CZ203895A3 - Zařízení pro získávání energie z mořského vlnění - Google Patents

Abstract

Zařízení využívá kinetickou energii mořských vln trvale ponořeným rotorem (1) se symetrickými tangenciálními lopatkami (2), vodorovně zakotveným ve stabilní poloze a nastaveným kolmo na směr největší intenzity vlnění, který má právě takový hydrodynamický odpor, že vodní částice do něj vnikají ekvivalentní rychlostí vlnění, jež se lopatkami (2) rotoru (1) zmenšuje na třetinu.

Description

Oblast techniky

Předkládané zařízení využívá kinetickou energii mořských vln k tomu účelu přizpůsobenou turbinou, spojenou s elektrickým generátorem nebo jiným vhodným pracovním strojem.

Dosavadní stav techniky

Pro využívání energie mořských vln bylo navrženo mnoho zařízení, založených na různých principech, avšak zatím není žádným z nich tato energie ve větším měřítku získávána, přestože se jí v mořském vlnění přenáší obrovské množství. Kmitavý pohyb vodních částic v povrchových vodních vrstvách, projevující se na hladině postupujícími vlnami, je součtem dvou různých vlnění, šířících se v témže směru, ze kterých jedno vlnění je podélné a druhé příčné, jehož kmity probíhají ve svislé rovině. Ve zvláštním případě a za idealizovaných předpokladů, že obě vlnění jsou harmonická, se stejnou frekvencí i amplitudou a že jsou proti sobě fázově posunuta o pravý úhel, vzniká jejich součtem cirkulární vlnění, u kterého se vodní částice pohybují rovnoměrnou rychlostí po kruhových orbitách o průměru rovném výšce vlny. Všechny částice v takto kmi, tajícím vodním prostředí, nacházející se v rovině kolmé ná směr postupu vlnění, čili v jedné vlnoploše, probíhají současně stej« nou část orbity, to jest jsou ve stejné fázi oběhu, avšak poloměry těchto orbit se s rostoucí hloubkou zmenšují. Znamená to, že částice v jedné svislé rovině se pohybují v daném okamžiku stejným směrem rychlostí, která se s větší vzdáleností od hladiny postupně zmenšuje. Částice ve vlnoplochách posunutých ve směru postupu vlnění jsou na orbitách proti sobě fázově posunuty, což je projevem rychlosti postupu vlnění, která není skutečnou rychlostí pohybu částic, nýbrž je to rychlost, kterou se vlnění šíří. Orbitální rychlosti částic v těchto sousedních vlnoplochách jsou tedy shodné, ale jejich směry jsou proti sobě odchýleny o úhel fázové2 ho posunutí. Směr orbitální rychlosti, sledovaný v určitém pevném bodu, se v důsledku toho během jedné vlny otočí kolem dokola. Působením gravitačních sil jsou úhlová rychlost částic na orbitě a postupná rychlost vlnění na sobě závislé, a to tak, že jejich součin je roven zemskému zrychlení. Tak jako každým postupným vlněním, je i cirkulárním vlněním přenášena energie, a měrný výkon, dopadající na jednotku plochy kolmé na směr jeho postupu, čili intenzita vlnění, je součtem intenzit obou složkových harmonických vlnění. Je tedy úměrná hustotě vody, postupné rychlosti vlnění a druhé mocnině orbitální rychlosti. Lze definovat'jedinou rychlost, nahrazující obě tyto rychlosti, čili ekvivalentní rychlost cirkulárního vlnění, jako třetí odmocninu ze součinu postupné.rychlosti vlnění a druhé mocniny orbitální rychlosti. Skutečné mořské vlnění se těmto teoreticky předpokládaným vlastnostem nejvíce přibližuje u t. zv. volného vlnění, které vzniká postupně, mimo oblast, kde bylo větrem vytvořeno, když se odchylky od ideálního, energeticky nejúspornějšího průběhu účinkem ztrát odfiltrují a vytvoří se pravidelné, až desítky kilometrů dlouhé vlny. Častěji se ale obraz vlnění mění vlivem větru, a hlavně tím, že se neomezeně sečítají vlnění různých frekvencí i amplitud, přicházející z různých směrů, takže výsledkem jsou nepravidelné, postupující vodní pahorky, kterými se však rovněž transportuje energie, i když nikoliv pouze jedním směrem, přičemž okamžité množství dodávané energie značně kolísá, protože se neustále mění rozhodující parametry součtového vlnění. Nejvhodnější místa pro získávání energie z mořského vlnění jsou na pobřežích oceánů a na oceánských ostrovech, protože ke vzniku větších vln je, kromě silného a stálého větru, působícího po mnoho hodin, zapotřebí i prostor řádově stovek kilometrů pro rozběh vln. Takto vytvořené vlnění pak může přenášet energii na vzdálenost tisíců kilometrů. Menší moře mají značně nižší výšku vln i četnost jejich výskytu a vnitrozemské vodní plochy jsou z tohoto hlediska bezvýznamné. Dále jsou uvedeny' v tabulce některé parametry mořského vlnění podle devítistupňové škály používané v Rusku, bez údajů o 1. a 2. stupni, jejichž intenzita je nepatrná. Oceánské vlnění má nejčastěji intenzitu 5. až 6. stupně podle této škály.

