RU2061900C1

RU2061900C1 - Wave power plant

Info

Publication number: RU2061900C1
Application number: SU925060535A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Вовк
Original assignee: Владимир Петрович Вовк
Priority date: 1992-08-28
Filing date: 1992-08-28
Publication date: 1996-06-10

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: working member is oriented along the wave front and underlies the water level to permit full revolution rotation. The member is made up as a streamlined blade whose axis of rotation lies in its space from the side of the front edge. The blade has a neutral buoyancy. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано при утилизации энергии ветровых волн. The invention relates to hydropower and can be used for energy recovery of wind waves.

Известны волновые энергетические установки, содержащие ориентированные вдоль фронта волны закрепленные с возможностью полнооборотного вращения роторы, ось вращения которых расположена выше уровня воды так, что их нижние края погружены в воду /а.с. СССР NN 1105683; 1208298; 1247578; 1249191; патент Великобритании N 2110763; патенты США NN 4369374; 4495424/. Known wave power plants containing oriented along the front of the wave rotors fixed with the possibility of full rotation, the axis of rotation of which is located above the water level so that their lower edges are immersed in water / a.s. USSR NN 1105683; 1,208,298; 1247578; 1249191; UK patent N 2110763; U.S. Patent Nos. 4,369,374; 4,495,424 /.

Недостатком данных конструкций является их низкая эффективность. По мере прохождения волны через нижнюю часть ротора частицы воды, движущиеся последовательно по орбитальным траекториям, постоянно изменяют направление своего движения и только один раз в каждой волне их направление движения полностью совпадает с направлением движения опущенной в воду нижней части ротора. Все остальное время направление движения частиц воды не совпадает с направлением движения нижней части ротора и создает сопротивление его вращению. The disadvantage of these designs is their low efficiency. As the wave passes through the lower part of the rotor, water particles moving sequentially along the orbital paths constantly change the direction of their movement and only once in each wave their direction of movement completely coincides with the direction of movement of the lower part of the rotor lowered into the water. All the rest of the time, the direction of motion of the water particles does not coincide with the direction of motion of the lower part of the rotor and creates resistance to its rotation.

Другим недостатком данных конструкций является их незащищенность по отношению к штормовому волнению. Части роторов, расположенные как выше, так и ниже уровня воды в экстремальных условиях будут целиком подвержены мощным ударам волн. Ограждения, которые могут быть установлены для защиты роторов требуют слишком больших капитальных затрат. Another disadvantage of these structures is their vulnerability to storm surges. Parts of rotors located both above and below the water level under extreme conditions will be entirely exposed to powerful shock waves. Fencing that can be installed to protect the rotors require too much capital investment.

Известны также волновые энергетические установки, содержащие поплавки, выполненные в форме цилиндрической спирали, расположенной поперек волнового фронта /а. с. СССР N 901608; патент Франции N 2505937; патенты США NN 4384212; 4443708/. Also known wave power plants containing floats made in the form of a cylindrical spiral located across the wave front / a. from. USSR N 901608; French patent N 2505937; U.S. Patent Nos. 4,384,212; 4,443,708 /.

Недостатками этих волновых энергетических установок является громоздкость и сложность конструкции, низкая эффективность и незащищенность при штормовом волнении. Для работы этих установок шаг винтовой спирали должен совпадать с длиной волны. Поэтому требуются сложные механизмы регулировки шага. Поплавок в форме цилиндрической спирали использует только движение поверхностных слоев воды, при этом энергия, отбираемая от волн, лимитируется соотношением сил веса и плавучести, действующих на различные части спирального поплавка. В случае штормового волнения спиральный поплавок имеет слишком большое гидравлическое сопротивление и оказывается подверженным разрушительным нагрузкам. The disadvantages of these wave power plants are the bulkiness and complexity of the design, low efficiency and insecurity during stormy waves. For these installations to work, the pitch of the helical spiral must match the wavelength. Therefore, sophisticated step adjustment mechanisms are required. A cylindrical spiral float uses only the movement of the surface layers of water, while the energy taken from the waves is limited by the ratio of the weight and buoyancy forces acting on different parts of the spiral float. In the case of stormy waves, the spiral float has too much hydraulic resistance and is exposed to destructive loads.

