Способ утилизации энергии возобновляющихся источников (варианты) и модуль энергостанции мощностью до мегаватт для его осуществления - RU2150021C1
Код документа: RU2150021C1
Чертежи
Описание
Группа изобретений относится к "малой энергетике", в основном к гидроволновой, к расширению, развитию и усовершенствованию технических средств и способов эффективного использования, т. е. "утилизации или употребления с пользой" (см. Сов. энцикл. словарь. Изд. "Сов. энцикл., М., 1980, с. 1403) экологически чистых возобновляющихся источников энергии - морских и океанских волн, ветра и солнца.
Известны способы использования указанных источников с помощью ветроагрегатов, солнечных батарей (см. там же, с. 218 и с. 1250), а также волновых энергоустановок (например, патент США N 5359229, кл. 290-53, 1994 г.). К недостаткам ветровых энергоустановок относят их шумность, невысокие мощности и нестабильность, солнечные энергоустановки занимают большие территории и также нестабильны. Волновые установки выгодно отличаются тем, что не занимают дорогостоящие участки земли в густозаселенных районах, находясь на море. Однако, проанализировав более 1000 патентов и авторских свидетельств на изобретения по данной теме, можно заключить, что энергию волн в этих проектах используют нерационально, расходуя ее не только на выполнение полезной работы, но и на работу по подъему веса самих поплавков. Эти потери существенны при оценке рентабельности, когда требуется получить большие мощности порядка мегаватт и установки должны занимать площади порядка га и тогда одним из главных становится вопрос металлоемкости конструкции. Существенны также потери и рассеяние энергии волн на погруженных в воду частях опор и поплавков, и при одинаковых производственных затратах выходная мощность установки будет выше, если рассеяние будет меньшим. Воплощение на практике известных проектов волновых энергоустановок и, тем более, доведение их мощностей до мегаватт, является малорентабельным в связи с низким их КПД и большими затратами материалов и средств и особенно из-за необходимости дорогостоящих подводных строительно-монтажных работ либо из-за необходимости использования дорогих плавсредств, а также в связи с невысокой надежностью из-за чрезмерной сложности и множества движущихся деталей. Поэтому до настоящего времени волновые установки не вошли в разряд практически используемых, и во всем мире есть лишь несколько опытных образцов.
Наиболее близким аналогом (прототипом) всех вариантов "способа" группы изобретений является патент США N 4495424, 1985 г., кл. 290-53, (F 03 B 13/12) - "Plant for Utilization of Wind and Waves". Хотя объектом данного патента является устройство, в его описании кратко перечислены весьма перспективные идеи, содержащие признаки "способа", использования плавучих платформ с ветровыми и волновыми энергоустановками для утилизации ветра и волн для ряда производственных целей, например, для обессоливания морской воды, а также для получения и хранения водорода, в частности для питания двигателей, работающих на водороде. Акцент сделан на оригинальную ветровую энергоустановку, а волновая установка, описанная здесь, обладает недостатками, перечисленными выше. Так, предлагается использовать поплавки на маятниковых рычагах для привода гидронасосов для вращения гидрогенератора - здесь и сложные протяженные магистрали для морской воды, и множество поршневых насосов - на каждый поплавок, и громоздкий дорогостоящий корпус плавсредства типа танкера. Реализовать данный проект - весьма дорогое удовольствие уже из-за необходимости изготовления коррозионностойких магистралей и множества насосов для морской воды, не говоря о стоимости судна типа танкера.
Аналогами устройств, применяемых во всех заявленных изобретениях группы, можно признать патент Франции N 2339071, 1977, кл. F 03 B 13/12, патент РФ N 2049927, 1995, кл. F 03 B 13/18 и авт. св. СССР N 1596125, 1990, кл. F 03 B 13/12. В первом варианте заявленного "способа" в частном случае используют устройство, аналогичное описанному в авт. св. СССР N 1617182, 1990, кл. F 03 B 13/12. Общими с заявленными являются такие признаки, как наличие опор, поплавков, гибких связей, валов отбора мощности с муфтами одностороннего вращения. Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного устройства можно считать патент США N 3911287, 1975 г., кл. 290-53 (F 03 B 13/12). К недостаткам прототипа и аналогов можно отнести использование тяжелых поплавков, поскольку для совершения работы при спаде волны используется вес самого поплавка. Кроме того, излишне сложная конструкция подвески поплавков и связей затрудняет использование десятков поплавков на участке большой площади с приводом на один вал, что необходимо для получения значительных мощностей. Данные решения также нельзя считать рентабельными и способными решать серьезные задачи энергообеспечения - это и сложная металлоемкая кинематика, и использование, в прототипе, цепи в качестве гибкой связи, контактирующей с морской водой и поэтому имеющей малый ресурс работы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Задачей данной группы изобретений является получение энергии от возобновляющихся источников, в первую очередь от морских волн, повышение КПД и наращивание мощности, до мегаватт, и надежности волновых энергоустановок, а также создание на базе их простых и недорогих сборных модульных энергостанций с использованием, как дополнительных, и энергии солнечного излучения и ветра и создание на этой базе различных производств и жилых комплексов, использующих не только электроэнергию, но и механическую энергию вращающегося вала.
Общим техническим результатом при осуществлении всех вариантов изобретений данной группы, в объеме их независимых пунктов, является получение полезной энергии от морских или океанских волн, т.е., утилизация (применение с пользой) их энергии, которая преобразуется в энергию вращения вала отбора мощности энергостанции, состоящей из однотипных модулей. При этом, по мнению автора, достигается более высокий КПД по сравнению с аналогами, а полезная мощность, которую можно отнимать от указанного вала для утилизации на потребитель, может составлять мегаватты и это имеет промышленное значение. Таким образом, изобретение решает поставленную задачу.
Изобретение поясняется графическим материалом, где на
Фиг. 1 - узел волновой установки с подвеской поплавка на двуплечем рычаге;
Фиг. 2 - узел
установки со связью через блок;
Фиг. 3 - вид сбоку на установку с подвеской нескольких поплавков на двуплечих рычагах в виде сегмента шкива;
Фиг. 4 - вид сверху на установку согласно
фиг. 3 с поплавками в несколько рядов (показано 2 ряда);
Фиг. 5 - вид сбоку волновой установки с подвеской поплавков на замкнутых связях;
Фиг. 6 - вид сверху на установку согласно
фиг. 5;
Фиг. 7 - вид сбоку берегового варианта расположения установки с подвеской поплавков на двуплечих рычагах;
Фиг. 8 - вид сверху установки согласно фиг. 7.
Фиг. 9
- вид сбоку плавающего варианта установки с подвеской поплавков на двуплечих рычагах;
Фиг. 10 - схема энергостанции с возможными вариантами ее структуры и разными способами утилизации энергии
волн и ветровой энергии.
Фиг. 11 - вид сбоку поплавка наиболее эффективной формы для установки, представленной на фиг. 5.
Фиг. 12 - муфта одностороннего вращения на
валу по типу храпового механизма, с закреплением связи на барабане;
Фиг. 13 - зубчатые колеса из металлопроката на валу квадратного сечения, вращающемся в подшипниках скольжения в виде пары
колец;
Фиг. 14 - опреснительная дистилляционная вакуумная установка с приводом от вала отбора мощности.
