Способ и устройство производства электроэнергии из поверхностных волн - RU2782079C1

Чертежи

Описание

Группа изобретений относится к области волновой энергетики и может быть использована для создания волновых электростанций. Группа изобретений использует в качестве энергоносителя водный поток поверхностной волны, при этом позволяет делать электростанцию легкой, эффективной и недорогой.

Аналогом технического решения является способ производства электроэнергии по патенту - US3965364A США. (Manfred Wallace Gustafson, Kaj-Ragnar Loqvist. Patent U.S. 3,965,364, 1973г). Устройством является плавучий корпус закрепленной на поверхности воды так, чтобы обеспечить свободное вертикальное движение при воздействии поднимающейся волны. Энергосборник, соединенный с плавучим корпусом и включающий лопасти гребного винта, расположен на глубине. Перемещение частиц воды сосредоточено на поверхности, а на глубине амплитуда составляет не более 0,2% от амплитуды поверхности волны. Возвратно-поступательное вертикальное движение корпуса заставляет гребные винты, находящиеся на глубине, вращаться. Устройство использует сразу два или другое четное количество гребных винтов, которые вращаются в противоположных направлениях и приводят в действие насосы, которые подают воду на турбину вращающую ротор генератора, который производит электроэнергию (Германович В., Турилин А. - Альтернативные источники энергии. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы. - Санкт-Петербург: Изд-во ООО «Наука и техника», 2011г., стр. 227÷228).

Недостатком аналога является требование раскачки корпуса. Корпус станции, который раскачивает волна, должен входить в резонанс, на что требуется время, поэтому энергия волны рассеивается, что снижает КПД и приводит к большим потерям на трение, которое усиливается на передаточных механизмах, поршневых механизмах, трубопроводах и гидронакопителях. Все это приводит к тому, что подобная станция будет иметь КПД, не превышающий 1%. Большое количество механизмов, используемых в аналоге, большая масса и сложность конструкции делают станцию массивной, дорогой и ненадежной в работе.

В качестве второго аналога предложен способ использующий энергию волн, которая ускоряет воздушный поток, вращающий лопасти турбины (Стэн Гибилиско - Альтернативная энергетика без тайн. - М.: Изд-во «Эксмо», 2010г., стр. 237). Одним из самых успешных проектов в части переработки энергии океанских волн является электростанция турбинного типа Oceanlinx, работающая в акватории австралийского города Порт-Кембл. На некотором расстоянии от берега в море размещается камера, которая сверху над уровнем воды имеет отверстие. Камера надежно закреплена на морском дне и не движется вверх и вниз, водяные валы, проходя через нее, повышают и понижают уровень воды внутри камеры. Сама поверхность воды внутри камеры остается плоской, и колебания воды выталкивают и втягивают воздух в камеру через отверстие сверху. В отверстии установлена воздушная турбина, выталкиваемый и втягиваемый воздух вращает лопасти турбины и соответственно ротор генератора. Для вращения турбины в одном направлении лопасти имеют поворотный механизм, который изменяет их угол наклона в зависимости от направления потока воздуха. Основным недостатком этой электростанции является высокая стоимость строительства габаритного и массивного корпуса.

В качестве третьего аналога предложен способ по патенту - ES2395688 A1 Испания, где используется турбина с поворотными лопатками для преобразования потоков во вращение ротора генератора, установленная в цилиндрический корпус. (Manuel Grases Galofre,

Manuel Grases Mendoza. Patent E.S. 2,395,688, 2011г.).

Когда жидкость движется в одном направлении, турбина приводится в движение в направлении вращения, а когда жидкость меняет направление, турбина приводится в движение в том же направлении вращения, что позволяет ей использовать, например, энергию вертикального движения волн. Рабочее колесо находится внутри цилиндрического корпуса, где постепенное уменьшение сечения приводит к увеличению скорости вращения лопастей. Чтобы гарантировать перепад давления между внешней волной и водой, заполняющей корпус, поверхность волны должна превышать верхний срез корпуса до разумной высоты. При входе и выходе воды на лопасти турбины используется направляющий аппарат, состоящий из лопастей, которые могут изменять положение путем изменения их угла наклона, с помощью серводвигателей, управляемых компьютером. Диффузор, который может быть коническим или тороидальным, расположен на нижнем конце корпуса, который сообщается с водой. В устройстве предусмотрена редуктор с коробкой передач, которая увеличивает число оборотов турбины и которая соединена с электрическим генератором посредством маховика, механизмы установлены на рабочей платформе вне досягаемости волн. Корпус с турбиной крепится на основании, закрепленном на морском дне.

Недостатком аналога является цилиндрический корпус большой длины, который крепится на дне моря. Длина цилиндра превышает его диаметр, а, следовательно, генератор не может вырабатывать много электроэнергии, так как перекрывает движение для частиц поверхностной волны. Выработка электроэнергии зависит от скорости потока, так как эта зависимость кубическая. В прототипе корпус электростанции, выполненный в виде цилиндра большой длины, опускается на большую глубину, где низкая скорость движения частиц воды, который приводит во вращение лопасти турбины. Для снижения материалоемкости станцию необходимо размещать ближе к берегу, чтобы снизить длину корпуса, но у самого берега движение частиц воды переходит в основном в горизонтальное направление. При установке электростанции на глубине, где волна вертикальна, материалоемкость конструкции значительно увеличивается и одновременно увеличивается сопротивление водному потоку, как следствие станция не способна вырабатывать эффективно электроэнергию. Дополнительные потери при выработке электроэнергии создаются маховиком, редуктором с коробкой передач и множеством поворотных механизмов для лопастей, что отражается на себестоимости и надежности станции.

В качестве дополнительного аналога принято устройство буя, который перемещался относительно поверхности волны для преобразования кинетической энергии воздушного потока в электрическую энергию. Воздушная камера сообщается по воздуховоду с турбогенератором и включает в себя генератор, ступень турбины со статором и ротором, установленными на одном валу с генератором. (IA B. Apparatus for converting sea wave energy into electrical energy. US Patent 3,922,739, 1975г.). Ступень турбины турбогенератора имеет дополнительный статор, расположенный за ротором турбины и выполненный симметрично статору ступени турбины относительно плоскости вращения ротора, импульсная турбина.

Импульсная турбина была запатентована И. А. Бабинцевым в 1974г., где ротор в основном идентичен ротору обычной одноступенчатой паровой турбины с осевым импульсным потоком. Поскольку требуется, чтобы турбина была самовыпрямляющейся, имеется два ряда направляющих лопаток (направляющий и выпрямляющий аппарат), расположенных симметрично с обеих сторон ротора, вместо одного ряда. Эти два ряда направляющих лопаток являются отражением друг друга относительно плоскости, проходящей через диск ротора. Устройство используется в качестве источников питания для навигационного оборудования в качестве источников питания для устройств сигнализации и дистанционного управления, в качестве автономных источников энергии для различных потребителей в открытом море. (IA B. Apparatus for converting sea wave energy into electrical energy. US Patent 3,922,739, 1975г.).