Наиболее близкой к заявляемой конструкции является волновая энергетическая установка, содержащая ориентированный вдоль фронта волны закрепленный ниже уровня воды с возможностью полнооборотного вращения рабочий элемент, выполненный в виде ротора с несколькими симметрично расположенными лопатками /патент Великобритании N 2119449/. Closest to the claimed design is a wave power plant, containing oriented along the wave front fixed below the water level with the possibility of full rotation of the working element, made in the form of a rotor with several symmetrically located blades / UK patent N 2119449 /.

Недостатком данной волновой энергетической установки является низкая эффективность. Частицы воды в волне совершают последовательное орбитальное вращение по орбитам разного уменьшающегося с глубиной диаметра. Однако их векторы мгновенных скоростей в поперечном сечении волны не образуют замкнутых траекторий, как это бывает, например, в водовороте. Поэтому ротор с несколькими симметрично расположенными лопатками будет испытывать в каждый момент времени противоположные вращательные моменты от различных лопаток. При этом вращение ротора может осуществляться только за счет разности диаметров орбитального вращения частиц воды, что малоэффективно. Другим недостатком данной конструкции является большое лобовое сопротивление, необтекаемая форма ротора, что является причиной высоких нагрузок при штормовом волнении. The disadvantage of this wave power plant is its low efficiency. Water particles in a wave perform sequential orbital rotation in orbits of different diameters decreasing with depth. However, their instantaneous velocity vectors in the wave cross section do not form closed trajectories, as is the case, for example, in a whirlpool. Therefore, a rotor with several symmetrically arranged blades will experience opposite rotational moments at different times from different blades. In this case, the rotor rotation can be carried out only due to the difference in the diameters of the orbital rotation of water particles, which is ineffective. Another disadvantage of this design is the high drag, non-streamlined shape of the rotor, which is the reason for high loads during stormy waves.

Морские ветровые волны представляют собой один из наиболее привлекательных и неисчерпаемых потенциальных экологически чистых источников энергии. Однако утилизация этой энергии связана с необходимостью решения нескольких инженерных задач. Устройства, воспринимающие энергию волн, должны иметь возможно более простую и надежную конструкцию, чтобы их можно было с минимальными затратами монтировать и эксплуатировать, быть достаточно эффективными, чтобы получаемая энергия имела приемлемую цену и должны быть устойчивы в экстремальных условиях штормового волнения. Sea wind waves are one of the most attractive and inexhaustible potential environmentally friendly sources of energy. However, the utilization of this energy is associated with the need to solve several engineering problems. Devices that accept wave energy should have the simplest and most reliable design so that they can be installed and operated at minimal cost, be efficient enough so that the energy received has an affordable price and must be stable in extreme storm conditions.

Для достижения данного технического результата волновая энергетическая установка содержит ориентированный вдоль фронта волны установленный ниже уровня воды с возможностью полнооборотного вращения рабочий элемент, выполненный в виде лопасти обтекаемой формы, ось вращения которой лежит в ее плоскости за ее пределами со стороны ее передней кромки. To achieve this technical result, the wave power plant comprises a working element oriented below the water level with the possibility of full-speed rotation and capable of full-speed rotation, made in the form of a streamlined blade, the axis of rotation of which lies in its plane outside it from the side of its leading edge.

