися у цю ємкість; на випуклій поверхні зовнішньої частини повітряної, оболонки герметично закріплені куполоподібні, повітронепроникні, нерозтяжні тканинні оболонки заданого об'єму, масу повітря у котрих можливо змінювати за допомогою насосів 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що простір поміж більшим та середнім циліндрами основи поділений горизонтальною поверхнею на дві частини: верхня частина регульовано заповнюється водою із зовнішнього водного середовища, а у нижній частині розміщені ємкості з повітрям, які відрізняються конструктивно, одні являють собою звичайні резервуари, котрі через запірний пристрій можуть бути приєднані до зовнішньої частини повітряної оболонки, інші складаються з двох суміжних, закритих знизу циліндричних камер, одна із котрих з'єднана з зовнішньою частиною повітряної оболонки, частково заповнена рідиною, у котру занурений закритий зверху, здатний переміщуватись вертикально, у верхній частині заповнений повітрям порожнистий циліндр, рух котрого угору обмежений упором, по периметру якого розміщена пружка прокладка, котра забезпечує герметичність з'єднання, друга камера закрита і зверху, приєднана через отвір у верхній частині бокової поверхні до суміжної камери, а Ті об'єм поділений на декілька частин герметично закріпленими по периметру на різній висоті бокової поверхні куполоподібними, повітронепро никни ми, нерозтяжними тканинними оболонками, масу повітря у котрих можливо змінювати за допомогою насоса, інша камера частково заповнена рідиною, у якій плаває здатний переміщуватись вертикально, закритий знизу, обважнюваний баластом порожнистий циліндр, об'єм якого розділений усередині горизонтальною поверхнею на дві частини: нижню, частково заповнену повітрям і з'єднану через 00 ю з працюватиме зі стандартними транспортними протоколами, такими як RTP і HTTP. При цьому збільшується пропускна спроможність і значно поліпшується підтримка мереж із сітковою структурою. У цей час група МВОА стандартизує новий протокол МАС-рівня для UWB-передавання. Автори даного винаходу заклали основу цього нового стандарту, і більша частина тексту даної заявки включена в специфікацію цього протоколу. Відповідно до даного винаходу і побудованого на ньому стандарту МВОА всі пристрої періодично передають пакети-маячки 105 задля координації роботи пристроїв, що обмінюються даними. Пакети-маячки 105 забезпечують базову часову узгодженість у мережі і передають інформацію, що стосується ізохронних резервувань. Вибраними групою МВОА конкретними параметрами протоколу є довжина суперкадра 100, що становить 65536 мкс і складається з 256 інтервалів (відомих фахівцям також як «слоти») доступу до середовища передавання даних (відомих фахівцям як «Media Access Slot» — «MAS»), причому довжина кожного MAS становить 256 мкс. MAS мають номери від 0 до 255, і MAS 9 є першим. Визначено декілька типів таких MAS, що відрізняються способом, в який вони використовуються пристроєм або сусідніми пристроями. Перш ніж зможе бути започатковане передавання, пристрій має створити свою власну групу обміну даними (відому фахівцям як «beacon group») або приєднатися до існуючої групи обміну даними. У кожній фазі 101 передавання пакетів-маячків (відомій також як період пакетів-маячків, або Beacon Period — ВР) 8 послідовних MAS виділені для слотів для пакетівмаячків; впродовж них всі пристрої передають свої пакети-маячки 105. Час початку суперкадра 100 визначається початком періоду 101 пакетів-маячків і називається часом початку періоду пакетів-маячків (відомим фахівцям як "beacon period start time" - BPST), і MAS нумеруються відносно цього часу початку. Коли якійсь пристрій створює нову групу обміну даними, він визначає межу суперкадра в будь-якому слоті, що не конфліктує зі слотами, зарезервованими в інших групах обміну даними. Для кращої підтримки задач, для яких