В восьмидесятые годы двадцатого века была разработана турбина Уэльса, аналогичная импульсной, для преобразования энергии колебательного потока в однонаправленное вращательное движение для приведения в действие электрического генератора. Турбина Уэльса (W-T) состоит из ротора с примерно восемью лопастями, разделенными на лопатки, установленных на ступице так, что их хордовые линии лежат в плоскости вращения. Как только лопасти достигают проектной скорости, турбина с достаточной эффективностью вырабатывает усредненную по времени положительную выходную мощность из колеблющегося воздушного потока.

По схеме, где используется турбина Бабенцова И.А. и Уэльса, впервые была реализована попытка по кратчайшей цепочке преобразовать линейное движение потока волны во вращательное движение ротора. Преобразование энергии по этой схеме производится под действием потока воздуха, разгоняемого волной. Как известно, выработка электроэнергии генератором зависит от плотности потока поступающего на лопасти турбины и так как плотность воздуха, примерно, в 775 раз меньше плотности воды, именно на эту величину генератор меньше вырабатывает электроэнергии.

В качестве прототипа принят способ производства электроэнергии из поверхностных волн ускоренных соплом в корпусе, закрепленном на грунте, где поток воды, проходя лопасти направляюще-выправляющего аппарата, приводит во вращение лопастную турбину, кинетическая и потенциальная энергия поверхностной волны преобразуется во вращение турбины и ротора генератора вырабатывающего электроэнергию, за счет ускорения потока воды корпусом в виде кольцевого вертикального симметричного сопла и лопастями направляющего симметричного аппарата, где ускоренный поток с одной стороны сопла поступает на лопасти турбины раскручивая ротор генератора производящего электроэнергию и после ее прохождения выходя с другой стороны сопла, постепенно замедляется симметричными плоскостями корпуса и выправляющего аппарата, находящимся с противоположной стороны, при этом корпус сопла устанавливается на определенной высоте от уровня гребня, также известно устройство для производства электроэнергии из поверхностных волн, содержащее корпус, трубопроводы, сопло, ось, турбину с лопастями, генератор, состоящий из ротора и статора, электрокабель, рабочую обмотку, при этом корпус сопла представляет из себя сужающееся и расширяющееся симметричное вертикальное сопло, выполненное в виде плоского обтекаемого кольца, установленного стационарно на грунте, где одна часть в зависимости от направления потока, работает конфузором, а другая диффузором, на которых закреплены лопасти направляюще-выправляющего аппарата удерживающие турбину с лопастями, через ось вращающую ротор генератора, вырабатывающего электроэнергию, передаваемую потребителю по электрокабелю (RU 2014141839 A, 20.05.2016, F03B13/00).

Техническая проблема, решаемая группой изобретений, достигается тем, что способ производства электроэнергии волновой электростанцией из поверхностных волн заключается в том, что корпус сопла выполняют в виде вертикального симметричного плоского обтекаемого кольца с сужающей и расширяющей частями, на которых закрепляют лопасти направляюще-выправляющего аппарата, при этом одна из частей в зависимости от направления потока работает конфузором, а другая диффузором, корпус сопла закрепляют на грунте стойками и устанавливают на определенной высоте от уровня гребня волны, лопастную турбину устанавливают в критической части сопла, кинетическую и потенциальную энергию поверхностной волны преобразуют во вращение лопатной турбины и ротора генератора, вырабатывающего электроэнергию, за счет ускорения потока воды конфузором и замедления потока диффузором, отличающийся тем, что турбину защищают сетками для сбора мусора, которые устанавливают на корпусе сопла, который устанавливают на определенной высоте от уровня гребня волны за счет водяных насосов, обеспечивающих изменение положения по вертикали корпуса сопла путем заполнения его водой или освобождения от нее и под определенным углом наклона относительно плоскости воды, направленным навстречу движению волны, за счет шарниров, при этом регулируют положение корпуса сопла по вертикали и угол наклона за счет компьютерной программы, работающей по обратной связи относительно максимального количества электроэнергии вырабатываемой генератором, для предотвращения торможения потока поверхностной волны, в которой частицы воды движутся по окружности, диаметр корпуса сопла выполняют не превышающим среднегодовую половину длины волны, а высоту корпуса сопла - не превышающей среднегодовую амплитуду волны. Корпус сопла автоматически с помощью компьютерной программы и автоматизированной системы управления (АСУ) располагают в объеме поверхностной волны с максимальным количеством кинетической и потенциальной энергии для захвата максимального количества энергии при круговом движении потока, поступающего в корпус сопла, как сверху, так и снизу, при этом лопастную турбину, установленную в критической части сопла, вращают в одну сторону вне зависимости от направления движения потока воды, а сопротивление входящему и выходящему потоку воды снижают за счет закручивания лопастей направляюще- выправляющего аппарата в сторону вращения лопастной турбины и за счет геометрии корпуса сопла, в котором между наружными и внутренними плоскостями осуществляют плавный переход от больших сечений к меньшим за счет криволинейных образующих и скруглений плоскостей корпуса сопла, с помощью компьютерной программы и АСУ волновую электростанцию во время штормов погружают под воду на безопасную глубину, предотвращая разрушение конструкции, с возможностью обеспечения работы генератора, при этом для изменения положения по вертикали корпус сопла заполняют водой или освобождают от нее с помощью водяного насоса, для сглаживания пульсаций при выработке электроэнергии объединяют в единую электросхему две и более волновых электростанций с возможностью использования созданного сооружения для сбора частиц мусора, которые улавливают сверху и снизу защитными сетками, поверхность корпуса сопла и лопастей направляюще - выправляющего аппарата выполняют из солнечных батарей, а функции ротора турбины объединяют с функциями ротора генератора.

Устройство для производства электроэнергии за счет волновой электростанции из поверхностных волн, содержит корпус сопла, трубопроводы, лопастную турбину, генератор, состоящий из ротора и статора, вырабатывающий электроэнергию, передаваемую потребителю по электрокабелю, при этом корпус сопла выполнен в виде вертикального симметричного плоского обтекаемого кольца с сужающей и расширяющей частями, на которых закреплены лопасти направляюще-выправляющего аппарата, при этом одна часть в зависимости от направления потока выполнена с возможностью работы конфузором, а другая - диффузором, корпус сопла закреплен на грунте стойками и установлен на определенной высоте от уровня гребня волны, лопастная турбина установлена в критической части сопла, отличающееся тем, что устройство снабжено шарнирами, фиксаторами, водяными насосами и сетками, защищающими лопастную турбину от мусора, установленными на корпусе сопла, который установлен на определенной высоте от уровня гребня волны за счет водяных насосов, обеспечивающих изменение положения по вертикали корпуса сопла путем заполнения его водой или освобождения от нее и под определенным углом наклона относительно плоскости воды, направленным навстречу движению волны, за счет шарниров, при этом регулировка положения корпуса сопла по вертикали и угол наклона осуществлена за счет компьютерной программы, работающей по обратной связи относительно максимального количества электроэнергии вырабатываемой генератором, при этом для предотвращения торможения потока поверхностной волны, в которой частицы воды движутся по окружности, диаметр корпуса сопла выполнен не превышающим среднегодовую половину длины волны, а высота корпуса сопла - не превышающей среднегодовую амплитуду волны. Генератор расположен под водой, а ось ротора расположена с возможностью вращения в воздухе за счет магнитных муфт сцепления или манжетных уплотнителей, лопастная турбина установлена в узкой критической части сопла с возможностью вращения в одну сторону вне зависимости от направления движения потока воды, при этом стационарные лопатки направляюще-выправляющего аппарата, выполняющие функцию удержания лопастной турбины с генератором и одновременно функцию ускорителей водного потока, размещены между собой под углом в диапазоне от 5 до 14°, закруглены в виде спирали в сторону вращения турбины, а для снижения потерь корпус сопла выполнен с криволинейными образующими и скругленными радиусом перехода в критическое сечение сопла

