Установка перетворення енергії поверхневих водяних хвиль у електричну енергію

Реферат: Установка для перетворення енергії поверхневих водяних хвиль у електричну енергію складається із шарнірно з'єднаних плаваючих тіл, силового перетворювача (поршневого насоса), важелів, шарнірів та якірного пристрою. При цьому співвісно із важелем і шарнірно із ним зв'язана установлена вертикальна штанга, яка зв'язана зі штоком гірлянди високонапірних поршневих насосів, а також встановлено напірний бак-акумулятор, з'єднаний трубопроводом із турбіною, а верхній б'єф напірного бака-акумулятора оснащено повітронепроникною діафрагмою. UA 109418 U (54) УСТАНОВКА ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ ПОВЕРХНЕВИХ ВОДЯНИХ ХВИЛЬ У ЕЛЕКТРИЧНУ ЕНЕРГІЮ UA 109418 U UA 109418 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до систем хвильових енергетичних установок, а саме таких, у яких як хвильові перетворювачі прийняті плаваючі тіла (судно, пліт, понтон тощо), що коливаються відносно нерухомої опори або відносно один одного, і може бути використана для створення автономних і самопересувних енергетичних установок у прибережній акваторії морів, водосховищ або навколо островів. Відома хвильова енергетична установка "Пірнаюча качка" англійського винахідника Стефана Солтера [1], яка складається із ексцентричних поплавків, що розкачуються на хвилях під дією зміни форми поверхні моря і тиску набігаючої хвилі. Зміна кутового положення поплавка по відношенню до вала, що проходить через нього, перетворюється у роботу насоса, що перекачує робочу рідину у гідравлічний механізм, або за допомогою зубчатої передачі перетворюється у оберти вала генератора. Недоліки цієї установки: необхідність передачі повільного коливального руху на привід генератора, необхідність зняття потужності із плаваючого на значній глибині пристрою значної довжини, внаслідок високої чутливості системи до напряму хвиль необхідно відслідковувати зміну їхнього напрямку для отримання високого к.к.д. перетворення. Найближчим аналогом корисної моделі приймаємо хвильову енергетичну установку "Шарнірний пліт" Крістофера Коккерела [2], що складається із шарнірно з'єднаних плаваючих тіл, силового перетворювача, важелів, шарнірів та якірного пристрою. При проходженні вздовж плота поверхневих хвиль його ланки змінюють нахил одна відносно іншої, намагаючись розташуватися по рівню вільної поверхні чергової хвилі. При цьому виконується робота, що використовується насосами, які качають робочу рідину у гідравлічний акумулятор. Звідти робоча рідина надходить у гідравлічний двигун, який обертає генератор електричної енергії. Недоліком даної установки є те, що контурний пліт Коккерела установлюється перпендикулярно до фронту хвилі і відслідковує її профіль. Задача корисної моделі - створення пристрою для ефективного та надійного перетворення енергії поверхневих водяних хвиль у електричну енергію та отримання високого к.к.д. перетворення. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що співвісно із важелем (який приєднано до плаваючого тіла) і шарнірно із ним зв'язана установлена вертикальна штанга, яка зв'язана зі штоком гірлянди високонапірних поршневих насосів, а також встановлено напірний бакакумулятор, з'єднаний трубопроводом із турбіною, а верхній б'єф напірного бака-акумулятора оснащено повітронепроникною діафрагмою. Хвиля, що має однакове значення потенційної і кінетичної енергії, наближуючись до плаваючого тіла, перетворює кінетичну енергію у потенційну, внаслідок чого висота хвилі збільшується удвічі, крім того, поплавок, що коливається на хвилях, має приєднану масу води, яка рівна близько половині його водовиштовхування. Для передачі змінної енергії плаваючого тіла прийнято важіль, зв'язаний шарнірно із вертикальною штангою, яка, у свою чергу, також шарнірно зв'язана зі штоком високонапірного поршневого насоса. Насос перетворює змінні пульсації енергії плаваючого тіла за допомогою робочого тіла - рідини (прісна, водопровідна, дощова вода тощо) у постійно направлену високонапірну струмину робочого тіла у напірний бак-акумулятор, що практично вирішує проблему перетворення змінних пульсацій енергії хвиль у однонаправлений рух рідини. Доказом вирішення поставленої задачі є те, що напірний бак-акумулятор акумулює високонапірну робочу рідину усіх насосів установки, створює сприятливі і надійні умови для постійної і стійкої роботи гідротурбіни і електрогенератора. До того ж, для цього верхній б'єф бака-акумулятора оснащено повітронепроникною діафрагмою. Вище діафрагми знаходиться заданий підвищений тиск повітря у об'ємі, утвореному між діафрагмою та рівнем верхнього б'єфу. У центрі бака-акумулятора установлюється наскрізна труба оптимального діаметра для пропуску технічних напірних комунікацій, необхідних для управління вказаними вище перетворювачами і їхнім допоміжним обладнанням, крім цього труба може бути використана для створення автономних і самопересувних енергетичних установок для розвідувального і експлуатаційного буріння свердловин у прибережній акваторії моря, водосховища або навколо островів. На фіг. 1 показано установку для перетворення енергії поверхневих водяних хвиль у електричну енергію, на фіг. 2 та фіг. 3 - її поперечні перерізи А-А та В-В. До складу установки для перетворення енергії поверхневих водяних хвиль у електричну енергію входять: 1 - плаваюче тіло (судно-понтон), 2 - гірлянда насосів, 3 - бак-акумулятор, 4 активна ківшева гідротурбіна, 5 - генератор, 6 - важіль першого-другого роду, 7 - вертикальна штанга, 8 - шарніри, 9 - наскрізна труба, 10 - напірні трубопроводи, 11 - огорожа надводної частини, 12 - перекриття надводної частини, 13 - надводна частина, 14 - занурена частина, 15 1 UA 109418 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 фундамент споруди, 16 - камери кільцевого фундаменту, 17 - троси, 18 - кільцевий залізобетонний фундамент. Установка для перетворення енергії поверхневих водяних хвиль у електричну енергію працює наступним чином. Як плаваючі тіла прийнято судна-понтони, які розташовуються і швартуються у надводному положенні навколо вертикальної круглої або гранованої горловини надводної частини споруди. Передача енергії від судна-понтона до високонапірного поршневого насоса відбувається за допомогою важеля і вертикальної штанги, зв'язаних шарнірно (фіг. 1). Установлюємо гірлянду із декількох насосів, поршні яких розташовані і працюють на одному вертикальному штоку об'єднаних насосів. Таке вирішення зберігає попереднє місце розташування одного насоса, але дозволяє збільшити у декілька разів об'ємну подачу і повністю використовувати енергію плаваючого тіла 1. Гірлянди насосів 2 практично вирішують проблему перетворення змінної енергії хвиль у однонаправлену подачу під великим напором у бак-акумулятор 3. Активна ківшева гідротурбіна 4 має загальний вал із ротором генератора 5 і частота їх обертів однакова. Важіль 6 передає енергію плаваючого тіла через вертикальну штангу 7, зв'язану шарнірно 8, на шток гірлянди насосів (Фіг. 2). Три таких гірлянди об'єднані на одну наскрізну трубу 9 (напірний трубопровід), що під'єднаний до бака-акумулятора 3, який є нижнім б'єфом (НБ). Верхній б'єф (ВБ) представлений кільцевою повітряною камерою, із тиском нижче висоти рідини у баку-акумуляторі. Задача такого рішення - підвищення економічності і надійності роботи активної ківшевої гідротурбіни 4 і генератора 5. Це досягається тим, що бакакумулятор 3 у верхньому б'єфі оснащений кільцевою повітронепроникною діафрагмою, розташованою на межі вода - стиснене повітря. Повітронепроникна діафрагма може бути виконана із матеріалу із питомою вагою, меншою питомої ваги води. Повітряна камера постачається від баків-акумуляторів стисненого повітря, які, у свою чергу, живляться від компресорної станції. Насос 2 за один подвійний хід поршня виконує два процеси усмоктування і два нагнітання - для цього є два усмоктувальних і два нагнітальних клапани (фіг. 3). При переміщенні поршня вгору у нижній частині робоча рідина усмоктується, а у верхній виштовхується. Названі вище перетворювачі і їхнє допоміжне обладнання та прилади розташовуються у спеціальній плаваючій споруді, що складається із двох частин: надводної 13 і частково зануреної 14, що служить для кріплення і швартування на її зовнішній стороні плаваючих тіл. Внутрішня частина труби забезпечує постачання і експлуатацію підводної розширеної частини машинного залу, розташованого на глибині, яка не піддається впливу шкідливих штормових хвиль, до того ж розташування гідротурбіни 4 нижче статичного рівня води збільшує потужність і виробіток електроенергії відповідно до її заглиблення. Заякорювання може здійснюватися за допомогою кільцевого залізобетонного фундаменту 15 по периметру дна об'єкта, що зв'язаний із кільцевим фундаментом тросами 17. Низ фундаменту має камери 16, перекриті еластичним матеріалом. При транспортуванні об'єкта вони заповнюються стисненим повітрям, заякорюються - і він пересувається за допомогою спеціальних окремих тросів, зв'язаних із лебідкою. Кільцевий залізобетонний фундамент 18 спливає, і притискається до днища споруди. На місці установлення споруди повітря із камер 16 відкачується - і фундамент 18 щільно притискається до поверхні дна водойми. Крім того конструкція запропонованої споруди вільно обтікається поверхневими хвилями, тому відсутня зворотна (скидна) хвиля, яка йде назустріч наступаючій основній хвилі і зменшує її енергію. Перевагою запропонованої установки є ефективність та надійність перетворення енергії поверхневих водяних хвиль у електричну енергію, простота монтажу, пересування та заякорювання, і може бути використана для створення автономних і самопересувних енергетичних установок у прибережній акваторії морів, водосховищ або навколо островів. Крім постачання електроенергією прибережних населених пунктів, промислових і сільськогосподарських підприємств, створюються сприятливі умови експлуатації і використання берегів, значно зменшується розмив прибережної зони штормовими хвилями, створюються сприятливі умови для прибережного судноплавства тощо. Джерела інформації: 1. Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. - М.: МРСУ, 2004. - С. 119-121. 2. Кривченко Г.И., Карелин В.Я. Гидроэлектрические станции. - М.: Энергоатомиздат, 1987. С. 107. 2 UA 109418 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Установка для перетворення енергії поверхневих водяних хвиль у електричну енергію, яка складається із шарнірно з'єднаних плаваючих тіл, силового перетворювача (поршневого насоса), важелів, шарнірів та якірного пристрою, яка відрізняється тим, що співвісно із важелем і шарнірно із ним зв'язана установлена вертикальна штанга, яка зв'язана зі штоком гірлянди високонапірних поршневих насосів, а також встановлено напірний бак-акумулятор, з'єднаний трубопроводом із турбіною, а верхній б'єф напірного бака-акумулятора оснащено повітронепроникною діафрагмою. 3 UA 109418 U 4 UA 109418 U Комп’ютерна верстка М. Мацело 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 5