Благодаря такой конструкции лопасть в каждый момент прохождения волны стремится занять положение с минимальным гидравлическим сопротивлением и поэтому совершает полнооборотное вращение вслед за орбитальным вращением частиц воды. Величина отбираемой мощности зависит от нагрузки на лопасти, создаваемой, например электрогенератором, и определяется величиной отставания вращения лопасти от орбитального вращения частиц воды. Чем больше полезная нагрузка, тем больше величина отставания и тем больший угол между плоскостью лопасти и направлением движения набегающих частиц воды, а значит больше величина крутящего момента на оси вращения лопасти. Таким образом, устройство имеет простую конструкцию и обеспечивает эффективное использование энергии волн на протяжении всего цикла орбитального вращения частиц воды при прохождении волны. В условиях штормового волнения мощность волн значительно превышает среднее значение, необходимое для работы установки, поэтому лопасть будет иметь минимальное отставание от орбитального вращения частиц воды и занимать во всякий момент времени положение, соответствующее минимальному гидравлическому сопротивлению. Благодаря этому конструкции устройства будут пропускать сквозь себя штормовые волны, испытывая минимальные нагрузки. Thanks to this design, the blade at each moment of wave propagation tends to occupy a position with minimal hydraulic resistance and therefore performs a full rotation rotation following the orbital rotation of water particles. The amount of power taken depends on the load on the blades created, for example, by an electric generator, and is determined by the lag of the rotation of the blade from the orbital rotation of the water particles. The greater the payload, the greater the lag and the greater the angle between the plane of the blade and the direction of movement of the incident water particles, and therefore the greater the magnitude of the torque on the axis of rotation of the blade. Thus, the device has a simple design and provides efficient use of wave energy throughout the cycle of orbital rotation of water particles during the passage of the wave. Under conditions of stormy waves, the wave power significantly exceeds the average value required for the operation of the installation, therefore, the blade will have a minimum lag from the orbital rotation of water particles and occupy at any moment the position corresponding to the minimum hydraulic resistance. Due to this, the design of the device will allow storm waves to pass through them, experiencing minimal load.

Эффективность волновой энергетической установки повышается также благодаря тому, что лопасть имеет нулевую плавучесть, то есть имеет среднюю плотность, равную плотности окружающей воды. Это позволяет исключить влияние силы тяжести лопасти на работу установки, повысить плавность вращения и уменьшить сопротивление штормовым волнам. The efficiency of the wave power plant is also increased due to the fact that the blade has zero buoyancy, that is, it has an average density equal to the density of the surrounding water. This eliminates the influence of the gravity of the blades on the operation of the installation, increase the smoothness of rotation and reduce the resistance to storm waves.

На фигуре 1 изображена волновая энергетическая установка. The figure 1 shows a wave power plant.

На фигуре 2 то же, поперечный разрез. In figure 2, the same cross section.

На фигуре 3 изображены планы мгновенных скоростей частиц воды в поперечном сечении волны и положения лопасти волновой энергетической установки в различных стадиях прохождения волны при незначительном превышении мощности волнения над энергетической мощностью волновой установки. The figure 3 shows the plans for the instantaneous velocities of water particles in the cross section of the wave and the position of the blades of the wave power plant in various stages of the passage of the wave with a slight excess of the wave power over the energy power of the wave plant.

На фигуре 4 то же, при значительном превышении мощности волнения над энергетической мощностью волновой установки. In figure 4 the same, with a significant excess of the wave power over the energy power of the wave installation.

Волновая энергетическая установка /фиг. 1 и 2 / имеет корпус 1, расположенный над уровнем воды водоема и опирающийся пустотелыми стойками 2 на дно. Она содержит ориентированный вдоль фронта волны, установленный ниже уровня воды с возможностью полнооборотного вращения рабочий элемент в виде лопасти обтекаемой формы 3. Лопасть имеет на торцах боковины выполненные в форме кривошипов 4, валы которых 5 имеют общую геометрическую ось, расположенную в плоскости лопасти за ее пределами со стороны передней кромки 6. Валы кривошипов установлены в подшипниках в пустотелых стойках 2, внутри которых расположены зубчато-ременные передачи 7. Нижние шкивы 8 зубчато-ременных передач закреплены на валах 5 кривошипов, а верхние шкивы 9 - на выходном валу 10 установки, расположенном в ее корпусе 1. Wave power plant / Fig. 1 and 2 / has a housing 1 located above the water level of the reservoir and resting on the bottom by hollow racks 2. It contains oriented along the wave front, mounted below the water level with the possibility of full revolution rotation of the working element in the form of a streamlined blade 3. The blade has at the ends of the sidewalls made in the form of cranks 4, the shafts of which 5 have a common geometric axis located in the plane of the blade outside from the side of the leading edge 6. The crankshafts are mounted in bearings in the hollow racks 2, inside of which the belt-gears are located 7. The lower pulleys 8 of the belt-gears are mounted on the shaft x 5 cranks, the upper pulleys 9 - 10 on the output shaft installation is located in its housing 1.