и радиусом перехода между образующими в пределах 0,1÷0,2 ед. в отношении радиуса к диаметру критический части сопла, при этом наружный диаметр корпуса сопла выполнен с криволинейными внутренними и внешними образующими R_b и R_H, где R_b не превышает половины среднегодовой амплитуды волны, а R_H не превышает среднегодовой половины длины волны, а коэффициент сужения-расширения сопла находится в диапазоне от 10 до 30 ед., фиксаторы предназначены для фиксации корпуса сопла на стойках после его подъема или опускания, выполненных с возможностью изменения своей длины, а сетки для сбора мусора установлены сверху и снизу корпуса сопла, ротор генератора содержит магнитные полюса, которые одновременно являются лопастями турбины, создающими электромагнитное поле, вырабатывающее электроэнергию за счет статора размещенного внутри корпуса сопла, содержащего рабочую обмотку, а рабочая обмотка возбуждающая магнитное поле расположена внутри лопастей турбины, причем для получения возбуждающего магнитного поля обмотка возбуждения расположена на роторе генератора или подключена к источнику постоянного тока через скользящие контакты, для генератора малой мощности лопасти турбины выполнены с постоянными магнитами, а корпуса сопла и лопастей направляюще-выправляющего аппарата изготовлены из солнечных батарей, улавливающих прямые и отраженные водой солнечные лучи.

Группа изобретений иллюстрируется чертежами, на которых

на фиг. 1 изображена установка волновой электростанции;

на фиг.2 - верхние лопасти аппарата;

на фиг. 3 - верхние и нижние лопасти аппарата;

на фиг. 4 - график косинусоида с амплитудой

и длиной волны λ; распространение волны - на угол γ;.

на фиг. 5 - глубоководный мост, совмещенный с волновыми электростанциями;

на фиг. 6 - два полотна дороги, где одно полотно работает на проезд наземного транспорта, а другое разведено для прохода морского транспорта.

Предложенный способ реализует волновая электростанция, представленная на фиг. 1. Установка включает корпус сопла 1, представляющий из себя сужающееся и расширяющееся водяное вертикальное сопло. При движении воды сверху вниз верхняя часть корпуса выполняет функцию конфузора, а нижняя часть корпуса функцию диффузора. При движении воды снизу вверх функции конфузора выполняют диффузор, а диффузора - конфузор. Корпус сопла 1 удерживается на стационарном расстоянии P от грунта 2, так как выступает в роли стационарной платформы, вокруг которой перемещается поток воды. Корпус сопла на штангах 3 крепится на грунте 2 за счет трубчатых колонн 4, внутри которых перемещаются штанги и закрепляются в нужном положении фиксаторами 5. Общая масса всей электростанции может меняться за счет заполнения корпуса водой, которая закачивается и выкачивается водяным насосом 6. Для удержания корпуса сопла на заданном расстоянии от грунта, возможно в момент погружения ослабить фиксаторы, а затем зафиксировать нужное положение фиксаторами на штангах. Вода служит энергоносителем, поступая в корпус сопла 1, и ускоряется до максимальной скорости в самой узкой его части, т.е. в критическом сечении, где установлен винт с лопастями на турбине 7, вращающейся на оси 8. Турбина 7 начинает вращаться под напором ускоренного потока воды, где ее лопасти выполнены по схеме импульсной турбины Бабенцова И.А. или турбины Уэльса. Турбина через ось 8 вращает ротор 9 генератора 10 всегда в одну сторону, вырабатывая электроэнергию независимо от смены направления течения воды. (IA B. Apparatus for converting sea wave energy into electrical energy. US Patent 3,922,739, 1975г.).

Для снижения стоимости турбина жестко соединена с ротором генератора, который вращается только в одну сторону, что позволяет значительно снизить потери энергии и повысить надежность конструкции. Например, при вращении винта то в одну, то в другую сторону ось турбины должна снабжается муфтой сцепления, которая при вращении в одну сторону раскручивает первый ротор первого генератора, а в другую сторону второй ротор второго генератора. Без муфты сцепления необходимо применять механизм поворота лопастей турбины. Увеличение количества механизмов снижает надежность конструкции, повышает ее массу и себестоимость, но главное снижает энергоэффективность станции. Поэтому в критическом сечении сопла установлена саморегулирующиеся турбина для преобразования волновой энергии, представляющая собой осевую турбину двух основных типов: турбину Уэльса или импульсную турбину.

Характеристики этих турбин, были исследованы экспериментальными измерениями и численным моделированием в условиях нерегулярного потока в Saga University. Было обнаружено, что турбины импульсного типа обладают потенциалом превосходить турбины Уэльса по общим характеристикам в условиях нерегулярного потока. В предлагаемой группе изобретений, возможно, использовать: импульсную турбину с направляющими лопатками с автоматическим регулированием шага, импульсную турбину с неподвижными направляющими лопатками, турбину Уэльса с направляющими лопатками, турбину W-T с направляющими лопатками, турбину W-T с саморегулирующимися лопатками. (Setoguchi T, Takao M. Current status of self rectifying air turbines for wave energy conversion. Energy Conversion and Management 2006; 47:2382-96), (Kim T-H, Takao M, Setoguchi T, Kaneko K, Inoue M. Performance comparison of turbines for wave power Conversion. International Journal of Thermal Science 2001; 40:681-9).

Корпус сопла, представляя собой стационарную платформу и удерживаясь на стационарном расстоянии P от грунта, в зависимости от амплитуды и длины волны за счет компьютерной программы, регулирует это расстояние с изменением по вертикали и изменением угла γ наклона в плоскости относительно поверхности воды. Расстояние P от грунта до корпуса сопла и угол γ регулируются в автоматическом режиме, под действием компьютерной программы, которая производит фиксацию корпуса в пространстве относительно максимального уровня выработки электроэнергии генератором. В идеале критическое сечение корпуса сопла устанавливается в плоскости среднего уровня волны 11, находящегося в центре между гребнем и подошвой. Подъем или опускание корпуса относительно грунта производится за счет фиксатора 5 и водяного насоса 6, который откачивая или закачивая воду в корпус сопла 1, перемещает его по вертикали вверх или вниз. При достижении заданного расстояния относительно грунта 2 штанги 3 закрепляются фиксаторами 5 на трубчатой колонне 4. Установка корпуса сопла относительно уровня волны может осуществляться за счет нагнетания или сброса воды внутрь трубчатой колонны, где вода, действуя на поршень 12, поднимает или опускает штангу 3, которая в нужном положении фиксируется фиксатором 5. Механизмы могут использовать как гидро, так и пневмоподъем, что позволяет устанавливать корпус сопла над грунтом на заданном расстоянии по вертикали и могут установить корпус сопла за счет шарниров 13 под углом, в зависимости от направления движения волны. Таким образом, корпус сопла устанавливается на нужной глубине от уровня гребня и подошвы волны в нужном положении и под определенным углом от плоскости поверхности воды. Во время шторма волновая станция погружается на глубину, где продолжается выработка электроэнергии, но при этом обеспечивается защита корпуса станции от разрушения.

