Пристрій для перетворення енергії морських хвиль у механічну енергію

1. Пристрій для перетворення енергії морських хвиль у механічну енергію, що містить частково занурений ротор у вигляді великої кількості ківшеподібних ємностей, які циклічно рівномірно розміщені навколо в цілому горизонтального вала з опорами обертання і жорстко зв'язані з цим валом, який відрізняється тим, що містить занурений ротор, виконаний у вигляді великої кількості профільованих лопаток, які циклічно рівномірно розміщені навколо іншого горизонтального вала з опорами обертання і жорстко зв'язані з цим валом, причому опори обертання вала частково зануреного ротора жорстко зв'язані з опорами обертання вала зануреного ротора за допомогою твердого каркаса, а вал частково зануреного ротора кінематично зв'язаний з валом зануреного ротора для узгодження обертання роторів і додавання створюваних ними крупних моментів, а кінематичний зв'язок валів роторів виконаний у вигляді кривошипно-шатунного механізму. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що має другу ідентичну пару з частково зануреного ротора і зануреного ротора, причому опори обертання роторів другої пари жорстко зв'язані з опо C2 2 (19) 1 3 85874 шаються заповненими повітрям і при зануренні всього ротора у воду прагнуть спливти, за рахунок чого створюється крутний момент. При відкочуванні хвилі, спрямовані вниз ківшеподібні ємності спорожняються, а спрямовані нагору ківшеподібні 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 ківшеподібної ємності. Виходячи з цієї вимоги висота ківшеоподібної ємності повинна бути менш ніж середньостатистична висота хвиль у даній акваторії. З іншого боку, енергетична ефективність пристрою прямо пропорційна величині заповнюваного водою об'єму ємності і, отже, обмеження по висоті ківшеподібної ємності обумовлює обмеження енергетичної ефективності пристрою в цілому. Іншими словами, якщо для одержання заданої потужності пристрою його ємності повинні мати висоту 0,5м, це означає, що при висоті хвиль менш ніж 0,5м 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 об'єму установки) виявляється обмеженою. У пристрої за 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 встановленим на ній електричним генератором, ротор якого з'єднаний з частково зануреним ротором. Коли ротор Вінкранца або окремі його ділянки періодично накриваються хвилями, то, як це описано вище, ківшеподібні 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 ефективно пристрій працює при умовах, що довжина ротора дорівнює або перевищує довжину морської хвилі, у спокійній воді ротор занурений у воду наполовину і його діаметр близький до висоти хвилі. Тут під довжиною хвилі розуміється горизонтальна відстань у напрямку поширення хвилі між сусідніми однофазними ділянками хвильової поверхні, наприклад, між вершинами двох сусідніх хвиль. При цих умовах кожна 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 20-50м, а так називані "брижі" - 50120м. Таким чином, мінімальна довжина ротора Вінкранца повинна бути від 20 до 50м. При цьому конструкція ротора повинна витримувати великі механічні навантаження, що виникають при впливі на нього морських або океанських хвиль. З урахуванням реальних умов експлуатації конструкція такої довжини для забезпечення міцності ротора 4 вимагає спеціальних рішень і застосування особливо міцних матеріалів, у результаті чо го вартість пристрою зростає настільки, що його експлуатація стає нерентабельною. Задачею даного винаходу є створення пристрою роторного типу для перетворення енергії морських хвиль у механічну енергію, у якому при будь-якій довжині ротора буде забезпечений ефективний відбір енергії хвиль. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для перетворення енергії морських хвиль у механічну енергію містить частково занурений ротор у виді великої кількості ківшеподібних ємностей, що циклічно рівномірно розміщені навколо у цілому горизонтального вала з опорами обертання і жорстко зв'язані з цим валом, при цьому пристрій містить підводний ротор, виконаний у виді великої кількості профільованих лопаток, що циклічно рівномірно розміщені навколо іншого горизонтального вала з опорами обертання і жорстко зв'язані з цим валом, при цьому опори обертання вала частково зануреного ротора жорстко зв'язані з опорами обертання вала зануреного ротора за допомогою твердого каркаса. Профіль профільованих лопаток є трикутником, вершина якого звернена в сторону обертання ротору, протилежна вершині сторона якого відкрита. Завдяки несиметричному профілю лопатки мають різний гідродинамічний опір при русі потоку води зі сторони вершини і в протилежному напрямку. Сила опору