RU2143583C1

RU2143583C1 - Wave energy converter

Info

Publication number: RU2143583C1
Application number: RU97119694A
Authority: RU
Inventors: Сергей Петрович Малец; Валерий Александрович Семочкин
Original assignee: Сергей Петрович Малец; Валерий Александрович Семочкин
Priority date: 1997-11-14
Filing date: 1997-11-14
Publication date: 1999-12-27

Abstract

FIELD: wave energy-to- mechanical work conversion for driving machines, such as generators. SUBSTANCE: converter has two piston cylinders, two deflectors, and pipelines. Pistons of hydraulic cylinders are provided with travel limiters and moving-wall tanks, as well as air valve with its opening lever; their intercommunication is effected through flexible pipeline. The latter accommodates power take-off turbine in its flow path. Each deflector is made in the form of louvers whose operating mechanism is joined through flexible coupling with counterpoise mounted in upper part of respective tank. EFFECT: improved efficiency and provision for preventing erosion of bank. 3 dwg

Description

Изобретение относится к гидравлическим двигателям, использующим перемещение элемента, приводимого в действие энергией волн, преимущественно морских, относительно другого элемента, который по меньшей мере в одном месте неподвижно прикреплен ко дну моря или берегу. Оно может использоваться для привода машин, например, электрического генератора. The invention relates to hydraulic motors using the movement of an element driven by the energy of waves, mainly marine, relative to another element, which is at least in one place fixed to the bottom of the sea or shore. It can be used to drive machines, for example, an electric generator.

Известны заякоренные устройства по преобразованию энергии волн, представляющие собой колеблющиеся и вращающиеся тела (Мак-Кормик М. Преобразование энергии волн /Пер. с англ. - М.: Энергоиздат, 1985 с. 66-72). К ним относятся:
1. Плоты Хагена-Коккереля в виде цепочки трехсекционных понтонов, принимающей очертания поверхности моря. Их секции скреплены шарнирно и в каждой из них находятся шатуны и рычаги, соединенные с поршнями внутри гидравлических цилиндров. Движение плота заставляет поршни перекачивать жидкость, которая попадает под высоким давлением в трубопровод к гидромотору, приводящему в движение электрогенератор.Known anchored devices for converting wave energy, which are oscillating and rotating bodies (McCormick M. Transformation of wave energy / Transl. From English. - M .: Energoizdat, 1985 p. 66-72). These include:
1. Hagen-Kokkerel rafts in the form of a chain of three-section pontoons, taking the shape of the sea surface. Their sections are hinged and in each of them there are connecting rods and levers connected to the pistons inside the hydraulic cylinders. The movement of the raft causes the pistons to pump liquid, which gets under high pressure into the pipeline to the hydraulic motor, which drives the electric generator.

2. Утки Солтера в виде качающихся поплавков, соединенных гибким валом, которые преобразуют энергию волны в механическую энергию вращения насоса внутри вала. Насос выталкивает жидкость, заставляя ее циркулировать и вращать турбинку, которая установлена между утками. 2. Salter ducks in the form of oscillating floats connected by a flexible shaft, which convert the wave energy into the mechanical energy of rotation of the pump inside the shaft. The pump pushes the liquid out, forcing it to circulate and rotate the impeller, which is installed between the ducks.

3. Осциллирующие водные столбы в виде плавающих вертикально труб, полностью открытых снизу и имеющих отверстие сверху. Волны, двигаясь внутри трубы, попеременно всасывают и выталкивают воздух, а воздушный поток приводит в движение воздушную турбинку, вращающую электрогенератор. 3. Oscillating water columns in the form of vertically floating pipes, fully open from below and having an opening from above. The waves moving inside the pipe alternately suck in and push out the air, and the air flow drives the air turbine, which rotates the electric generator.

Существенные признаки указанных аналогов, общие с заявленным устройством - соединение с грунтом. The essential features of these analogues, common with the claimed device is a connection to the ground.

Причины, препятствующие достижению приведенными аналогами требуемого технического результата: низкий коэффициент полезного действия (КПД) вследствие малой инерции, которая не компенсирует нерегулярность волн. Кроме того, жесткие требования к заякорению этих устройств и высокая его стоимость делают их невыгодными. Для уток к тому же трудно изготовить достаточно прочный гибкий соединительный вал, который работает одновременно на изгиб и разрыв. Reasons that impede the achievement of the required technical result by the given analogues: low efficiency (efficiency) due to low inertia, which does not compensate for the irregularity of waves. In addition, the stringent requirements for anchoring these devices and its high cost make them unprofitable. For ducks, it is also difficult to make a sufficiently strong flexible connecting shaft that works simultaneously for bending and breaking.