uo	co	co	r*	CO	uo
	co	Γ*·	00	o	r*	03
• co	*.					·«.
o^ —i	r—{		CM	n	uo	03
		r—1		CM		00
	co					t—t

Vlastnosti mořského vlnění

•	o *.	Γ~ r-	O ΟΊ	00 CO	rH	m OJ	LíO uo
CO	iH	cn	OJ	fM	o	tn
	pH	m	l“i		CM		M1
		CM					rH				•
		O	40	40	40	co	O				• •
	in	(N	00		03	40	UO				Ί1
•											r—1
[·	00	'Φ	o	CM	40	•M*	OJ
		00	i—1		rH		O				Γ0
		(“Í					r—1				II
											feí
		r-	r—1	03	M*	rH	CM				·.
	o	r-	40	r—í	M*	O				CM
•	K	·»	*.			·»					ω
40	40	uo	00	CM	CO						\
		t—1			i—}		40				ε
		i—l									r—1
											00
		CO	Γ—1	co	03	UO	O				03
	U0		o	co	CO	r—i				η Φ	II
•	*	-	*.	·»	*	*				>	tn
UO	co	40	40	r-i	03	c~·	r-t			oi
		LíO					m			II	Ή
										u	c
										Ol	Φ
										>	rH
		40	M*		40	40	03			Oa	X
	o	r-	i—1	LO	M“1		CO			II	0
							*,			H	^>3
	CM	40		i—;	40	CM			Φ		0
		CM					i—i		0		N
									•H
									3	CO	'Φ
									> \	X
	U0	O	CO	O	CM	O	l>		0 Ή	ω
	CM	co	o	CO		O	03		o	x-x	ε
•		K	*.	K			K			u	φ
co	t—i	«4*	co	f—Ί		CM	r-		(ti	CM	N
		i—1							>	>
									0	x—x	·»
									c	II
									c	cm
	6	ε	ω	CC	3	CC CM	··	3	>	ε
	—	—	—	\	\		ε	X	ε
				ε	ε	ε	\	0	Pl		tn
				—	—	—	5	c	φ		X
							X	Ό	ε		0
	X—X	X—·.		s—-	x—s	X—“X	—	0	ε	Eh	0
x~v	x	X	E-·	>	o	0		X	•Η	\	0
i—1			'—x	*—	·*—*	>	-X—X		CO	ot	rH
(ti						>—	H	3		II	II
X								X	'(ti	o
'—'								>ϋ	X
								O	u		>1
Ή								04	•H		Ό
c						4_·		'>1			0
>o	>1					CC		>	•H	ř4	>
c	c					c			04	\
i—1	l—1			-U		i—		-H	ε	X	(ti
>	>			ω		X		>0	φ		X
				o		o	Ή	04	1	II	0
o				Γ—i	Ή	>4	c			>	X
X	X			X	C	3	>φ	'Φ	co	CM	3
'Φ	>ω			u	>Φ		c	X	\	\	3
	'>1			>!	3	Ή	t—1	•H		rd	X
cn	>		c	3	i—1	c	>	>N	x-s	x—s
>3		>1	r—1		>	X		3	r>	tn	·»
0	Ή	3	>	Ή		c	3	0	rH	\	xO
ε	c	«—1		s	4->	o	X	O4			X
	rH	>	3	r—i	ω	1—!	•H		0	fei	3
>G	'(ti		Ό	'3	o	3	N	>1	\	CM	3
	ε	3	0	Jj	rH	>	3	X	X	^-x	X
a	•Η	42	Ή	• 1—1	X	•f—	Φ	3	•χ-χ	II	3
3	X	t—l	3	X!	o	>	X	X	II	Eh	3
+J	(0	'Φ	Φ	3	>,	X	c	N	<<		0
ω	s	Q	Pj	O	PS	K	H	>		X