лопаток потоку води деформує виготовлені з еластичного (пружного) матеріалу (гуми, пластику) лопатки, розширюючи або звужуючи їх просвіт. При цьому різниця в гідродинамічному опорі зростає ще більше. За рахунок різниці сил опору лопаток на різних сторонах осі ротора виникає крутний момент. Переважно вал частково зануреного ротора кінематично зв'язаний з валом зануреного ротора, що дозволяє погодити швидкості обертання обох роторів і підсумовувати створювані ними крутні моменти. Цей кінематичний зв'язок валів та роторів може бути виконаний у виді кривошипно-шатунного механізму. Пристрій доцільно виконати у виді двох ідентичних пар з частково зануреного ротора і зануреного ротора, опори обертання яких жорстко зв'язані між собою за допомогою загального твердого каркаса. При такій реалізації винаходу вали всі х роторів також можуть бути кінематично зв'язані один з одним за допомогою, наприклад, кривошипношатунного механізму, що забезпечує погоджене обертання всіх роторів і додавання створюваних ними крутних моментів. Переважно, ківшеподібні ємності і профільовані лопатки роторів однієї такої пари орієнтовані дзеркально стосовно ківшеподібних ємностей і профільованих лопаток відповідного ротора іншої пари, що забезпечує протилежний напрямок створюваних ними крутних моментів і горизонтальну стійкість усієї конструкції. Забезпечення синхронного і протилежного напрямів обертання і додавання крутних моментів, може бути забезпечене за допомогою встановле 5 85874 них на валах частково занурених або занурених роторів першої і другої пар зубчати х шестірень, що знаходяться в зачепленні одна з одною. Найбільш доцільною формою роторів є циліндр довжиною від 5 до 80м. Короткі ротори (58м) дуже стійкі до впливу високих хвиль і вітрових навантажень, і, відповідно, найбільш прийнятні для використання в акваторіях, де можливі сильні шторми. У захищених від штормових вітрів і хвиль затоках, лагуна х, бухта х і т.п. можна застосовувати установки з більш довгими, довжиною до 80м, роторами. Ківшеподібні ємності і/чи профільовані лопатки можуть бути виготовлені з еластичного матеріалу, що забезпечує можливість зміни їх форми в залежності від напрямку потоку води, що набігає, зокрема, розправлятися до максимального об'єму, коли потік води набігає на ємність або лопатку з боку вхідного отвору, і м'ятися до мінімального об'єму при зворотному напрямку потоку води, що набігає. Оскільки в процесі ротори будуть розташовуватися переважно уздовж напрямку поширення хвиль, то доцільно, щоб вхідні отвори ківшеподібних ємностей були принаймні частково звернені до кінця ротора, спрямованого назустріч хвилям. Більш докладно пристрій описаний нижче за допомогою креслень, на яких показані: - Фіг.1 - схематичне зображення установки з однією парою роторів; - Фіг.2 - схематичне зображення чотирироторної установки; - Фіг.3 - кінематична схема чотирироторної установки; - Фіг.4 - кінематична схема восьмироторної установки. У найбільш простому варіанті реалізації пристрій для перетворення енергії морських хвиль у механічну енергію містить частково занурений ротор 1 з валом 2, встановленим в опорах обертання 3, і занурений ротор 4 з валом 5, встановленим в опорах обертання 6 (Фіг.1). Частково занурений ротор 1 виконаний у виді великої кількості ківшеподібних ємностей 7, що циклічно рівномірно розміщені навколо вала 2 і жорстко зв'язані з цим валом. Занурений ротор 4 виконаний у виді великої кількості профільованих лопаток 8, що циклічно рівномірно розміщені навколо вала 5 і жорстко зв'язані з цим валом. Опори обертання 3 частково зануреного ротора 1 жорстко зв'язані з опорами обертання 6 зануреного ротора 4 за допомогою твердого каркаса 9. Частково занурений ротор 1 і занурений ротор 4 обладнані відповідно кривошипами 10 і 11, що зв'язані між собою шатуном 12. Вхідні отвори (устя) ківшеподібних ємностей принаймні частково звернені до того кінця частково зануреного ротора, який у робочому стані звернений назустріч хвилям. Як ківшеподібні ємності так і профільовані лопатки можуть бути виготовлені з еластичного, стійкого до багаторазового згинання матеріалу, наприклад, з армованої тканиною листової гуми, полімерних пластин і т.