Известен преобразователь энергии волн в прибрежной зоне (в выше указанной книге с. 78-83), так называемый выпрямитель Рассела или Гис-выпрямитель. Он представляет собой шлюз из панелей с рядами отверстий. Вода с гребней волн поступает через эти отверстия во внутренний бассейн, поднимает в нем уровень и из него через турбину стекает в море. The known energy converter of waves in the coastal zone (in the above-mentioned book, p. 78-83), the so-called Russell rectifier or Gis-rectifier. It is a gateway of panels with rows of holes. Water from the crests of the waves flows through these openings into the internal pool, raises the level in it and flows out of it through the turbine into the sea.

Существенные признаки аналога Гис-выпрямителя, общие с заявляемыми устройством - шлюз, внутренний бассейн. The essential features of the Gis-rectifier analogue common with the claimed device are a gateway and an indoor pool.

Причина, препятствующая достижению этим устройством требуемого технического результата - неэффективность работы при улавливании малых волн и как следствие низкий КПД. The reason that this device prevents the achievement of the required technical result is the inefficiency of work when capturing small waves and, as a result, low efficiency.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является преобразователь энергии больших волн (в той же книге с. 58-59). Он состоит из дефлектора (стенки-отражателя волн), штока, поршня с возвратной пружиной, цилиндра и генератора. При этом всасываемая и выталкиваемая жидкость приводит во вращение гидромотор, а от него электрогенератор. Closest to the claimed technical solution is the energy converter of large waves (in the same book, p. 58-59). It consists of a deflector (wall-reflector of waves), a rod, a piston with a return spring, a cylinder and a generator. At the same time, the sucked-in and pushed-out liquid rotates the hydraulic motor, and from it the electric generator.

Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым устройством - дефлектор, цилиндр, поршень, трубопроводы. The essential features of the prototype, common with the claimed device is a deflector, cylinder, piston, pipelines.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата - низкий КПД, так как устройство улавливает только большие волны и обладает малой инерционностью, которая не компенсирует нерегулярность волн. The reasons that impede the achievement of the required technical result are low efficiency, since the device picks up only large waves and has low inertia, which does not compensate for the irregularity of the waves.

Задачей изобретения является утилизация энергии волн различной амплитуды и интенсивности следования за счет преобразования потенциальной и кинетической энергии волны в потенциальную энергию нерасходуемого рабочего тела. The objective of the invention is the utilization of energy of waves of various amplitudes and intensities due to the conversion of the potential and kinetic energy of the wave into the potential energy of an expendable working fluid.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение коэффициента полезного действия устройства для преобразования энергии волн, снижение капитальных затрат на сооружение устройства, обеспечение защиты берега от эрозии. The technical result of the claimed invention is to increase the efficiency of the device for converting wave energy, reducing capital costs for the construction of the device, providing protection of the coast from erosion.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для преобразования энергии волн поршни гидроцилиндров снабжены ограничителями хода и резервуарами с подвижной стенкой, которые имеют воздушный клапан и соединены друг с другом гибким трубопроводом, дефлектор выполнен в виде жалюзи, поворотный механизм которых соединен гибкой связью с противовесом, установленным в верхней части резервуара, воздушный клапан имеет рычаг открытия, а гидроцилиндры соединены друг с другом трубопроводом. The specified technical result is achieved by the fact that in the device for converting wave energy, the pistons of the hydraulic cylinders are equipped with stroke limiters and reservoirs with a movable wall, which have an air valve and are connected to each other by a flexible pipe, the deflector is made in the form of blinds, the rotary mechanism of which is connected by a flexible connection with a counterweight installed in the upper part of the tank, the air valve has an opening lever, and the hydraulic cylinders are connected to each other by a pipeline.