Сущность изобретения и совокупность отличительных признаков, объединяющих группу изобретений-вариантов предлагаемого способа утилизации возобновляющихся источников энергии, а также заявленного устройства, заключается в преобразовании энергии морских и океанских волн, как основного источника, с помощью множества поплавков 1 (фиг. 1 - 9), установленных в модульных (т.е., однотипных) ячейках прозрачного для прохождения волн жесткого объемного силового каркаса, гибких связей 2, в частных случаях, стальных или капроновых тросов, либо цепей, а также муфт 14 одностороннего вращения с барабанами 13, в энергию низкооборотного, до 500 об/мин, вращающегося вала 3 отбора мощности и затем в подключении к этому валу через передаточные механизмы 4, содержащие механизмы сцепления, раздаточные коробки, коробки передач и переходники, различных потребителей энергии, использующих для своей работы крутящий момент вала. Каждому поплавку 1 соответствует своя муфта 14, одна или несколько, которые, в частных случаях, стягивают с помощью шпилек в пакеты. В качестве потребителей используют электрогенераторы 5, разнообразные насосы, опреснительные установки на базе их, например вакуумные дистилляционные установки и установки обратного осмоса с насосами высокого давления 50-150 атм, мельницы, дробилки и др. (фиг. 10). В частных случаях на каркасе энергостанции, которая может занимать на поверхности воды площадь 1-100 га и более, устанавливают и ветроагрегаты, и преобразователи солнечной энергии, которые дополняют друг друга и их используют в зависимости от погодных условий. Для получения суммарных мощностей от нескольких модулей энергостанции, в частных случаях с помощью карданных передач, либо с помощью соединительных муфт, соединяют вторичные валы 55 (либо валы третьей и следующих ступеней передаточных механизмов), ведомые от валов 3 отбора мощности разных модулей. Это позволяет снизить металлоемкость установки.
Энергостанции устанавливают на берегу на шарнирной опоре 47 (фиг. 7), либо на сваях, либо располагают на плаву с помощью непотопляемых понтонов 6 и 48 (фиг. 9), при этом минимальные размеры каркаса энергостанции, во избежание опрокидывания и залива волной, должны быть по длине и ширине не менее чем в 3, а высота - не менее чем в 1,1 раза больше максимальной высоты волн, характерных для акватории эксплуатации. Понтоны 6 и 48 изготавливают вытянутой формы, например из стальных труб с заваренными торцами, их располагают либо в горизонтальном положении под водой на глубине 0,1- 10 м, либо в вертикальном положении, с регулируемым частичным погружением. Последние погружают путем силового воздействия до определенной глубины и регулируют тем самым положение ватерлинии, т. е. высоту положения платформы относительно уровня воды. Затем вертикальные понтоны 6 фиксируют относительно каркаса, с блокировкой, т. к. это очень ответственный узел. В частности, вертикальные понтоны 6 делают составными из цилиндров разного диаметра - малого (по сравнению с размерами поплавков 1) в приповерхностном слое воды толщиной 1-10 м, и большого диаметра - на большей глубине (фиг. 9). Такая форма понтонов 6, как опорной составляющей каркаса, предпочтительна для повышения прозрачности каркаса для проходящих волн, т. е. для уменьшения их воздействия на волны, вызывающего потери и рассеяние их энергии. Это наиболее оптимально, поскольку поддержка каркаса вообще без понтонов 6 и 48 хотя и более выгодна с точки зрения уменьшения потерь энергии, но вряд ли возможна (разве что с помощью воздушных шаров, либо дирижаблей, но это слишком трудно осуществимо из-за ветровых нагрузок). Горизонтальные понтоны 48 размещают под водой на глубине 1-10 м с помощью стоек, причем суммарное водоизмещение их делают равным с точностью до 50% сумме весов их и платформы. Положение ватерлинии регулируют также путем наполнения балластных баков водой на платформе.
Для предотвращения затопления установки из-за пробоин и протечек, в частных случаях, внутренние объемы поплавков 1 и понтонов 6 и 48 заполняют влагостойкими влагонепроницаемыми пористыми газозаполненными синтетическими материалами, например пенопластами или пенополиуретанами. Суммарный объем всех понтонов 6 и 48, в кубометрах, делают в 1,1-5 раз больше веса всей платформы, в тоннах, причем понтоны 6 распределяют по площади платформы таким образом, чтобы они не находились на пути волн, набегающих на поплавки 1, а расстояние между вертикальными понтонами 6 в верхнем слое воды толщиной 1-10 м выдерживают в 3-5000 раз больше поперечных их размеров. Суммарный объем всех поплавков 1, в кубометрах, делают равным 0,5-3,0 от суммарного веса, в тоннах, всей платформы с оборудованием и людьми. Плавающие энергостанции могут представлять собой так называемые плавучие острова с производственными и жилыми постройками, их оснащают якорями с лебедками и водяными колесами, например на периферии каркаса платформы, для перемещении ее и маневрирования, с приводом от собственного вала 3 отбора мощности.
Ввиду непостоянства интенсивностей волнения, ветра, либо солнечного излучения, возникает задача стабилизации выходных параметров энергостанции. Для этого получают запас промежуточного продукта, обладающего потенциальной энергией, а затем с помощью соответствующего двигателя приводят во вращение электрогенератор, частоту вращения и выходное напряжение которого стабилизируют с помощью блока обратной связи, управляющего подачей указанного продукта для энергоснабжения двигателя. Таким продуктом может являться, например, водород, который получают с помощью электролизеров после первичного преобразования энергии вращающегося вала в электроэнергию с нестабильными параметрами, непригодными для обычных потребителей, но пригодными для работы электролизеров. В частном случае первичную электроэнергию получают с помощью высокочастотного электрогенератора 5 при его вращении со скоростью 7000-25000 об/мин с помощью повышающей передаточной коробки и используют для индукторного нагрева воды и получения пара высокого давления в паровом котле. В других частных случаях таким энергоносителем служит сжатый воздух, который закачивают насосами в резервуары высокого давления, либо вода в резервуаре, построенном на высоте, например, более 10 м над уровнем моря, которую закачивают в резервуар из моря гидронасосами. Эти энергоносители используют затем для привода паровых, газовых и гидротурбин, соответственно, со стабилизацией выходных параметров путем регулирования подачи энергоносителей на лопатки турбин с помощью блока обратной связи. Можно получать и другие высокопотенциальные энергоносители, например карбид кальция, для получения затем ацетилена.
Заявленное устройство и его конструктивные особенности в объеме независимого пункта формулы изобретения кратко можно охарактеризовать следующим образом: на опоре в виде жесткого объемного силового каркаса, прозрачного для волн, над поверхностью воды установлен вал 3 отбора мощности, муфты 14 одностороннего вращения, множество поплавков 1 на нижних плечах двуплечих рычагов, причем длина плеч не меньше максимальной амплитуды волн, характерных для условий эксплуатации. Ко второму плечу 40 прикреплена гибкая связь 2, огибающая несколько раз барабан 13 на муфте 14 одностороннего вращения на валу 3 отбора мощности (фиг. 12), причем после части оборотов вокруг барабана 13 связь 2 закреплена на барабане 13, а к свободному концу связи 2 подвешен груз 12 натяжения ее. Вес груза 12 подобран опытным путем минимальным, но таким, чтобы при опускают поплавка 1 и отсутствии при этом натяжения связи 2 со стороны рычага 40 с поплавком 1, вращающего момента груза 12 было достаточно для преодоления внутреннего сопротивления (трения) муфты 14 и вращения ее относительно вала 3 к сторону действия груза 12. Под словом "модуль" следует иметь в виду то, что конструкция энергостанции выполнена в виде типовых, стыкуемых друг с другом блоков, которые могут быть как неразъемные, сваренные из стального металлопроката, так и разборными, из типовых комплектующих. Указание на то, что энергостанция является мегаваттной мощности, дано для выделения ее возможностей по отношению к известным волновым установкам, которые, по мнению автора, не способны рентабельно обеспечить мощности порядка мегаватт. Частные случаи исполнения устройства описаны и выше, и далее по тексту при описании всех изобретений группы.