Podstata vynálezu

Pod hladinou ponořený a vodorovně zakotvený rotor se symetrickými tangenciálními lopatkami je poháněn vztlakovými silami, vznikajícími na jeho lopatkách při průniku kmitajících vodních částic rotorem ve směru jeho libovolného průměru, čímž se pohyb vodních částic v rotorem zasažené části vodního prostředí zpomaluje a tím vznikající výkon se odebírá na výstupním hřídeli rotoru. To, že směr pohybu vodních částic se při vlnění postupně mění,neovlivňuje v podstatě funkci zařízení. Kdyby částice vstupující do. rotoru měly pouze svoji přirozenou orbitální rychlost, využila by se jejich zpomalením jen malá část energie nesené vlněním. Z toho důvodu rotor, tvořící omezeně propustnou překážku v postupu vlnění, vyvolává právě takové zvýšení dynamického tlaku na jeho vstupní straně, že částice proniknou do rotoru rychlostí zvýšenou, a to na hodnotu dříve definované ekvivalentní rychlosti, která se pak průchodem přes rotor zmenší přibližně na třetinu a tím vzniklý rozdíl energií se převádí lopatkami na rotor. Částice v rotoru se pohybují z místa vyššího tlaku na straně přivrácené k náporu vlny do místa nižšího tlaku, které je na straně právě opačné. Tato výměna energie probíhá s přijatelnou účinností pouze tehdy, když vodní částice nabíhají na lopatky pod optimálním úhlem, který se vytváří jako geometrický součet oběhové rychlosti lopatek a rychlosti částic vstupujících do rotoru. Nejvýhodnější poměr těchto rychlostí, označovaný jako rychloběžnost, je asi 6:1, a tomu se, v zájmu dobré účinnosti, přizpůsobují otáčky turbiny při změnách ekvivalentní rychlosti vlnění, jejíž třetí mocnina je úměrná výkonu, který je vlněním právě v té chvíli transportován. Je nezbytné, aby mezi výkonem na výstupním hřídeli turbiny, a mezi výkonem spotřebovaným v připojeném pracovním stroji byla rovnováha při každé ekvivalentní rychlosti vlnění, která při provozu zařízení nastane. Získávat energii z mořského vlnění efektivně lze pouze ve svislém pásu vodního prostoru těsně pod hladinou, do hloubky několika metrů, protože s rostoucí vzdáleností od hladiny se intenzita vlnění rychle snižuje. Současně ale je další podmínkou, aby rotor zůstával ponořen i v nejhlubším úžlabí mořských vln a aby se hloub5 ní působením vln by docházelo ke zařízení využije bez dodatečných čího kolmo na jeho osu, u vlnění ieiich složkv, které působí v ka ponoření přizpůsobovala případné změně výšky hladiny, protože vynořená část rotoru nezískává žádnou energii. Důležitý je účinný způsob zakotvení celého zařízení, protože na rotor působící silová výslednice směřuje postupně všemi směry a při pohybech zařízeztratám získávané energie. Rotor ztrát energii vlnění postupujísoučtového pak ze všech vlnění tomto směru, a proto je třeba osu rotoru takto nastavovat do nejvýhodnější polohy. Zařízení by mělo být instalováno tam, kde vlnění není ovlivněno, případně zeslabeno působením mělkého dna pod ním, nebo mělčin v moři před ním, i když někdy určitá konfigurace těchto útvarů koncentruje energii vlnění do omezeného prostoru. Kontaktem vlnění se dnem dostávají totiž orbity vodních částic tvary podobné.ležatým elipsám, zatím co pro rovnoměrný přísun energie vlněním by byl nejvýhodnější ideální pohyb vodních částic po kružnici. Nejlepší místo tedy je na otevřeném pobřeží, na hloubce převyšující polovinu délky nejčastější vlny, čili více než 50 m. Avšak i u nenarušeného vlnění, přicházejícího z oceánu, je nutno počíčat se značným kolísáním množství dodávané energie, udává se například, že jedna z 23 vln je dvakrát větší než průměrná, jedna 1175 vln je třikrát větší, atd. K turbině připojený elektrický generátor nemůže dodávat jím vyrobenou energii přímo, bez úpravy do sítě, protože otáč ky turbiny se musí podřizovat okamžitému stavu vlnění, a generátor nebude dodávat stabilní napětí, případně kmitočet. Vlněním po háněná turbina chrání do určité míry prostor, nacházející se za ní, před účinky vlnobití, protože odebírá vlnám část jejich energie, současně však může být spojena s dmychadlem, zásobujícím stlačeným vzduchem pneumatický vlnolam. Jeho funkce spočívá v tom že na dně položeným potrubím se přes trysky vypouští stlačený vzduch, vytvářející pásmo směsi vody a bublin, která je lehčí než okolní voda, stoupá proto k hladině, a tím po obou stranách této ochranné stěny vzniká cirkulující proudění, jež rozrušuje přicházející vlny. Pneumatické vlnolamy mají řadu technických předností jsou přijatelné i z ekologického hlediska, a jejich hlavní nevýhoda, spočívající ve vysoké spotřebě energie na stlačování vzduchu, není v tomto případě závažná, protože čím bude vlnobití sil6nější, tím více dodá energie pro pohon dmychadel. Turbina také může být pohonnou jednotkou v zařízení na odsolování mořské vody, kde je výhodné, že pitnou vodu, vyráběnou při intenzivním vlnění navíc, je možné shromažďovat ve vodojemech do doby její zvýšené spotřeby.