Совокупность подвижной стенки и воздушного клапана резервуара обеспечивает возможность взаимодействия устройства с волнами различной амплитуды и интенсивности следования, при этом нивелирование их нерегулярности по частоте и амплитуде осуществляется объемом резервуара, который уменьшается при накате волны на подвижную стенку, выталкивая из резервуара воздух. Воздушный клапан препятствует поступлению воздуха обратно в резервуар, и новая величина объема резервуара фиксируется атмосферным давлением. В резервуаре происходит поднятие уровня рабочего тела (жидкости), что соответствует преобразованию кинетической и потенциальной энергии волн в только потенциальную. Разница в уровнях между резервуарами вызывает перетекание жидкости по закону сообщающихся сосудов, что нарушает равновесие в гидроцилиндрах, и поршни приходят в движение, ускоряя перетекание жидкости из одного резервуара в другой по гибкому трубопроводу, в котором установлена турбина для отбора энергии. С помощью дефлекторов, играющих роль золотникового механизма, осуществляется периодизация описанного процесса. Ввиду отсутствия контакта рабочего тела с внешней средой оно не расходуется. The combination of the movable wall and the air valve of the reservoir allows the device to interact with waves of different amplitudes and intensities of repetition, while leveling their irregularities in frequency and amplitude is carried out by the volume of the reservoir, which decreases when the wave rolls onto the movable wall, pushing air out of the reservoir. An air valve prevents air from flowing back into the tank, and the new tank volume is fixed by atmospheric pressure. In the reservoir, the level of the working fluid (liquid) rises, which corresponds to the conversion of the kinetic and potential energy of the waves into only potential. The difference in levels between the tanks causes the fluid to flow according to the law of communicating vessels, which violates the balance in the hydraulic cylinders, and the pistons move, accelerating the flow of fluid from one tank to another through a flexible pipe in which a turbine for energy extraction is installed. With the help of deflectors playing the role of the spool mechanism, the described process is periodized. Due to the lack of contact of the working fluid with the external environment, it is not consumed.

Дополнительные новые признаки изобретения: поршни снабжены резервуарами с воздушным клапаном и подвижной стенкой и ограничителями их хода, дефлекторы выполнены в виде жалюзи, которые через рейку соединены гибкой связью с противовесом, установленным в верхней части резервуара, и снабжены защелками, резервуары соединены гибким трубопроводом. Additional new features of the invention: the pistons are equipped with tanks with an air valve and a movable wall and their travel stops, the deflectors are made in the form of blinds, which are connected through a rail by a flexible connection with a counterweight installed in the upper part of the tank, and are equipped with latches, the tanks are connected by a flexible pipeline.

Заявляемое устройство изображено на фиг. 1. На фиг. 2 устройство показано в одном из крайних положений. На фиг. 3 устройство показано в плане береговой полосы (схематично). The inventive device is shown in FIG. 1. In FIG. 2, the device is shown in one of its extreme positions. In FIG. 3, the device is shown in plan of the coastal strip (schematically).

Оно состоит из гидроцилиндров 1 и 2, соединенных трубопроводом 3, поршней 4 и 5 с ограничителями хода 6 и 7, имеющих резервуары 8 и 9 с подвижными стенками 10 и 11 и воздушными клапанами 12 и 13, соединенные гибким трубопроводом 14. Поршни с резервуарами отгорожены друг от друга перегородкой 15 и от моря дефлекторами 16 и 17, жалюзи которых приводятся в движение рейками 18 и 19, соединенные гибкой связью 20 и 21 с противовесами 22 и 23, установленными в верхней части резервуаров 8 и 9 соответственно. Воздушные клапаны 12 и 13 имеют рычаги открытия 24 и 25, взаимодействующие с упорами 26 и 27 соответственно. В разрыве гибкого трубопровода 14 для отбора мощности установлена турбина 28. Рейки 18 и 19 снабжены защелками 29 и 30 для фиксации дефлекторов в закрытом положении. Резервуары и гидроцилиндры заполнены жидкостью 31, например водой. It consists of hydraulic cylinders 1 and 2, connected by a pipe 3, pistons 4 and 5 with stroke limiters 6 and 7, having tanks 8 and 9 with movable walls 10 and 11 and air valves 12 and 13, connected by a flexible pipe 14. The pistons with the tanks are fenced off from each other by a partition 15 and from the sea by deflectors 16 and 17, the blinds of which are driven by slats 18 and 19, connected by a flexible connection 20 and 21 with balances 22 and 23 installed in the upper part of the tanks 8 and 9, respectively. The air valves 12 and 13 have opening levers 24 and 25, interacting with the stops 26 and 27, respectively. A turbine 28 is installed in the gap of the flexible pipe 14 for power take-off. The rails 18 and 19 are equipped with latches 29 and 30 for fixing the deflectors in the closed position. The reservoirs and hydraulic cylinders are filled with liquid 31, for example water.