тривалість затримки є критичною, і забезпечення ефективного доступу до середовища передавання даних за умов 6 5181 камери /20/ повинен бути мінімальним /збільшується сила тертя і "компенсатор" "не реагує" на коливання оболонки, но зміщується при зміні середнього рівня водного середовища/. На поверхні оболонки "камери 1" герметичне закріплені куполоподібні, повітронепроникні, нерозтяжні тканинні оболонки /"оболонка 37 заданого об'єму. /33/. Під рідиною на бокових поверхнях основи по зовнішньому периметру циліндра /5/ та по внутрішньому периметру циліндра /6/ оболонки розташовані ущільнення /46 та 47/, котрі заважають перетіканню рідини при коливаннях оболонки. Найближчим аналогом запропонованої установки служить конструкція, приведена у винаході UA №64264 А "Хвильова енергетична установка" /далі "аналог"/. У обох установках використовується занурена у воду, здібна переміщуватись вертикально, накриваюча зверху нерухому відносно дна основу, при незмінному рівні рідини, займаючи положення стійкої рівноваги, під дією сил тиску повітря оболонка, яка складається з випуклої поверхні та зістикованих з нею вертикальних коаксіальних порожніх циліндрів; об'єм оболонки поділяється зануреним у рідину, яка знаходиться усередині основи, меншим циліндром на дві частини: внутрішню, котра приєднана до атмосфери /"робоча камера"/ та зовнішню, котра стикається з водним середовищем /у ній підтримується високий тиск повітря, /"камера 17/. В установці використовується механізм формування коливальної системи, запропонований у аналозі. Він полягає у наступному. Якщо припустити, що тиск повітря у "робочій камері" практично не змінюється /дорівнює атмосферному/ при коливаннях оболонки /відсутні навантаження /турбіна не заважає руху повітря/ та клапани елементів "відсік" відчинені/, то реакція оболонки на зовнішні зміни визначається Ра/х/ X - положення оболонки по відношенню до точки рівноваги /позитивно при відхиленні оболонки угоРУ/; Ра/х/ - реальна залежність тиску у "камері 1" від X; Рв/х/ - розрахункова залежність тиску у "камері 1" ВІДХ; Сі - площа січення циліндра /4/ оболонки; С2 - площа січення циліндра /5/ оболонки; Сз - площа січення циліндра /6/ оболонки; Виконання умови, щоб залежність Ра/х/, по можливості, збігалася з Рв/х/ досягається наступним чином. Припустимо, що оболонка зміщується угору /X позитивно та зростає/, тобто об'єм "камери 1" зростає, а тиск повітря зменшується. Виберемо три точки Х1, Х2, ХЗ /Х1 менше Х2, Х2 менше ХЗ/ Цим точкам відповідають три значення тиску PJxM, Рв/х2/, Рв/хЗ/. На підставі дослідних даних /результати модельних випробувань; це стосується і значень Т1, Т2, ТЗ/ находимо V1 - такий об'єм повітря, для котрого виконується перехід з стану V I , РвЛсі/, Т І у стан V1+/C3-C2//X2-X1/, Рв/х2/, Т2. Аналогічно находимо V2 /перехід із стану V2, Рв/х2/, Т2 у стан V2+/C3-C2//X3-X2/, Рв/хЗ/, ТЗ/. Щоб з'єднати ці два відрізка, необхідно в Х2 змінити об'єм "камери 1" на AV = V1 + /C3-C2//X2-X1/-V2 n ! Розділяючи діапазон змін величини X на необхідну кількість відрізків та коригуючий об'єм "камери 1" у вузлових точках можливо відтворити залежність Рв/х/ /у рамках можливості запропонованого способу/. Розглянемо елемент "ємність 2" /фіг. 21. Уведемо наступні позначення: Рсі/х/, Vd/x/ - тиск і об'єм усередині елемента "поршень"; Рсг/х/, Vc2/x/ - об'єм у камері /26/ над поверхнею елемента "оболонка 1"; Рсз/х/, \/сз/х/ - об'єм у камері /26/-ПОМІЖ поверхнями "оболонка И" та "оболонка 2"; Рсд/х/, VcVx/ - тиск та об'єм під поверхнею "оболонка 2"; Припустимо, що для точки X виконується умова: Ра/Хо/ МЄНШЄ Рс2/Х/, Рс2/Хо/ менше Рсз/Хо/, Рсз/Хо/ менше PcVxo/, тобто елемент "поршень" притиснутий до пружкої прокладки /25/, елементи "оболонка 1" та "оболонка 2" знаходяться у напруженому стані; тоді можливо стверджувати, що є три точки, для котрих виконується умова /Х