Přehled obrázku na výkrese

Na výkrese je na obr. 1 znázorněno v příčném řezu a v půdorysu zařízení podle předkládaného řešení.

Příklad provedení vynálezu

Zařízení podle obr. 1 se skládá z rotoru 1 se symetrickými tangenciálními lopatkami 2^, vodorovně uloženého oběma konci na ložiskách v diskovitých plovácích 3^ které jsou nepohyblivě zakotveny ke dnu šikmými lany _4,5_ a svislými lany _6,2· Plováky 3_ vyvozují svým vztlakem předpětí ve svislých lánech 6_^řZ^ř které musí být větší než součet všech sil, které mohou na zařízení působit ve směru svisle dolů. K nim patří zejména síla, vyvolaná působením vlny na rotor _1' složka odporu obtékaných plováků 3. do směru svisle dolů, a reakční síla od momentu rotoru 1, který je překonáván silovou dvojicí, tvořenou částí vztlakové síly, působící ve středu plováku 3, a tahu v jednom ze svislých lan jj'Z· Otáčející se rotor 2 představuje překážku v pohybu vlnících se vodních částic, jejichž okamžité směry pohybu jsou na obrázku znázorněny šipkami. Konstrukcí rotoru 2 í^e dosaženo na té jeho straně, která je právě vystavena náporu vodních částic, takové zvýšení dynamického tlaku, že částice do něj pronikají ekvivalentní rychlostí vlnění, což je rychlost, jejíž třetí mocnina je úměrná výkonu nesenému vlněním. Využitelný mechanický výkon na hřídeli rotoru 2 ^se získává zpomalením těchto částic lopatkami 2 na 1/3 jejich vstupní rychlosti. Tento výkon je přes ozubené převody 2 dodáván k elektrickému generátoru 9_. Rotor 2 3^e nastaven kolmo na směr postupu vlnění, jinak nemůže pracovat bez dodatečných ztrát. Nastavování je proveditelné manipulací se šikmými kotevními lany 2'Z' hloubka ponoření změnou délky svislých lan Rozběh zařízení se provede uvedením generátoru 9 do motorického režimu energií přivedenou z vnějšku.

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro získávání energie z mořského vlnění, vyznačující se tím, že těsně pod hladinou vodorovně umístěný rotor /1/ se symetrickými tangenciálními lopatkami /2/, zakotvený v oblasti s nedotčeným mořským vlněním ve stabilní, působením vln neovlivňované poloze, je nastaven svou osou kolmo na směr největší intenzity vlnění a klade průniku vodních částic ve směru kteréhokoliv jeho průměru právě takový hydrodynamický odpor, že zvýšení hydrodynamického tlaku na náporové straně rotoru /1/ tím vzniklé zrychluje pohyb vodních částic, pronikajících do rotoru /1/, na hodnotu ekvivalentní rychlosti vlnění, která se lopatkami /2/ rotoru /1/ zmenšuje na 1/3 původní velikosti, přičemž oběhová rychlost lopatek /2/ rotoru /1/ se otáčkami soustrojí rotoru /1/ a pracovního stroje /9/ přizpůsobuje okamžité ekvivalentní rychlosti vlnění tak, aby mezi těmito rychlostmi byl pro přenos kinetické energie z vodních částic na lopatky /2/ nejvýhodnější poměr, což se dosahuje tím, že při každých provozních otáčkách soustrojí zatěžuje pracovní stroj /9/ rotor /1/ právě takovým momentem, který je rotorem /1/ při těchto otáčkách vytvářen.