Одной из существенных групп отличительных признаков всех вариантов способа и устройства является то, что собственные веса поплавков 1 уравновешивают грузами противовесов в системах подвески поплавков: либо балансировкой грузами 7 двуплечего рычага с поплавком 1 (фиг. 1-4; 7-9), либо с помощью груза 8, который прикрепляют к замкнутой гибкой связи 2 (фиг. 5-6), перекинутой через 4 шкива 21, установленных в углах воображаемого прямоугольника типа ABCD, своего для каждого из барабанов 13 муфт 14 на валу 3.
После сборки энергостанции регулируют, в отсутствие волн, глубину погружения поплавков 1 в пределах 0,0001-0,5 от их объема, этого добиваются с помощью указанных грузов, но уравновешивание поплавков 1, опытным путем, делают неполным, чтобы поплавки 1 не зависали в верхней точке, а опускались после спада волны под действием перевеса за 0,1-100 с. Уравновешивание удобно также для обслуживания и ремонта, т.к. позволяет вручную, например с помощью монтировок либо ломов, останавливать весьма массивные поплавки 1, объемом, например, до 10-30 кубометров, в верхних точках амплитуды колебаний и фиксировать их, останавливая тем самым вращение вала 3. Вал останавливают также путем фиксации в верхней точке груза 12 натяжения связи 2 в схеме подвески, изображенной на фиг. 1-4; и фиг. 7-9, либо путем фиксации в нижних точках амплитуды колебаний грузов 8 при работе установки, изображенной на фиг. 5-6.
В частных случаях заявленных и вариантов способов, и устройства для ускорения опускания поплавков 1 к нижней части их прикрепляют емкости 9 с отверстиями 10, а также гибкие элементы 11 в виде свободно свисающих хорошо впитывающих воду материалов, например веревок, нитей, губок (фиг. 11) - при нахождении поплавков 1 в воде их вес и гасящее воздействие на волну практически незаметны, а при поднятии поплавков 1 над водой они весят достаточно, чтобы быстро опустить поплавок 1 в воду. При погружении поплавков 1 указанные емкости 9 заполняются водой и при поднятии поплавков над водой опорожняются через отверстия 10 за 1-100 с, что способствует скорейшему опусканию поплавков 1 вслед за спадающей волной.
Существенным признаком всех заявленных изобретений является то, что в полезную работу преобразуют только работу результирующей выталкивающей Архимедовой сипы FA и лобовой силы гидродинамического напора Fh, действующих на поплавки со стороны волн (см. фиг. 1-3). Эти силы могут составлять десятки тонн и они, очевидно, значительно больше по величине, чем собственные веса реальных поплавков 1 и поэтому выигрыш в получении больших мощностей, по сравнению с работой за счет опускания поплавков 1, очевиден (можно, конечно, сделать и тяжелые поплавки 1, но они будут подниматься волной очень слабо).
Другой важной группой существенных отличительных признаков, общей для всех изобретений группы, является упрощение кинематики и повышение надежности ее за счет применения барабана 13 на муфте 14 одностороннего вращения с закреплением связи 2 в средней точке 15 (например, с помощью болта) после части оборотов ее вокруг барабана 13 (фиг. 12). В качестве муфты одностороннего вращения удобнее всего использовать муфты 14 с храповым механизмом, причем количество собачек 16, размеры их и соответствующих зубьев 17 должны обеспечивать запас прочности, соответствующий натяжению гибких связей 2 до величин порядка десятков тонн. На практике величины предельных прочностей должны быть, в тоннах, не меньше половины величин объемов соответствующих поплавков 1, в кубометрах. Силовые муфты 14 с храповыми механизмами и барабанами 13 устанавливают на валу 3 отбора мощности на шлицах 18, либо на прямоугольной посадке в случае вала прямоугольного сечения, плотно одна к другой, чтобы их количество на одном погонном метре вала было максимально возможным - реально поместить 10 - 15 муфт 14, которые для устранения люфтов стягивают в единый пакет с помощью шпилек с гайками. Соответственно, на одном метре вала 3 отбора мощности "собирают" одновременно импульсы сил от 10-15 поплавков 1, которые устанавливают как вдоль вала 3, в несколько рядов, с одной или с обеих сторон вала 3, так и в один или несколько рядов, перпендикулярных валу 3, или под углом к нему (фиг. 3-9). В результате, действуя "вразнобой", несинхронно, множество имульсов от десятков и сотен поплавков сливаются в один постоянный крутящий момент вала 3 отбора мощности, с любой, теоретически, заданной мощностью. Силовой вал 3 отбора мощности, также как и валы вращения поплавков 1 на двуплечих рычагах, вращаются в подшипниках 19 скольжения либо качения. Для более равномерного вращения вала 3 применяют маховик 44. Зубчатое колесо 43 делают по возможности большего диаметра, например, 2-6 метров и более. Поскольку такие крупные зубчатые колеса могут быть изготовлены лишь на единичных заводах тяжелого машиностроения, они весьма недешевы и их трудно транспортировать, эти и ведомые ими колеса можно изготовить на месте, например, путем сварки из металлопроката, причем зубья 51 (фиг. 13) можно делать из отрезков стальных прутков или цилиндров диаметром 10 - 100 мм, которые соосно приваривают к ободу колеса (из прута квадратного сечения) с усилением сварки за счет приварки также соосно дополнительных прутков меньшего в 4-8 раз диаметра.
В частных случаях амплитуды движения поплавков 1 ограничивают упорами с использованием пружин и резины. В частных случаях заявленных вариантов способа и устройства используют особую, наиболее оптимальную форму поплавков, которые вместе должны занимать по возможности большую часть, реально 0,1-0,9, поверхности воды, занятой энергостанцией. Расчет показывает, что для достижения наибольшего КПД следует делать плоской нижнюю поверхность поплавков 1, которая в отсутствие волн должна быть параллельна поверхности воды и погружение поплавка минимально. Применяют поплавки 1 высотой от 0,1 до 2 характерных для условий эксплуатации величин высоты волн.
Так, в частных случаях используют поплавки 1 цилиндрической формы с горизонтальной образующей (фиг. 3-4). Поплавки 1 устанавливают на одном из плеч двуплечего рычага 40, рычаги 40 с поплавками балансируют с помощью грузов 7, гибкую связь 2 зацепляют за другое плечо 40 рычага, к концу связи 2 после оборачивания ей вокруг барабана 13 подвешивают груз 12 для натяжения ее с провисанием не более 0,005-0,5 м. Количество оборотов связи вокруг барабана 13 до и после точки закрепления ее выбирают таким, чтобы длина намотанной связи 2 до точки закрепления была не меньше половины максимальной амплитуды движения плеча рычага 40, противоположного поплавку 1. Вес груза 12 подбирают достаточным для преодоления сопротивления внутреннего трения муфты 14 на валу 3 и обеспечения вращения ее относительно вала 3 в сторону действия момента силы со стороны груза 12, когда при спаде волны момент сил со стороны рычага 40 с поплавком 1 близок к нулю. Груз 12 размещают, например на направляющей 45, в качестве которой может служить либо полая труба (груз внутри нее), либо рельс или любая труба в случае, если груз охватывает эту направляющую и свободно скользит по ней. Рычаги 40 с поплавками 1 устанавливают с возможностью вращения в вертикальной плоскости в соосных подшипниках 19, установленных на каркасе (на фиг. 1-4 каркас не показан), причем в отсутствии волн подшипники 19 находятся над водной поверхностью, ось вращения OO рычага 40 параллельна валу 3 и находится на расстоянии 0,1-8 метров от поверхности воды при соответствующих размерах поплавков 1.