о і, Х02, Хоз; Х о і більше Х о2 , Х02 більше Хоз' при X менших Х о і елемент "поршень" притиснутий до пружкої прокладки /25/, елемент "ємність 2" "не реагує" на зміни Ра/хУ; при X рівному Х о і до об'єму "камери 1" приєднуються об'єми Vd/xoi/ та Vc2/xoi/; при X рівному Хо2 до об'єму "камери 1" приєднується Vc3/X02//Pc3/Xo2/ РІВНО РаІХо2І, "обОЛОНКЭ 1 " Перестає знаходитися у напруженому стані s Рсз/х/ змінюється далі аналогічно Ра/х//; при X рівному Хоз до об'єму "камери 1" приєднується \/с4/Хоз//Рс4/Хоз/ ДОРІВНЮЄ Pa/W, "обОЛОНКЭ 2" ПЄре стає знаходитися у напруженому стані/. Таким чином, задаючи при проектуванні розміри елементів пристрою "ємність 2" та накачуючи до них необхідну масу повітря, можливо скоригувати об'єм "камери 1" у трьох заданих точках. Навантаження на тканинну оболонку у напруженому стані пропорційні різниці тисків зовні та усередині тканинно!' оболонки; у елементі "ємність 2" "оболонка 2" уберігається від перевантаження "оболонкою 1", а "поршень" /більш міцна конструкція/ уберігає "оболонку 1" від змін Ра/х/. В установке також використовується механізм формування коливальної системи, відмінний від описаного вище; він полягає у застосуванні елементів "відсік" робочої камери Ратм - атмосферний тиск, Сеі - площа січення і елемента "відсік"; РЄі/х/ - реальна залежність тиску і елемента "відсік" відХ; Хе, - значення X, при котрому відбувається закривання клапана /13/1 елемента "відсік"; п - число елементів "відсік" у робочій камері; Fa/x/ - сила, з якою повітря діє на оболонку; Припустимо, що оболонка зміщується угору, X зростає. Поки клапан /13/ і елемента "відсік" ВІДКрИТИЙ, Рв|/Х/ ДОРІВНЮЄ клапана /13/ Ратм, У МИТЬ ЗЭКрИТТЯ підтікання повітря через 8 5181 повітропровід /14/ припиняється, РЄі/х/ зменшується; коли оболонка рухається униз, відбувається стиснення повітря доти, поки РЄ|/х/ не досягне значення Ра™, клапан /13/ відчиняється, повітря видавлюється через повітропровід /14/ до атмосфери, Реі/х/ дорівнює РЭТм - Таким чином на певній частці діапазону змін величини X /X більше нуля/ потрібну залежність Fa/x/ /формула 2/ можливо формувати, задаючи значення параметрів елементів "відсік" /СЄі задаються при проектуванні, ХЄ| визначають при модельних випробуваннях/. = Cr P a T M /2/ У зоні великих значень X для формування Fa/x/ застосовуються елементи "оболонка 3" /33/, аналогічно елементам "оболонка 1". У залежності від умов експлуатації, глибину занурення оболонки можливо змінювати: для цього потрібно накачати у "ємність 3" певну кількість води /підвищення рівня води без зміни маси повітря у "камері 1" приводить до підняття оболонки та зменшенню Ро, котрий стає менше тиску води, починається самовільне підтікання води, положення оболонки стає нестійким і якщо не відкачувати повітря, вона спливає/ і коли оболонка почне спливати, провадити відкачування повітря через повітропровід /ЗО/ у "нагромаджувач повітря". Ро, V o - об'єм повітря у "камері 1" у стані рівноваги; Для "нагромаджувана умова: ' \ Сн повітря" виконується С Рм - максимальний тиск повітря у нагромаджувані. Р н - поточний тиск повітря у нагромаджувані; VM - перекочений об'єм повітря у нагромаджувач; С н - площа січення циліндра /18/ нагромаджувача; Співвідношення /3/ дозволяє розрахувати значення С н : задається діапазон змін глибини занурення оболонки; максимальній глибині занурення відповідає найбільша маса повітря у "камері І" та максимальний Р о /у формулі /З/ РМ рівно цьому значенню/; при переході оболонки у нове рівноважне положення, відповідаюче мінімальній глибині занурення /Ро має найменше значення Р«/, з "камери 1" видаляється маса повітря, займаючи при Рк та температурі навколишнього середовища об'єм VK; якщо у формулі /3/ підставити значення Р«, Рн /рівно Рк/, VH /рівно V*/, то. можна розрахувати Сн. Підвищення рівня рідини ПІ під робочою камерою, яке відбувається