п. (на Фіг. не показано). Зовнішній діаметр частково зануреного ротора 1 обраний таким, щоб він був свідомо більшим 6 середньостатистичної висоти хвилі, характерної для даної акваторії, а окружний розмір ківшеподібних ємностей на периферії ротора 1 обраний таким, щоб він був свідомо меншим цієї висоти хвилі. Висота твердого каркаса 9 головним чином повинна бути більше глибини, на яку поширюються збурювання, які викликані хвилею. У даному прикладі довжина ротора значно менше довжини хвилі. У робочому стані пристрій поміщений у воду і прикріплений тросами до берегових або донних опор для виключення неконтрольованого горизонтального переміщення (на Фіг. не показані). Осі роторів 1 і 4 розташовані в цілому горизонтально та уздовж напрямку поширення хвиль у даній акваторії. Частково занурений ротор 1 знаходиться в напівзануреному стані на поверхні води, а занурений ротор 4 цілком занурений у воду і знаходиться в області відносно спокійної води, де амплітуда і фаза вертикальних переміщень шарів води незначна або відрізняється від амплітуди і/чи фази хвильових коливань на поверхні водойми. Оскільки довжина ротора значно менше довжини хвилі, можна вважати, що в будь-який момент часу всі ділянки по довжині ротора знаходяться на одній глибині. Коли хвиля прокочується уздовж частково зануреного ротора 1, ротор виявляється зануреним у воду на максимальну глибину (положення рівня води щодо ротора 1 у цій фазі показано лінією МАХ) і на мінімальну глибину (положення рівня води щодо ротора 1 у цій фазі показано лінією MIN). Коли положення рівня води щодо частково зануреного ротора 1 є мінімальним, ківшеподібні ємності 7 з однієї сторони ротора, звернені устями нагору (спрямовані нагору), цілком або частково заповнені водою від попередньої хвилі, а з іншої сторони ротора ці ємності вільні від води, оскільки звернені устями вниз (спрямовані вниз). На бічних сторонах ротора виникає різниця мас, що створює крутний момент, який прагне провернути ротор убік заповнених водою ємностей 7 (проти годинникової стрілки на Фіг.1). При набіганні хвилі на цю ділянку ротора 1 рівень води щодо нього підвищується, спрямовані нагору устями ківшеподібні ємності 7 з однієї сторони ротора заповнюються водою і мають нульову чи негативну плавучість. У той же час спрямовані вниз ківшеподібні ємності 7 з іншої сторони ротора залишаються заповненими повітрям і при зануренні у воду здобувають позитивну плавучість, тобто прагнуть спливти. У такий спосіб на бічних сторонах ротора 1 утвориться різниця плавучості, що створює крутний момент, також спрямований проти годинникової стрілки на Фіг.1. При спаді хвилі рівень води стосовно цієї ділянки ротора 1 знижується, спрямовані нагору ківшеподібні ємності 7 з однієї сторони ротора залишаються заповненими водою, спрямовані вниз ківшеподібні ємності 7 з іншої сторони ротора спорожняються. Знову на бічних сторонах ротора виникає різниця мас, що створює крупний момент, який прагне провернути ротор проти годинникової стрілки. 7 85874 У випадку, якщо ківшеподібні ємності звернені устями назустріч хвилі, що набігає, виникає додатковий крутний момент за рахунок гідродинамічного тиску на бічну стінку ємностей. Якщо ківшеподібна ємність виготовлена з еластичного матеріалу, то при набіганні потоку води з боку вхідного отвору ємність розправляється і її об'єм стає максимальним. При зворотному напрямку потоку води, що набігає, ємність мнеться цим потоком і її об'єм стає мінімальним, що дозволяє реалізувати максимально можливу різницю сил, прикладених до діаметрально протилежних ємностей і одержати максимальний крутний момент. Оскільки установка в цілому має позитивну плавучість, то при підйомі і спаді рівня води вся конструкція установки прагне підніматися й опускатися щодо дна водойми синхронно зі зміною рівня води, тобто просто плавати на поверхні хвиль. Якщо їй це дозволити, то зміна рівня води щодо частково зануреного ротора відбуватися не буде або вона буде мінімальною і, відповідно, установка працювати не буде або буде працювати вкрай неефективно. Цьому перешкоджає занурений ротор 4, що знаходиться глибше або на границі зони збурювання, яка викликана хвилями, жорстко зв'язаний з частково зануреним ротором 1 за допомогою каркаса 9. Коли рівень води щодо частково зануреного ротора 1 змінюється та установка прагне відповідно змінити своє вертикальне положення, занурений ротор 4 зустрічає опір води своєму руху і гальмує цей процес, хоча цілком його не зупиняє. Завдяки цьому установка хоча і робить коливальні рухи у вертикальному напрямку, але амплітуда цих коливань значно менше висоти хвиль. Завдяки лопаткам 8 переміщення зануреного ротора 4 виробляє крутний момент, що через кривошип 11, шатун 12 і кривошип 10 сумується з крутним моментом від частково зануреного ротора 1. Сумарний момент може бути переданий на навантаження, наприклад, на встановлений на плавучій платформі генератор електричного струму, за допомогою звичайних механізмів, таких як, наприклад, ланцюгова передача, зубчатий редуктор, кривошипно-шатунний механізм, гнучкий вал і т.