Заявляемое устройство работает следующим образом. В исходном положении, например, поршень 4 (фиг. 1) находится в крайнем верхнем положении. При этом противовес 22 опирается на стенку резервуара 8, позволяя через гибкую связь 20 рейке 18 под действием собственного веса спуститься и зафиксировать защелкой 29. Жалюзи дефлектора 16 закрыты и изолируют подвижную стенку 10 резервуара 8 от воздействия волн. Рычаг 24 упирается в упор 26 и воздушный клапан 12 открыт. Пространство резервуара 8 сообщается с атмосферой. Подвижная стенка 10 находится в крайнем левом положении. Поршень 5 находится в крайнем нижнем положении, опираясь ограничителем хода 7 на торец гидроцилиндра 2 и одновременно удерживая защелку 30 от взаимодействия с рейкой 19, которая под действием противовеса 23 открывает дефлектор 17. Подвижная стенка 11 резервуара 9 находится в крайнем правом положении и доступна воздействию волны. Воздушный клапан 13 закрыт. Резервуар 9 максимально заполнен жидкостью. The inventive device operates as follows. In the initial position, for example, the piston 4 (Fig. 1) is in its highest position. In this case, the counterweight 22 rests on the wall of the tank 8, allowing it to go down and fix it with a latch 29 through a flexible connection 20 of the rail 18. The louvers of the deflector 16 are closed and isolate the movable wall 10 of the tank 8 from the effects of waves. The lever 24 abuts against the emphasis 26 and the air valve 12 is open. The space of the tank 8 is in communication with the atmosphere. The movable wall 10 is in the extreme left position. The piston 5 is in its lowest position, resting on the end of the hydraulic cylinder 2 with the travel limiter 7 and at the same time holding the latch 30 from interacting with the rail 19, which, under the action of the counterweight 23, opens the deflector 17. The movable wall 11 of the tank 9 is in the extreme right position and is accessible to the action of the wave . The air valve 13 is closed. The tank 9 is filled with liquid as much as possible.

Приходящая волна через открытый дефлектор 17 давит на подвижную стенку 11, перемещает ее, тем самым уменьшая объем резервуара 9 и вызывая подъем уровня жидкости. Вытесняемый из резервуара 9 воздух выходит через клапан 13 в атмосферу, и сила атмосферного давления препятствует возврату подвижной стенки в исходное положение отката волны, фиксируя величину кинетической и потенциальной энергии волны в потенциальной энергии жидкости в резервуаре 9. Нарушение равновесия жидкости в резервуарах 8 и 9 вызывает перетекание жидкости из резервуара 9 в резервуар 8 по гибкому трубопроводу 14, обеспечивая вращение турбины 28. Это приводит к нарушению равновесия в гидроцилиндрах 1 и 2, и поршень 4 начинает двигаться вниз, а поршень 5 - вверх. Это, в свою очередь, еще больше нарушает равновесие жидкости в резервуарах 8 и 9. Одновременно атмосферное давление воздействует на подвижную стенку 11, перемещает ее по мере перетекания жидкости, поддерживая первоначальный градиент потенциальной энергии между жидкостью в резервуарах 8 и 9. Повторно приходящие волны независимо от амплитуды и частоты следования только усиливают эффект. Происходит "опрокидывание" устройства, и поршень 5 занимает верхнее положение, а поршень 4 - нижнее. При этом гибкая связь 21 позволяет рейке 19 опуститься, зафиксироваться на защелку 30 и закрыть дефлектор 17. Рычаг 25 открывает воздушный клапан 13, подвижная стенка отходит вправо. Поршень 4 достигает крайней нижней точки, освобождает ограничителем хода защелку 29, и противовес 22 открывает дефлектор 16. Устройство приняло положение, противоположное исходному, и готово к повторению цикла. Для начального пуска устройства сбрасывают вручную какую-либо из защелок 29 и 30. The incoming wave through the open deflector 17 presses on the movable wall 11, moves it, thereby reducing the volume of the reservoir 9 and causing a rise in the liquid level. The air displaced from the tank 9 exits through the valve 13 into the atmosphere, and the atmospheric pressure force prevents the movable wall from returning to the initial position of the wave rollback, fixing the value of the kinetic and potential wave energy in the potential energy of the liquid in the tank 9. Imbalance of the liquid in the tanks 8 and 9 causes the fluid flows from the reservoir 9 into the reservoir 8 through a flexible pipe 14, providing rotation of the turbine 28. This leads to an imbalance in the hydraulic cylinders 1 and 2, and the piston 4 begins to move inward s, and the piston 5 - up. This, in turn, further upsets the equilibrium of the fluid in the tanks 8 and 9. At the same time, atmospheric pressure acts on the moving wall 11, moves it as the fluid flows, maintaining the initial potential energy gradient between the fluid in the tanks 8 and 9. Repeated waves independently from the amplitude and repetition rate only enhance the effect. There is a "tipping" of the device, and the piston 5 is in the upper position, and the piston 4 is the bottom. In this case, the flexible connection 21 allows the rail 19 to lower, lock onto the latch 30 and close the deflector 17. The lever 25 opens the air valve 13, the movable wall moves to the right. The piston 4 reaches its extreme low point, releases the latch 29 by the travel stop, and the counterweight 22 opens the deflector 16. The device has taken the opposite position to the initial position and is ready to repeat the cycle. For an initial start-up, the devices manually reset one of the latches 29 and 30.