при заповненні "нагромаджувача" повітрям, приводить до зменшення об'єму робочої камери /воно частково компенсується підняттям оболонки/, но ці зміни не погіршують характеристик: менша глибина занурення оболонки застосовується при невеликому хвилюванні і тому менших амплітудах коливання оболонки. При спливанні оболонки потрібно зважати, що зменшення Ро приводить до збільшення рівня води у "ємкості 3" і щоб він не перевищив допустимих значень, потрібно компенсувати зменшення тиску води на оболонку /наприклад, установити на неї баласт/. У випадку великого шторму оболонку можна, подібно аналогу, опустити на основу та закріпити. Для цього потрібно викачати з "ємність 3" певну кількість води та приєднати до "камери 1" всі резервуари "ємність і"; в міру того як вода буде самовільно витікати з "ємності 3" через отвір /38/, оболонка опуститься на основу; після опускання оболонки отвір /38/ та запірний пристрій /9/ закрити, резервуари "ємність 1" від'єднати від "камери 1" та перекачати із неї частину повітря /при штормі можливий прорив повітря з "камери 1" у навколишнє середовище/ у "ємності 1" та елементи "поршень" /закриваємо елементи "ємність ТІ Для підняття оболонки на робочу глибину потрібно відкрити запірний пристрій /9/, накачати у "ємність З" потрібну кількість води, вирівняти тиски повітря у резервуарах "ємність 1" та "камері 1", привести у робочій стан "елементи "ємність 2". При зміні середнього рівня водної поверхні положення оболонки корегується таким чином, щоб задана глибина занурення та V o не змінювались. Це досягається зміною рівня води у "ємності 3" /в режимі самовільного натікання води /описано вище, стор. 6/ потрібно узгодити швидкість натікання води у "ємність 3" з швидкістю зміни середнього рівня водної поверхні/ та зміною об'єму повітря усередині циліндра /21/. Якщо циліндр /21/ знаходиться у рівновагі, то виконується умова С ц - площа січення циліндра /21/ "компенсатора"; Р ц - тиск повітря усередині циліндра /21/; Н в - висота шару води у резервуарі /34/ "компенсатора"; К ц - "результуюча" двох сил: ваги "компенсатора" та діючої на його з боку рідини виштовхуюче'! сили; Р - густина води; g - прискорення сили ваги; Із формули /4/ випливає, що при незмінному Ро "компенсатор" зміщується так, щоб Рц також не змінювалось. Коли площа січення камери /42/ дорівнює площі січення непокритих водою елементів основи усередині "камери 1", то у циліндр /21/ "компенсатора" із камери /42/ видавлюється /при зростанні рівня зовнішньої водної поверхні/ об'єм повітря, котрий компенсує зміни Vo, спричинені зміщенням оболонки. При зміні Ро / змінюється глибина занурення оболонки/ потрібно відповідно змінити Нв та Рц /перекачати рідину у резервуар /34//. Подамо числові оцінки. Припустимо, що при відхиленні оболонки від положення рівноваги виконується умова Fi=-KX/5/ К - заданий коефіцієнт; Fi - сила, яка повертає оболонку у стан рівноваги; Із співвідношення /5/ можливо зробити висновок 7 К - власна частота коливальної системи; 5181 Mi - маса оболонки; Мг - маса води над оболонкою; Мо2 - маса води над оболонкою у стані рівноваги; Мз - приєднана маса; Величина Мг залежить від X М 2 = М о 2 - Х С 3 р Пі Щоб чину К ю не залежала від X, скоригуємо вели К = К, +м о 2 + м 3 /8/ Ко - значення коефіцієнта к з формули /5/ поблизу точки рівноваги, Fi є "результуюча" таких сил: атмосферний тиск, вага води над оболонкою, вага оболонки та протилежно направлена, сила тиску повітря усередині оболонки. Foa - значення Fa/x/ у стані рівноваги; Із співвідношень /2/ та /9/ для випадку, коли у робочій камері тиск повітря дорівнює Ра™ маємо Рв/х/-Р0-—^—-/СзПрипустимо, що процес стисненнярозширення повітря під оболонкою у результаті відхилення оболонки можливо вважати адіабатичним, тобто вважаємо PV 14 =const/11/ У випадку, коли для одержання потрібної залежності Fa/x/ застосовуються елементи "ємність 2" /X негативно, застосовується співвідношення /10//маємо /12/ і - номер точки /зверху униз/; Рв/х,/ - значення функції /10/ у точці X, при відповідному К; V, - об'єм "камери 1" в точці X, після приєднання AV,. 