RU2317439C1

RU2317439C1 - Wave power plant

Info

Publication number: RU2317439C1
Application number: RU2006116146/06A
Authority: RU
Inventors: Камиль Маратович Булатов; Алсу Наильевна Булатова; Игорь Борисович Бирюлин
Priority date: 2006-05-10
Filing date: 2006-05-10
Publication date: 2008-02-20

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: plant is designed for generating power by conversion of energy of sea waves. Proposed wave power plant is mounted on pontoon and provided in nose part with bellows with bottom from wave side and longitudinal bell with vertical tube arranged over bellows accommodating electric generator with mechanical converter, and in center of pontoon behind the bell, box-shaped vertical air duct is installed divided by vertical partition into two parts and communicating with pontoon through two check valves. Windwheel with blades is installed in cut of partition, being mechanically connected through shaft with electric generator. Bellows chamber with bottom is installed in stern part of pontoon. Holes are made in wall of pontoon between spaces of bellows and pontoon, and in wall of pontoon bottom between spaces of bellows chamber and pontoon to pass compressed air inside pontoon, and electric generators are installed.

EFFECT: provision of more complete utilization of energy of sea waves.

8 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для получения электрической энергии путем преобразования механической энергии морских волн.The invention relates to hydropower and can be used to produce electrical energy by converting the mechanical energy of sea waves.

Известна волновая энергетическая установка, содержащая боковые понтоны, соединенные с вертикальной трубой, в которой установлен электрогенератор с механизмом преобразования (А.С. 1469202, F03В 13/12).Known wave power plant containing side pontoons connected to a vertical pipe, in which an electric generator with a conversion mechanism is installed (AS 1469202, F03B 13/12).

Эта установка не крепится в определенном месте якорем, и потому отбор ее электроэнергии весьма затруднен. Достаточно высокий КПД работы такой установки возможен только для определенной длины волны.This installation is not anchored in a certain place, and therefore the selection of its electricity is very difficult. A sufficiently high efficiency of such an installation is possible only for a certain wavelength.

Известен ветродвигатель, содержащий вертикальный вал с кронштейнами и лопастями, к валу радиально прикреплены пластины, на концах которых вмонтированы электрические генераторы, контактирующие с лопастью (Патент РФ №2203434, F03D 3/06).Known wind turbine containing a vertical shaft with brackets and blades, radially attached to the shaft plate, at the ends of which are mounted electric generators in contact with the blade (RF Patent No. 2203434, F03D 3/06).

Конструкция ветродвигателя не предусматривает преобразования энергии волн в электрическую энергию.The design of the wind turbine does not provide for the conversion of wave energy into electrical energy.

Известен плавучий волнолом, содержащий понтоны, соединенные попарно посредством связей, а под днищем понтонов прикреплены стабилизирующие пластины (А.С. 379725, F02В 3/06).Known floating wave breaker containing pontoons connected in pairs by means of ties, and under the bottom of the pontoons are attached stabilizing plates (AS 379725, F02B 3/06).

Прототипом является волновая энергетическая установка по патенту РФ №2080478, F03В 13/20, содержащая открытый снизу корпус с воздушной турбиной, которая связана с электрогенератором. Корпус установлен с возможностью перемещения по направляющим, закрепленным на сваях, вбитых в морское дно, а между корпусом и поверхностью моря размещена закрытая с боков и снизу гофрированная оболочка (сильфон).The prototype is a wave power plant according to the patent of the Russian Federation No. 2080478, F03В 13/20, containing an open bottom case with an air turbine that is connected to an electric generator. The hull is installed with the possibility of moving along the guides mounted on piles driven into the seabed, and between the hull and the sea surface there is a corrugated shell (bellows) closed from the sides and from below.

Однако установка-прототип не предназначена для использования энергии удара волны и потому не эффективна при работе в береговой зоне. Она устанавливается в открытом море, вдали от берега, что приводит к сложностям передачи выработанной энергии береговым потребителям. При морских приливах и отливах работа установки блокируется, так как подъем воды во время прилива фиксирует сжатие сильфона, а уровень воды во время отлива не доходит до днища сильфона. Выработка электрической энергии установкой производится только воздушной турбиной.However, the prototype installation is not intended to use the energy of wave impact and therefore is not effective when working in the coastal zone. It is installed in the open sea, far from the coast, which leads to difficulties in transferring the generated energy to coastal consumers. During the ebb and flow of the tide, the operation of the unit is blocked, since the rise of water during high tide fixes the compression of the bellows, and the water level at low tide does not reach the bottom of the bellows. The generation of electrical energy by the installation is carried out only by an air turbine.

Для устранения перечисленных недостатков предлагается волновая энергетическая установка, содержащая понтон, который ориентирован носовой частью навстречу движению волн. В носовой части понтона установлен сильфон с днищем, принимающим основную ударную силу волн, а к кормовой части днища понтона шарнирно прикреплена сильфонная камера, улавливающая волну, прошедшую под днищем понтона. На стенке понтона, находящейся между полостями сильфона и понтона, и на стенке днища понтона, находящейся между полостями сильфонной камеры и понтона, выполнены отверстия для пропускания сжатого воздуха внутрь понтона и установлены электрогенераторы, которые упругими дисками через зазор контактируют с упругими пластинами, соединенными с помощью стержней с днищем камер. В носовой части понтона над сильфоном установлен продольный раструб, захватывающий гребень волны. Над раструбом установлена вертикальная труба, внутри которой размещен электрогенератор с механическим преобразователем. В центре понтона, за раструбом, вертикально установлен воздуховод коробчатого сечения, который разделен на две части вертикальной перегородкой. В разрезе вертикальной перегородки установлено ветряное колесо с лопастями, которое механически сообщается через вал с электрогенератором. Над воздуховодом установлен зонд, защищающий его от внешних воздействий. Постоянное давление в понтоне поддерживается обратными клапанами. В кормовой части понтона за воздуховодом установлен электрический щит, связанный с береговой подстанцией.To eliminate these shortcomings, a wave power plant is proposed that contains a pontoon, which is oriented with the bow towards the movement of the waves. A bellows is installed in the fore part of the pontoon with a bottom that accepts the main impact force of the waves, and a bellows chamber is pivotally attached to the aft part of the pontoon bottom, which picks up the wave transmitted under the bottom of the pontoon. On the wall of the pontoon, located between the cavities of the bellows and the pontoon, and on the wall of the bottom of the pontoon, located between the cavities of the bellows chamber and the pontoon, holes are made for passing compressed air into the pontoon and electric generators are installed, which, through the gap, make elastic disks in contact with elastic plates connected by means of rods with the bottom of the chambers. In the bow of the pontoon, a longitudinal bell is mounted above the bellows, capturing the crest of the wave. A vertical pipe is installed above the bell, inside of which an electric generator with a mechanical converter is placed. In the center of the pontoon, behind the bell, a box-shaped duct is vertically installed, which is divided into two parts by a vertical partition. In the context of a vertical partition, a wind wheel with blades is installed, which is mechanically communicated through a shaft with an electric generator. A probe is installed above the duct protecting it from external influences. Constant pressure in the pontoon is supported by check valves. In the aft part of the pontoon, behind the air duct, an electric shield is installed connected to the coastal substation.

Ударная энергия основной массы морской волны воздействует на днище носового сильфона, гребень волны заходит в раструб, а остаточная волна поступает под понтон и воздействует на днище сильфонной камеры, которая установлена в кормовой части днища понтона. Таким образом, волновая энергетическая установка разделяет волну на три части и преобразует энергию всей волны в электрическую энергию.The shock energy of the bulk of the sea wave acts on the bottom of the nose bellows, the crest of the wave enters the bell, and the residual wave enters the pontoon and acts on the bottom of the bellows chamber, which is installed in the aft of the bottom of the pontoon. Thus, the wave power installation divides the wave into three parts and converts the energy of the entire wave into electrical energy.

Фиг.1 - волновая энергетическая установка (общий вид).Figure 1 - wave power plant (General view).

Фиг.2 - волновая энергетическая установка (вид А-А).Figure 2 - wave power plant (view aa).

Фиг.3 - электрический генератор.Figure 3 - electric generator.

Волновая энергетическая установка содержит понтон 1, в кормовой части днища 2 которого с помощью шарнира 3 прикреплена сильфонная камера 4 с днищем 5. К носовой части понтона 1 (со стороны волны) прикреплен сильфон 6 с днищем 7, над которым установлен раструб 8 с вертикальной трубой 9 с установленным в ней электрогенератором 10 с механизмом преобразования 11. По бокам раструба 8 прикреплены сливные трубы 12. В центре понтона 1, за раструбом 8, вертикально установлен воздуховод 13 коробчатого сечения, разделенный перегородкой 14 на две части. В разрезе перегородки установлено ветряное колесо 15 с лопастями 16, механически сообщенное через вал 17 с электрическим генератором 18. Сверху воздуховода 13 установлен зонд 19, а снизу в правой части на шарнире 20 приточный клапан 21, в левой части на шарнире 22 прижатый плоской пружиной 23 выхлопной клапан 24. На стенке 25 понтона 1 выполнены отверстия 26 и установлены электрогенераторы 27, которые упругими дисками 28 через зазор (а) контактируют с упругими пластинами 29, соединенными с помощью стержней 30 с днищем 7 сильфона 6. На стенке 2 днища понтона 1 выполнены отверстия 31 и установлены электрогенераторы 32, которые упругими дисками 33 через зазор (б) контактируют с упругими пластинами 34, соединенными с помощью изогнутых стержней 35 с днищем 5 сильфонной камеры 4.The wave power plant contains a pontoon 1, in the aft of the bottom 2 of which a bellows 4 with a bottom 5 is attached using a hinge 3. A bellows 6 with a bottom 7 is attached to the bow of the pontoon 1 (on the wave side), over which a bell 8 with a vertical pipe is installed 9 with an electric generator 10 installed in it with a conversion mechanism 11. Drain pipes 12 are attached to the sides of the socket 8. In the center of the pontoon 1, behind the socket 8, a box-shaped duct 13 is vertically installed, divided by a partition 14 into two parts. A wind wheel 15 with blades 16, mechanically communicated through a shaft 17 with an electric generator 18, is installed in the section of the partition, a probe 19 is installed on top of the duct 13, and a supply valve 21 is mounted on the hinge 20 from the bottom, and is pressed against the hinge 22 by a flat spring 23 exhaust valve 24. On the wall 25 of the pontoon 1, holes 26 are made and electric generators 27 are installed, which, through the gap (a), with the elastic disks 28, contact the elastic plates 29 connected by rods 30 to the bottom 7 of the bellows 6. On the wall 2 of the bottom of the pontoon 1 The holes 31 are filled and electric generators 32 are installed, which, through the gap (b), with the elastic disks 33 contact with the elastic plates 34 connected by means of curved rods 35 to the bottom 5 of the bellows chamber 4.

За воздуховодом 13, на кормовой части понтона 1 установлен электрический щит 36 на стойках 37, связанный кабелем 38 с береговой подстанцией (не показана). Шины электрощита 36 связаны с помощью проводов (не показаны) с электрогенераторами 18, 10, 27 и 32. К днищу 5 сильфонной камеры 4 снаружи жестко прикреплен козырек 37, выполненный в виде вертикальной пластины или упругой резины. Удержание и обеспечение необходимой ориентации (рабочего положения) волновой энергетической установки обеспечивается якорными связями 38. Электрогенераторы 27 и 32 одинаковые по конструкции. Они имеют подвижный ротор 39 и неподвижный статор 40. Пружина 41 уперта в стенку 25 с одной стороны и в упругий диск 28, с резиновым диском 42, с другой. К пластине 29 прикреплена резиновая пластина 43 (см. Патент РФ №2203434, F 03 D 3/06).Behind the duct 13, on the aft part of the pontoon 1, an electric shield 36 is installed on the posts 37, connected by a cable 38 to a coastal substation (not shown). The busbars of the electrical panel 36 are connected via wires (not shown) to the electric generators 18, 10, 27 and 32. A visor 37, made in the form of a vertical plate or elastic rubber, is rigidly attached to the bottom 5 of the bellows chamber 4. The retention and provision of the necessary orientation (working position) of the wave power plant is provided by anchor links 38. The generators 27 and 32 are identical in design. They have a movable rotor 39 and a fixed stator 40. The spring 41 abuts against the wall 25 on one side and into the elastic disk 28, with a rubber disk 42, on the other. A rubber plate 43 is attached to the plate 29 (see RF Patent No. 2203434, F 03 D 3/06).

Диаметр сливных труб 12 выбирают из расчета временного наполнения раструба 8 объемом воды, позволяющего поднять электрогенератор 10 в трубе 9 до верхнего предела. Для осуществления этого процесса на концах сливных труб 12 установлены съемные шайбы с колиброванными отверстиями (не показано).The diameter of the drain pipes 12 is selected from the calculation of the temporary filling of the socket 8 with a volume of water, allowing to raise the generator 10 in the pipe 9 to the upper limit. To implement this process, removable washers with calibrated holes (not shown) are installed at the ends of the drain pipes 12.

Зазор (а) выбирают из расчета:The gap (a) is chosen from the calculation:

а=П_сф-П_эг (см)a = P _sf - P _eg (cm)

где П_сф - максимальное перемещение сильфона,where P _sf - the maximum movement of the bellows,

П_эг - максимальное перемещение ротора электрогенератора.P _eg - the maximum movement of the rotor of the generator.

Зазор (б) выбирают подобным образом.The gap (b) is chosen in a similar manner.

Сильфон 6 выполнен прямоугольной формы, сильфонная камера 4 - это наклонная плоскость, вид сбоку, и прямоугольная форма, вид снизу.The bellows 6 is made in a rectangular shape, the bellows chamber 4 is an inclined plane, a side view, and a rectangular shape, a bottom view.

Волновая энергетическая установка работает следующим образом.Wave power plant operates as follows.

Подходящая со стороны моря волна воздействует своей основной массой на днище 7 сильфона 6. 2/3 волны своей силой сжимают сильфон 6, проникают под понтон 1 и сжимают сильфонную камеру 4. Сжатый воздух поступает в понтон 1 через отверстия 26 и 31 в стенке 25 и в днище 2 понтона, что приводит к возникновению перепада давления воздуха между полостью корпуса понтона 1 и наружной атмосферой. За счет созданного перепада давлений открывается выхлопной воздушный клапан 21, который выпускает по каналу воздуховода 13 избыточное давление воздуха. Ветряное колесо 15 за счет потока воздуха повернется. В интервале отсутствия следующей волны сильфон 6 и сильфонная камера 4 займут исходное положение. В полости корпуса понтона 1 в этот момент возникает разрежение, и поэтому по каналу воздуховода 13 вниз устремится поток воздуха при произвольном закрытии выхлопного клапана 21 и открытии приточного клапана 24. Ветряное колесо 15 опускным потоком воздуха по каналу воздуховода 13 продолжит поворот. Ветряное колесо 15, вращаясь, через вал 17 будет вращать электрогенератор 18.A wave approaching from the sea acts with its main mass on the bottom 7 of the bellows 6. 2/3 of the waves compress the bellows 6, penetrate under the pontoon 1 and compress the bellows 4. The compressed air enters the pontoon 1 through openings 26 and 31 in the wall 25 and in the bottom 2 of the pontoon, which leads to a difference in air pressure between the cavity of the body of the pontoon 1 and the outside atmosphere. Due to the created pressure differential, the exhaust air valve 21 opens, which releases excess air pressure through the duct 13. The wind wheel 15 due to the flow of air will rotate. In the interval of absence of the next wave, the bellows 6 and the bellows chamber 4 will occupy the initial position. In the cavity of the body of the pontoon 1, a rarefaction occurs at this moment, and therefore, an air flow rushes down the air duct 13 when the exhaust valve 21 is arbitrarily closed and the supply valve 24 is opened. The wind wheel 15 will continue to rotate by lowering the air flow through the air duct 13. The wind wheel 15, rotating through the shaft 17 will rotate the generator 18.

В дальнейшем вышеуказанные циклы будут повторяться. Козырек 37, прикрепленный к днищу 5 сильфонной камеры 4, создает дополнительное сопротивление энергии волны под понтоном 1 и, тем самым, усиливает прижатие сильфонной камеры 4 к дну понтона 1.Subsequently, the above cycles will be repeated. The visor 37, attached to the bottom 5 of the bellows chamber 4, creates additional resistance to wave energy under the pontoon 1 and, thereby, strengthens the pressure of the bellows chamber 4 to the bottom of the pontoon 1.

Сжатие сильфона 6 и сильфонной камеры 4 волной передается через стержни 30 и пластины 29 на упругие диски 28 электрогенераторов 27. В этот момент роторы электрогенераторов 27 и 32 перемещаются в рабочее положение. По окончании воздействия волны сильфоны 6 и сильфонная камера 4 займут исходное положение, а пружины электрогенераторов 27 возвратят роторы в исходное положение. При повторном сжатии волной сильфона 6 и сильфонной камеры 4 цикл с получением электроэнергии от электрогенераторов 27 и 32 повторится.The compression of the bellows 6 and the bellows chamber 4 by a wave is transmitted through the rods 30 and plates 29 to the elastic disks 28 of the electric generators 27. At this point, the rotors of the electric generators 27 and 32 are moved to the operating position. At the end of the impact of the wave, the bellows 6 and the bellows chamber 4 will occupy the initial position, and the springs of the electric generators 27 will return the rotors to their original position. Upon repeated compression by the wave of the bellows 6 and the bellows chamber 4, the cycle with the receipt of electricity from the generators 27 and 32 will be repeated.

Электрогенераторы 27, размещенные на стенке 25, установлены порядно, то есть один и более рядов поперек стенки 25. Электрогенераторы 32, размещенные на днище 2 понтона 1, установлены так же порядно поперек днища 2.The electric generators 27 located on the wall 25 are installed in order, that is, one or more rows across the wall 25. The electric generators 32 placed on the bottom 2 of the pontoon 1 are installed in the same order across the bottom 2.

Примерно 1/3 волны проникает в раструб 8 и трубу 9, тем самым поднимает электрогенератор 10, затем вода из трубы 9 стекает по трубам 12 и из раструба 8 за борт понтона 1. Электрогенератор 10 опускается в нижнее положение.About 1/3 of the wave penetrates the socket 8 and the pipe 9, thereby raising the electric generator 10, then the water from the pipe 9 flows through the pipes 12 and from the socket 8 over the side of the pontoon 1. The electric generator 10 is lowered to the lower position.

Электроэнергия, вырабатываемая волновой энергетической установкой, а именно электрогенераторами 10, 18, 27 и 32, поступает на электрощит 36 и через кабель 38 подается на береговую подстанцию.The electric power generated by the wave power plant, namely the electric generators 10, 18, 27 and 32, is supplied to the electrical panel 36 and is fed through the cable 38 to the coastal substation.

Таким образом, предлагаемая волновая энергетическая установка практически полностью использует механическую энергию волн, удельная выработки электроэнергии на единицу ее веса выше известных установок, а ее конструкция исключает влияние морских приливов и отливов на ее работу. Передача выработанной энергии электрогенераторами на электрощит, а затем через кабель на береговую электростанцию позволяет значительно снизить себестоимость передачи электроэнергии. Размещение установки у берега позволяет защищать акваторию и берег от постепенного их разрушения за счет значительного снижения энергии волн, подходящих с морской стороны.Thus, the proposed wave power plant almost completely uses the mechanical energy of the waves, the specific power generation per unit of its weight is higher than the known plants, and its design excludes the influence of sea tides on its operation. The transmission of the generated energy by the electric generators to the electrical panel, and then through the cable to the onshore power station, can significantly reduce the cost of electric power transmission. Placing the installation near the shore allows you to protect the water area and shore from their gradual destruction due to a significant reduction in the energy of waves suitable from the sea side.

Claims

1. A wave power plant containing a bellows and an air turbine connected to an electric generator, characterized in that the installation is mounted on a pontoon, in the bow of which a bellows with a bottom is installed on the side of the wave, a longitudinal bell with a vertical pipe is placed above the bellows, inside of which there is a generator with a mechanical converter, a bellows chamber with a bottom is installed in the aft part of the bottom of the pontoon, and a vertical box-shaped duct is installed in the center of the pontoon behind the bell, p divided by a vertical partition into two parts, communicating with the pontoon through two check valves, and in the section of the partition there is an air turbine made in the form of a wind wheel with blades, which mechanically communicates through a shaft with an electric generator, and on the pontoon wall located between the bellows and pontoon cavities , and on the wall of the bottom of the pontoon located between the cavities of the bellows chamber and the pontoon, holes are made for passing compressed air into the pontoon and electric generators are installed.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the generators installed on the wall of the pontoon located between the cavities of the bellows and the pontoon, and on the wall of the bottom of the pontoon located between the cavities of the bellows chamber and the pontoon, the elastic disks through the gap are in contact with elastic plates connected using rods with the bottom of the bellows chamber and the bottom of the bellows.

3. Installation according to claim 1, characterized in that the width d of the gaps (a) and (b) is selected from the calculation

d = P _sf- P _eg (cm),

where P _sf - the maximum movement of the bellows;

P _eg - the maximum movement of the rotor of the generator.

4. Installation according to claim 1, characterized in that the generators are installed in order, that is, in one or more rows.

5. Installation according to claim 1, characterized in that all the electric generators are connected to the tires of the electrical panel installed in the aft of the pontoon, which in turn is connected by cable to the coastal substation.

6. Installation according to claim 1, characterized in that the bellows chamber is pivotally connected to the bottom of the pontoon.

7. Installation according to claim 1, characterized in that a probe is installed above the duct protecting it from external influences.

8. Installation according to claim 1, characterized in that drain pipes are placed on the side of the socket, the diameter of which is determined from the calculation of the temporary filling of the socket with a volume of water, allowing the electric generator to be raised in the pipe to the upper limit, for which removable washers are installed at the ends of the drain pipes with calibrated holes.