п. Така двороторна установка буде ефективно працювати при довжині як меншої, так і більшої довжини хвилі. На практиці довжина установки повинна вибиратися максимально великою з урахуванням обмежень, що накладаються витратами, що швидко ростуть зі збільшенням її довжини. Взаємодія обертових роторів двороторної установки з водою приводить до виникнення горизонтальної сили, що прагне змістити установку в напрямку обертання роторів. Для компенсації цього ефекту доцільно в одній установці об'єднати дві пари роторів за Фіг.1. Кінематична схема такої чотирироторної установки показана на Фіг.2. Ця установка цілком включає описану вище конструкцію, що доповнена другим частково зануреним ротором 13 з ківшеподібними ємностями 14, валом 15, опорою обертання 16 і кривошипом 17, і другим зануреним ротором 18 з лопатками 19, валом 20, опорою обертання 21 і кривошипом 22. Опори обертання 16 і 21 жорстко зв'язані з загальним для 8 всієї установки каркасом 9. Кривошипи 17 і 22 кінематично зв'язані один з одним шатуном 23. Принаймні один з елементів механізму другої пари роторів - ротор 13, ротор 18, кривошип 17, кривошип 22 або шатун 23 - кінематично зв'язаний з одним з елементів механізму першої пари роторів - ротором 1, ротором 4, кривошипом 10, кривошипом 11 або шатуном 12. Одна з можливих схем кінематичного зв'язку цих елементів показана на Фіг.3. Ківшеподібні ємності 14 ротора 13 орієнтовані дзеркально стосовно ківшеподібних ємностей 7 ротора 1, а лопатки 19 ротора 18 орієнтовані дзеркально стосовно лопаток 8 ротора 4. Друга пара роторів 13 і 18 працює аналогічно першій парі роторів 1 і 4 з тією тільки різницею, що напрямок обертання другої пари роторів 13 і 18 протилежний напрямку обертання першої пари роторів 1 і 4. У результаті горизонтальні сили, що виникають від взаємодії кожної пари роторів, що обертаються з водою, будуть спрямовані в протилежних напрямках і будуть компенсувати одна одну, чим досягається набагато велика горизонтальна стійкість чотирироторної установки в порівнянні з двороторною установкою. На Фіг.3 показана спрощена кінематична схема чотирироторної установки, у якій частково занурені ротори кинематично зв'язані між собою і з навантаженням, позначеним позицією 24, за допомогою зубчатої передачі. Така конструкція забезпечує підсумовування всіх крутних моментів, які вироблюються роторами і передачу сумарного моменту на навантаження. Потужність всієї установки може бути збільшена за рахунок подальшого нарощування кількості пар роторів, розміщених на загальному твердому каркасі. На Фіг.4 показана кінематична схема восьмироторної установки, у якій до описаної раніше чотирироторної конструкції додано ще чотири ротори 25, 26, 27 і 28, аналогічних першим чотирьом роторам. Частково занурений ротор 25 кінематично зв'язаний шатуном 29 з зануреним ротором 26 і шатуном 30 - з частково зануреним ротором 1. Занурений ротор 28 кінематично зв'язаний шатуном 31 з частково звнуреним ротором 27, і шатуном 32 - зануреним ротором 18. Ясно, що кількість таких пар можна нарощувати і далі до розумних з інженерної точки зору розмірів. Таким чином, наявність зануреного ротора, зв'язаного твердою рамою з частково зануреним ротором, забезпечує можливість ефективного добору енергії морських хвиль у механічну енергію при будь-якій довжині ротора. У порівнянні з ротором Вінкранца ККД установки за винаходом, особливо з еластичними ківшеподібними ємностями, може бути збільшений у 2 рази (до 50%) за рахунок того, що частково занурені ротори цілком занурюються у воду, кількість ківшеподібних ємностей, заповнених водою в кожен момент часу, подвоюється. При цьому ККД установки за винаходом не залежить від довжини хвилі на морі. Якісно новий ефект полягає в: - зменшенні габаритів і матеріалоємності конструкції за рахунок укорочення роторів і виключення гальмового диска; 9 85874 - зниженні втрат енергії на тертя ківшеподібних ємностей, що змінаються (складані) з еластичного матеріалу - гуми або пластику; - оптимізації пропорцій рами (зменшення відношення довжини до ширини і висоти), що збільшує механічну стійкість конструкції до деформації; - зменшення мінімальної амплітуди хвиль, при якій установка починає працювати, і збільшення крутного моменту і ККД роторів з еластичними 10 ківшеподібними ємностями шляхом зменшення опору обертанню за рахунок використання ківшеподібних ємностей, що складаються (змінаються); - збільшенні ККД установки за рахунок використання ефективного гідродинамічного гальма занурених роторів; - збільшенні стійкості установки до перекидання великими хвилями за рахунок розташування центра ваги конструкції нижче рівня води. 11 Комп’ютерна в ерстка А. Рябко 85874 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601