Образующая цилиндра поплавка 1 параллельна оси вращения рычага OO, а перпендикулярное к этой оси сечение поплавка имеет форму обрезанного в нижней части кругового сектора (фиг. 1, в), ограниченного с одной из сторон, в отсутствие волн, вертикальной, с точностью до 30 градусов, плоскостью, перпендикулярной линии обреза. Эту сторону поплавка снабжают лопастью 42 в форме ковша или совковой лопаты и поплавки 1 ориентируют рабочей стороной ковша/лопаты к фронту набегающих волн. Поплавки данной формы представляют собой, по сути, одно из плеч двуплечего рычага. В отсутствие волн расстояние от оси вращения OO рычага до поверхности воды устанавливают таким, чтобы нижняя линия обреза упомянутого сектора сечения поплавка была горизонтальна с точностью до 30 градусов.
Вдоль одного вала размещают произвольное число поплавков в 3 и более рядов, причем точку зацепления связи 2 к рычагу 40 поплавка 1 делают в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала 3 и пересекающей соответствующий данной связи барабан 13 на муфте 14, который данная связь 2 огибает.
В частном случае, второе плечо 40 двуплечего рычага, противоположное поплавку 1, изготавливают в форме сегмента 41 (фиг. 3) соосного рычагу 40 шкива, гибкой связью 2 огибают его и эту связь 2 жестко закрепляют, например в дальней точке сегмента по отношению к валу 3, т.е. в крайней левой точке на фиг. 3.
В другом частном случае гибкую связь 2 поплавка 1 с валом 3 отбора мощности делают замкнутой, в форме прямоугольника ABCD (фиг. 5-6), плоскость которого перпендикулярна валу 3, а в углах прямоугольника ABCD находятся шкивы 21, установленные на каркасе (на данных фигурах не показан), причем боковые стороны прямоугольника вертикальны и к одной из них прикрепляют поплавок 1, а к противоположной прикрепляют груз 8 противовеса. Вал 3 располагают выше уровня воды на уровне верхней горизонтальной части связи 2. Поплавки 1 изготавливают в форме кругового цилиндра с вертикальной образующей (фиг. 11), к нижней части поплавка 1 приделывают волноотражающую юбку 9 в форме боковой поверхности усеченного конуса с вертикальной осью вращения, прилегающего к основанию поплавка и расширяющегося кверху, имеющего отверстия 10 в оболочке выше линии касания к основанию. Такая форма юбки 9 создает при набегании волны дополнительную подъемную силу как составляющую силы гидродинамического напора. Верхняя часть юбки с отверстиями 10 образует резервуар типа дуршлага, что способствует опусканию поплавка после спада волны. Груз противовеса 8 подбирают таким, чтобы в отсутствие волн плоское основание поплавка 1 погружалось на 0,001-0,02 м, хотя допустимо и большее погружение, но тогда КПД установки будет ниже. Нижние шкивы 21 связи 2 находятся под водой, причем расстояние от верхних и нижних шкивов 21 до поверхности воды в отсутствие волн делают одинаковым и не менее половины максимальной амплитуды волн, характерной для акватории предполагаемой эксплуатации.
Следует заметить также, что связь 2 в случае рычажной системы подвески поплавка 1 (фиг. 1-4) может быть выполнена не обязательно из цельного куска троса или цепи. Эта связь 2 может быть составной и это даже более рентабельно, а именно: от поплавка 1 до точки закрепления на барабане 13 связь 2 может быть выполнена из толстого троса диаметром, например, 16-50 мм и далее толстый трос может быть обрезан, а к грузу 12 натяжения от барабана 13 может быть проведен уже другой трос диаметром, например, 6-12 мм, который закрепляют на барабане 13 независимо от толстого троса. Дело в том, что выталкивающие силы, действующие на поплавки 1, могут составлять тонны и десятки тонн, а вес грузов 12 натяжения связи 2 составляет, например, всего лишь 20-200 кГ. Поэтому использование связи 2 из тросов разных диаметров позволяет уменьшить ширину барабанов 13 и тем самым увеличить количество муфт 14 на валу 3 отбора мощности на единице его длины, и, следовательно, увеличить количество поплавков и повысить получаемую мощность на валу 3.
Аналогично, в случае замкнутой связи 2 последняя также может быть выполнена составной: толстый силовой трос проводят от поплавка 1 к валу 3 через блоки CDB, а тонкий - от поплавка 1 к валу 3 через блок А (фиг. 6).
Существенным
отличительным признаком, общим для всех изобретений группы, является наличие оценочных формул, позволяющих при проектировании и создании волновой энергостанции оценить максимально достижимую мощность
ее в зависимости от площади, занимаемой энергостанцией, а также от количества и размеров поплавков 1, выбор которых делают в зависимости от высоты и длины волн, характерных для акватории
предполагаемой эксплуатации в соответствии с выражением:
где N - требуемая мощность энергостанции для утилизации энергии волн;
S0 - суммарная площадь сечений поплавков 1 поверхностью спокойной воды;
ρ - плотность воды;
g1 - ускорение свободного падения;
h - высота волны;
T - период волны;
S - площадь сечения одного поплавка 1 поверхностью воды в отсутствие волн;
n - количество поплавков 1, если они одинаковые по размерам.
Размеры сечений поплавков 1 поверхностью спокойной воды делают не более 0,1-0,25 от длины волн, а высоту поплавков 1 делают в пределах 0, 1-2,0 от высоты волн.
Еще одной группой признаков, характерных для всей группы изобретений, является то, что каркас энергостанции собирают из элементов, выполненных с использованием металлопроката, лучше всего с использованием стальных труб прямоугольного сечения со стороной 0,04 - 0,5 м, хотя можно использовать и трубы диаметром до 2 м. Это позволяет изготовлять элементы каркаса, например на заводе, и затем транспортировать типовые комплектующие и собирать энергостанции непосредственно в местах предполагаемой эксплуатации путем простого соединения элементов с помощью болтов и гаек. Такая технология существенно уменьшает себестоимость установки. Торцы труб герметично заваривают, в трубах выполняют сквозные отверстия, в которые герметично вваривают отрезки круглой трубы (оси труб взаимно перпендикулярны) с внутренним диаметром 10-100 мм для крепежных болтов. Места вваривания зачищают заподлицо с поверхностью. Таким образом получают элементы каркаса - балки, с положительной плавучестью. Для надежности внутренние объемы балок заполняют пористыми синтетическими материалами типа пенопластов или пенополиуретанов через отверстия с герметичными пробками-заглушками, которые врезают в стенку трубы. Таким образом, плавающая установка становится непотопляемой. Сборку ее начинают непосредственно на воде, сначала разместив плавающие продольные трубы-понтоны 48 (фиг. 9) и скрепив их с помощью болтов и гаек поперечными, также плавающими, балками, затем устанавливают диагональные (не обязательно с положительной плавучестью) горизонтальные элементы каркаса, затем вертикальные столбы 49, скрепив их горизонтальными балками на разных уровнях, и скрепив для жесткости диагональными элементами в вертикальных плоскостях. Добавляя элементы, габаритные размеры каркаса модуля в горизонтальной плоскости наращивают от 1 до 3000 м и более, поскольку каких-либо ограничений на размеры, кроме разумных пределов, не имеется. Энергостанция может включать от 1 до 10000 и более жестких объемных каркасных модулей (или модульных ячеек, что то же самое) площадью 20-5000 кв. м и более, причем в одном модуле может быть установлен как один, так и несколько поплавков 1 в 3 и более рядов вдоль вала 3. Наиболее рентабельна прямоугольная форма каркасных модулей с размерами поплавков 1 и соответствующих ячеек каркаса от 2 до 20 м, в зависимости от высоты характерных для условий эксплуатации волн.