Вес корпуса волновой станции, выполненного в виде регулируемой в пространстве платформы, может быть очень легким за счет надувной оболочки, которая формирует контур сопла. Вес турбины, стоек и других узлов будет снижен за счет применения углепластиков. Следовательно, это будет самая легкая из всех волновых гидроэлектростанций, которые сейчас работают в мире. Работающие аналоги волновых станций на сегодня на одну тонну веса могут вырабатывать не более 3 кВт. Предлагаемая станция сможет вырабатывать на одну тонну собственного не менее 100 кВт. Приведенные данные и расчеты позволяют отметить, что предлагаемая волновая гидроэлектростанция может быть по своим габаритам и весу меньше в десятки раз сегодняшних подобных волновых гидростанций, при этом может в сотни раз больше вырабатывать электроэнергии. Волновая гидростанция, работающая на ускоряемом водном потоке волны, будет работать с большим КПД и более стабильно, чем, например, современные волновые электростанции, использующие принцип раскачки маятника. При распространении волны слева направо, как показано на фиг. 1, скорость и направление частиц потока воды, проходящего внутри и снаружи сопла, постоянно меняется. На фиг. 1показан момент, когда волна находится в верхнем крайнем положении над волновой электростанцией и ее скорость частиц по вертикали равна нулю. При смещении волны на четверть длины λ скорость частиц по вертикали в центре станции будет максимальная, в этот момент генератор будет вырабатывать максимальную электроэнергию, так как частицы воды принимают вертикальное направление, где скорость максимальна. При смещении волны на две четверти длины λ скорость вертикального потока снова будет равна нулю. При смещении на три четверти поток меняет свое направление и проходит через корпус сопла снизу, то есть частицы жидкости перемещаются по вертикали вверх, развивая максимальную скорость. При следующем смещении движение частиц по вертикали завершено и начинается движение частиц по горизонтали, как в первой позиции, то есть период движения волны начинается заново.

При каждой смене направления потока воды, проходящей через сопло, турбина будет сначала увеличивать, а затем снижать обороты вращения до нуля, а затем вращаться в эту же сторону, периодически ускоряя и замедляя вращение. Для сглаживания пульсаций при выработке электроэнергии можно объединить в единую энергосистему систему две и более волновых электростанций.

Данная схема выгодна тем, что позволяет все генераторы объединять в единую систему, используя один кабель 14 для электропередачи, а также общий контроллер, инвертор и другие устройства. Предлагаемая конструкция за счет изменяемых по длине опор позволяет изменять угол наклона корпуса сопла, чтобы дополнительно ускорять проходящий поток воды через сопло и вырабатывать большее количество электроэнергии. Регулировка положения корпуса сопла по вертикали и с углом наклона относительно плоскости, обеспечивается за счет компьютерной программы, которая настраивает автоматическую систему управления, относительно скорости вращения турбины.

Предлагаемая конструкция может отличаться по месту расположения генератора, который может находиться под водой или над водой. При нахождении генератора под водой, ротор 9 вращается за счет оси 8 в воздухе, а герметизация от воды обеспечивается за счет магнитных муфт сцепления 15 или ось можно герметизировать манжетными уплотнителями. Для удешевления конструкции генератор устанавливается над корпусом сопла в воздухе.

Для безопасной работы волновой электростанции и защиты ее турбины от крупных предметов, например, мусора, живых организмов и других массивных частиц, над верхней и нижней частью корпуса сопла установлена защитная сетка. На фиг. 1 сверху установлена верхняя сетка 16, а снизу корпуса сопла нижняя сетка 17. Помимо защиты турбины от попадания предметов верхняя и нижняя сетка будут выполнять функцию уловителей морского мусора, при накоплении который будет удаляться специальными службами. Сетки не влияют на работоспособность турбины, так как их ячейка выбирается такой крупности, который беспрепятственно пропускает и выпускает поток воды. Для выравнивания и ускорения потока воды под верхней сеткой установлен верхний направляюще-выправляющий аппарат 18, а над нижней сеткой установлен нижний выправляюще-направляющий аппарат 19. Аппараты состоят из спрофилированных лопаток, которые снижают трение потока воды и увеличивают КПД электростанции.

На фиг. 2, 3 показаны верхние лопасти аппарата 18, верхние и нижние лопасти аппарата 19, которые закручены по спирали в сторону вращения турбины 7, что дополнительно снижает трение потока воды при входе и выходе на турбине. Лопасти аппаратов 18, 19 начинаются от внешнего диаметра корпуса сопла 1 и, закручиваясь в сторону вращения турбины по вертикали, так же плавно изгибаются, направляя и ускоряя поток воды на лопасти турбины 7. Для повышения выработки электроэнергии поверхность корпуса сопла 1 и лопастей аппаратов 18, 19 выполняется из солнечных батарей, которые вырабатывая дополнительную электроэнергию, переносят ее к потребителю, используя те же электрокоммуникации, которые сделаны для передачи волновой электроэнергии. Данная особенность позволит волновой электростанции вырабатывать от солнца электроэнергию во время штиля. Эффективность солнечной электростанции, размещенной в воде, будет усиливаться с повышением КПД за счет ее охлаждения водой.

При использовании турбины импульсной и турбины Уэльса, возможно, ротор объединить с конструкцией турбины, где магнитные полюса ротора генератора одновременно являются лопастями водяной турбины, создающими электромагнитное поле, вырабатывающее электроэнергию за счет статора, размещенного внутри корпуса сопла. Данная схема позволит значительно больше вырабатывать электроэнергии за счет сокращения механизмов, массы вращающихся деталей и естественного водяного охлаждения ротора генератора, который одновременно выполняет функции турбины.

Как известно, для любой электрической машины обязательно наличие электропроводящей среды (проводников) и магнитного поля, имеющих возможность взаимного перемещения. При работе электрической машины в режиме генератора наблюдаются индуцирование ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле, и возникновение механической силы, действующей на проводник, находящийся в магнитном поле, при прохождении по нему электрического тока. (Кацман М.М. - Электрические машины: учебник для студ. Учреждений сред. проф. образования - 13-е изд., стер. - М.: Изд-во “Издательский центр «Академия», 2014г., стр. 9÷10; стр. 106÷107).