1 - об'єм, котрий приєднується у точці X, до об'єму "камери 1" з допомогою елемента "ємність 2"; AV l =V,-V,_ 1 -/C 3 -C 2 /./X h -X I _ 1 / /13/ Значення Vo знаходимо із рівняння - С 2 / X,/' -Рв/Х-|/ г _/М 1 +М о 2 /-д о ~ /-* л / 1 4 / і Р + г атм /15/ Коли С2=100м , Сз=180м2, верх оболонки має форму кульового сегмента /Н=3м, Р=11,05м/, На=2,5м /відстань від поверхні води до верхньої р -1,03 • 10 точки оболонки/,кг/м3; тоді 3 Мо2=727103кг, Мз=400103кг/для півсфери Р=7,57 м приєднана маса дорівнює 468103кг /1, стор. 14/, но частина цієї маси ураховується у М о 2 /, Мі=273103кг /приблизний підрахунок/ і сума дорівнює 1,4 106кг, РО=2,25 1 0 S H/M 2 . 10 Хі=-0,6м, Для Х2=-1,2м, Ко=1,8169 106/0,9085106/кг/сек2, із співвідношень /8/та/10/маємо Рв/-0,6/=2,533 105/2,460 105/н/м2, Рв/-1,2/=2,838105/2,680105/н/м2. Із співвідношень /14/ та /13/ маємо Vo=591,6/777,5/м3, 1 AV. = 71,8 /79,2/ мз . „ Розрахунки показують, що для роботи установки потрібні корегувальні елементи значно менших розмірів, ніж розміри подібних елементів у аналога. Переваги, характеризуючи аналог, властиві і установці: 1. Практично занурена у воду /зменшено вплив вітру та хвиль/. 2. Є точковим перетворювачем енергії /не залежить від напряму хвилі/. 3. Традиційне перетворення енергії /повітряна турбіна/. 4. Відносно просто та зручно виготовити /конструкцію можна виготовити !з традиційних матеріалів/ сталь, бетон/ на верфі та відбуксирувати на місце експлуатації/. 5 Відносно просто консервувати /у випадку великого шторму оболонку можна опустити на основу та закріпити/. 6. Є концентратором енергії /хвиля діє на усю площу /Сз/ оболонки, а стиснення "робочого газу" відбувається у частині /Сі/, тому "відклик" на зовнішню зміну тиску у Сз/Сі більший/. Установка відрізняється від "аналога" тим, що перетворення енергії здійснюється за допомогою турбіни /10/, установленої на рухливій оболонці /у "аналога" турбіна установлена у розташованої під водою нерухомій камері/; це погіршує характеристики коливальної системи: оболонка стає більш важкою /вага турбіни, генератора та допоміжних пристроїв/; турбіна зазнає додаткові вібрації; діаметр труби /8/ на порядок більше, ніж у "аналога" /у "аналога" ця труба застосовується при коригуванні параметрів, а в установці через неї постійно перекачуються великі об'єми повітря/; але переваги: установка працює автономно /у "аналога" конструктивно закладено застосування великої кількості пристроїв, з'єднаних поміж собою повітропроводом/; дешевше та простіше виготовити /не потрібні підводні повітропроводи/; простіше експлуатування обладнання /оболонка може спливати на водну поверхню/, установка є ефективним перетворювачем хвильової енергії, роблять Ті привабливою для реального використання. На фіг. 1 показана уся енергетична установка, подовжній розріз; На фіг 2 показан елемент "ємність 2", подовжній розріз; На фіг. З показан елемент "компенсатор", подовжній розріз Хвильова енергетична установка працює таким чином: при коливаннях повітряної оболонки /оболонка уперед занурена на потрібну глибину та налагоджена на таку власну частоту коливань, при котрої її рух буде оптимальний для даного хвилювання/ відбувається стиснення /розширення/ повітря усередині циліндра /4/ оболонки і при його видавлюванні через турбіну у здійснюється перетворення енергії. Література. 12 5181 11 атмосферу 1. Мак-Кормик М. Преобразование энергии морских волн. Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат. 1985. - С. 137. ил 24 -23 22 29 f Фіг. 2 Фіг. 1 Фіг. З Комп'ютерна верстка Г. Паяльніков Підписне Тираж 37 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