Каркас устанавливают либо на сваях, либо на берегу на железобетонных блоках 46 и шарнирах 47 с горизонтальной осью вращения выше уровня воды (фиг. 7), либо на плавающих опорах, либо подвешивают на тросах. В случае конструкций, изображенных на фиг. 1-4 и 7-9, поплавки 1 устанавливают например, с помощью подъемных кранов после установки соответствующих горизонтальных балок. Для плавающих установок высоту положения каркаса по отношению к уровню воды регулируют путем частичного погружения на необходимую глубину регулирующих понтонов 6 (фиг. 9), которые имеют возможность вертикальных перемещений в направляющих и должны надежно фиксироваться, с блокировкой. Положение каркаса береговых установок регулируется с помощью груза 45 (фиг. 7), вес которого можно менять, либо груз 45 можно перемещать на направляющих, изменяя длину плеча; положение также можно регулировать с помощью вертикальных понтонов 6, не показанных на этом чертеже, по аналогии с фиг. 9. Все варианты установок при необходимости оснащают палубой 50 на столбах 49, на которой размешают ветроагрегаты, преобразователи солнечной энергии, а также производственные и жилые постройки. Зубчатые колеса 43, вал 3, передаточные механизмы 4 и генераторы 44 закрывают влагонепроницаемыми защитными кожухами; в целях безопасности все движущиеся части со всех сторон, в том числе и снизу, закрывают капроновой, либо металлической сеткой, либо решетками.
Существенность жесткого, силового исполнения каркаса обусловлена тем, что силы натяжения гибких связей 2 могут достигать десятков тонн, и при плотности параллельных связей 2 от 10 до 15 штук на погонный метр длины вала 3 отбора мощности силы сжатия каркаса могут достигать сотен тонн. Вал 3 и его опорные подшипники 19 тоже весьма нагружены натяжениями связей 2, поэтому при большой плотности их делают разгрузку вала 3 путем либо установки поплавков 1 с обеих сторон вала 3 поровну, т.е. объединяют варианты, показанные на фиг. 1 и 2, либо проводят связь 54 (фиг. 12) от поплавка через дополнительные шкивы, один (например, шкив 20 на фиг. 2) или несколько. В противном случае вал 3 должен иметь слишком большой диаметр, он получится слишком тяжелый и дорогой. Так, при суммарной односторонней силе со стороны гибких связей 2 порядка 100 тонн и расстоянии между опорными подшипниками вала, равном 2 м, диаметр сплошного вала 3 из стали марки 40 должен составлять не менее 0,6 м. Поэтому, делая указанную разгрузку вала 3, существенно уменьшают его диаметр, что повышает рентабельность. Для большего повышения рентабельности используют вал 3 квадратного сечения коробчатой, каркасной конструкции, сваренный, например, из стальных уголков, швеллеров, либо прямоугольных труб, например из квадратных труб 52 с сечением от 40х40 до 150х150 мм, со стенкой 3 - 10 мм (фиг. 13). Сечение вала может быть 0,2х02 м для получения мощностей порядка кВт, и более 0,5х0,5 м для получения мощностей порядка 100 кВт и выше. Такой вал может вращаться в подшипниках скольжения, например из стали марки 40, в виде толстостенных, вложенных одно в другое колец 53 шириной порядка 0,4-0, 8 и толщиной стенки 0,06-0,15 от диаметра кольца. Пары колец могут служить также промежуточными опорами вала при его длине, например 2-40 м. Одно из них может быть сталебаббитовым, либо иметь вкладыши из мягкого металла. Кольца 53 крепят к каркасу установки и к каркасу вала 3 с помощью, например, уголков и болтов, причем уголки привинчивают к кольцам болтами с конусными головками; смазку осуществляют непрерывно через отверстия во внешнем кольце 53 под некоторым давлением, либо с помощью пресс-масленок.
Выше были изложены существенные отличительные признаки, присущие всем изобретениям группы. Ниже приведены признаки, характерные для различных вариантов "способа".
Второй вариант способа отличается от первого тем, что энергию возобновляющихся источников используют для выработки, с помощью генератора 5, электроэнергии, которая имеет нестабильные характеристики частоты и напряжения вследствие нестабильности волнения. Генератор 5 приводят во вращение от вала 3 отбора мощности. Электроэнергию используют для работы электролизера и получают водород. В частном случае получаемый водород накапливают в резервуарах и затем используют для работы двигателя внутреннего сгорания, вращающего другой электрогенератор, выходные параметры которого стабилизируют с помощью блока обратной связи, управляющего подачей водорода в двигатель внутреннего сгорания.
В третьем варианте способа энергию возобновляющихся источников используют для работы вакуумной дистилляционной установки (фиг. 14), а именно, для привода от вала 3 отбора мощности вакуумного насоса 22, например поршневого типа, а также для приведения во вращения со скоростью 0,1 - 100 об/мин вала 26 барабана 23 испарителя, внутри испарительной камеры 25, с высоко развитой испарительной поверхностью, 0,5 - 1000 кв. м, гигроскопического материала, смоченного и пропитанного морской водой. Смоченная поверхность находится в обдувающем потоке разреженного воздуха со скоростью 0,5-5000 м/с, (показан стрелками), проходящего через открытые с торцов цилиндрические каналы 24, со стенками из этого материала, в барабане, ось вращения которого горизонтальна, с отклонениями до 30 градусов, и соосна круглой трубе 25 испарительной камеры. Теплоту конденсации используют для нагрева испаряемой жидкости.
Воздух всасывается в испарительную камеру через регулируемое уплотнение вала 26 барабана, обогащается внутри влагой и всасывается затем вакуумным насосом, подсоединенным к противоположному, сужающемуся, концу трубы и затем нагнетается в змеевик 27 конденсатора с вентилем 28 на конце, с помощью которого в змеевике создают повышенное давление. Труба испарительной камеры 25 имеет ответвление вниз с клапаном 29 заливки-слива воды, который связан с запирающим поплавком 30 внутри камеры, образуя устройство поддержания постоянного уровня воды, который поддерживают ниже оси трубы 25. Внутри указанного ответвления помещают змеевик 27 конденсатора, который оказывается погруженным в опресняемую воду. Ответвление связывают трубкой 31 забора воды с резервуаром опресняемой воды, например непосредственно с морем. Выход дистиллята регулируют и находят оптимальный режим путем вращения резьбового вентиля-заглушки 32, уплотняющего вал 26 барабана испарительной камеры с помощью эластичной манжеты 33, например из силиконовой резины, а также вентиля 28 на выходе змеевика для создания повышенного по сравнению с атмосферным давления, способствующего конденсации пара. Привод вала насоса осуществляют с помощью передаточного механизма 34 и вала 35. Змеевик 36 служит для улавливания капель и брызг, действуя по принципу циклонного фильтра. Для улучшения испарения воду в трубе 25 подогревают с помощью элемента 37 (используют электронагреватель, либо нагрев горячим паром и др.). Для улучшения испарения применяют также аэратор 38, например керамический с мелкими порами, соединенный трубкой с атмосферой через регулирующий вентиль 39. Открывая вентиль, получают эффект "псевдокипения" жидкости за счет восходящего потока множества воздушных пузырьков в воде, внутрь которых происходит ее испарение. Слив рассола производят путем повышения давления в испарительной камере с помощью вентиля 32, либо дополнительного вентиля, установленного на трубе 25.