Конструкция электрической машины состоит из неподвижной части, называемой статороми вращающейся, называемой ротором. Ротор располагается в расточке статора и отделен от него воздушным зазором. Одна из указанных частей машины снабжена элементами, возбуждающими в машине магнитное поле (например, электромагнит или постоянный магнит), а другая имеет рабочую обмотку машины. Как неподвижная часть машины (статор), так и подвижная (ротор) имеют сердечники, выполненные из магнитно-мягкого материала и обладающие небольшим магнитным сопротивлением. На волновой электростанции электрическая машина работает в режиме генератора, где при вращении ротора под действием ускоренного потока воды вращающей лопасти турбины, где в лопастях размещены электромагниты в проводниках рабочей обмотки наводится ЭДС и при подключении потребителя появляется электрический ток. При этом механическая энергия ускоренного потока воды преобразуется в электрическую. Таким образом, волновая электростанция внутри корпуса сопла размещает рабочую обмотку, расположенную на статоре, а элементы, возбуждающие магнитное поле находятся внутри лопастей турбины и являются магнитами ротора генератора.

На волновых электростанциях постоянные магниты на роторе на торцах лопастей используют лишь в генераторах малой мощности. Для выработки электроэнергии в больших количествах для получения возбуждающего магнитного поля применяют обмотку возбуждения, располагаемую на роторе генератора. Эта обмотка подключается к источнику постоянного тока через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, располагаемых на валу и изолированных от вала и друг от друга, и двух неподвижных щеток.

Как уже отмечалось, ускоренный поток воды приводит во вращение турбину с размещенным внутри ротором генератора с различной частотой n₁. При этом магнитное поле ротора также вращается с частотой n₁ и индуцирует в трехфазной обмотке статора переменные ЭДС Е_а, Е_в, Е_с, которые, будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120 эл. град), образуют трехфазную симметричную систему ЭДС. С подключением нагрузки в фазах обмотки статора появляются токи I_А, I_В, I_С. При этом трехфазная обмотка статора создает вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна переменной во времени частоте вращения ротора генератора (об/мин):

.

При вращении якоря, даже в случае холостого хода, имеет место момент сопротивления M₀ вращению, который обуславливается потерями в генераторе на трение, на вихревые токи и гистерезис. Этот момент называют моментом холостого хода. При нагрузке в результате взаимодействия тока якоря с магнитным потоком генератора возникает тормозной электромагнитный момент М. При всяком нарушении постоянства скорости вращения возникает динамический момент:

, где J - момент инерции якоря, - угловая скорость вращения, рад/сек. В генераторном режиме эти моменты уравновешиваются механическим моментом M_мех ускоренного потока воды: . Это выражение называют уравнением моментов генератора. Уравнение показывает, что в любой момент времени в генераторном режиме механический момент ускоренного потока воды уравновешивается моментами холостого хода, электромагнитным и динамическим. (Кулик Ю.А. - Электрические машины. - М.: Изд-во «Высшая школа», 1968г., стр. 63÷64).

При электромагнитном возбуждении поток полюсов создается обмотками возбуждения, расположенных внутри лопастей турбины, питаемыми постоянным током или в генераторе с самовозбуждением обмотка возбуждения питается током от якоря этой же машины.

Предлагаемая волновая электростанция может работать, как платформа, жестко закрепленная на определенном расстоянии P от грунта. При этом конструкция корпуса сопла выполнена таким образом, чтобы в течение всего года электростанция вырабатывала максимальное количество энергии. Для того, чтобы станция производила максимальную энергию, относительно вертикальных и горизонтальных потоков поверхностных волн, необходимо с помощью компьютерной программы автоматизированной системы располагать станцию на определенной глубине погружения, которая будет меняться в зависимости от изменения амплитуды и длины волны. При изменении амплитуды и длины волны скорость вращения турбины будет изменяться, при этом АСУ будет выбирать максимальную скорость вращения, при которой будет зафиксировано положение в пространстве волновой электростанции. В отличие от ранее разработанных массивных волновых станций, предлагаемая станция может быть выполнен из пластика, тонко листового металла и композита, делая корпус сопла легким и нематериалоемким, что снижает себестоимость конструкции и снижает затраты при установке электростанции. Используя механизм перемещения конструкции по вертикали во время штормов, станцию, возможно, погружать под воду на безопасную глубину защищая от экстремальных погодных условий, что дает преимущество перед прототипом и аналогами, при этом на безопасной глубине генератор будет вырабатывать электроэнергию. Для раскрытия схемы работы группы изобретений ниже рассмотрим физику процесса поверхностной волны.

Следуя общей теории волн на фиг. 4рассмотрим слой жидкости постоянной глубины H, ограниченный сверху свободной поверхностью

, которая в невозмущенном состоянии совпадает с плоскостью . При этом ξ представляет собой отклонение (со своим знаком) свободной поверхности жидкости от плоскости в точке с координатами х, у в момент времени t. На неподвижном горизонтальном дне должно выполняться условие равенства нулю нормальной составляющей скорости при . - амплитуда волны; θ - фаза волны; k и σ - волновое число и частота, связанные с длиной волны λ и периодом τ соотношениями . Заметим, что удвоенное значение амплитуды волны называют высотой волны. (Черкесов Л.В., Иванов В.А., Хартиев С.М. - Введение в гидродинамику и теорию волн. - Санкт-Петербург: Изд-во «Гидрометеоиздат», 1992г., стр. 154÷165).

Профиль свободной поверхности

на фиг. 4 представляет собой косинусоиду с амплитудой и длиной волны λ. Точки, в которых свободная поверхность пересекает ось х (невозмущенную поверхность), называются узлами ( ); точки максимума и минимума свободной поверхности называются соответственно гребнями ( ) и подошвами ( ) волны. Из следует, что узловым точкам соответствуют значения фазы волны Отсюда , где - координата n-й узловой точки. Таким образом, ), и все узловые точки волны перемещаются в положительном направлении оси x с одинаковыми скоростями , где точка означает производную по времени. Легко видеть, что с такой же скоростью перемещаются гребни, подошвы и вообще любая фиксированная фаза волны . Поэтому скорость называют фазовой скоростью волны или скоростью движения волны. Будем обозначать ее v_ф, в отличие от v_x и v_z- составляющих скорости движения частиц жидкости. Так как профиль волны перемещается, то эту волну называют движущейся или прогрессивной.

Фазовая скорость волн в бассейне бесконечной глубины

. Учитывая , получаем или . Отсюда видно, что скорость распространения прогрессивной волны в глубоком бассейне пропорциональна корню квадратному из ее длины ( ). Волны, фазовая скорость которых зависит от длины волны, называются дисперсионными, а соотношение, связывающее частоту, σи волновое число k, называется дисперсионным. Таким, образом, рассматриваемые волны являются дисперсионными, а соотношение - дисперсионным соотношением.

Используя

, и запишем выражения для составляющих скорости движения частиц жидкости в волновом процессе: . Следовательно, амплитуды волновых скоростей затухают с удалением от свободной поверхности ( ) по экспоненциальному закону [ ] и на глубине, равной длине волны ( ), в (пятьсот) раз меньше, чем на свободной поверхности. С высокой степенью точности можно считать, что волновые возмущения при не проникают на глубины, большие длины волны, и жидкость на этих глубинах ( ) находится в покое. Так, для прогрессивной волны, амплитуда которой 50 см, а длина 60 м, (τ = 6,3 с), максимальные значения и на свободной поверхности равны 50 см/с, а на глубине 60 м - меньше 1 мм/с.