На фиг. 3 направление потока волн показано стрелками. Перегородка 15 (фиг. 1) образует в действительности конструктивный модуль устройства, который может стать основой для построения, например, причальных сооружений или системы сооружений берегоукрепления. Как видно из фиг. 3, дефлекторы 16 и 17 ориентированы в сторону моря и перекрывают доступ волнам к резервуарам 8 и 9 устройства. Фиг. 3 показывает, что устройство может быть смонтировано на берегу, а затем просто установлено на предварительно подготовленную фундаментную плиту из блоков или монолитного железобетона. In FIG. 3, the direction of wave flow is shown by arrows. The partition 15 (Fig. 1) actually forms a structural module of the device, which can become the basis for the construction, for example, of berthing facilities or a system of shore protection structures. As can be seen from FIG. 3, the deflectors 16 and 17 are oriented towards the sea and block the access of the waves to the reservoirs 8 and 9 of the device. FIG. 3 shows that the device can be mounted ashore, and then simply mounted on a pre-prepared foundation slab of blocks or monolithic reinforced concrete.

КПД устройства повышается за счет возможности преобразования энергии волн или потока воды в широком диапазоне их интенсивности и амплитуды (напора), при этом устройство взаимодействует со всей массой движущейся воды, а не только с частью (гребни, приливный поток и т.п.). The efficiency of the device is increased due to the possibility of converting the energy of the waves or the flow of water in a wide range of their intensity and amplitude (pressure), while the device interacts with the entire mass of moving water, and not just part (ridges, tidal flow, etc.).

Для сооружения устройства нет необходимости выноса работ в открытое водное пространство, одновременно устройство защищает часть береговой полосы от воздействия волн или размыва потоком воды, что обуславливает его экологические свойства. For the construction of the device there is no need to carry out work in the open water, at the same time the device protects part of the coastal strip from the effects of waves or erosion by the flow of water, which determines its environmental properties.

Волногасящее действие волноэнергетических установок у побережья повышает экологическую чистоту прибрежной зоны и сохранность берега, что особенно важно при осуществлении берегозащитных мероприятий. Мощность потока волновой энергии у побережья Черного и Азовского морей составляет от 4 до 32 кВт/м при высотах волн от 0,5 до 1,8 м, что позволяет получать ориентировочно до 11 млрд. кВт-ч электроэнергии в год, т.е. столько же, сколько дают все гидроэлектростанции Украины. Это количество энергии оценивается в 440 млн. долларов США (Голос Украины, 15 сентября 1993 г., стр. 6). The extinguishing effect of wave-energy installations off the coast increases the environmental cleanliness of the coastal zone and the safety of the coast, which is especially important when implementing coastal protection measures. The power flow of wave energy off the coast of the Black and Azov Seas is from 4 to 32 kW / m at wave heights from 0.5 to 1.8 m, which allows you to get approximately 11 billion kWh of electricity per year, i.e. as much as all hydroelectric power plants in Ukraine. This amount of energy is estimated at 440 million US dollars (Voice of Ukraine, September 15, 1993, p. 6).

Claims

A device for converting wave energy containing a hydraulic cylinder, a piston, a deflector and pipelines, characterized in that the device further comprises a second hydraulic cylinder, a piston and a deflector, while the pistons of the hydraulic cylinders are equipped with travel stops and reservoirs with a movable wall, as well as an air valve with a lever for opening it and connected to each other by a flexible pipeline, and each deflector is made in the form of blinds, the rotary mechanism of which is connected by a flexible connection with a counterweight installed in the upper part of the joint sponds to the tank.