Давление контролируют манометром 51. Следует отметить, что для привода данной дистилляционной установки можно использовать не только вышеописанную волновую установку, а также любое другое устройство, содержащее вращающийся вал и имеющее достаточную мощность. Такими устройствами могут быть, в частности, ветровые двигатели, электродвигатели, в том числе работающие от солнечных батарей, а также двигатели внутреннего сгорания и др.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Варианты способа осуществляют, например, следующим образом. В зависимости от требуемой мощности энергостанции определяют, согласно расчетной формуле, необходимые размеры ее и количество поплавков 1. Так, для получения мощности 100 кВт при высоте волны 1 м и периоде 6 секунд суммарная площадь, занятая всеми поплавками 1, должна составлять не менее 240 кв. м., что соответствует 20-ти поплавкам 1 размером 3х4 м для установки, изображенной на фиг. 3-4. При плотности размещения поплавков 1, равной 0,5 от площади установки, площадь всей энергостанции составит 480 кв. м., что соответствует, например, габаритам 24х20 м. Для получения мощности 1 МВт эта площадь составит уже более 5000 кв. м., это может быть установка с габаритами 50-60 х 100 м, что близко к размеру футбольного поля (отсутствие прямой пропорциональности связано с неизбежным гашением амплитуды волны при прохождении ее сквозь каркас и поплавки установки). Но в океанах и морях есть немало мест, где круглогодично происходит волнение со значительно большей высотой волн, чем 1 м, например, у берегов Индии, на западном побережье Африки и Южной Америки, у берегов Австралии (П.А. Каплин и др., "Природа мира. Берега", изд. "Мысль", М., 1991) и там установки такой-же площади позволят получать в 2-3 раза большие мощности, чего может хватить для энергоснабжения небольшого поселения. Грубая оценка показывает, что для обоих рассматриваемых случаев масса энергостанции, в основном являющейся массой металлопроката, составит 60-70 и 600-1000 тонн, соответственно. В ценах 1999 года стоимость материалов каркаса и поплавков составляет 11-15 тыс. $ для 100-киловаттной установки, и около 100-160 тыс. $ для мегаватной. Указанные суммы равны примерно стоимости вырабатываемой электроэнергии этими установками за 1 год при средней высоте волн 1 м, либо за 0,5 года при высоте волн 2 м (из расчета по ценам г. Москвы, а за рубежом цены на электроэнергию в несколько раз выше).
К месту предполагаемой эксплуатации, либо к месту сборки (в случае последующей буксировки к месту эксплуатации) доставляют комплектующие заводского изготовления: горизонтальные 48 и вертикальные понтоны 6, горизонтальные, вертикальные и диагональные балки каркаса, поплавки 1, тросы связей 2, крепеж, вал 3, передаточные зубчатые колеса, различные передаточные механизмы, коробки передач и электрогенераторы, элементы палубы и защитные кожухи и решетки. При отсутствии волн высотой более 0,5 м, непосредственно на воде, например на мелководье, вручную и с помощью подъемных кранов (достаточно до 5-20 т) осуществляют сборку каркаса энергостанции, устанавливают поплавки 1, вал 3, один или несколько, с зубчатыми колесами, муфтами одностороннего вращения (храповиками) и прочими передаточными механизмами, генераторы, элементы палубы, кожухи, а также любое дополнительное оборудование. Осуществляют уравновешивание собственных весов поплавков 1 соответствующими грузами 7 (фиг. 1-4; 7-9), либо 8 (фиг. 5). В качестве грузов можно использовать металлические емкости-ящики, заполненные песком. От поплавков 1 протягивают гибкие связи 2, согласно прилагаемым чертежам, к валу 3 и к ним подвешивают грузы 12 натяжения. С помощью вертикальных понтонов 6 (фиг. 9), путем вертикальных перемещений их в направляющих и фиксации, регулируют высоту положения каркаса относительно уровня воды и добиваются необходимого положения поплавков 1 - чтобы в отсутствие волн нижняя поверхность их касалась поверхности воды всей своей плоской поверхностью и чтобы погружение поплавков 1 было минимальным.
При возникновении волнения поплавки 1 начинают колебаться и дергать связи 2, вызывая вращение вала 3 отбора мощности. За время одного периода волны (4-20 с) каждый поплавок 1 дергает связь в течение 1,5-10 секунд во время его подъема и при общем количестве поплавков 1 более 4 - 5 штук их суммарное воздействие будет вызывать практически равномерное вращение вала 3, при условии, что по меньшей мере два поплавка 1 будут колебаться в противофазах. Для этого размеры установки должны превышать длину волны. Утилизацию энергии волн осуществляют путем подсоединения к валу 3 различных потребителей, например согласно схеме на фиг. 10. В качестве потребителей могут быть как устройства, преобразующие механическую энергию вращающегося вала в электроэнергию, так и устройства, работающие непосредственно от вращающегося вала. К последним относятся различные пневмо- и гидронасосы, дробильные машины, мельницы и др.
Разместив на каркасе ветроагрегаты и преобразователи солнечной энергии, поучают дополнительные возможности для энергоснабжения потребителей, а также для накопления энергии в аккумуляторных батареях, либо для получения каких-либо продуктов, обладающих потенциальной энергией, например карбида кальция. На плавучей платформе может быть, например, рыбоперерабатывающий завод.
Второй вариант осуществляют также, но в качестве первичного потребителя энергии возобновляющихся источников используют электрогенератор 5, получают постоянное напряжение и используют его для работы электролизера и получают газообразный водород (H2). Водород является высокопотенциальным источником энергии, его можно накапливать в резервуарах, сжижать, и использовать затем как высокоэффективное топливо широкого спектра применений, например для работы экологически чистых автомобильных двигателей внутреннего сгорания, для работы ТЭЦ и многого другого (при сгорании H2 образуется только водяной пар! ). Для получения 1 куб. м. газообразного H2 требуется 4-6 кВт•часа электроэнергии, а для его сжижения - еще 2-3 кВт•часа. Таким образом, с помощью энергостанции со среднесуточной мощностью 100 кВт можно получать в сутки 400-600 кубометров газообразного H2, а при мегаваттной мощности - в 10 раз больше, и это имеет уже промышленное значение. В частном случае H2 используют для питания двигателя внутреннего сгорания, приводящего второй электрогенератор, выходные параметры которого стабилизируют по частоте и напряжению с помощью блока обратной связи - как на аналогичных дизельных и бензиновых электростанциях. Таким образом получают электроэнергию с приемлемыми для обычного потребителя параметрами - 220/380 В, 50 Гц. В другом частном случае в результате электролиза получают и водород, и кислород, которые собирают в резервуары и используют для сварки и резки металлов, например для газорезки и утилизации на металлолом вышедших из строя морских судов.
В третьем варианте способа энергию возобновляющихся источников используют, с помощью передаточных механизмов 34 (фиг. 14), для привода вакуумного насоса 22 и для приведения во вращение барабана 23 испарительной камеры 25 дистилляционной установки и получения, таким образом, пресной воды-конденсата из морской. В частном случае, для повышения выхода водоконденсата, используют аэратор 39 (для получения эффекта "псевдокипения" жидкости), корпус испарительной камеры окрашивают в черный цвет и устанавливают под солнечные лучи, через дополнительный змеевик (на фиг. 14 не указан), который помещают в нижнюю часть нижнего ответвления камеры 25, гидронасосами прокачивают холодную воду из морских глубин. С помощью нагревателя 37 испаряемую воду подогревают в верхней части указанного ответвления. Регулируя с помощью вентиля 32 скорость продувки и давление в камере 25, а с помощью вентиля 28 давление в теплообменнике-конденсаторе, находят оптимальный режим для получения максимального выхода водоконденсата. Количественные данные по его выходу определить теоретически довольно затруднительно, а на практике они будут определяться опытным путем. Данный способ не противоречит общеизвестным законам физики и термодинамики, а также опыту работы аналогичных известных дистилляторов. И самым простым подтверждением эффективности данного способа являются известные факты о том, что мокрое белье быстрее всего сохнет на ветру, испарение (та же сушка) быстрее происходит в вакууме, а конденсация ускоряется при снижении температуры и повышении давления пара. В данном способе совмещены все эти факторы.