Как видно, динамическое или волновое давление р₂ затухает с глубиной (удалением от свободной поверхности) по тому же закону, что и волновые скорости

, . Поэтому динамическое давление на глубине, равной длине волны в 500 раз меньше, чем на свободной поверхности. Это позволяет пренебрегать в области волновым давлением по сравнению с гидростатическим. Следовательно, максимальная выработка электроэнергии за счет предлагаемой группы изобретений будет при расположении критического сечения корпуса сопла в плоскости невозмущенной поверхности (на среднем уровне волны) или когда центр турбины располагается по центру высоты волны, между гребнем и подошвой.

Как видно из

, положению гребня соответствует значение , и, следовательно, . Из находим, что при этом , , т. е. частицы жидкости в гребне движутся горизонтально в направлении распространения волны. Подошве волны отвечают значения , , при этом , , т. е. частицы жидкости в подошве движутся тоже горизонтально, но в направлении, противоположном распространению волны. Узлу волны соответствует значение , при этом . В первом случае ( , ; узел первого рода) частицы жидкости движутся вертикально вверх ( , ), во втором случае ( ; ; узел второго рода) частицы движутся вертикально вниз ( , ). Так как значения фазы θ вдоль волны меняются непрерывно, то узлы первого и второго рода чередуются.

На фиг. 4 показаны векторы скоростей движения частиц в характерных точках волны, распространяющейся в положительном направлении оси х. Как видно, частицы жидкости в короткой прогрессивной волне (

) движутся по окружности вокруг своего положения равновесия. При этом радиусы окружностей (амплитуды колебаний) убывают с глубиной погружения частицы ( ) по экспоненциальному закону [ ]. Отметим, что амплитуды колебаний частиц жидкости, лежащих на Свободной поверхности ( ), равны амплитуде волны, а находящихся на глубине, равной длине волны ( ), составляют 0,2 % амплитуды волны.

В синусоидальной волне с частотой f частицы среды совершают гармонические колебания, так что каждая частица обладает энергией

, где D_M - максимальное смещение (амплитуда колебаний) частицы от положения равновесия либо в продольном, либо в поперечном направлении [формула , где мы заменили А на D_M]. С помощью ( ) можно выразить k через частоту: . Таким образом, . Масса т=pV, где р - плотность среды, а V - ее объем. Кроме того, V=Al, где A - площадь поперечного сечения, через которое проходит волна, а l - расстояние, которое волна проходит за время t:l=vt (здесь v - скорость волны). Таким образом, и

.(1)

Если рассмотреть передний фронт синусоидальной волны, подошедший к области, где волнового движения не было, то станет ясно, что Е в формуле (1) соответствует средней энергии, которая переносится волной через границу рассматриваемой области за время t. Формула (1) представляет собой важный результат, состоящий в том, что энергия, переносимая волной, пропорциональна квадрату ее амплитуды. Энергия, переносимая волной за единицу времени, - это средняя мощность

:

. (2)

Наконец, интенсивностьволны I определяется как средняя мощность, переносимая через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению потока энергии:

. (3)

Мы видим, что интенсивность волны пропорциональна квадрату ее амплитуды. (Джанколи Д. - Физика: В 2-х т. Т. 1: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989г., Стр. 437-439).

Как известно, мощность, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения потока, т.е. удельная мощность потока, равна:

P/F=pv³/2,

где F- площадь потока, м²;

р - плотность вещества потока, кг/м³;

v - скорость потока, м/с;

Р - мощность, Вт.

Для упрощенного расчета можно принять, что с одного квадратного метра, перекрываемого турбиной за счет ветрового потока можно снять мощность: Р=0,22 v³, в связи с тем, что плотность воды превышает в среднем плотность воздуха в 775 раз, с одного квадратного метра, перекрываемого турбиной, за счет водяного потока, можно снять мощность: Р=162 v³, так как, поток воздуха или воды ускоряет специальное устройство - сопло, состоящее из конфузора и диффузора, необходимо рассчитать его параметры таким образом, чтобы оно имело минимальную площадь поверхности при максимально возможной эффективности на тот или иной диаметр турбины, установленной в критическом сечении сопла (самом узком сечении сопла). (Под ред. Д. де Рензо. Перевод с англ. к.т.н. Зубарева В.В., Франкфурта М.О. - Ветроэнергетика. Раздел - Характеристики ветра, - М.: Из-во «Энергоатомиздат», 1982г.).

Поперечное сечение концентратора (конфузора) может быть квадратным прямоугольным, круглым или иметь произвольную форму. В конфузоре происходит непрерывное увеличение скорости воды до наибольшей скорости на входе в турбину.

При использовании в предлагаемой группе изобретений корпуса сопла, захваченный водный поток, отражаясь от плоскости корпуса, перед тем как попасть на турбину ускоряется в несколько раз. После прохождения через турбину водный поток выходит через те же плоскости, но уже представляющие собой диффузор, так как пространство между этими плоскостями начинает расширяться в своем сечении.

Как известно, сила сопротивления водному потоку зависит от формы тела, где тело в виде пластинки создает достаточно высокое сопротивление водному потоку, так как за ним образуется целая область беспорядочного вихревого движения воды, так как давление сильно падает. Сопротивление конфузоров можно значительно уменьшить, осуществив плавный переход от большего сечения к меньшему, с помощью криволинейных образующих (по дуге окружности или другой кривой), а также скруглив прямолинейные стенки конфузоров на выходе в критическое сечение, где установлена турбина. (Идельчик И.Е. - Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - 3-е изд, перераб. и до. - М.: Изд-во “Машиностроение”, 1992г. Стр. 672).

Для снижения потерь корпус сопла, изображенный на фиг. 1, где Д_H - наружный диаметр корпуса сопла, делается с криволинейными образующими R_b и R_H, где R_b - внутренняя, а R_H - внешняя образующая сопла и со скругленными радиусами

и определенной величины, где - радиус перехода в критическое сечение сопла, а - радиус перехода между образующими согласно данных (Идельчик И.Е. - Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - 3-е изд, перераб. и до. - М.: Изд-во «Машиностроение», 1992г., стр. 250-251). Например, при величине радиуса r_b, достигающем 0,2 в отношении r_b/Д₀ сопротивление можно снизить более чем в 5 раз. При дальнейшем увеличении радиуса r, трение снижается незначительно. Для дополнительного снижения трения необходимо делать скругление по радиусу , например, при величине радиуса достигающим 0,1 в отношении r_H/Д₀, сопротивление можно снизить более чем в четыре раза.