Лопасть 3 обладает нулевой плавучестью, то есть имеет среднюю плотность, равную плотности окружающей воды. The blade 3 has zero buoyancy, that is, it has an average density equal to the density of the surrounding water.

Свойство нулевой плавучести исключает влияние сил гравитации при взаимодействии лопасти с движущимися частицами воды во время прохождения волны /фиг. 3 и 4/. Вслед за изменением направления движущихся по орбитальным траекториям частиц воды лопасть 3 совершает полнооборотное вращение относительно оси валов 5 и передает крутящий момент через зубчато-ременные передачи 7 на выходной вал 10 установки. Применение синхронно-работающих двух зубчато-ременных передач сокращает скручивающие нагрузки на лопасти. Лопасть имеет обтекаемую форму и создает тем меньшее сопротивление движущимся частицам воды, чем более мощность волнения превышает энергетическую мощность установки. Если мощность волнения меньше энергетической мощности установки, тогда лопасть будет оставаться неподвижной или будет совершать колебательные движения, создавая переменное сопротивление движению волны, изменяющееся в зависимости от стадии ее прохождения. Если мощность волнения незначительно превысит энергетическую мощность установки, тогда лопасть начнет совершать полнооборотное вращение, занимая почти перпендикулярное положение к векторам мгновенных скоростей частиц воды в волне, создавая тем самым максимальное гидравлическое сопротивление и убирая большую часть энергии волны /фиг. 3/. Если же мощность волнения значительно превысит энергетическую мощность установки /например в условиях шторма/, тогда для осуществления вращения лопасти будет достаточно небольшой части энергии волны и лопасть будет занимать в каждый момент времени положение, почти соответствующее направлению векторов мгновенных скоростей частиц воды в волне /фиг. 4/, и будет иметь минимальное гидравлическое сопротивление. The property of zero buoyancy eliminates the influence of gravitational forces during the interaction of the blade with moving particles of water during the passage of the wave / Fig. 3 and 4 /. Following a change in the direction of the particles of water moving along the orbital trajectories, the blade 3 performs a full-rotation rotation relative to the axis of the shafts 5 and transmits torque through the belt-gear transmission 7 to the output shaft 10 of the installation. The use of synchronously-working two gear-belt drives reduces torsional loads on the blades. The blade has a streamlined shape and creates the less resistance to moving particles of water, the more the wave power exceeds the energy capacity of the installation. If the wave power is less than the power of the installation, then the blade will remain stationary or will oscillate, creating a variable resistance to the movement of the wave, which varies depending on the stage of its passage. If the wave power slightly exceeds the power of the installation, then the blade will begin to rotate fully, occupying an almost perpendicular position to the vectors of instantaneous velocities of water particles in the wave, thereby creating maximum hydraulic resistance and removing most of the wave energy / Fig. 3 /. If the wave power significantly exceeds the power of the installation (for example, in a storm), then a small part of the wave energy will be sufficient for the rotation of the blade and the blade will occupy at each moment a position almost corresponding to the direction of the instantaneous velocity vectors of the water particles in the wave / Fig. 4 /, and will have a minimum hydraulic resistance.

Таким образом, волновая энергетическая установка будет работать в оптимальном режиме во всем диапазоне мощности волнения, начиная от минимальной величины, соответствующей энергетической мощности установки до штормового волнения. Thus, the wave power plant will operate in the optimal mode in the entire range of wave power, starting from the minimum value corresponding to the power of the installation to storm waves.

Минимальное гидравлическое сопротивление лопасти во время штормового волнения уменьшает до минимума нагрузки, испытываемые установкой в экстремальных условиях. Пустотелые стойки 2 корпуса 1 установки, опирающиеся на дно, также имеют небольшое миделево сечение и не испытывают критических нагрузок от штормовых волн. ЫЫЫ2 The minimum hydraulic resistance of the blade during stormy waves minimizes the loads experienced by the installation in extreme conditions. Hollow racks 2 of the housing 1 of the installation, resting on the bottom, also have a small mid-section and do not experience critical loads from storm waves. YYY2

Claims

1. A wave power plant comprising a working element oriented along the wave front and installed below the water level with the possibility of full-speed rotation, characterized in that the working element is made in the form of a streamlined blade, the axis of rotation of which lies in its plane outside the front edge.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the blade is made with zero buoyancy.