Устройство, т. е. модуль энергостанции состоит из следующих элементов и
узлов: на опоре в виде жесткого объемного силового каркаса, прозрачного для волн, над поверхностью воды установлен вал 3 отбора мощности, муфты 14 одностороннего вращения с барабанами 13, множество
поплавков 1 на нижних плечах двуплечих рычагов, причем длина плеч не меньше максимальной амплитуды волн, характерных для условий эксплуатации. Ко второму плечу 40 прикреплена гибкая связь, огибающая
несколько раз барабан 13 на муфте 14 одностороннего вращения на валу 3 отбора мощности (фиг. 12), причем после части оборотов вокруг барабана 13 связь 2 закреплена на барабане 13, а к свободному концу
связи 2 подвешен груз 12 натяжения ее. Вес груза 12 подобран из условия возврата барабана 13 в исходное положение при отсутствии натяжения со стороны поплавка 1, причем длина намотанной на барабан 13
и до и после точки закрепления связи 2 не меньше половины максимальной амплитуды движения плеча рычага 40, противоположного поплавку 1, вдоль вала отбора мощности размещено произвольное число
поплавков 1 в 3 и более рядов, размеры сечений поплавков 1 поверхностью спокойной воды составляют не более 0,25 от длины волн, а высота поплавков 1 составляет 0,1-2,0 от высоты волн, характерных для
условий эксплуатации, количество и размеры поплавков 1 выбраны в соответствии с выражениями:
где N - требуемая мощность энергостанции для утилизации энергии волн;
S - площадь сечения одного поплавка 1 поверхностью спокойной воды;
S0 - суммарная площадь сечений поплавков 1 указанной поверхностью воды;
ρ - плотность воды;
g - ускорение свободного падения;
h - высота волны, характерная для акватории предполагаемой эксплуатации;
T - период указанной волны;
n - количество поплавков 1.
Под словом "модуль" следует иметь в виду то, что конструкция данного устройства, т. е. энергостанции, выполнена в виде типовых, стыкуемых друг с другом блоков, которые могут быть как неразъемные, сваренные из стального металлопроката, так и разборными, из типовых комплектующих.
В частных случаях исполнения каркас имеет форму прямоугольного параллелепипеда и одна из сторон его перпендикулярна валу 3, каркас выполнен из элементов с использованием стальных труб и металлопроката, с антикоррозионной обработкой и покрытием. Модули энергостанции одинаково ориентированы между собой и жестко скреплены болтами и гайками в единую конструкцию. Амплитуды движения поплавков 1 ограничены упорами с упругими элементами с использованием пружин и резины. Груз 12 обеспечивает натяжение связи 2 с провисанием не более 0,005-0,5 м, груз 12 размещен на направляющей. Рычаги 40 с поплавками 1 установлены с возможностью вращения вокруг оси OO в вертикальной плоскости в соосных подшипниках 19, установленных на каркасе, ось OO параллельна валу 3. Поплавки 1 имеют цилиндрическую форму с горизонтальной образующей, параллельной оси OO, и перпендикулярным к ней сечением в форме обрезанного в нижней части кругового сектора, ограниченного с одной из сторон, в отсутствие волн, вертикальной, с точностью до 30 градусов, плоскостью, перпендикулярной, с точностью до 30 градусов, линии обреза. Эта сторона поплавка 1 снабжена лопастью 42 в форме ковша или совковой лопаты, и модуль ориентирован рабочей стороной ковша/лопаты к фронту набегающих волн. В отсутствие волн расстояние от оси ОО до поверхности воды составляет 0,1-8 ми устанавливается таким образом, чтобы линия обреза упомянутого сектора была горизонтальна с точностью до 30 градусов. В отсутствие волн погружение поплавков 1 составляет 0,0001-0,5 от их объема, поплавки 1 сбалансированы совместно с рычагом 40 с помощью грузов 7 противовесов. К нижней части поплавков 1 приделаны емкости 9 с отверстиями 10, которые заполняются водой при погружении поплавка под воду, и опорожняются через указанные отверстия в течение 1-100 секунд после поднятия поплавков 1 над водой. К основанию поплавков 1 проделаны гибкие элементы из впитывающих воду материалов в виде многочисленных свободно свисающих веревок, либо нитей, либо полос тканей или губки. Внутренние объемы поплавков 1 заполнены влагонепроницаемыми пористыми газонаполненными синтетическими материалами. В модуле установлен силовой низкооборотный, до 500 об/мин, вал 3 отбора мощности, в том числе составленный от отдельных частей, соединенных муфтами. Вал 3 оснащен передаточными механизмами 4, одним или несколькими, с переходниками для подсоединения потребителей. Точка зацепления связи 2 к рычагу 40 поплавка 1 находится в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала 3 и пересекающей соответствующий данной связи 2 барабан 13 на муфте 14, который данная связь 2 огибает. Величины предельных прочностей связи 2, барабана 13 и муфты 14, в тоннах, больше значений половины объема связанного с ними поплавка 1, в кубометрах.
Для получения суммарных мощностей от различных модулей энергостанции, в частных случаях, вторичные валы 55, ведомые от валов 3 отбора мощности разных модулей, соединены с помощью карданных передач, либо с помощью соединительных силовых муфт.
В частных случаях второе плечо 40 двуплечего рычага, противоположное поплавку 1, имеет форму сегмента 41 соосного рычагу шкива, гибкая связь 2 огибает его и жестко закреплена.
Энергостанция размещена либо у берега, либо на плаву. В последнем случае модуль снабжен горизонтальными 48 и вертикальными 6 понтонами, образующими вместе с каркасом плавающую платформу, длина и ширина которой более чем в 3 раза, а высота более чем в 1,1 раза больше максимальной высоты волны, характерной для акватории предполагаемой эксплуатации. Вертикальные понтоны 6 частично погружены в воду и зафиксированы на направляющих в каркасе модуля. Платформа оснащена якорями и лебедками, к валу 3 через передаточные механизмы, механизмы сцепления и коробки передач подсоединены водяные колеса для маневрирования, установленные на периферии платформы. Понтоны 6 и 48 имеют вытянутую цилиндрическую форму, внутренние объемы их заполнены влагонепроницаемыми пористыми газонаполненными синтетическими материалами, причем, суммарный объем всех понтонов 6 и 48, в кубометрах, в 1,1-5 раз больше веса всей платформы, в тоннах. Вертикальные понтоны распределены по площади платформы таким образом, чтобы они не находились на пути волн, набегающих на поплавки, а расстояние между ними в верхнем слое воды толщиной 1-10 м выдержано в 3-5000 раз больше поперечных размеров понтонов 6. Трубы каркаса, погруженные в воду, заварены с торцов и снабжены пробками-заглушками, трубы заполнены влагонепроницаемым пористым газонаполненным синтетическим материалом.
В случае размещения энергостанции у берега опора 46 установлена на грунте и модуль закреплен в средней точке на опоре 46 с помощью осевого шарнира 47 с горизонтальной осью вращения выше уровня воды. Имеется уравновешивающий груз 45 для поддержания модуля в рабочем положении. Для поддержания в рабочем положении энергостанции больших размеров, например, шириной более 30 м от опоры 46 в сторону воды, модули снабжены также вертикальными 6 и горизонтальными 48 понтонами, как и в случае плавающей платформы.