Определить точно сопротивления водномупотоку протекающему через конфузор и диффузор достаточно проблематично, так как очень сложно вычислить потери на завихрение, сжатие (расширение), теплообмен и другие неучтенные факторы. (Идельчик И.Е. - Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - 3-е изд, перераб. и до. - М.: Изд-во «Машиностроение», 1992г. Стр. 672). Однако, по экспериментальным и теоретическим данным, известно, что скорость воды, попадающая на турбину будет зависеть от угла сужения - расширения β, степени сужения-расширения

где - площадь на входе в сопло, - площадь сечения водного потока в критической части сопла и относительной длины l_g/Д₀ и l_k/Д₀, где l_g - длина диффузора, l_k - длина конфузора.

Например, при значительном увеличении степени сужения конфузора более 20, начинает уменьшаться расход воды, проходящий через конфузор, то есть становится не эффективно делать слишком большую степень сужения. Согласно данным, для конических диффузоров, к которым относится конструкция корпуса сопла, оптимальная степень расширения находится в пределах 6÷10. Для волновой станции отношение l₀/Д₀, где l₀ - длина критической части сопла, можно считать равным нулю, следовательно ζ_д - коэффициент сопротивления диффузора будет незначительным. (Идельчик И.Е. - Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - 3-е изд, перераб. и до. - М.: Изд-во «Машиностроение», 1992 г, стр. 209, таблицы 5-1)

При подборе степени сужения конфузора и расширения диффузора, необходимо пользоваться опытными данными, согласно которым, с учетом максимального захвата площади потока воды, оптимальная степень сужения и расширения по верхнему значению принимается равной десяти. С учетом того, что это значение получено для идеальных условий эксперимента и течения потока движущегося вдоль оси сопла, то применительно к поверхностной волне, движущейся по окружности это значение можно увеличить в два - три раза. Таким образом оптимальная степень сужения - расширения для волновой станции будет находиться в пределах от 10 до 30.

Условия протекания потока в коротких диффузорах (с большими углами расширения) могут быть значительно улучшены, а сопротивление уменьшено, если предупредить в них отрыв потока или ослабить вихреобразование. К основным мероприятиям, способствующим улучшению течения в конфузорах-диффузорах относятся: сдувание пограничного слоя; установка направляющих лопаток (дефлекторов) и разделительных стенок. Для снижения сопротивления потоку на волновой электростанции, помимо применения скруглений, предусмотрены стационарные лопатки направляющего и выправляющего аппарата, которые выполняют функцию конструкции, удерживающей турбину с генератором и одновременно функцию стабилизаторов водного потока.

Согласно данным оптимальный угол для конфузора, образованный между плоскостями лопастей направляющего аппарата, находится в пределах от 5 до 40°, тогда как для диффузора в пределах от 4 до 14°. С учетом того, что в данном случае, при смене направления воды диффузор меняется на конфузор и наоборот, целесообразно выбирать общий угол, исходя из перекрывающегося диапазона от 5 до 14°. Следовательно, количество лопаток направляющего и выправляющего стационарного аппарата, будет находиться в пределах от 25 до 72 лопаток с каждой стороны сопла. (Идельчик И.Е. - Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - 3-е изд, перераб. и до. - М.: Изд-во «Машиностроение», 1992г.).

С учетом оптимизации конструкции с экономической точки зрения, а именно уменьшения расхода материала на строительство корпуса сопла, необходимо стремиться к максимально возможно большому углу β, изображенному на фиг. 1. Для этого необходимо знать реальное соотношение высоты волны к ее длине. Приемлемая степень сужения конфузора может находиться в пределах от 10 до 30, оптимальная степень сужения 20. Для малых скоростей воды, наиболее выгодно применять наибольшую степень сужения, например, в пределах от 20 до 30, которая позволяет, довести скорость воды до той, которая производит максимальную мощность. Для сильных водных потоков, так же выгодно применять наибольшую степень сужения, так как за счет этого происходит регулировка потока. Слишком сильно сужающийся конфузор, при сильных волнах не позволит через себя пропускать большой расход воды, тем самым, предохраняя турбину отразрушений. Тоесть происходит выравнивание вращения турбины, не смотря на значительные колебания скоростей водныхпотоков.

Принимая во внимание, что частицы воды двигаются в поверхностной волне по окружности, необходимо наклонять корпус сопла относительно горизонта навстречу распространению волны на угол γ, что изображено на фиг. 4, где наклон корпуса сопла 1 позволяет более эффективно производить захват потока частиц воды движущейся по окружности. Частицы воды, в гребне набирающие максимальную скорость по горизонтальному направлению в большем объеме будут улавливаться верхней плоскостью корпуса сопла наклонно расположенному к потоку под углом γ, а частицы воды в подошве волны будут более эффективно заходить в нижнюю часть корпуса сопла, плоскость которого будет так же наклонена к этому потоку.

Волнообразное движение поверхности жидкости, где частицы движутся по окружности, должно использоваться для максимального захвата ускоренных частиц корпусом сопла, для направления ускоренного потока на лопасти турбины. На фиг. 3 показано расположение корпуса сопла 1 на грунте 2, за счет штанг 3, которые изменяя длину, позволяют устанавливать любую величину угла γ в любом направлении по плоскости.

Наибольшие размеры поверхностных волн в открытом океане встречаются в южном полушарии, где сплошное водное кольцо охватывает землю, и где суша не стесняет волнения. В этой области наблюдались волны до 400 м длины и до 12 м высоты, с периодами до 18 сек. И скоростью распространения до 15 м в секунду. Средними показателями океанских волн можно считать длину 90 м, скорость 13,5 м/с, высоту 3,5 м и период 7 сек. На практике за счет пересечения по направлениям различных волн, общая длина волны уменьшается, следовательно, расчет габаритов станции и угла β необходимо производить с учетом реальных волн. Средняя длина волны, например, в Черном море 18 м, где средняя высота волны достигает 1,25 м, период 4 секунды со скоростью распространения 4,5 м/с. Следовательно, диаметр корпуса сопла волновой электростанции не может превышать половину длины волны, то есть диаметр 9 м, так как станция, работая на вертикальных волнах, не должна захватывать волны, идущие по вертикали в противоход друг другу. По высоте корпус сопла не может превышать высоту волны 1,25 м, так как с увеличением габаритов корпуса по высоте увеличивается глубина его погружения, где скорость движения частиц уменьшается. Напротив, если не глубоко погружать высокогабаритный корпус, то не будет производиться захвата верхних ускоренных по горизонтали слоев воды. Следовательно, при диаметре станции в 9 м и высоте корпуса сопла 1,25 м, угол сужения-рассширения β будет равен 165°. С учетом того, что меньшие по длине волны могут образоваться чаще по среднегодовому количеству дней, примем диаметр станции равным 4,5 м, высотой 1,25 м, где β равно 149°. Кунфузор-диффузорное сопло такого диаметра будет захватывать площадь воды равную 16 м². При коэфициенте сужения-рассширения 10 площадь сечения в критической части сопла, где установлена турбина будет 1,6 м², то есть диаметр критической части сопла будет равен 1,43 м, где с учетом площади занимаемой турбиной, коэффициент сужения-рассширения будет равен 20. В узкой части сопла, при волне высотой 1,25 м, поток достигает скорости равной 10 м/с, за счет этого вырабатываемая мощность с одного метра квадратного составит:

W = 162×V³ = 1162× 10³ = 1162 кВт.

