WO2023038543A1 - Method for producing electrical energy from surface waves - Google Patents

Method for producing electrical energy from surface waves Download PDF

Info

Publication number
WO2023038543A1
WO2023038543A1 PCT/RU2022/050097 RU2022050097W WO2023038543A1 WO 2023038543 A1 WO2023038543 A1 WO 2023038543A1 RU 2022050097 W RU2022050097 W RU 2022050097W WO 2023038543 A1 WO2023038543 A1 WO 2023038543A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
wave
water
nozzle
turbine
blades
Prior art date
Application number
PCT/RU2022/050097
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Евгеньевич ВОЛКОВ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Гаммарут"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from RU2021126783A external-priority patent/RU2782079C1/en
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Гаммарут" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Гаммарут"
Priority to CN202280007746.8A priority Critical patent/CN116761938A/en
Publication of WO2023038543A1 publication Critical patent/WO2023038543A1/en

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03BMACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/12Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy
    • F03B13/14Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy
    • F03B13/16Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem"
    • F03B13/18Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem" where the other member, i.e. rem is fixed, at least at one point, with respect to the sea bed or shore
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the invention relates to the field of wave energy and can be used to create wave power plants.
  • the present invention uses the surface wave water flow as an energy carrier, while making the power plant easy, efficient and inexpensive.
  • the device is a floating body fixed on the surface of the water so as to allow free vertical movement when exposed to a rising wave.
  • the energy collector connected to the floating body and including the propeller blades, is located at a depth.
  • the movement of water particles is concentrated on the surface, and at depth the amplitude is no more than 0.2% of the amplitude of the wave surface.
  • the reciprocating vertical movement of the hull causes the propellers at depth to rotate.
  • the device uses two or another even number of propellers at once, which rotate in opposite directions and drive pumps that supply water to a turbine that rotates a generator rotor that produces electricity.
  • the disadvantage of the analogue is the requirement to build the body.
  • the body of the station which is rocked by the wave, must enter into resonance, which takes time, so the energy of the wave is dissipated, which reduces the efficiency and leads to large friction losses, which increase on transmission mechanisms, piston mechanisms, pipelines and hydraulic accumulators. All this leads to the fact that such a station will have an efficiency not exceeding 1%.
  • a large number of mechanisms used in the analog, a large mass and design complexity make the station massive, expensive and unreliable in operation.
  • the turbine When the fluid moves in one direction, the turbine is driven in the direction of rotation, and when the fluid changes direction, the turbine is driven in the same direction of rotation, which allows it to use, for example, the energy of vertical wave motion.
  • the impeller is located inside a cylindrical housing, where a gradual decrease in the cross section leads to an increase in the speed of rotation of the blades.
  • the surface of the wave In order to guarantee the pressure difference between the external wave and the water filling the hull, the surface of the wave must exceed the top cut of the hull to a reasonable height.
  • a guide vane is used, consisting of blades that can change position by changing their angle of inclination, using computer-controlled servomotors.
  • the diffuser which may be conical or toroidal, is located at the lower end of the housing which communicates with the water.
  • the device is provided with a gearbox with a gearbox that increases the number of revolutions of the turbine and which is connected to an electric generator by means of a flywheel, the mechanisms are installed on a working platform out of reach of the waves.
  • the hull with the turbine is mounted on a base fixed to the seabed.
  • analogue is a cylindrical body of great length, which is attached to the bottom of the sea.
  • the length of the cylinder exceeds its diameter, and, consequently, the generator cannot generate much electricity, as it blocks the movement for particles of the surface wave. Electricity generation depends on the flow rate, since this dependence is cubic.
  • the body of the power plant made in the form of a cylinder of great length, is lowered to a great depth, where the speed of movement of water particles is low, which drives the turbine blades.
  • the station should be placed closer to the shore in order to reduce the length of the hull, but near the shore, the movement of water particles changes mainly in the horizontal direction.
  • the impulse turbine was patented by I. A. Babintsev in 1974, where the rotor is basically identical to that of a conventional single-stage axial impulse flow steam turbine. Because the turbine is required to be self-straightening, there are two rows of guide vanes (guide and straightener) arranged symmetrically on both sides of the rotor instead of one row. These two rows of guide vanes are reflections of each other with respect to a plane passing through the rotor disk.
  • the device is used as power sources for navigational equipment, as power sources for signaling and remote control devices, as autonomous power sources for various consumers on the high seas.
  • the Wales Turbine (W-T) consists of a rotor with approximately eight blades divided into blades mounted on a hub such that their chord lines lie in the plane of rotation. Once the blades reach design speed, the turbine generates a time-averaged positive power output from the oscillating airflow with sufficient efficiency.
  • the task is achieved by the fact that the method of generating electricity from surface waves accelerated by a nozzle in a casing protected by grids, fixed on the ground with racks, where the water flow, passing the blades of the guide-straightening device, drives the bladed turbine and water pumps that supply water to rotate the rotor a generator that generates electricity, characterized in that the kinetic and potential energy of the surface wave is converted in the shortest possible way into the rotation of the turbine and the rotor of the generator that generates electricity without the use of water pumps, due to the acceleration of the water flow by the body in the form of an annular vertical symmetrical nozzle and the blades of the guiding symmetrical apparatus , where the accelerated flow from one side of the nozzle enters the turbine blades, spinning the rotor of the generator that produces electricity and, after passing it, leaving the other side of the nozzle, is gradually slowed down by the symmetrical planes of the housing and straightening apparatus located on the opposite side, while the nozzle body is installed at a certain
  • the nozzle body is automatically located in the volume of the surface wave with the help of a computer program and automatic control system, where the maximum amount of kinetic and potential energy is located, allowing you to capture the maximum amount of energy during the circular motion of the flow entering the nozzle body, both from above and below, while the turbine is installed in
  • the critical part of the nozzle rotates in one direction, regardless of the direction of water flow, and the resistance to the incoming and outgoing water flow is reduced due to the twisting of the blades of the apparatus in the direction of turbine rotation and due to the geometry of the nozzle body, where a smooth transition is made between the outer and inner planes from large to smaller sections due to curvilinear generatrices and rounding of the planes of the nozzle body.
  • the buildings of wave power plants line up and serve as a support structure for the sea road, which in case of storms is submerged under water or takes the floating sections aside for the passage of sea vessels, and to accommodate wave stations with a road surface at great depths, the structure relies on an underwater pipeline in which is pumped with air, kept afloat by cables fixed on the ground, through which electricity, hydrogen, desalinated water or chemical products are transported.
  • the device for generating electricity from surface waves contains a body, grids, racks, hinges, clamps, loops, anchors, cables, pipelines, clutches, water pumps, electromagnets, a nozzle, an axle, a turbine with blades, a generator consisting of a rotor and a stator, electric cable, working winding, characterized in that the nozzle body is a tapering and expanding symmetrical vertical nozzle, made in the form of a flat streamlined ring, the height of which does not exceed the average annual wave amplitude, and the diameter is half the average annual wavelength, installed permanently on the ground due to racks , where one part, depending on the direction of flow, works as a confuser, and the other as a diffuser, on which the blades of the directing vane are fixed, holding the turbine with blades, rotating the generator rotor through the axis, which generates electricity transmitted to the consumer via an electric cable.
  • the generator can be under water, and the rotor rotate in the air due to magnetic clutches or lip seals, where the water is accelerated in the narrowest critical part of the nozzle, rotating the turbine blades, made according to the impulse or WT turbine scheme, which rotates only in one direction, regardless of the direction of the water flow entering the nozzle, while the stationary blades of the guiding and straightening apparatus, which perform the function of the structure holding the turbine with the generator and at the same time the function of water flow accelerators, are placed at an angle between them in the range from 5 to 14 °, which are rounded in the form of a spiral in the direction of rotation of the turbine, and to reduce losses, the nozzle body is made with curvilinear generatrices and rounded transition radii into the critical section of the nozzle and the transition radius between generatrix rb and rn , within 0, 1-10, 2 units in relation to the radius to the diameter of the critical part of the nozzle, while the outer diameter of the nozzle body is made with curvilinear inner and outer
  • the nozzle body is raised or lowered relative to the ground by a water pump, which, pumping or pumping water into the nozzle body, moves it vertically, after which the position is fixed by a latch on racks that can change their length, and due to hinges, the body is installed under any angle y relative to the water plane, while the above feature allows the use of the design of the wave station for trapping and collecting debris on the grids that protect the turbine from above and below the nozzle body.
  • the magnetic poles of the generator rotor are simultaneously the blades of a water turbine, which create an electromagnetic field that generates electricity due to the stator located inside the nozzle housing containing the working winding, and the working winding exciting the magnetic field, are located inside the turbine blades, where an excitation winding is used to obtain an exciting magnetic field, located on the generator rotor or this winding is connected to a DC source through sliding contacts, and for a low-power generator, the turbine blades are made with permanent magnets, while to improve energy efficiency, the surface of the nozzle body and the blades of the apparatus are made of solar panels that capture direct and reflected water from the sun's rays .
  • Two or more nozzle bodies are installed in a line on racks, where the design of the wave station is made with a massive body and racks made of reinforced concrete and is fixed on the ground in a given position without adjustment in height relative to the ground, acting as a support for a bridge, breakwater, or waterway, and at great depths, wave stations are installed on hinges, which are fixed at the top to the roadbed, and at the bottom with a pipeline consisting of sections where electric cables are laid inside to transmit electricity, desalinated water or hydrogen, while the pipeline serves as a support for the line of wave stations and the roadbed, keeping afloat due to the buoyant Archimedean force and cables passing through the upper and lower loops fixed on anchors placed on the ground, the inner part of the pipeline cavity has a volume filled with air , which is able to keep the entire structure afloat, including wave power plants and the roadbed, while the pipeline is located at a depth of 5- ⁇ 20 m from sea level, where it is not exposed to surface waves, which makes it possible to build sea
  • the proposed method is implemented by the wave power plant shown in Fig. 1.
  • the installation includes a nozzle body 1, which is a converging and expanding vertical water nozzle.
  • the upper part of the housing acts as a confuser
  • the lower part of the housing functions as a diffuser.
  • the functions of the confuser are performed by a diffuser
  • the diffuser is performed by a confuser.
  • the nozzle body 1 is kept at a stationary distance P from the ground 2, as it acts as a stationary platform around which the water flow moves.
  • the body of the nozzle on the rods 3 is fixed on the ground 2 due to the tubular columns 4, inside which the rods move and are fixed in the desired position by the clamps 5.
  • the turbine is rigidly connected to the generator rotor, which rotates only in one direction, which can significantly reduce energy losses and increase the reliability of the design.
  • the turbine axis must be equipped with a clutch, which, when rotated in one direction, spins the first rotor of the first generator, and in the other direction the second rotor of the second generator. Without a clutch, it is necessary to use a mechanism for turning the turbine blades.
  • An increase in the number of mechanisms reduces the reliability of the design, increases its mass and cost, but most importantly reduces the energy efficiency of the station. Therefore, a self-regulating turbine for converting wave energy is installed in the critical section of the nozzle, which is an axial turbine of two main types: a WT turbine or an impulse turbine.
  • Pulse turbines have been found to have the potential to outperform W-T turbines in overall performance under irregular flow conditions.
  • the nozzle body representing a stationary platform and being kept at a stationary distance P from the ground, depending on the amplitude and wavelength due to a computer program, regulates this distance with a change in the vertical and a change in the angle y of the inclination in the plane relative to the water surface.
  • the distance P from the ground to the nozzle body and the angle y are adjusted automatically, under the action of a computer program that fixes the body in space relative to the maximum level of power generation by the generator.
  • the critical section of the nozzle body is set in the plane of the average level of the wave 11, located in the center between the crest and the sole.
  • the body is raised or lowered relative to the ground by means of the latch 5 and the water pump 6, which, pumping or pumping water into the nozzle body 1, moves it vertically up or down.
  • the rods 3 are fixed with clamps 5 on the tubular column 4.
  • the installation of the nozzle body relative to the wave level can be carried out by forcing or discharging water inside the tubular column, where the water, acting on the piston 12, raises or lowers the rod 3, which it is fixed in the desired position with a latch 5.
  • the mechanisms can use both hydraulic and pneumatic lifting, which allows you to install the nozzle body above the ground at a given vertical distance and can install the nozzle body at an angle due to hinges 13, depending on the direction of wave movement.
  • the nozzle body is installed at the desired depth from the level of the wave crest and bottom in the desired position and at a certain angle from the plane of the water surface.
  • the wave station sinks to a depth where power generation continues, but at the same time, the station body is protected from destruction.
  • the weight of the body of the wave station made in the form of a platform adjustable in space, can be very light due to the inflatable shell that forms the contour of the nozzle.
  • the weight of the turbine, racks and other components will be reduced through the use of carbon fiber. Consequently, it will be the lightest of all wave hydroelectric power plants that are currently operating in the world.
  • Today, operating analogues of wave stations can produce no more than 3 kW per ton of weight.
  • the proposed station will be able to generate at least 100 kW per ton of its own.
  • the given data and calculations make it possible to note that the proposed wave hydroelectric power plant can be ten times smaller in size and weight than today's similar wave hydroelectric power plants, while it can generate hundreds of times more electricity.
  • a wave power plant operating on an accelerated wave water flow will operate with greater efficiency and more stable than, for example, modern wave power plants using the pendulum swing principle.
  • the wave propagates from left to right, as shown in Fig. 1, the speed and direction of the particles of the water flow passing inside and outside the nozzle is constantly changing.
  • Figure 1 shows the moment when the wave is in the upper extreme position above the wave power plant and its vertical particle velocity is equal to zero.
  • the wave is shifted by a quarter of the length X
  • the particle velocity along the vertical in the center of the station will be maximum, at this moment the generator will produce maximum electricity, since the water particles take the vertical direction, where the velocity is maximum.
  • the wave is displaced by two quarters of the length X, the velocity of the vertical flow will again be equal to zero.
  • the flow changes its direction and passes through the nozzle body from below, that is, the liquid particles move vertically upwards, developing maximum speed.
  • the movement of particles along the vertical is completed and the movement of particles along the horizontal begins, as in the first position, that is, the period of the wave movement begins anew.
  • the turbine With each change in the direction of the flow of water passing through the nozzle, the turbine will first increase and then decrease the rotation speed to zero, and then rotate in the same direction, periodically speeding up and slowing down the rotation.
  • two or more wave power plants can be combined into a single power system.
  • a protective grid is installed above and below the nozzle body.
  • an upper mesh 16 is installed on top
  • a lower mesh 17 is installed on the bottom of the nozzle housing.
  • the upper and lower meshes will serve as traps for marine debris, which will be removed by special services when accumulated.
  • the grids do not affect the performance of the turbine, since their cell is chosen to be of such a size that it freely passes and releases the flow of water.
  • an upper straightening apparatus 18 is installed under the upper grid, and a lower straightening and directing apparatus 19 is installed above the lower grid.
  • the apparatuses consist of profiled blades that reduce the friction of the water flow and increase the efficiency of the power plant.
  • FIG. 2 shows the blades of the apparatuses 18 and 19, which are twisted in a spiral in the direction of rotation of the turbine 7, which further reduces the friction of the water flow at the inlet and outlet of the turbine.
  • the blades of the devices 18, 19 start from the outer diameter of the nozzle body 1 and, twisting in the direction of the vertical rotation of the turbine, also bend smoothly, directing and accelerating the flow of water to the turbine blades 7.
  • the surface of the nozzle body 1 and the blades of the devices 18, 19 is made from solar panels, which, generating additional electricity, transfer it to the consumer using the same electrical communications that are made to transmit wave electricity. This feature will allow the wave power plant to generate electricity from the sun during calm.
  • the efficiency of a solar power plant placed in water will increase with an increase in efficiency due to its cooling with water.
  • the flux of the poles is created by excitation windings located inside the turbine blades, fed by direct current or in a self-excited generator, the excitation winding is fed by current from the armature of the same machine.
  • the proposed station can be made of plastic, thin sheet metal and composite, making the nozzle body light and non-material, which reduces the construction cost and reduces the cost of installing the power plant.
  • the station can be submerged under water to a safe depth, protecting it from extreme weather conditions, which gives an advantage over the prototype and analogues, while the generator will generate electricity at a safe depth.
  • FIG. Figure 3 shows the velocity vectors of particle motion at characteristic points of a wave propagating in the positive direction of the x axis.
  • the fluid particles in a short progressive wave (A ⁇ H) move in a circle around their equilibrium position.
  • E in formula (1) corresponds to the average energy that is transferred by the wave through the boundary of the region under consideration in time /.
  • Formula (1) is an important result that the energy carried by a wave is proportional to the square of its amplitude.
  • the energy carried by the wave per unit time is the average power P:
  • the cross section of the concentrator can be square, rectangular, round or have an arbitrary shape.
  • confuser there is a continuous increase in the speed of water to the highest speed at the turbine inlet.
  • the captured water flow reflected from the plane of the body, is accelerated several times before reaching the turbine. After passing through the turbine, the water flow exits through the same planes, but already representing a diffuser, since the space between these planes begins to expand in its cross section.
  • Dn is the outer diameter of the nozzle body
  • Dn is made with curvilinear generatrices Rb and RH, where Rb is the inner, and RH is the outer generatrix of the nozzle and with rounded radii rb and rn of a certain size, where rb is the radius of transition to the critical section nozzles, and r n - the radius of the transition between the generators according to the data [14, pp. 250-251].
  • the resistance can be reduced by more than 5 times.
  • the friction decreases slightly.
  • it is necessary to make a rounding along the radius r for example, with a radius r n reaching 0.1 in relation to gn / To, the resistance can be reduced by more than four times.
  • the flow of water passing through the confuser begins to decrease, that is, it becomes inefficient to make the degree of narrowing too large.
  • the optimal expansion ratio is within 6-HO.
  • the ratio 1o/Do where 1o is the length of the critical part of the nozzle, can be considered equal to zero, therefore C - the diffuser resistance coefficient will be insignificant.
  • the optimal angle for the confuser, formed between the planes of the guide vanes is in the range from 5 to 40°, while for the diffuser it is in the range from 4 to 14°.
  • the diffuser changes to a confuser and vice versa, it is advisable to choose the overall angle based on the overlapping range from 5 to 14°. Therefore, the number of blades of the guide and straightening stationary apparatus will be in the range from 25 to 72 blades on each side of the nozzle.
  • Fig. 1 Taking into account the optimization of the design from an economic point of view, namely, the reduction of material consumption for the construction of the nozzle body, it is necessary to strive for the largest possible angle > shown in Fig. 1. To do this, you need to know the real ratio of the wave height to its length.
  • the acceptable degree of constriction of the confuser can be in the range from 10 to 30, the optimal degree of constriction is 20. power.
  • For strong water flows it is also beneficial to use the largest degree of constriction, since this regulates the flow. Too strongly tapering confuser, with strong waves, will not allow a large flow of water to pass through itself, thereby protecting the turbine from destruction. That is, there is an alignment of the rotation of the turbine, despite significant fluctuations in the speed of water flows.
  • FIG. 3 shows the location of the nozzle body 1 on the ground 2, due to the rods 3, which, by changing the length, allow you to set any value of the angle y in any direction along the plane.
  • the largest sizes of surface waves in the open ocean are found in the southern hemisphere, where a continuous water ring covers the land, and where the land does not constrain the waves. Waves up to 400 m long and up to 12 m high were observed in this area, with periods up to 18 sec. And propagation speed up to 15 m per second.
  • the average indicators of ocean waves can be considered a length of 90 m, a speed of 13.5 m / s, a height of 3.5 m and a period of 7 seconds.
  • the total wavelength decreases, therefore, the calculation of the dimensions of the station and the angle > must be made taking into account real waves.
  • the average wavelength for example, in the Black Sea is 18 m, where the average wave height reaches 1.25 m, a period of 4 seconds with a propagation speed of 4.5 m/s. Therefore, the diameter of the body of the nozzle of a wave power station cannot exceed half the wavelength, that is, a diameter of 9 m, since the station, operating on vertical waves, should not capture waves that go vertically in opposition to each other. In height, the nozzle body cannot exceed a wave height of 1.25 m, since with an increase in the body dimensions in height, the depth of its immersion increases, where the particle velocity decreases. On the contrary, if the high-sized body is not deeply immersed, then the upper horizontally accelerated layers of water will not be captured.
  • the cross-sectional area in the critical part of the nozzle where the turbine is installed will be 1.6 m 2 , that is, the diameter of the critical part of the nozzle will be 1.43 m, where, taking into account the area occupied by the turbine, the contraction-expansion coefficient will be equal to 20 .
  • the flow reaches a speed equal to 10 m / s, due to this, the generated power from one square meter will be:
  • the Black Sea is inland, so it cannot produce waves of greater height.
  • the averages are in the range where the wavelength is 36 m, the wave height is 3.5 m, the period is 6 sec, and the propagation speed is 6 m/s.
  • the vertical height of the nozzle housing for this station can be up to 3.5 m.
  • the diameter of the nozzle for the southern hemisphere wave station can be made within 18 m, while water will be captured from an area of 250 m 2 .
  • the area of the narrowest part of the nozzle With a contraction-expansion ratio of 10, the area of the narrowest part of the nozzle will be 25 m 2 , with a diameter of 5.6 m. A wave 3.5 m high with a period of 6 seconds will move vertically with a maximum speed of 1.2 m / s. The maximum speed of the water flow in the narrow part of the nozzle with a contraction-expansion ratio of 20 will be 24 m/s. From one square meter in the narrow part of the nozzle, the station will generate power equal to: W ⁇ u003d 162 * V 3 ⁇ u003d 162 x 24 3 ⁇ u003d 2240 kW
  • the design of the proposed wave station can be made with a massive body and installed on the ground in a given position without height adjustment relative to the ground, for example, if the body and supports are a reinforced concrete structure.
  • a support such as a breakwater, a bridge or a road over water.
  • these stationary structures of wave power plants, made of reinforced concrete and installed in a line can serve as breakwaters, protecting the coastal line.
  • the hull of one station on the surface which is heavier than water and is held on the ground by rigid struts without position adjustment, will be mated with the hull of another station, while performing the functions of the bridge and the road on which the electric vehicle moves.
  • This design of the wave station which combines the functions of a road bridge, will be especially relevant for the operation of electric vehicles in environmentally friendly areas such as the Black Sea, Caspian or Baltic coasts.
  • the pipeline 21 serves as a support for the wave stations and the roadbed 20 and is kept afloat due to the buoyant Archimedean force and due to the cables 23 passing through the upper loops 24 and the lower loops 25, fixed on the anchors 26.
  • the inner part of the cavity of the pipeline 21 has a volume filled with air , which is able to keep the entire structure afloat, including wave power plants and the roadbed.
  • the pipeline in inland seas is located at a depth of 5 ⁇ -10 m from sea level, where it is not affected by surface waves, which makes it possible to build sea roads without installing long piles at great depths.
  • the proposed road design can be used, for example, in the Black Sea to connect the Adler airport and the seaport of Sochi, where the straight line is only 20 km.
  • the section for the passage of the vessel is opened from two sides, due to the adjustable floating sections 27.
  • the frequency of clearing the roadway will depend on the accumulation of a certain number of ships.
  • FIG. 5 shows two roadbeds at once, where one roadbed works for the passage of land transport, and the other is divorced for the passage of sea transport, which, entering between the roads, then passes or exits when one roadway closes and the other opens.
  • the proposed scheme for the construction of wave power plants with a smooth road can be used, for example, to connect Europe with Africa in the area of the Strait of Gibraltar, where the depth of the strait reaches one kilometer. According to this scheme, it is possible to build a road from the Crimea to Turkey or from Russia to Iran along the Caspian Sea.
  • the construction scheme of wave power plants and road surfaces can simultaneously perform the function of gas, oil and chemical pipelines, which can be placed in a transport line located inside an air pipeline, where energy for pumping organic chemistry is used from wave power plants.
  • the energy generated by the wave power plant is used to pump out and pump air or water to the pipeline holding the roadbed, which allows the entire structure to be lowered to a depth to avoid storm effects on the structure or to free up space for the passage of ships.
  • this invention may be useful for widespread implementation in the national economy.

Abstract

A method and a device for producing electrical energy from surface waves can be used for creating wave power stations. The kinetic and potential energy of a surface wave is converted into rotation of a turbine and of a rotor of an electrical energy generator as a result of the acceleration of the flow of water by an annular vertical symmetrical nozzle and by blades of a symmetrical guide apparatus. The body of the nozzle is mounted in the direction of travel of a wave at a given height from the level of the crest and trough of the wave and at a given angle to the plane of the surface of the wave. The position of the body of the nozzle along the vertical direction is adjusted and its tilt angle is selected by means of a computer program. The diameter of the body of the nozzle is not greater than half the annual mean wavelength, and the height of the body of the nozzle is not greater than the annual mean wave amplitude.

Description

СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН METHOD FOR PRODUCING ELECTRICITY FROM SURFACE WAVES
Изобретение относится к области волновой энергетики и может быть использовано для создания волновых электростанций. Предлагаемое изобретение использует в качестве энергоносителя водный поток поверхностной волны, при этом позволяет делать электростанцию легкой, эффективной и недорогой. The invention relates to the field of wave energy and can be used to create wave power plants. The present invention uses the surface wave water flow as an energy carrier, while making the power plant easy, efficient and inexpensive.
[1] Аналогом технического решения является способ производства электроэнергии по патенту - US3965364A США. [2] 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. [1] An analogue of the technical solution is the method of generating electricity according to the patent - US3965364A USA. [2] The device is a floating body fixed on the surface of the water so as to allow free vertical movement when exposed to a rising wave. The energy collector, connected to the floating body and including the propeller blades, is located at a depth. The movement of water particles is concentrated on the surface, and at depth the amplitude is no more than 0.2% of the amplitude of the wave surface. The reciprocating vertical movement of the hull causes the propellers at depth to rotate. The device uses two or another even number of propellers at once, which rotate in opposite directions and drive pumps that supply water to a turbine that rotates a generator rotor that produces electricity.
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. The disadvantage of the analogue is the requirement to build the body. The body of the station, which is rocked by the wave, must enter into resonance, which takes time, so the energy of the wave is dissipated, which reduces the efficiency and leads to large friction losses, which increase on transmission mechanisms, piston mechanisms, pipelines and hydraulic accumulators. All this leads to the fact that such a station will have an efficiency not exceeding 1%. A large number of mechanisms used in the analog, a large mass and design complexity make the station massive, expensive and unreliable in operation.
[3] В качестве второго аналога предложен способ использующий энергию волн, которая ускоряет воздушный поток, вращающий лопасти турбины. 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 неё, 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. [3] As a second analogue, a method is proposed that uses wave energy, which accelerates the air flow that rotates the turbine blades. One of the most successful projects in terms of processing ocean wave energy is the Oceanlinx turbine-type power plant operating in the Australian city of Port Kemble. At some distance from the shore, a chamber is placed in the sea, which has an opening above the water level. The chamber is securely fixed on the seabed and does not move up and down, the water shafts, passing through it, raise and lower the water level inside the chamber. The very surface of the water inside the chamber remains flat, and the vibrations in the water push and pull air into the chamber through an opening at the top. in the hole an air turbine is installed, the expelled and retracted air rotates the turbine blades and, accordingly, the generator rotor. To rotate the turbine in one direction, the blades have a rotary mechanism that changes their angle of inclination depending on the direction of the air flow. The main disadvantage of this power plant is the high cost of building a large and massive building.
[4] В качестве третьего аналога предложен способ по патенту - ES2395688 А1 Испания, где используется турбина с поворотными лопатками для преобразования потоков во вращение ротора генератора, установленная в цилиндрический корпус. [4] As a third analogue, a method is proposed according to the patent - ES2395688 A1 Spain, which uses a turbine with rotary blades to convert flows into rotation of the generator rotor, installed in a cylindrical housing.
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. When the fluid moves in one direction, the turbine is driven in the direction of rotation, and when the fluid changes direction, the turbine is driven in the same direction of rotation, which allows it to use, for example, the energy of vertical wave motion. The impeller is located inside a cylindrical housing, where a gradual decrease in the cross section leads to an increase in the speed of rotation of the blades. In order to guarantee the pressure difference between the external wave and the water filling the hull, the surface of the wave must exceed the top cut of the hull to a reasonable height. When water enters and leaves the turbine blades, a guide vane is used, consisting of blades that can change position by changing their angle of inclination, using computer-controlled servomotors. The diffuser, which may be conical or toroidal, is located at the lower end of the housing which communicates with the water. The device is provided with a gearbox with a gearbox that increases the number of revolutions of the turbine and which is connected to an electric generator by means of a flywheel, the mechanisms are installed on a working platform out of reach of the waves. The hull with the turbine is mounted on a base fixed to the seabed.
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. The disadvantage of analogue is a cylindrical body of great length, which is attached to the bottom of the sea. The length of the cylinder exceeds its diameter, and, consequently, the generator cannot generate much electricity, as it blocks the movement for particles of the surface wave. Electricity generation depends on the flow rate, since this dependence is cubic. In the prototype, the body of the power plant, made in the form of a cylinder of great length, is lowered to a great depth, where the speed of movement of water particles is low, which drives the turbine blades. To reduce the material consumption, the station should be placed closer to the shore in order to reduce the length of the hull, but near the shore, the movement of water particles changes mainly in the horizontal direction. When installing a power plant at a depth where the wave is vertical, the material consumption of the structure increases significantly and at the same time resistance to water flow increases, as a result, the station is not able to generate electricity efficiently. Additional losses in power generation are created by the flywheel, gearbox with gearbox and many turning mechanisms for the blades, which is reflected in the cost and reliability of the plant.
[5] В качестве прототипа 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. Ступень турбины турбогенератора имеет дополнительный статор, расположенный за ротором турбины и выполненный симметрично статору ступени турбины относительно плоскости вращения ротора, импульсная турбина. [5] As a prototype, a buoy device was adopted that moved relative to the surface of the wave to convert the kinetic energy of the air flow into electrical energy. The air chamber communicates with the turbogenerator through an air duct and includes a generator, a turbine stage with a stator and a rotor mounted on the same shaft with the generator. The turbogenerator turbine stage has an additional stator located behind the turbine rotor and made symmetrically to the turbine stage stator relative to the rotor rotation plane, impulse turbine.
[5] 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. [5] The impulse turbine was patented by I. A. Babintsev in 1974, where the rotor is basically identical to that of a conventional single-stage axial impulse flow steam turbine. Because the turbine is required to be self-straightening, there are two rows of guide vanes (guide and straightener) arranged symmetrically on both sides of the rotor instead of one row. These two rows of guide vanes are reflections of each other with respect to a plane passing through the rotor disk. The device is used as power sources for navigational equipment, as power sources for signaling and remote control devices, as autonomous power sources for various consumers on the high seas.
[6] 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. [6] In the 1980s, the Wales turbine, similar to the impulse turbine, was developed to convert the energy of an oscillating flow into a unidirectional rotational motion to drive an electrical generator. The Wales Turbine (W-T) consists of a rotor with approximately eight blades divided into blades mounted on a hub such that their chord lines lie in the plane of rotation. Once the blades reach design speed, the turbine generates a time-averaged positive power output from the oscillating airflow with sufficient efficiency.
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. According to the scheme where the Babentsov I.A. turbine is used. and Wales, for the first time an attempt was made to convert the linear motion of the wave flow into the rotational motion of the rotor along the shortest chain. Energy conversion according to this scheme is carried out under the action of an air flow accelerated by a wave. As is known, the generation of electricity by a generator depends on the density of the flow entering the turbine blades, and since the density of air is approximately 775 times less than the density of water, it is by this value that the generator generates less electricity.
Поставленная задача достигается тем, что способ производства электроэнергии из поверхностных волн ускоренных соплом в корпусе, защищенном сетками, закрепленном на грунте стойками, где поток воды, проходя лопасти направляюще-выправляющего аппарата, приводит во вращение лопастную турбину и водяные насосы, подающие воду для вращения ротора генератора, вырабатывающего электроэнергию, отличающийся тем, что кинетическая и потенциальная энергия поверхностной волны преобразуется по самой короткой схеме во вращение турбины и ротора генератора вырабатывающего электроэнергию без применения водяных насосов, 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 и подошвы волны под определенным углом от плоскости поверхности направленным на встречу движения волны, а регулировка положения корпуса сопла по вертикали и угол наклона выбирается за счет компьютерной программы, которая работает по обратной связи относительно максимального количества электроэнергии вырабатываемой генератором, при этом для предотвращения торможения потока поверхностной волны, где частицы воды движутся по окружности, диаметр корпуса сопла не превышает среднегодовую половину длины волны, а высота корпуса сопла не превышает среднегодовую амплитуду волны. Корпус сопла автоматически с помощью компьютерной программы и АСУ располагается в объеме поверхностной волны, где находится максимальное количество кинетической и потенциальной энергии, позволяя захватывать максимальное количество энергии при круговом движении потока поступающего в корпус сопла, как сверху, так и снизу, при этом турбина установлена в критической части сопла вращается в одну сторону вне зависимости от направления движения потока воды, а сопротивление входящему и выходящему потоку воды снижается за счет закручивания лопастей аппарата в сторону вращения турбины и за счет геометрии корпуса сопла, где между наружными и внутренними плоскостями осуществлен 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, где на безопасной глубине генератор продолжает вырабатывать электроэнергию, при этом для изменения положения по вертикали корпус заполняется водой или освобождается от нее с помощью водяного насоса, а для сглаживания пульсаций при выработке электроэнергии производится объединение в единую электросхему двух и более волновых электростанций, при этом позволяя использовать созданное сооружение для сбора частиц мусора, которые улавливаются сверху и снизу защитными сетками, для повышения энергоэффективности поверхность корпуса сопла и лопастей аппарата выполняется из солнечных батарей, при охлаждении которых водой вырабатывается большее количество электроэнергии, а функции ротора турбины объединяются с функциями ротора генератора, что позволяет производить большую выработку энергии за счет водяного охлаждения, уменьшения количества механизмов и использования единых электрокоммуникаций. Корпуса волновых электростанций выстраиваются в линию и служат опорным сооружением для морской дороги, которая в случае штормов погружается под воду или отводит плавучие секции в сторону для прохода морских судов, а для размещения волновых станций с дорожным покрытием на больших глубинах, конструкция опирается на подводный трубопровод в который накачивается воздух, удерживаемый на плаву тросами закрепленными на грунте по которому транспортируется электроэнергия, водород, опресненная вода или химические продукты. The task is achieved by the fact that the method of generating electricity from surface waves accelerated by a nozzle in a casing protected by grids, fixed on the ground with racks, where the water flow, passing the blades of the guide-straightening device, drives the bladed turbine and water pumps that supply water to rotate the rotor a generator that generates electricity, characterized in that the kinetic and potential energy of the surface wave is converted in the shortest possible way into the rotation of the turbine and the rotor of the generator that generates electricity without the use of water pumps, due to the acceleration of the water flow by the body in the form of an annular vertical symmetrical nozzle and the blades of the guiding symmetrical apparatus , where the accelerated flow from one side of the nozzle enters the turbine blades, spinning the rotor of the generator that produces electricity and, after passing it, leaving the other side of the nozzle, is gradually slowed down by the symmetrical planes of the housing and straightening apparatus located on the opposite side, while the nozzle body is installed at a certain height from the level of the crest and bottom of the wave at a certain angle from the surface plane directed to meet the movement of the wave, and the adjustment of the position of the nozzle body vertically and the angle of inclination is selected by a computer program that works according to the feedback regarding the maximum amount of electricity generated by the generator, while to prevent deceleration of the surface wave flow, where water particles move in a circle, the diameter of the nozzle body does not exceed the average annual half of the wavelength, and the height of the nozzle body does not exceed the average annual wave amplitude. The nozzle body is automatically located in the volume of the surface wave with the help of a computer program and automatic control system, where the maximum amount of kinetic and potential energy is located, allowing you to capture the maximum amount of energy during the circular motion of the flow entering the nozzle body, both from above and below, while the turbine is installed in The critical part of the nozzle rotates in one direction, regardless of the direction of water flow, and the resistance to the incoming and outgoing water flow is reduced due to the twisting of the blades of the apparatus in the direction of turbine rotation and due to the geometry of the nozzle body, where a smooth transition is made between the outer and inner planes from large to smaller sections due to curvilinear generatrices and rounding of the planes of the nozzle body. With the help of a computer programs and the automated control system of the wave power plant during storms are submerged under water to a safe depth, preventing the destruction of the structure, where the generator continues to generate electricity at a safe depth, while to change the vertical position, the body is filled with water or freed from it using a water pump, and to smooth pulsations in the generation of electricity, two or more wave power plants are combined into a single electrical circuit, while allowing the use of the created structure for collecting debris particles that are trapped above and below by protective grids, to increase energy efficiency, the surface of the nozzle body and the blades of the apparatus is made of solar panels, when cooled which water generates more electricity, and the functions of the turbine rotor are combined with the functions of the generator rotor, which allows for greater energy production through water cooling, reducing the number of mechanisms and using unified electrical communications. The buildings of wave power plants line up and serve as a support structure for the sea road, which in case of storms is submerged under water or takes the floating sections aside for the passage of sea vessels, and to accommodate wave stations with a road surface at great depths, the structure relies on an underwater pipeline in which is pumped with air, kept afloat by cables fixed on the ground, through which electricity, hydrogen, desalinated water or chemical products are transported.
Устройство для производства электроэнергии из поверхностных волн содержит корпус, сетки, стойки, шарниры, фиксаторы, петли, якоря, троса, трубопроводы, муфты сцепления, водяные насосы, электромагниты, сопло, ось, турбину с лопастями, генератор, состоящий из ротора и статора, электрокабель, рабочую обмотку, отличающееся тем, что корпус сопла представляет из себя сужающееся и расширяющееся симметричное вертикальное сопло, выполненное в виде плоского обтекаемого кольца, высота которого не превышает среднегодовую амплитуду волны, а диаметр половину среднегодовой длины волны, установленного стационарно на грунте за счет стоек, 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. Генератор может находиться под водой, а ротор вращаться в воздухе за счет магнитных муфт сцепления или манжетных уплотнителей, где вода ускоряется в самой узкой критической части сопла, вращая лопасти турбины, выполненные по схеме импульсной или W-T турбины, которая вращается только в одну сторону, вне зависимости от направления потока воды поступающего в сопло, при этом стационарные лопатки направляющего и выправляющего аппарата выполняющие функцию конструкции удерживающей турбину с генератором и одновременно функцию ускорителей водного потока, размещаются между собой под углом в диапазоне от 5 до 14°, которые закруглены в виде спирали в сторону вращения турбины, а для снижения потерь корпус сопла делается с криволинейными образующими и скругленными радиусами перехода в критическое сечение сопла и радиус перехода между образующими гь и гн, в пределах 0, 1-Ю, 2 ед в отношении радиуса к диаметру критический части сопла, при этом наружный диаметр корпуса сопла делается с криволинейными внутренними и внешними образующими Rb и RH, где Rb, не превышает половины среднегодовой амплитуды волны, a RH не превышает среднегодовой половины длины волны, а коэффициент сужения-расширения сопла находится в диапазоне от 10 до 30 ед. Подъем или опускание корпуса сопла относительно грунта производится за счет водяного насоса, который откачивая или закачивая воду в корпус сопла, перемещает его по вертикали, после чего производится фиксация положения фиксатором на стойках, способных изменять свою длину, а за счет шарниров, корпус устанавливается под любым углом у относительно плоскости воды, при этом вышеперечисленная особенность позволяет использовать конструкцию волновой станции для улавливания и сборки мусора на сетках, защищающих турбину сверху и снизу корпуса сопла. Магнитные полюса ротора генератора одновременно являются лопастями водной турбины, создающими электромагнитное поле, вырабатывающее электроэнергию за счет статора размещенного внутри корпуса сопла, содержащего рабочую обмотку, а рабочая обмотка возбуждающая магнитное поле, находятся внутри лопастей турбины, где для получения возбуждающего магнитного поля применяют обмотку возбуждения, располагаемую на роторе генератора или эта обмотка подключается к источнику постоянного тока через скользящие контакты, а для генератора малой мощности лопасти турбины выполнены с постоянными магнитами, при этом для повышения энергоэффективности поверхность корпуса сопла и лопастей аппарата изготовлены из солнечных панелей улавливающих прямые и отраженные водой солнечные лучи. Два и более корпуса сопла устанавливаются в линию на стойках, где конструкция волновой станции выполняется с массивным корпусом и стойками из железобетона и крепится на грунте в заданном положении без регулировки по высоте относительно грунта, выполняя функции в качестве опоры моста, волнореза, или водной дороги, а на больших глубинах волновые станции устанавливаются на шарнирах, которые вверху закреплены с полотном дороги, а внизу с трубопроводом, состоящим из секций, где внутри проведены электрокабеля для передачи электроэнергии, опресненной воды или водорода, при этом трубопровод служит опорой для линии волновых станций и полотна дороги, удерживаясь на плаву за счет выталкивающей архимедовой силы и тросов, проходящих через верхние и нижние петли, закрепленные на якорях размещенных на грунте, внутренняя часть полости трубопровода имеет объем наполняемый воздухом, который способен удерживать на плаву всю конструкцию, включая волновые электростанции и полотно дороги, при этом трубопровод размещается на глубине 5-^20 м от уровня моря, где не подвергается воздействию поверхностной волны, что позволяет строить морские дороги, не устанавливая длинные стойки на больших глубинах. The device for generating electricity from surface waves contains a body, grids, racks, hinges, clamps, loops, anchors, cables, pipelines, clutches, water pumps, electromagnets, a nozzle, an axle, a turbine with blades, a generator consisting of a rotor and a stator, electric cable, working winding, characterized in that the nozzle body is a tapering and expanding symmetrical vertical nozzle, made in the form of a flat streamlined ring, the height of which does not exceed the average annual wave amplitude, and the diameter is half the average annual wavelength, installed permanently on the ground due to racks , where one part, depending on the direction of flow, works as a confuser, and the other as a diffuser, on which the blades of the directing vane are fixed, holding the turbine with blades, rotating the generator rotor through the axis, which generates electricity transmitted to the consumer via an electric cable. The generator can be under water, and the rotor rotate in the air due to magnetic clutches or lip seals, where the water is accelerated in the narrowest critical part of the nozzle, rotating the turbine blades, made according to the impulse or WT turbine scheme, which rotates only in one direction, regardless of the direction of the water flow entering the nozzle, while the stationary blades of the guiding and straightening apparatus, which perform the function of the structure holding the turbine with the generator and at the same time the function of water flow accelerators, are placed at an angle between them in the range from 5 to 14 °, which are rounded in the form of a spiral in the direction of rotation of the turbine, and to reduce losses, the nozzle body is made with curvilinear generatrices and rounded transition radii into the critical section of the nozzle and the transition radius between generatrix rb and rn , within 0, 1-10, 2 units in relation to the radius to the diameter of the critical part of the nozzle, while the outer diameter of the nozzle body is made with curvilinear inner and outer generators Rb and RH, where Rb does not exceed half the average annual wave amplitude, and RH does not exceed the average annual half of the wavelength, and the narrowing factor is nozzle expansion is in the range from 10 to 30 units. The nozzle body is raised or lowered relative to the ground by a water pump, which, pumping or pumping water into the nozzle body, moves it vertically, after which the position is fixed by a latch on racks that can change their length, and due to hinges, the body is installed under any angle y relative to the water plane, while the above feature allows the use of the design of the wave station for trapping and collecting debris on the grids that protect the turbine from above and below the nozzle body. The magnetic poles of the generator rotor are simultaneously the blades of a water turbine, which create an electromagnetic field that generates electricity due to the stator located inside the nozzle housing containing the working winding, and the working winding exciting the magnetic field, are located inside the turbine blades, where an excitation winding is used to obtain an exciting magnetic field, located on the generator rotor or this winding is connected to a DC source through sliding contacts, and for a low-power generator, the turbine blades are made with permanent magnets, while to improve energy efficiency, the surface of the nozzle body and the blades of the apparatus are made of solar panels that capture direct and reflected water from the sun's rays . Two or more nozzle bodies are installed in a line on racks, where the design of the wave station is made with a massive body and racks made of reinforced concrete and is fixed on the ground in a given position without adjustment in height relative to the ground, acting as a support for a bridge, breakwater, or waterway, and at great depths, wave stations are installed on hinges, which are fixed at the top to the roadbed, and at the bottom with a pipeline consisting of sections where electric cables are laid inside to transmit electricity, desalinated water or hydrogen, while the pipeline serves as a support for the line of wave stations and the roadbed, keeping afloat due to the buoyant Archimedean force and cables passing through the upper and lower loops fixed on anchors placed on the ground, the inner part of the pipeline cavity has a volume filled with air , which is able to keep the entire structure afloat, including wave power plants and the roadbed, while the pipeline is located at a depth of 5-^ 20 m from sea level, where it is not exposed to surface waves, which makes it possible to build sea roads without installing long racks on large depths.
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 Р 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 счёт 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. [5] или турбины Уэльса [6]. Турбина через ось 8 вращает ротор 9 генератора 10 всегда в одну сторону, вырабатывая электроэнергию независимо от смены направления течения воды. The proposed method is implemented by the wave power plant shown in Fig. 1. The installation includes a nozzle body 1, which is a converging and expanding vertical water nozzle. When water moves from top to bottom, the upper part of the housing acts as a confuser, and the lower part of the housing functions as a diffuser. When water moves from bottom to top, the functions of the confuser are performed by a diffuser, and the diffuser is performed by a confuser. The nozzle body 1 is kept at a stationary distance P from the ground 2, as it acts as a stationary platform around which the water flow moves. The body of the nozzle on the rods 3 is fixed on the ground 2 due to the tubular columns 4, inside which the rods move and are fixed in the desired position by the clamps 5. The total mass of the entire power plant can be changed by filling the body with water, which is pumped in and pumped out by the water pump 6. To hold the body nozzles at a given distance from the ground, it is possible to loosen the clamps at the time of immersion, and then fix the desired position with the clamps on the rods. Water serves as an energy carrier, entering the nozzle body 1 and accelerates to the maximum speed in its narrowest part, i.e. in the critical section, where a screw with blades is installed on the turbine 7, rotating on the axis 8. Turbine 7 begins to rotate under the pressure of an accelerated flow of water, where its blades are made according to the scheme of an impulse turbine by I. A. Babentsov [5] or a Wales turbine [6] . The turbine through the axis 8 rotates the rotor 9 of the generator 10 always in one direction, generating electricity regardless of the change in the direction of the water flow.
Для снижения стоимости турбина жёстко 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 W-T или импульсную турбину. To reduce the cost, the turbine is rigidly connected to the generator rotor, which rotates only in one direction, which can significantly reduce energy losses and increase the reliability of the design. For example, when the screw is rotated in one direction or the other, the turbine axis must be equipped with a clutch, which, when rotated in one direction, spins the first rotor of the first generator, and in the other direction the second rotor of the second generator. Without a clutch, it is necessary to use a mechanism for turning the turbine blades. An increase in the number of mechanisms reduces the reliability of the design, increases its mass and cost, but most importantly reduces the energy efficiency of the station. Therefore, a self-regulating turbine for converting wave energy is installed in the critical section of the nozzle, which is an axial turbine of two main types: a WT turbine or an impulse turbine.
[7,8] 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 W-T по общим характеристикам в условиях нерегулярного потока. В предлагаемом изобретении, возможно, использовать: импульсную турбину с направляющими лопатками с автоматическим регулированием шага, импульсную турбину с неподвижными направляющими лопатками, турбину биплан W-T с направляющими лопатками, турбину W-T с направляющими лопатками, турбину W-T с саморегулирующимися лопатками [6]. [7,8] The characteristics of these turbines have been investigated by experimental measurements and numerical simulations under irregular flow conditions at Saga University. Pulse turbines have been found to have the potential to outperform W-T turbines in overall performance under irregular flow conditions. In the proposed invention, it is possible to use: an impulse turbine with guide vanes with automatic pitch control, an impulse turbine with fixed guide vanes, a W-T biplane turbine with guide vanes, a W-T turbine with guide vanes, a W-T turbine with self-adjusting vanes [6].
Корпус сопла, представляя собой стационарную платформу и удерживаясь на стационарном расстоянии Р от грунта, в зависимости от амплитуды и длины волны за счет компьютерной программы, регулирует это расстояние с изменением по вертикали и изменением угла у наклона в плоскости относительно поверхности воды. Расстояние Р от грунта до корпуса сопла и угол у 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 счёт 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. The nozzle body, representing a stationary platform and being kept at a stationary distance P from the ground, depending on the amplitude and wavelength due to a computer program, regulates this distance with a change in the vertical and a change in the angle y of the inclination in the plane relative to the water surface. The distance P from the ground to the nozzle body and the angle y are adjusted automatically, under the action of a computer program that fixes the body in space relative to the maximum level of power generation by the generator. Ideally, the critical section of the nozzle body is set in the plane of the average level of the wave 11, located in the center between the crest and the sole. The body is raised or lowered relative to the ground by means of the latch 5 and the water pump 6, which, pumping or pumping water into the nozzle body 1, moves it vertically up or down. Upon reaching a predetermined distance relative to the ground 2, the rods 3 are fixed with clamps 5 on the tubular column 4. The installation of the nozzle body relative to the wave level can be carried out by forcing or discharging water inside the tubular column, where the water, acting on the piston 12, raises or lowers the rod 3, which it is fixed in the desired position with a latch 5. The mechanisms can use both hydraulic and pneumatic lifting, which allows you to install the nozzle body above the ground at a given vertical distance and can install the nozzle body at an angle due to hinges 13, depending on the direction of wave movement. Thus, the nozzle body is installed at the desired depth from the level of the wave crest and bottom in the desired position and at a certain angle from the plane of the water surface. During a storm, the wave station sinks to a depth where power generation continues, but at the same time, the station body is protected from destruction.
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.1 показан момент, когда волна находится в верхнем крайнем положении над волновой электростанцией и её скорость частиц по вертикали равна нулю. При смещении волны на четверть длины X 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 X 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. The weight of the body of the wave station, made in the form of a platform adjustable in space, can be very light due to the inflatable shell that forms the contour of the nozzle. The weight of the turbine, racks and other components will be reduced through the use of carbon fiber. Consequently, it will be the lightest of all wave hydroelectric power plants that are currently operating in the world. Today, operating analogues of wave stations can produce no more than 3 kW per ton of weight. The proposed station will be able to generate at least 100 kW per ton of its own. The given data and calculations make it possible to note that the proposed wave hydroelectric power plant can be ten times smaller in size and weight than today's similar wave hydroelectric power plants, while it can generate hundreds of times more electricity. A wave power plant operating on an accelerated wave water flow will operate with greater efficiency and more stable than, for example, modern wave power plants using the pendulum swing principle. When the wave propagates from left to right, as shown in Fig. 1, the speed and direction of the particles of the water flow passing inside and outside the nozzle is constantly changing. Figure 1 shows the moment when the wave is in the upper extreme position above the wave power plant and its vertical particle velocity is equal to zero. When the wave is shifted by a quarter of the length X, the particle velocity along the vertical in the center of the station will be maximum, at this moment the generator will produce maximum electricity, since the water particles take the vertical direction, where the velocity is maximum. When the wave is displaced by two quarters of the length X, the velocity of the vertical flow will again be equal to zero. With a displacement of three quarters, the flow changes its direction and passes through the nozzle body from below, that is, the liquid particles move vertically upwards, developing maximum speed. At the next shift, the movement of particles along the vertical is completed and the movement of particles along the horizontal begins, as in the first position, that is, the period of the wave movement begins anew.
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. With each change in the direction of the flow of water passing through the nozzle, the turbine will first increase and then decrease the rotation speed to zero, and then rotate in the same direction, periodically speeding up and slowing down the rotation. To smooth out ripples during power generation, two or more wave power plants can be combined into a single power system.
Данная схема выгодна тем, что позволяет все генераторы объединять в единую систему, используя один кабель 14 для электропередачи, а так же 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. This scheme is beneficial in that it allows all generators to be combined into a single system using one cable 14 for power transmission, as well as a common controller, inverter and other devices. The proposed design, due to the supports that can be changed along the length, allows you to change the angle of inclination of the nozzle body in order to further accelerate the flow of water passing through the nozzle and generate more electricity. Adjustment of the position of the nozzle body vertically and with an angle of inclination relative to the plane is provided by a computer program that adjusts the automatic control system relative to the speed of rotation of the turbine.
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. The proposed design may differ in the location of the generator, which may be under water or above water. When the generator is under water, the rotor 9 rotates due to the axis 8 in the air, and sealing against water is provided by magnetic clutches 15 or the axis can be sealed with lip seals. To reduce the cost of construction, the generator is installed above the nozzle body in the air.
Для безопасной работы волновой электростанции и защиты её 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. For the safe operation of the wave power plant and to protect its turbine from large objects, such as debris, living organisms and other massive particles, a protective grid is installed above and below the nozzle body. In FIG. 1, an upper mesh 16 is installed on top, and a lower mesh 17 is installed on the bottom of the nozzle housing. In addition to protecting the turbine from objects, the upper and lower meshes will serve as traps for marine debris, which will be removed by special services when accumulated. The grids do not affect the performance of the turbine, since their cell is chosen to be of such a size that it freely passes and releases the flow of water. To equalize and accelerate the flow of water, an upper straightening apparatus 18 is installed under the upper grid, and a lower straightening and directing apparatus 19 is installed above the lower grid. The apparatuses consist of profiled blades that reduce the friction of the water flow and increase the efficiency of the power plant.
На фиг. 2 показаны лопасти аппаратов 18 и 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 её 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 её охлаждения водой. In FIG. 2 shows the blades of the apparatuses 18 and 19, which are twisted in a spiral in the direction of rotation of the turbine 7, which further reduces the friction of the water flow at the inlet and outlet of the turbine. The blades of the devices 18, 19 start from the outer diameter of the nozzle body 1 and, twisting in the direction of the vertical rotation of the turbine, also bend smoothly, directing and accelerating the flow of water to the turbine blades 7. To increase power generation, the surface of the nozzle body 1 and the blades of the devices 18, 19 is made from solar panels, which, generating additional electricity, transfer it to the consumer using the same electrical communications that are made to transmit wave electricity. This feature will allow the wave power plant to generate electricity from the sun during calm. The efficiency of a solar power plant placed in water will increase with an increase in efficiency due to its cooling with water.
При использовании турбины импульсной и W-T, 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. When using a pulse turbine and W-T, it is possible to combine the rotor with a turbine design, where the magnetic poles of the generator rotor are simultaneously the blades of a water turbine that create an electromagnetic field that generates electricity due to the stator located inside the nozzle body. This scheme will allow much more electricity to be generated by reducing the mechanisms, the mass of rotating parts and the natural water cooling of the generator rotor, which simultaneously performs the functions of a turbine.
[9] 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. [9] As you know, for any electrical machine, the presence of an electrically conductive medium (conductors) and a magnetic field with the possibility of mutual movement is mandatory. When an electric machine is operating in the generator mode, an EMF is induced in a conductor crossing a magnetic field, and a mechanical force acting on a conductor located in a magnetic field is observed when an electric current passes through it.
Конструкция электрической машины состоит из неподвижной части, называемой статором и 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 магнитномягкого 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. The design of an electrical machine consists of a fixed part called the stator and a rotating part called the rotor. The rotor is located in the stator bore and is separated from it by an air gap. One of these parts of the machine is equipped with elements that excite a magnetic field in the machine (for example, an electromagnet or a permanent magnet), and the other has a working winding of the machine. Both the fixed part of the machine (stator) and the movable part (rotor) have cores made of soft magnetic material and have low magnetic resistance. At a wave power plant, an electric machine operates in the generator mode, where, when the rotor rotates under the action of an accelerated flow of water, the rotating blade of the turbine, where electromagnets are placed in the blades, EMF is induced in the conductors of the working winding and when the consumer is connected, an electric current appears. In this case, the mechanical energy of the accelerated water flow is converted into electrical energy. Thus, the wave power plant inside the nozzle housing places the working winding located on the stator, and the elements that excite the magnetic field are located inside the turbine blades and are the magnets of the generator rotor.
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. At wave power plants, permanent magnets on the rotor at the ends of the blades are used only in low-power generators. To generate electricity in large quantities, to obtain an exciting magnetic field, an excitation winding located on the generator rotor is used. This winding is connected to a DC source through sliding contacts made by means of two contact rings located on the shaft and isolated from the shaft and from each other, and two fixed brushes.
Как уже отмечалось, ускоренный поток воды приводит во вращение турбину с размещенным внутри ротором генератора с различной частотой т. При этом магнитное поле ротора также вращается с частотой т и индуцирует в трехфазной обмотке статора переменные ЭДС Ел, Ев, Ес, 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 1А, 1В, 1С- При этом трехфазная обмотка статора создает вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна переменной во времени частоте вращения ротора генератора (об/мин): п = f - 60 /р As already noted, the accelerated flow of water drives the turbine with the generator rotor placed inside it with a different frequency m. In this case, the magnetic field of the rotor also rotates with a frequency m and induces variable EMF El, E in , Ec in the three-phase winding of the stator, which, being the same in value and shifted in phase relative to each other by 1/3 of the period (120 el. deg), form a three-phase symmetrical EMF system. With the connection of the load, currents 1A, 1V, 1C appear in the phases of the stator winding. In this case, the three-phase stator winding creates a rotating magnetic field. The frequency of rotation of this field is equal to the time-varying frequency of rotation of the generator rotor (rpm): n = f - 60 /p
[10] При вращении якоря, даже в случае холостого хода, имеет место момент сопротивления MQ 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 н * . (1(л) скорости вращения возникает динамический момент: Mj — J где J — момент инерции
Figure imgf000013_0001
якоря, щ — угловая скорость вращения, рад/сек. В генераторном режиме эти моменты уравновешиваются механическим моментом Ммех ускоренного потока воды: Ммех = Мо + М + Mj. 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.
[10] When the armature rotates, even in the case of idling, there is a moment of resistance MQ to rotation, which is caused by losses in the generator for friction, eddy currents and hysteresis. This moment is called the idle moment. Under load, as a result of the interaction of the armature current with the magnetic flux of the generator, a braking electromagnetic moment M arises. With any violation of the constancy n * . (1(l) of the rotation speed, a dynamic moment arises: Mj - J where J is the moment of inertia
Figure imgf000013_0001
anchors, u — angular velocity of rotation, rad/sec. In the generator mode, these moments are balanced by the mechanical moment M mech of the accelerated water flow: M mech = M o + M + Mj. This expression is called the generator moment equation. The equation shows that at any time in the generator mode, the mechanical moment of the accelerated water flow is balanced by the idle moments, electromagnetic and dynamic.
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. With electromagnetic excitation, the flux of the poles is created by excitation windings located inside the turbine blades, fed by direct current or in a self-excited generator, the excitation winding is fed by current from the armature of the same machine.
Предлагаемая волновая электростанция может работать, как платформа, жестко закрепленная на определенном расстоянии Р 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 определённой 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 изобретения ниже рассмотрим физику процесса поверхностной волны. The proposed wave power plant can operate as a platform rigidly fixed at a certain distance P from the ground. At the same time, the design of the nozzle body is designed in such a way that the power plant generates the maximum amount of energy throughout the year. In order for the station to produce maximum energy, relative to the vertical and horizontal flows of surface waves, it is necessary, using the computer program of the automated system, to locate the station at a certain immersion depth, which will change depending on the change in amplitude and wavelength. When the amplitude and wavelength change, the rotation speed of the turbine will change, while the automatic control system will select the maximum rotation speed at which the position in the space of the wave power plant will be fixed. Unlike previously developed massive wave stations, the proposed station can be made of plastic, thin sheet metal and composite, making the nozzle body light and non-material, which reduces the construction cost and reduces the cost of installing the power plant. Using the mechanism for moving the structure vertically during storms, the station can be submerged under water to a safe depth, protecting it from extreme weather conditions, which gives an advantage over the prototype and analogues, while the generator will generate electricity at a safe depth. To disclose the scheme of operation of the invention below, consider the physics of the surface wave process.
[11] Следуя общей теории волн на фиг. 3 рассмотрим слой жидкости постоянной глубины Н, ограниченный сверху свободной поверхностью z = ^(х, у, t), которая в невозмущенном состоянии совпадает с плоскостью z = 0. При этом S, представляет собой отклонение (со своим знаком) свободной поверхности жидкости от плоскости z = 0 в точке с координатами х, у в момент времени t. На неподвижном горизонтальном дне должно выполняться условие равенства нулю нормальной составляющей скорости vz = 8 p- 8z = 0 при z = —Я. а — амплитуда волны; 9 — фаза волны; к и а — волновое число и частота, связанные с длиной волны Л и периодом т соотношениями Лк = 2тг; та = 2тг. Заметим, что удвоенное значение амплитуды волны 2 а называют высотой волны. [11] Following the general theory of waves in FIG. 3 we consider a liquid layer of constant depth H, bounded from above by a free surface z = ^(x, y, t), which in the unperturbed state coincides with the plane z = 0. In this case, S is the deviation (with its own sign) of the free surface of the liquid from plane z = 0 at a point with coordinates x, y at time t. On a stationary horizontal bottom, the condition that the normal component of the velocity vz = 8p-8z = 0 should be equal to zero for z = -H. a is the wave amplitude; 9 - wave phase; k and a are the wavenumber and frequency associated with the wavelength L and the period m by the relations Lk = 2m; ta = 2tg. Note that the double value of the wave amplitude 2 a is called the wave height.
Профиль свободной поверхности f = acos^v на фиг. 3 представляет собой косинусоиду с амплитудой а и длиной волны X. Точки, в которых свободная поверхность пересекает ось х (невозмущенную поверхность), называются узлами (cos0 = О = 0); точки максимума и минимума свободной поверхности называются соответственно гребнями (cosO = 1Д = а) и подошвами (cos0 = — 1Д = —а) волны. Из f = acos^v следует, что узловым точкам соответствуют значения фазы волны 0 = + пп, п = 0, + 1, +2, .... Отсюда кхп — at = тг/2 + пп, где хп - координата п-й узловой точки. Таким образом, хп = + птг), и все узловые точки волны перемещаются в
Figure imgf000014_0001
положительном направлении оси х с одинаковыми скоростями хп = а /к, где точка означает производную по времени. Легко видеть, что с такой же скоростью перемещаются гребни, подошвы и вообще любая фиксированная фаза волны 0 = const. Поэтому скорость хп = а /к называют фазовой скоростью волны или скоростью движения волны. Будем обозначать её Уф, в отличие от vx и vz — составляющих скорости движения частиц жидкости. Так как профиль волны f = acos^v перемещается, то эту волну называют движущейся или прогрессивной.
The free surface profile f = acos^v in Fig. 3 is a cosine wave with amplitude a and wavelength X. The points at which the free surface intersects the x-axis (unperturbed surface) are called nodes (cos0 = O = 0); the points of maximum and minimum of the free surface are called, respectively, crests (cosO = 1D = a) and soles (cos0 = - 1D = -a) of the wave. From f = acos^v it follows that the nodal points correspond to the phase values of the wave 0 = + np, n = 0, + 1, +2, .... coordinate of the nth anchor point. Thus, x n \u003d + nm), and all the nodal points of the wave move to
Figure imgf000014_0001
the positive direction of the x-axis with the same speeds x n = a /k, where the dot means the time derivative. It is easy to see that crests, bottoms and, in general, any fixed wave phase 0 = const move with the same speed. Therefore, the speed x n \u003d a / k is called the phase velocity of the wave or the speed of the wave. We will designate it as UV, in contrast to v x and v z - components of the velocity of fluid particles. Since the profile of the wave f = acos^v moves, this wave is called moving or progressive.
Фазовая скорость волн в бассейне бесконечной глубины Цф = <т//с. Учитывая <т2 = дк, получаем Цф = д /к или Цф = / ^Л/(2тг). Отсюда видно, что скорость распространения прогрессивной волны в глубоком бассейне пропорциональна корню квадратному из ее длины
Figure imgf000015_0001
Волны, фазовая скорость которых зависит от длины волны, называются дисперсионными, а соотношение, связывающее частоту, о и волновое число к, называется дисперсионным. Таким, образом, рассматриваемые волны f = acos^v являются дисперсионными, а соотношение <т2 = дк — дисперсионным соотношением.
The phase velocity of waves in a basin of infinite depth Zf = <m//s. Taking into account <m 2 = dk, we obtain Tf = q/k or Tf = / ^A/(2m). This shows that the propagation speed of a progressive wave in a deep basin is proportional to the square root of its length
Figure imgf000015_0001
Waves whose phase velocity depends on the wavelength are called dispersive, and the relation connecting the frequency, o and the wave number k, is called dispersive. Thus, the considered waves f = acos^v are dispersive, and the relation <m 2 = qk is a dispersion relation.
Используя ср = Aexp(kz)~ sin0, <т2 = дк и а = Аад-1 запишем выражения для составляющих скорости движения частиц жидкости в волновом процессе: vx = 8(р/8х = аа exp(fcz) cosO vz = <5<p/<5z = aa exp(fcz) sinO. Следовательно, амплитуды волновых скоростей затухают с удалением от свободной поверхности (z = 0) по экспоненциальному закону [exp(fcz)] и на глубине, равной длине волны (z = —Л), в ехр(2тг) (пятьсот) раз меньше, чем на свободной поверхности. С высокой степенью точности можно считать, что волновые возмущения при Н = оо не проникают на глубины, большие длины волны, и жидкость на этих глубинах (z = —Л) находится в покое. Так, для прогрессивной волны, амплитуда которой 50 см, а длина 60 м, (т = 6,3 с), максимальные значения vx и vz на свободной поверхности равны 50 см/с, а на глубине 60 м - меньше 1 мм/с. Using cp = Aexp(kz) ~ sin0, <m 2 = dk and a = Aad -1 , we write expressions for the components of the velocity of fluid particles in the wave process: v x = 8(p/8x = aa exp(fcz) cosO v z = <5<p/<5z = aa exp(fcz) sin O. Consequently, the amplitudes of wave velocities decay with distance from the free surface (z = 0) according to the exponential law [exp(fcz)] and at a depth equal to the wavelength (z = -A), exp(2m) (five hundred) times less than on the free surface. With a high degree of accuracy, we can assume that wave perturbations at H = oo do not penetrate to depths greater than wavelengths, and the liquid at these depths ( z \u003d -L) is at rest. So, for a progressive wave, the amplitude of which is 50 cm, and the length is 60 m, (t \u003d 6.3 s), the maximum values of v x and v z on the free surface are 50 cm / s, and at a depth of 60 m - less than 1 mm / s.
Как видно, динамическое или волновое давление pi затухает с глубиной (удалением от свободной поверхности) по тому же закону, что и волновые скорости vx, vz. Поэтому динамическое давление на глубине, равной длине волны в 500 раз меньше, чем на свободной поверхности. Это позволяет пренебрегать в области |z| > Л волновым давлением по сравнению с гидростатическим. Следовательно, максимальная выработка электроэнергии за счет предлагаемого изобретения 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. As can be seen, the dynamic or wave pressure pi decays with depth (with distance from the free surface) according to the same law as the wave velocities v x , v z . Therefore, the dynamic pressure at a depth equal to the wavelength is 500 times less than on the free surface. This allows us to neglect in the region |z| > L wave pressure compared to hydrostatic pressure. Therefore, the maximum power generation due to the proposed invention will be when the critical section of the nozzle body is located in the plane of the undisturbed surface (at the average level of the wave) or when the center of the turbine is located at the center of the wave height, between the crest and the sole.
Как видно из f = acos^v, положению гребня соответствует значение cosO = 1, и, следовательно, sin6 = 0. Из vx = 8<р /8х = <z<j exp(fcz) cosO; vz = 8<р /8z = аа exp(kz) sind находим, что при этом vx > 0, vz = 0, т. е. частицы жидкости в гребне движутся горизонтально в направлении распространения волны. Подошве волны отвечают значения cosd = — 1, sind = 0, при этом vx < 0, vz = 0, т. е. частицы жидкости в подошве движутся тоже горизонтально, но в направлении, противоположном распространению волны. Узлу волны соответствует значение cosO = 0, при этом sinO = +1. В первом случае (cosO = 0, sinO = 1; узел первого рода) частицы жидкости движутся вертикально вверх ( х > 0, vz = 0), во втором случае (cosO = 0; sinO = — 1; узел второго рода) частицы движутся вертикально вниз (vx = 0, vz < 0). Так как значения фазы 9 вдоль волны меняются непрерывно, то узлы первого и второго рода чередуются. As can be seen from f = acos^v, the position of the ridge corresponds to the value cosO = 1, and, consequently, sin6 = 0. From v x = 8<p /8x = <z<j exp(fcz) cosO; v z = 8<р /8z = аа exp(kz) sind we find that in this case v x > 0, v z = 0, i.e. the liquid particles in the crest move horizontally in the direction of wave propagation. The bottom of the wave corresponds to the values cosd = - 1, sind = 0, while v x < 0, v z = 0, i.e. liquid particles in the sole they also move horizontally, but in the opposite direction to the wave propagation. The node of the wave corresponds to the value cosO = 0, while sinO = +1. In the first case (cosO = 0, sinO = 1; node of the first kind), the particles of the liquid move vertically upwards ( x > 0, vz = 0), in the second case (cosO = 0; sinO = - 1; node of the second kind) particles moving vertically downwards (v x = 0, v z < 0). Since the values of phase 9 change continuously along the wave, the nodes of the first and second kind alternate.
На фиг. 3 показаны векторы скоростей движения частиц в характерных точках волны, распространяющейся в положительном направлении оси х. Как видно, частицы жидкости в короткой прогрессивной волне (Л < Н) движутся по окружности вокруг своего положения равновесия. При этом радиусы окружностей (амплитуды колебаний) убывают с глубиной погружения частицы (h0 = — z0) по экспоненциальному закону [ехр(— fc/i0)]. Отметим, что амплитуды колебаний частиц жидкости, лежащих на Свободной поверхности (h0 = 0) , равны амплитуде волны, а находящихся на глубине, равной длине волны (h0 = Л), составляют 0,2 % амплитуды волны. In FIG. Figure 3 shows the velocity vectors of particle motion at characteristic points of a wave propagating in the positive direction of the x axis. As can be seen, the fluid particles in a short progressive wave (A < H) move in a circle around their equilibrium position. In this case, the radii of the circles (oscillation amplitudes) decrease with the depth of the particle immersion (h 0 = -z 0 ) according to the exponential law [exp(-fc/i 0 )]. Note that the oscillation amplitudes of fluid particles lying on the Free surface (h 0 = 0) are equal to the wave amplitude, and those located at a depth equal to the wavelength (h 0 = L) are 0.2% of the wave amplitude.
[12] В синусоидальной волне с частотой f частицы среды совершают гармонические колебания, так что каждая частица обладает энергией Е = (1/2)/сЭ , гДе DM - максимальное смещение (амплитуда колебаний) частицы от положения равновесия либо в продольном, либо в поперечном направлении [формула Е = -mv2 + ~кх2 = ^т макс = ^кА2, где мы заменили А на DM]. С помощью ( = (1/2 ^к/т или Т = 2п т/к) можно выразить к через частоту: к = 4тг2т 2. Таким образом, Е = 2n2mf2D 4. Масса т = pV, где р - плотность среды, а V - ее объем. Кроме того, V= Al, где А - площадь поперечного сечения, через которое проходит волна, а I - расстояние, которое волна проходит за время t: I = vt (здесь v - скорость волны). Таким образом, т = pV = pAl = pAvt и [12] In a sinusoidal wave with a frequency f, the particles of the medium perform harmonic oscillations, so that each particle has the energy E = (1/2) / сЭ, г Д e DM - the maximum displacement (oscillation amplitude) of the particle from the equilibrium position or in the longitudinal, or in the transverse direction [formula E \u003d -mv 2 + ~kx 2 \u003d ^t max \u003d ^kA 2 , where we replaced A with DM]. Using ( \u003d (1/2 ^k / m or T \u003d 2n m / k) you can express k in terms of frequency: k \u003d 4m 2 m 2. Thus, E \u003d 2n 2 mf 2 D 4. Mass m \u003d pV, where p is the density of the medium, and V is its volume.In addition, V \u003d Al, where A is the cross-sectional area through which the wave passes, and I is the distance that the wave travels in time t: I \u003d vt (here v is wave speed).Thus, m = pV = pAl = pAvt and
Е = 2n2pAvtf2D^. (1) E = 2n 2 pAvtf 2 D^. (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 /. 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 Р: If we consider the leading edge of a sinusoidal wave that has approached the region where there was no wave motion, then it becomes clear that E in formula (1) corresponds to the average energy that is transferred by the wave through the boundary of the region under consideration in time /. Formula (1) is an important result that the energy carried by a wave is proportional to the square of its amplitude. The energy carried by the wave per unit time is the average power P:
Р = E/t = 2n2pAvf2D^. (2) P \u003d E / t \u003d 2n 2 pAvf 2 D^. (2)
Наконец, интенсивность волны I определяется как средняя мощность, переносимая через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению потока энергии:
Figure imgf000017_0001
Finally, the wave intensity I is defined as the average power transferred through a unit area of the surface perpendicular to the direction of the energy flow:
Figure imgf000017_0001
Мы видим, что интенсивность волны пропорциональна квадрату ее амплитуды. We see that the intensity of the wave is proportional to the square of its amplitude.
[13] 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; [13] As is known, the power per unit area of the flow cross section, i.e. the specific power of the flow is equal to: p/F = pv 3 /2, where F is the area of the flow, m 2 ; p is the density of the flow substance, kg/m 3 ; v - flow velocity, m/s;
Р - мощность, Вт. P - power, W.
Для упрощённого расчёта можно принять, что с одного квадратного метра, перекрываемого турбиной за счёт 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 счёт 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). For a simplified calculation, it can be assumed that power can be removed from one square meter covered by the turbine due to the wind flow: P \u003d 0.22 v 3 , due to the fact that the density of water exceeds the average air density by 775 times, meter blocked by the turbine, due to the water flow, you can remove the power: P \u003d 162 v 3 , since the air or water flow accelerates a special device - a nozzle consisting of a confuser and a diffuser, it is necessary to calculate its parameters in such a way that it has a minimum surface area at the maximum possible efficiency per one or another diameter of the turbine installed in the critical section of the nozzle (the narrowest section of the nozzle).
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. The cross section of the concentrator (confuser) can be square, rectangular, round or have an arbitrary shape. In the confuser, there is a continuous increase in the speed of water to the highest speed at the turbine inlet.
При использовании в предлагаемом изобретении 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 своём сечении. When using the nozzle body in the proposed invention, the captured water flow, reflected from the plane of the body, is accelerated several times before reaching the turbine. After passing through the turbine, the water flow exits through the same planes, but already representing a diffuser, since the space between these planes begins to expand in its cross section.
[14] Как известно, сила сопротивления водному потоку зависит от формы тела, где тело в виде пластинки создаёт 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. Для снижения потерь корпус сопла, изображенный на фиг. 1 , где Дн - наружный диаметр корпуса сопла, делается с криволинейными образующими Rb и RH, где Rb - внутренняя, a RH - внешняя образующая сопла и со скруглёнными радиусами гь и гн определённой величины, где гь - радиус перехода в критическое сечение сопла, а гн - радиус перехода между образующими согласно данных [14, стр. 250-251]. Например, при величине радиуса гь, достигающем 0,2 в отношении гь/До сопротивление можно снизить более чем в 5 раз. При дальнейшем увеличении радиуса г, трение снижается незначительно. Для дополнительного снижения трения необходимо делать скругление по радиусу гн, например, при величине радиуса гн достигающим 0,1 в отношении гн/До, сопротивление можно снизить более чем в четыре раза. [14] As you know, the force of resistance to water flow depends on the shape of the body, where the body in the form of a plate creates a sufficiently high resistance to the water flow, since behind it a whole area of chaotic vortex movement of water is formed, since the pressure drops strongly. The resistance of confusers can be significantly reduced by making a smooth transition from a larger section to a smaller one, using curvilinear generatrices (along a circular arc or other curve), as well as rounding the straight walls of the confusers at the exit to the critical section where the turbine is installed. To reduce losses, the nozzle body shown in FIG. 1, where Dn is the outer diameter of the nozzle body, is made with curvilinear generatrices Rb and RH, where Rb is the inner, and RH is the outer generatrix of the nozzle and with rounded radii rb and rn of a certain size, where rb is the radius of transition to the critical section nozzles, and r n - the radius of the transition between the generators according to the data [14, pp. 250-251]. For example, with a radius ri reaching 0.2 in relation to r/D0, the resistance can be reduced by more than 5 times. With a further increase in the radius r, the friction decreases slightly. To further reduce friction, it is necessary to make a rounding along the radius r , for example, with a radius r n reaching 0.1 in relation to gn / To, the resistance can be reduced by more than four times.
Определить точно сопротивления водному потоку протекающему через конфузор и диффузор достаточно проблематично, так как очень сложно вычислить потери на завихрение, сжатие (расширение), теплообмен и другие неучтённые факторы. [14] Однако, по экспериментальным и теоретическим данным, известно, что скорость воды, попадающая на турбину будет зависеть от угла сужения - расширения степени сужения-расширения п0 = — , где - площадь на входе в сопло, г0 - площадь сечения Fo
Figure imgf000018_0001
водного потока в критической части сопла и относительной длины lg/До и 1ДДо, где lg - длина диффузора, h - длина конфузора.
It is rather problematic to determine exactly the resistance to the water flow flowing through the confuser and diffuser, since it is very difficult to calculate the losses for swirling, compression (expansion), heat transfer and other unaccounted for factors. [14] However, according to experimental and theoretical data, it is known that the speed of water entering the turbine will depend on the angle of contraction - expansion of the degree of contraction-expansion n 0 = - , where is the area at the entrance to the nozzle, g 0 is the cross-sectional area F o
Figure imgf000018_0001
water flow in the critical part of the nozzle and the relative length lg/Do and 1DDo, where l g is the length of the diffuser, h is the length of the confuser.
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 [14, стр. 209, таблицы 5-1], для конических диффузоров, к которым относится конструкция корпуса сопла, оптимальная степень расширения находится в пределах 6-НО. Для волновой станции отношение 1о/До, где 1о - длина критической части сопла, можно считать равным нулю, следовательно С - коэффициент сопротивления диффузора будет незначительным. For example, with a significant increase in the degree of narrowing of the confuser more than 20, the flow of water passing through the confuser begins to decrease, that is, it becomes inefficient to make the degree of narrowing too large. According to [14, p. 209, Table 5-1], for conical diffusers, which include the design of the nozzle body, the optimal expansion ratio is within 6-HO. For a wave station, the ratio 1o/Do, where 1o is the length of the critical part of the nozzle, can be considered equal to zero, therefore C - the diffuser resistance coefficient will be insignificant.
[14] 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. [14] 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. [14] When choosing the degree of constriction of the confuser and expansion of the diffuser, it is necessary to use experimental data, according to which, taking into account the maximum capture of the area of the water flow, the optimal degree of constriction and expansion by the upper value is taken equal to ten. Taking into account the fact that this value was obtained for ideal experimental conditions and the flow of a stream moving along the axis of the nozzle, then, as applied to a surface wave moving along a circle, this value can be increased by two to three times. Thus, the optimal degree of contraction-expansion for a wave station will be in the range from 10 to 30. [14] The flow conditions in short diffusers (with large expansion angles) can be significantly improved, and the resistance reduced if flow separation is prevented in them or vortex formation is weakened. The main measures that contribute to the improvement of the flow in confuser-diffusers include: blowing off the boundary layer; installation of guide vanes (deflectors) and dividing walls. To reduce flow resistance at a wave power plant, in addition to the use of fillets, stationary blades of the guide and straightening vanes are provided, which serve as a structure holding the turbine with a generator and at the same time the function of water flow stabilizers.
[14] Солгано 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 учётом 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. [14] According to the data, the optimal angle for the confuser, formed between the planes of the guide vanes, is in the range from 5 to 40°, while for the diffuser it is in the range from 4 to 14°. Taking into account the fact that in this case, when changing the direction of the water, the diffuser changes to a confuser and vice versa, it is advisable to choose the overall angle based on the overlapping range from 5 to 14°. Therefore, the number of blades of the guide and straightening stationary apparatus will be in the range from 25 to 72 blades on each side of the nozzle.
С учётом оптимизации конструкции с экономической точки зрения, а именно уменьшения расхода материала на строительство корпуса сопла, необходимо стремиться к максимально возможно большому углу > 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 счёт этого происходит регулировка потока. Слишком сильно сужающийся конфузор, при сильных волнах не позволит через себя пропускать большой расход воды, тем самым, предохраняя турбину от разрушений. То есть происходит выравнивание вращения турбины, не смотря на значительные колебания скоростей водных потоков. Taking into account the optimization of the design from an economic point of view, namely, the reduction of material consumption for the construction of the nozzle body, it is necessary to strive for the largest possible angle > shown in Fig. 1. To do this, you need to know the real ratio of the wave height to its length. The acceptable degree of constriction of the confuser can be in the range from 10 to 30, the optimal degree of constriction is 20. power. For strong water flows, it is also beneficial to use the largest degree of constriction, since this regulates the flow. Too strongly tapering confuser, with strong waves, will not allow a large flow of water to pass through itself, thereby protecting the turbine from destruction. That is, there is an alignment of the rotation of the turbine, despite significant fluctuations in the speed of water flows.
Принимая во внимание, что частицы воды двигаются в поверхностной волне по окружности, необходимо наклонять корпус сопла относительно горизонта на встречу распространения волны на угол у, что изображено на фиг. 3, 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 у, а частицы воды в подошве волны будут более эффективно заходить в нижнюю часть корпуса сопла, плоскость которого будет так же наклонена к этому потоку. Taking into account that water particles move in a circle in a surface wave, it is necessary to tilt the nozzle body relative to the horizon to meet the wave propagation by an angle y, which is shown in Fig. 3, where the inclination of the body of the nozzle 1 allows more efficient capture of the flow of water particles moving in a circle. Water particles in the ridge gaining maximum speed along horizontal direction in a larger volume will be caught by the upper plane of the nozzle body inclined to the flow at an angle y, and the water particles in the bottom of the wave will more effectively enter the lower part of the nozzle body, the plane of which will also be inclined to this flow.
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 у в любом направлении по плоскости. The undulating movement of the liquid surface, where the particles move in a circle, should be used to maximize the capture of accelerated particles by the nozzle body, to direct the accelerated flow to the turbine blades. In FIG. 3 shows the location of the nozzle body 1 on the ground 2, due to the rods 3, which, by changing the length, allow you to set any value of the angle y in any direction along the plane.
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 > 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 > 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 > 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: The largest sizes of surface waves in the open ocean are found in the southern hemisphere, where a continuous water ring covers the land, and where the land does not constrain the waves. Waves up to 400 m long and up to 12 m high were observed in this area, with periods up to 18 sec. And propagation speed up to 15 m per second. The average indicators of ocean waves can be considered a length of 90 m, a speed of 13.5 m / s, a height of 3.5 m and a period of 7 seconds. In practice, due to the intersection in the directions of different waves, the total wavelength decreases, therefore, the calculation of the dimensions of the station and the angle > must be made taking into account real waves. The average wavelength, for example, in the Black Sea is 18 m, where the average wave height reaches 1.25 m, a period of 4 seconds with a propagation speed of 4.5 m/s. Therefore, the diameter of the body of the nozzle of a wave power station cannot exceed half the wavelength, that is, a diameter of 9 m, since the station, operating on vertical waves, should not capture waves that go vertically in opposition to each other. In height, the nozzle body cannot exceed a wave height of 1.25 m, since with an increase in the body dimensions in height, the depth of its immersion increases, where the particle velocity decreases. On the contrary, if the high-sized body is not deeply immersed, then the upper horizontally accelerated layers of water will not be captured. Therefore, with a station diameter of 9 m and a nozzle body height of 1.25 m, the contraction-expansion angle > will be equal to 165°. Taking into account the fact that smaller wavelengths can be formed more often by the average annual number of days, we will take the station diameter to be 4.5 m, height 1.25 m, where > equals 149°. A kunfuzor-diffuser nozzle of this diameter will capture an area of water equal to 16 m 2 . With a contraction-expansion coefficient of 10, the cross-sectional area in the critical part of the nozzle where the turbine is installed will be 1.6 m 2 , that is, the diameter of the critical part of the nozzle will be 1.43 m, where, taking into account the area occupied by the turbine, the contraction-expansion coefficient will be equal to 20 .In the narrow part of the nozzle, with a wave height of 1.25 m, the flow reaches a speed equal to 10 m / s, due to this, the generated power from one square meter will be:
W = 162 X V5 = 1162 х 103 = 1162 кВт. W \u003d 162 XV 5 \u003d 1162 x 10 3 \u003d 1162 kW.
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. Therefore, with a water flow area of 0.8 m 2 , the turbine will theoretically generate 130 kW. For the Wales turbine, where the efficiency is 55%, the actual output will be 72 kW, for the I.A. Babentsov turbine, where the efficiency is 87%, the output will be 113 kW.
Как известно, Чёрное 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. As you know, the Black Sea is inland, so it cannot produce waves of greater height. For waves produced in the oceans of the southern hemisphere, the averages are in the range where the wavelength is 36 m, the wave height is 3.5 m, the period is 6 sec, and the propagation speed is 6 m/s. The vertical height of the nozzle housing for this station can be up to 3.5 m. The diameter of the nozzle for the southern hemisphere wave station can be made within 18 m, while water will be captured from an area of 250 m 2 .
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 х 243 = 2240 кВт With a contraction-expansion ratio of 10, the area of the narrowest part of the nozzle will be 25 m 2 , with a diameter of 5.6 m. A wave 3.5 m high with a period of 6 seconds will move vertically with a maximum speed of 1.2 m / s. The maximum speed of the water flow in the narrow part of the nozzle with a contraction-expansion ratio of 20 will be 24 m/s. From one square meter in the narrow part of the nozzle, the station will generate power equal to: W \u003d 162 * V 3 \u003d 162 x 24 3 \u003d 2240 kW
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. The area for the passage of water in the narrow part of the nozzle, where the turbine is installed, is 12.5 m 2 , therefore, theoretically, the plant will generate a power equal to 28 MW, but with an efficiency of 55% it will be 15 MW, and with an efficiency of 87% it will be 24 MW.
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 сопряжён 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. The design of the proposed wave station can be made with a massive body and installed on the ground in a given position without height adjustment relative to the ground, for example, if the body and supports are a reinforced concrete structure. Thus, if you do not move the wave station in space, which will be made without additional lifting-tilting mechanisms, it is possible to install it as a support, such as a breakwater, a bridge or a road over water. For example, these stationary structures of wave power plants, made of reinforced concrete and installed in a line, can serve as breakwaters, protecting the coastal line. The hull of one station on the surface, which is heavier than water and is held on the ground by rigid struts without position adjustment, will be mated with the hull of another station, while performing the functions of the bridge and the road on which the electric vehicle moves. This design of the wave station, which combines the functions of a road bridge, will be especially relevant for the operation of electric vehicles in environmentally friendly areas such as the Black Sea, Caspian or Baltic coasts.
На фиг.4 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. Figure 4 shows a variant of a deep-water bridge, combined with wave power plants, where the nozzle body 1 is installed in line on rods 3 and hinges 13, which are fixed at the top with the roadbed 20, and at the bottom with the pipeline 21, consisting of sections. Inside the pipeline there is a communication line 22, through which electric cables are carried out for the transmission of electricity. When generating electricity by wave power plants, it is possible to organize the production of desalinated water or hydrogen, which will be transported through communication line 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 Чёрном 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. The pipeline 21 serves as a support for the wave stations and the roadbed 20 and is kept afloat due to the buoyant Archimedean force and due to the cables 23 passing through the upper loops 24 and the lower loops 25, fixed on the anchors 26. The inner part of the cavity of the pipeline 21 has a volume filled with air , which is able to keep the entire structure afloat, including wave power plants and the roadbed. The pipeline in inland seas is located at a depth of 5^-10 m from sea level, where it is not affected by surface waves, which makes it possible to build sea roads without installing long piles at great depths. The proposed road design can be used, for example, in the Black Sea to connect the Adler airport and the seaport of Sochi, where the straight line is only 20 km. Due to the construction of the sea road, it is possible to significantly unload the land route, reduce the wave load on the coast and clean up the garbage. A 10 m wide sea road, along which a line of wave stations will be located, will generate power on a 2 m high wave, approximately 1 MW per 10 m of length, or 100 MW per 1 km of the road. Therefore, a 20 km long road is capable of generating 2 GW of electricity.
Для прохода кораблей в начале и конце дороги с полотном дороги 20, изображенной на фиг. 5, 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. 5 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. For the passage of ships at the beginning and end of the road with roadbed 20 shown in FIG. 5, the section for the passage of the vessel is opened from two sides, due to the adjustable floating sections 27. Two sections 27 with wave stations and the pipeline diverge in different directions, freeing up space for the passage of ships according to the scheme of the floating drawbridge. The frequency of clearing the roadway will depend on the accumulation of a certain number of ships. In FIG. 5 shows two roadbeds at once, where one roadbed works for the passage of land transport, and the other is divorced for the passage of sea transport, which, entering between the roads, then passes or exits when one roadway closes and the other opens.
Предлагаемая схема строительства волновых электростанций с плавной дорогой может применяться, например, для соединения Европы с Африкой в зоне Г ибралтарского 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. The proposed scheme for the construction of wave power plants with a smooth road can be used, for example, to connect Europe with Africa in the area of the Strait of Gibraltar, where the depth of the strait reaches one kilometer. According to this scheme, it is possible to build a road from the Crimea to Turkey or from Russia to Iran along the Caspian Sea. The construction scheme of wave power plants and road surfaces can simultaneously perform the function of gas, oil and chemical pipelines, which can be placed in a transport line located inside an air pipeline, where energy for pumping organic chemistry is used from wave power plants. The energy generated by the wave power plant is used to pump out and pump air or water to the pipeline holding the roadbed, which allows the entire structure to be lowered to a depth to avoid storm effects on the structure or to free up space for the passage of ships.
Следовательно, данное изобретение может быть полезно для широкого внедрения в народном хозяйстве. Therefore, this invention may be useful for widespread implementation in the national economy.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ производства электроэнергии из поверхностных волн ускоренных соплом в корпусе защищенном сетками, закрепленном на грунте стойками, где поток воды, проходя лопасти направляюще-выправляющего аппарата, приводит во вращение лопастную турбину и водяные насосы подающие воду для вращения ротора генератора вырабатывающего электроэнергию, отличающийся тем, что кинетическая и потенциальная энергия поверхностной волны преобразуется по самой короткой схеме во вращение турбины и ротора генератора вырабатывающего электроэнергию без применения водяных насосов, 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 и подошвы волны под определенным углом от плоскости поверхности направленным на встречу движения волны, а регулировка положения корпуса сопла по вертикали и угол наклона выбирается за счет компьютерной программы, которая работает по обратной связи относительно максимального количества электроэнергии вырабатываемой генератором, при этом для предотвращения торможения потока поверхностной волны, где частицы воды движутся по окружности, диаметр корпуса сопла не превышает среднегодовую половину длины волны, а высота корпуса сопла не превышает среднегодовую амплитуду волны. Способ по п.1, отличающийся тем, что корпус сопла автоматически с помощью компьютерной программы и АСУ располагается в объеме поверхностной волны, где находится максимальное количество кинетической и потенциальной энергии, позволяя захватывать максимальное количество энергии при круговом движении потока поступающего в корпус сопла, как сверху, так и снизу, при этом турбина установлена в критической части сопла вращается в одну сторону вне зависимости от направления движения потока воды, а сопротивление входящему и выходящему потоку воды снижается за счет закручивания лопастей аппарата в сторону вращения турбины и за счет геометрии корпуса сопла, где между наружными и внутренними плоскостями осуществлен плавный переход от больших сечений к меньшим за счет криволинейных образующих и скруглений плоскостей корпуса сопла. Способ по п.1, отличающийся тем, что с помощью компьютерной программы и АСУ волновую электростанцию во время штормов погружают под воду на безопасную глубину, предотвращая разрушение конструкции, где на безопасной глубине генератор продолжает вырабатывать электроэнергию, при этом для изменения положения по вертикали корпус заполняется водой или освобождается от нее с помощью водяного насоса, а для сглаживания пульсаций при выработке электроэнергии производится объединение в единую электросхему двух и более волновых электростанций, при этом позволяя использовать созданное сооружение для сбора частиц мусора, которые улавливаются сверху и снизу защитными сетками. Способ по п.1 отличающийся тем, что для повышения энергоэффективности поверхность корпуса сопла и лопастей аппарата выполняется из солнечных батарей при охлаждении которых водой вырабатывается большее количество электроэнергии, а функции ротора турбины объединяются с функциями ротора генератора, что позволяет производить большую выработку энергии за счет водяного охлаждения, уменьшения количества механизмов и использования единых электрокоммуникаций. Способ по п.1 отличающийся тем, что корпуса волновых электростанций выстраиваются в линию и служат опорным сооружением для морской дороги, которая в случае штормов погружается под воду или отводит плавучие секции в сторону для прохода морских судов, а для размещения волновых станций с дорожным покрытием на больших глубинах, конструкция опирается на подводный трубопровод в который накачивается воздух, удерживаемый на плаву тросами закрепленными на грунте по которому транспортируется электроэнергия, водород, опресненная вода или химические продукты. Устройство для производства электроэнергии из поверхностных волн, содержащее корпус, секта, стойки, шарниры, фиксаторы, петли, якоря, троса, трубопроводы, муфты сцепления, водяные насосы, электромагниты, сопло, ось, турбину с лопастями, генератор, состоящий из ротора и статора, электрокабель, рабочую обмотку, отличающееся тем, что корпус сопла представляет из себя сужающееся и расширяющееся симметричное вертикальное сопло, выполненное в виде плоского обтекаемого кольца, высота которого не превышает среднегодовую амплитуду волны, а диаметр половину среднегодовой длины волны, установленного стационарно на грунте за счет стоек, 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. Устройство по п.6, отличающееся тем, что генератор может находится под водой, а ротор вращаться в воздухе за счет магнитных муфт сцепления или манжетных уплотнителей, где вода ускоряется в самой узкой критической части сопла, вращая лопасти турбины, выполненные по схеме импульсной или W-T турбины, которая вращается только в одну сторону, вне зависимости от направления потока воды поступающего в сопло, при этом стационарные лопатки направляющего и выправляющего аппарата выполняющие функцию конструкции удерживающей турбину с генератором и одновременно функцию ускорителей водного потока, размещаются между собой под углом в диапазоне от 5 до 14°, которые загруглены в виде спирали в сторону вращения турбины, а для снижения потерь корпус сопла делается с криволинейными образующими и скругленными радиусами перехода в критическое сечение сопла и радиус перехода между образующими гь и гн, в пределах 0,1-НЭ,2 ед. в отношении радиуса к диаметру критический части сопла, при этом наружный диаметр корпуса сопла, делается с криволинейными внутренними и внешними образующими Rb и RH, где Rb не превышает половины среднегодовой амплитуды волны, a RH не превышает среднегодовой половины длины волны, а коэффициент сужения-рассширения сопла находится в диапазоне от 10 до 30 ед. Устройство по и.6, отличающееся тем, что подъем или опускание корпуса сопла относительно грунта производится за счет водяного насоса, который откачивая или закачивая воду в корпус сопла перемещает его по вертикали, после чего производится фиксация положения фиксатором на стойках способных изменять свою длину, а за счет шарниров, корпус устанавливается под любым углом у относительно плоскости воды, при этом вышеперечисленная особенность позволяет использовать коснтрукцию волновой станции для улавливания и сборки мусора на сетках защищающих турбину сверху и снизу корпуса сопла. Устройство по и.6, отличающееся тем, что магнитные полюса ротора генератора одновременно являются лопастями водной турбины создающими электромагнитное поле, вырабатывающее электроэнергию за счет статора размещенного внутри корпуса сопла, содержащего рабочую обмотку, а рабочая обмотка возбуждающая магнитное поле находятся внутри лопастей турбины, где для получения возбуждающего магнитного поля применяют обмотку возбуждения, располагаемую на роторе генератора или эта обмотка подключается к источнику постоянного тока через скользящие контакты, а для генератора малой мощности лопасти турбины выполнены с постоянными магнитами, при этом для повышения энергоэффективности поверхность корпуса сопла и лопастей аппарата изготовлены из солнечных панелей улавливающих прямые и отраженные водой солнечные лучи. Устройство по п.6, отличающееся тем, что два и более корпуса сопла устанавливаются в линию на стойках, где конструкция волновой станции выполняется с массивным корпусом и стойками из железобетона и крепится на грунте в заданном положении без регулировки по высоте относительно грунта, выполняя функции в качестве опоры моста, волнореза, или водной дороги, а на больших глубинах волновые станции устанавливаются на шарнирах, которые вверху закреплены с полотном дороги, а внизу с трубопроводом состоящим из секций, где внутри проведены электрокабеля для передачи электроэнергии, опресненной воды или водорода, при этом трубопровод служит опорой для линии волновых станций и полотна дороги, удерживаясь на плаву за счет выталкивающей архимедовой силы и тросов, проходящих через верхние и нижние петли, закрепленные на якорях размещенных на грунте, внутренняя часть полости трубопровода имеет объем наполняемый воздухом, который способен удерживать на плаву всю конструкцию, включая волновые электростанции и полотно дороги, при этом трубопровод размещается на глубине 5-^20 м от уровня моря, где не подвергается воздействию поверхностной волны, что позволяет строить морские дороги не устанавливая длинные стойки на больших глубинах. The method of generating electricity from surface waves accelerated by a nozzle in a housing protected by grids, fixed on the ground with racks, where the flow of water, passing the blades of the guide vane, drives a bladed turbine and water pumps that supply water to rotate the rotor of a generator that generates electricity, characterized in that that the kinetic and potential energy of the surface wave is converted according to the shortest scheme into the rotation of the turbine and the rotor of the generator that generates electricity without the use of water pumps, due to the acceleration of the water flow by the body in the form of an annular vertical symmetrical nozzle and the blades of the guiding symmetrical apparatus, where the accelerated flow is on one side the nozzle enters the turbine blades, spinning the rotor of the generator that produces electricity and, after passing through it, exiting from the other side of the nozzle, it is gradually slowed down by the symmetrical planes of the housing and the rectifier located with the opposite side, while the nozzle body is installed at a certain height from the level of the wave crest and bottom at a certain angle from the surface plane directed to meet the wave movement, and the adjustment of the vertical position of the nozzle body and the angle of inclination is selected by a computer program that works on feedback relative to the maximum amount of electricity generated by the generator, while to prevent deceleration of the surface wave flow, where water particles move in a circle, the diameter of the nozzle body does not exceed the average annual half of the wavelength, and the height of the nozzle body does not exceed the average annual wave amplitude. The method according to claim 1, characterized in that the nozzle body is automatically located in the volume of the surface wave with the help of a computer program and automatic control system, where the maximum amount of kinetic and potential energy is located, allowing you to capture the maximum amount of energy in the circular motion of the flow entering the nozzle body, as from above , and from below, while the turbine is installed in the critical part of the nozzle rotates in one direction, regardless of the direction of water flow, and the resistance to the incoming and outgoing water flow is reduced due to the twisting of the blades of the apparatus in the direction of rotation of the turbine and due to the geometry of the nozzle body, where between the outer and inner planes a smooth transition from large sections to smaller due to curvilinear generatrices and rounding of the planes of the nozzle body. The method according to claim 1, characterized in that with the help of a computer program and an automated control system, a wave power plant is submerged under water to a safe depth during storms, preventing the destruction of the structure, where the generator continues to generate electricity at a safe depth, while the body is filled to change the vertical position water or is released from it with the help of a water pump, and to smooth out the pulsations in the generation of electricity, two or more wave power plants are combined into a single electrical circuit, while allowing the use of the created structure for collecting debris particles that are trapped above and below by protective grids. The method according to claim 1, characterized in that, in order to improve energy efficiency, the surface of the nozzle body and the blades of the apparatus is made of solar panels, when cooled by water, more electricity is generated, and the functions of the turbine rotor are combined with the functions of the generator rotor, which allows for greater energy production due to water cooling, reducing the number of mechanisms and the use of unified electrical communications. The method according to claim 1, characterized in that the buildings of wave power plants line up and serve as a supporting structure for the sea road, which in case of storms is submerged under water or takes the floating sections to the side for the passage of ships, and to accommodate wave stations with a road surface on at great depths, the design relies on an underwater pipeline into which air is pumped, kept afloat by cables fixed on the ground, through which electricity, hydrogen, desalinated water or chemical products are transported. A device for generating electricity from surface waves, containing a body, a sect, racks, hinges, clamps, loops, anchors, cables, pipelines, clutches, water pumps, electromagnets, a nozzle, an axis, a turbine with blades, a generator consisting of a rotor and a stator , electric cable, working winding, characterized in that the nozzle body is a narrowing and expanding symmetrical vertical nozzle, made in the form of a flat streamlined ring, the height of which does not exceed the average annual wave amplitude, and the diameter is half the average annual wavelength, set stationary on the ground due to racks, where one part, depending on the direction of flow, works as a confuser, and the other as a diffuser, on which the blades of the directing vane are fixed, holding the turbine with blades, rotating the rotor of the generator through the axis, which generates electricity transmitted to the consumer via an electric cable. The device according to claim 6, characterized in that the generator can be under water, and the rotor can rotate in the air due to magnetic clutches or lip seals, where the water is accelerated in the narrowest critical part of the nozzle, rotating the turbine blades, made according to the impulse or WT scheme a turbine that rotates only in one direction, regardless of the direction of the water flow entering the nozzle, while the stationary blades of the guide and straightening vanes, which perform the function of a structure holding the turbine with a generator and at the same time the function of water flow accelerators, are placed between themselves at an angle in the range of 5 up to 14 °, which are loaded in the form of a spiral in the direction of rotation of the turbine, and to reduce losses, the nozzle body is made with curvilinear generators and rounded transition radii into the critical section of the nozzle and the transition radius between the generatrices rb and rn , within 0.1-NE .2 units in relation to radius to diameter, the critical part of the nozzle, while the outer diameter of the nozzle body, is made with curvilinear inner and outer generators Rb and RH, where Rb does not exceed half of the average annual wave amplitude, and RH does not exceed the average annual half of the wavelength, and the contraction-expansion coefficient nozzle is in the range from 10 to 30 units. The device according to claim 6, characterized in that the nozzle body is raised or lowered relative to the ground by a water pump, which, pumping or pumping water into the nozzle body, moves it vertically, after which the position is fixed by a latch on racks capable of changing their length, and due to the hinges, the body is installed at any angle y relative to the water plane, while the above feature allows the use of the wave station design for trapping and collecting debris on the grids protecting the turbine from above and below the nozzle body. The device according to claim 6, characterized in that the magnetic poles of the generator rotor are simultaneously the blades of a water turbine that create an electromagnetic field that generates electricity due to the stator located inside the nozzle housing containing the working winding, and the working winding that excites the magnetic field is located inside the turbine blades, where for receiving excitation magnetic field, an excitation winding is used, located on the generator rotor, or this winding is connected to a DC source through sliding contacts, and for a low-power generator, the turbine blades are made with permanent magnets, while to improve energy efficiency, the surface of the nozzle housing and the blades of the apparatus are made of solar panels capturing direct and reflected sunlight. The device according to claim 6, characterized in that two or more nozzle bodies are installed in a line on racks, where the design of the wave station is made with a massive body and racks made of reinforced concrete and is mounted on the ground in a predetermined position without adjustment in height relative to the ground, performing functions in as a support for a bridge, breakwater, or waterway, and at great depths, wave stations are installed on hinges, which are fixed at the top to the roadbed, and at the bottom with a pipeline consisting of sections, where electric cables are laid inside to transmit electricity, desalinated water or hydrogen, while the pipeline serves as a support for the line of wave stations and the roadbed, being kept afloat due to the buoyant Archimedean force and cables passing through the upper and lower loops, fixed on anchors placed on the ground, the inner part of the pipeline cavity has a volume filled with air, which is able to keep afloat the entire structure, including wave power plants and the road bed, while the pipeline is located at a depth of 5-^ 20 m from sea level, where it is not exposed to surface waves, which makes it possible to build sea roads without installing long racks at great depths.
PCT/RU2022/050097 2021-09-11 2022-03-25 Method for producing electrical energy from surface waves WO2023038543A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202280007746.8A CN116761938A (en) 2021-09-11 2022-03-25 Method for generating electrical energy from surface waves

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021126783 2021-09-11
RU2021126783A RU2782079C1 (en) 2021-09-11 Method and apparatus for generating electricity from surface waves

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023038543A1 true WO2023038543A1 (en) 2023-03-16

Family

ID=85506859

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2022/050097 WO2023038543A1 (en) 2021-09-11 2022-03-25 Method for producing electrical energy from surface waves

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN116761938A (en)
WO (1) WO2023038543A1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2277233A1 (en) * 1974-07-05 1976-01-30 Girodin Marius Variable capacity cylinder engine - has hydraulic ram adjusting crank system to vary capacity
CH660770A5 (en) * 1981-06-05 1987-06-15 Escher Wyss Ag Turbine
RU2166124C2 (en) * 1999-02-02 2001-04-27 Шпаков Григорий Тарасович Modular wave-energy hydroelectric power plant
RU2014141839A (en) * 2014-10-16 2016-05-20 Анатолий Евгеньевич Волков METHOD AND DEVICE FOR ENERGY PRODUCTION BY METHOD OF CAPTURE AND ACCELERATION OF VERTICAL WAVES
WO2019093926A1 (en) * 2017-11-07 2019-05-16 Анатолий Евгеньевич ВОЛКОВ Method and device for producing electric power

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2277233A1 (en) * 1974-07-05 1976-01-30 Girodin Marius Variable capacity cylinder engine - has hydraulic ram adjusting crank system to vary capacity
CH660770A5 (en) * 1981-06-05 1987-06-15 Escher Wyss Ag Turbine
RU2166124C2 (en) * 1999-02-02 2001-04-27 Шпаков Григорий Тарасович Modular wave-energy hydroelectric power plant
RU2014141839A (en) * 2014-10-16 2016-05-20 Анатолий Евгеньевич Волков METHOD AND DEVICE FOR ENERGY PRODUCTION BY METHOD OF CAPTURE AND ACCELERATION OF VERTICAL WAVES
WO2019093926A1 (en) * 2017-11-07 2019-05-16 Анатолий Евгеньевич ВОЛКОВ Method and device for producing electric power

Also Published As

Publication number Publication date
CN116761938A (en) 2023-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2742012C2 (en) Unidirectional hydrokinetic turbine (variants) and enclosure for such a turbine
US6731018B1 (en) Water generator oscillating due to rapid flow of fluid
US8393853B2 (en) High efficiency turbine and method of generating power
CA2614864C (en) The ocean wave energy converter (owec)
US7849596B2 (en) High efficiency turbine and method of making the same
EA014952B1 (en) Fin-ring propeller for a water current power generation system
EP2848802B1 (en) System for obtaining electrical energy from a wave motion
RU2782079C1 (en) Method and apparatus for generating electricity from surface waves
RU2347935C2 (en) In-channel river plant
WO2023038543A1 (en) Method for producing electrical energy from surface waves
US20230323849A1 (en) An Improved Apparatus And Method For Extracting Energy From A Fluid
KR20170114264A (en) The buoy, and the wave power generator using a buoy motion caused by ocean waves, and the operation and maintenance methods of wave power generator and buoy, and wave energy farm
JP2002322975A (en) Power generation device utilizing wave and tidal power
RU203188U1 (en) Underwater tidal power plant
KR101183378B1 (en) Multy Screw Type Hydraulic Turbine
GB2515577A (en) A combined floating renewable energy platform with new designs for wind and water energy recovery, also supporting solar power
CA2694150A1 (en) The helical pathway system and method for harvesting electrical power from water flows using oval helical turbines
KR20160147680A (en) Bi-Directional Tidal Current Power Generation System by Guide Structure
Subekti et al. The effect of pump diameter and penstock pipe on the electric power of a hybrid generator
CN105822499A (en) Tower type wind wave solar power generation system
Prasath et al. Utilization of Oscillating Water Column Technique for Hydro-Kinetic Energy Conversion near sea shore
CN113983040A (en) Seawater motion speed changer
RU2380479C2 (en) River hydro-electric power plant
Graw Energy Reserves from the Oceans

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22867788

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202280007746.8

Country of ref document: CN