В других частных случаях к передаточному механизму 4 подсоединен электрогенератор 5 соединенный с электролизером, подключенным к резервуарам для хранения водорода и кислорода. Резервуар для хранения водорода связан с двигателем внутреннего сгорания, соединенным со вторым электрогенератором, снабженным блоком стабилизации выходных параметров по частоте и напряжению, управляющим подачей водорода.
Устройство работает следующим образом: при возникновении волнения поплавки 1 начинают колебаться и дергать связи 2, вызывая вращение вала 3 отбора мощности. За время одного периода волны (4-20 с) каждый поплавок 1 дергает связь 2 в течение 1,5 -10 секунд во время его подъема и при общем количестве поплавков 1 более 4 - 5 штук их суммарное воздействие будет вызывать практически равномерное вращение вала 3, при условии, что по меньшей мере два поплавка 1 будут колебаться в противофазах. Для этого размеры установки должны превышать длину волны. Утилизацию энергии волн осуществляют путем подсоединения к валу 3 различных потребителей, например согласно схеме на фиг. 10. Разместив на каркасе ветроагрегаты и преобразователи солнечной энергии, получают дополнительные возможности для энергоснабжения потребителей, а также для накопления энергии в аккумуляторных батареях, либо для получения каких-либо продуктов, обладающих потенциальной энергией, как было описано выше.
Реферат
Способ утилизации возобновляющихся источников и модуль энергостанции предназначен для преобразования энергии ветровых волн водоемов. На поверхности воды из комплектующих собирают жесткий объемный каркас в виде однотипных модулей, устанавливают множество поплавков в несколько рядов как вдоль, так и перпендикулярно рабочему валу с муфтами одностороннего вращения на каждый поплавок и поплавки связывают с муфтами гибкими связями. Вторичные валы передаточных механизмов разных модулей соединяют карданными передачами. Площадь энергостанции, параметры и количество поплавков определяют по выведенной формуле в зависимости от проектной мощности. Используют поплавки двух оптимальных форм для двух вариантов подвески - на двуплечем рычаге и на вертикальном участке замкнутой через 4 шкива связи. На каркасе размещают ветроагрегаты, преобразователи солнечной энергии, производственные и жилые постройки. Утилизированную энергию волн и ветра в виде механической энергии вращающегося вала через механизмы сцепления, раздаточные коробки и т.п. используют для привода электрогенераторов, насосов, вакуумных дистилляционных установок, опреснительных установок обратного осмоса, мельниц и др. Первичную электроэнергию с нестабильными параметрами используют для нагрева пара, зарядки аккумуляторов, а также для работы электролизера и получения водорода, его накапливают в резервуарах и используют для работы двигателя внутреннего сгорания для привода другого генератора со стабилизацией параметров с помощью обратной связи. Насосами морскую воду перекачивают в резервуары выше уровня моря и используют для работы гидроэлектроагрегата по принципу гидроаккумулирующей электростанции. Энергостанцию устанавливают на шарнирной опоре, или на сваях, или на понтонах с возможностью регулирования высоты расположения каркаса относительно уровня воды, оснащают водяными колесами для маневрирования. Изобретение позволяет повысить КПД и мощность с высокой надежностью работы. 4 с. и 21 з.п.ф-лы, 14 ил.
Формула
S0 = nS,
где N - требуемая мощность энергостанции для утилизации энергии волн;
S - площадь сечения одного поплавка поверхностью спокойной воды;
S0 - суммарная площадь сечений поплавков указанной поверхностью воды;
ρ - плотность воды;
g - ускорение свободного падения;
h - высота волны, характерная для акватории предполагаемой эксплуатации;
Т - период указанной волны;
n - количество поплавков,
размеры сечений поплавков поверхностью спокойной воды делают не более 0,25 от длины волн, характерной для акватории предполагаемой эксплуатации, а высоту поплавков выполняют в пределах 0,1 - 2,0 от характерной высоты волн, при этом с помощью грузов-противовесов регулируют глубину погружения поплавков в спокойной воде в пределах 0, 0001 - 0,5 их объема и время спуска с верхней точки после спада волны в пределах 0,1 - 100 с.
S0 = nS,
где N - требуемая мощность энергостанции для утилизации энергии волн;
S - площадь сечения одного поплавка поверхностью спокойной воды;
S0 - суммарная площадь сечений поплавков указанной поверхностью воды;
ρ - плотность воды;
g - ускорение свободного падения;
h - высота волны, характерная для акватории предполагаемой эксплуатации;
Т - период указанной волны;
n - количество поплавков,
размеры сечений поплавков поверхностью спокойной воды делают не более 0,25 от длины волн, характерной для акватории предполагаемой эксплуатации, а высоту поплавков выполняют в пределах 0,1 - 2,0 от характерной высоты волн, при этом с помощью грузов противовесов регулируют глубину погружения поплавков в спокойной воде в пределах 0,0001 - 0,5 их объема и время спуска с верхней точки после спада волны в пределах 0,1 - 100 с, а полученную электроэнергию используют для работы электролизера и получения газообразного водорода, который накапливают в резервуарах для последующего использования в качестве источника энергии.
S0 = nS,
где N - требуемая мощность энергостанции для утилизации энергии волн;
S - площадь сечения одного поплавка поверхностью спокойной воды;
S0 - суммарная площадь сечений поплавков указанной поверхностью воды;
ρ - плотность воды;
g - ускорение свободного падения;
h - высота волны, характерная для акватории предполагаемой эксплуатации;
Т - период указанной волны;
n - количество поплавков,
размеры сечений поплавков поверхностью спокойной воды делают не более 0,25 от длины волн, характерной для акватории предполагаемой эксплуатации, а высоту поплавков выполняют в пределах 0,1 - 2,0 от характерной высоты волн, при этом с помощью грузов - противовесов регулируют глубину погружения поплавков в спокойной воде в пределах 0,0001 - 0,5 их объема и время спуска с верхней точки после спада волны в пределах 0,1 - 100 с, а в качестве устройства утилизации энергии волн используют вакуумную дистилляционную установку, причем в установке используют вакуумный насос и приводят его в действие от вала через передаточный механизм, испарение осуществляют с поверхности площадью 0,5 - 1000 м2 в скоростном потоке обдувающего воздуха со скоростью 0,5 - 5000 м/с, теплоту конденсации используют для нагрева испаряемой жидкости, испарение осуществляют в испарительной камере низкого давления, выполненной в виде горизонтально расположенной круглой трубы, с вращающимся барабаном испарителя внутри и с сужениями на концах трубы, один из которых через регулируемое уплотнение вала вращения барабана испарителя соединяют с атмосферой, а другой - с входом вакуумного насоса, выход которого соединяют со змеевиком конденсатора, который размещают ниже уровня воды внутри ответвления испарительной камеры, содержащей в нижней части клапан заливки-слива морской воды, связанный с поплавком устройства, которое поддерживает постоянный уровень жидкости в испарительной камере, барабан испарителя выполняют с множеством соосных трубе каналов, открытых с обоих торцов, со стенками из гигроскопического материала, причем барабан приводят во вращение со скоростью 0,1 - 100 об./мин путем соединения его через передаточный механизм с валом отбора мощности, выход дистиллята регулируют для получения оптимального режима путем вращения резьбовой уплотняющей втулки с эластичной манжетой, ограничивающей подачу воздуха, на валу барабана испарителя на входе в испарительную камеру, а слив рассола производят путем повышения давления в испарительной камере.
S0 = nS,
где N - требуемая мощность энергостанции для утилизации энергии волн;
S - площадь сечения одного поплавка поверхностью спокойной воды;
S0 - суммарная площадь сечений поплавков указанной поверхностью воды;
ρ - плотность воды;
g - ускорение свободного падения;
h - высота волны, характерная для акватории предполагаемой эксплуатации;
Т - период указанной волны;
n - количество поплавков.