Следовательно, с проходной площадью для воды 0,8 м², турбина теоретически будет вырабатывать 130 кВт. Для турбины Уэльса, где КПД равен 55 %, реальная выработка составит 72 кВт, для турбины Бабенцова И.А., где КПД 87 %, выработка составит 113 кВт.

Как известно, Черное море является внутренним, поэтому оно не может производить волны большей высоты. Для волн, производимых в океанах южного полушария, средние показатели находятся в пределах, где длина волны составляет 36 м, высота волны 3,5 м, период 6 сек и скорость распространения 6 м/с. Высота корпуса сопла по вертикали для этой станции может быть в пределах до 3,5 м. Диаметр сопла для волновой станции южного полушария, возможно, делать в пределах 18 м, при этом вода будет захватываться с площади 250 м².

При коэффициенте сужения-рассширения 10 площадь самой узкой части сопла составит 25 м², диаметром 5,6 м. Волна высотой 3,5 м с периодом 6 сек, будет двигаться по вертикали с максимальной скоростью 1,2 м/с. Максимальная скорость водного потока в узкой части сопла при коэффициенте сужения-рассширения 20 составит 24 м/с. С одного метра квадратного в узкой части сопла станция будет вырабатывать мощность равную:

W = 162× V³ = 162× 24³ = 2240 кВт

Площадь для прохода воды в узкой части сопла, где установлена турбина составляет 12,5 м², следовательно теоретически станция будет вырабатывать мощность равную 28 МВт, но при КПД 55 % это составит 15 МВт, а при КПД 87 % составит 24 МВт.

Конструкция предлагаемой волновой станции может быть выполнена с массивным корпусом и установлена на грунте в заданном положении без регулировки по высоте относительно грунта, например, если корпус и опоры представляют из себя железобетонную конструкцию. Таким образом, если не перемещать в пространстве волновую станцию, которая будет выполнена без дополнительных подъемно-наклонных механизмов, возможна установка ее в качестве опоры, такой как волнорез, мост или дорога над водой. Например, данные стационарные конструкции волновых электростанций, выполненные из железобетона и установленные в линию, могут выполнять функции волнорезов, защищая прибрежную линию. Корпус одной станции на поверхности, который тяжелей воды и удерживается на грунте за счет жестких стоек без регулировки положения, будет сопряжен с корпусом другой станции, при этом выполняя функции моста и дороги по которой движется транспорт с электроприводом. Данная конструкция волновой станции, совмещающая функции дорожного моста, будет особенно актуальной для эксплуатации электромобилей, в экологически чистых зонах, таких как Черноморское, Каспийское или Балтийское побережье.

На фиг. 5 показан вариант глубоководного моста, совмещенного с волновыми электростанциями, где корпус сопла 1 установлен в линию на штангах 3 и шарнирах 13, которые вверху закреплены с полотном дороги 20, а внизу с трубопроводом 21, состоящего из секций. Внутри трубопровода проходит коммуникационная линия 22, по которой проведены электрокабеля для передачи электроэнергии. При выработке электроэнергии волновыми электростанциями, возможно, организовать производство опресненной воды или водорода, которые будут транспортироваться по коммуникационной линии 22.

Трубопровод 21 служит опорой для волновых станций и полотна дороги 20 и удерживается на плаву за счет выталкивающей архимедовой силы и за счет тросов 23, проходящих через верхние петли 24 и нижние петли 25, закрепленные на якорях 26. Внутренняя часть полости трубопровода 21 имеет объем, наполняемый воздухом, который способен удерживать на плаву всю конструкцию, включая волновые электростанции и полотно дороги. Трубопровод во внутренних морях находится на глубине 5÷10 м от уровня моря, где не подвергается воздействию поверхностной волны, что позволяет строить морские дороги, не устанавливая длинные сваи на больших глубинах. Предлагаемую конструкцию дороги, возможно, использовать, например, в Черном море для соединения аэропорта Адлер и морского порта Сочи, где по прямой всего 20 км. За счет строительства морской дороги, возможно, значительно разгрузить наземную трассу, снизить волновую нагрузку на берег и произвести очистку мусора. Морская дорога шириной 10 м, по которой будет размещена линия из волновых станций, на волне высотой 2 м будет вырабатывать мощность, примерно 1 МВт на 10 м длины или 100 МВт на 1 км дороги. Следовательно, дорога длиной 20 км способна вырабатывать 2 ГВт электроэнергии.

Для прохода кораблей в начале и конце дороги с полотном дороги 20, изображенной на фиг. 6, участок для прохода судна раскрывается с двух сторон, за счет разводных плавучих секций 27. Две секции 27 с волновыми станциями и трубопроводом расходятся в разные стороны, освобождая пространство для прохода кораблей по схеме плавучего разводного моста. Частота разведения дорожного полотна будет зависеть от накопления определенного количества морских судов.

На фиг. 6 показано сразу два полотна дороги, где одно полотно работает на проезд наземного транспорта, а другое разведено для прохода морского транспорта, который заходя между дорогами, далее проходит или выходит, когда одно дорожное полотно закрывается, а другое открывается.

Предлагаемая схема строительства волновых электростанций с плавной дорогой может применяться, например, для соединения Европы с Африкой в зоне Гибралтарского пролива, где глубина пролива достигает одного километра. По данной схеме, возможно, строительство дороги из Крыма в Турцию или из России в Иран по Каспийскому морю. Схема строительства волновых электростанций и дорожных покрытий может одновременно выполнять функцию газовых, нефтяных и химических трубопроводов, которые могут размещаться в транспортной линии, расположенной внутри воздушного трубопровода, где энергия для перекачки органической химии используется от волновых электростанций. Энергия, вырабатываемая волновой электростанцией, используется для откачки и накачки воздухом или водой трубопровода, удерживающего полотно дороги, что позволяет всю конструкцию опускать на глубину для избегания штормового воздействия на конструкцию или для освобождения пространства для прохода кораблей.

Следовательно, данная группа изобретений может быть полезна для широкого внедрения в народном хозяйстве.

Реферат

Группа изобретений относится к области волновой энергетики для создания волновых электростанций. Способ производства электроэнергии волновой электростанцией из поверхностных волн заключается в том, что корпус сопла выполняют в виде вертикального симметричного плоского обтекаемого кольца с сужающей и расширяющей частями, на которых закрепляют лопасти направляюще-выправляющего аппарата. Корпус сопла закрепляют на грунте стойками, устанавливают на определенной высоте от уровня гребня волны за счет водяных насосов и под определенным углом наклона относительно плоскости воды, направленным навстречу движению волны, за счет шарниров. Лопастную турбину устанавливают в критической части сопла. Турбину защищают сетками для сбора мусора. Положение корпуса сопла по вертикали и угол его наклона регулируют. Диаметр корпуса сопла выполняют не превышающим среднегодовую половину длины волны. Высоту корпуса сопла выполняют не превышающей среднегодовую амплитуду волны. Группа изобретений направлена на повышение эффективности электростанции. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула