Устройство для отбора энергии волн
Изобретение относится к устройству для отбора энергии волн. Устройство содержит плавучую платформу (2), цилиндр (1) и поршень (5) со штоком (6), соединенным со швартовочным элементом (10). По меньшей мере одна напорная труба находится в сообщении по текучей среде на своем нижнем конце с нижним участком цилиндра (1) под поршнем (5). По меньшей мере одна напорная труба обеспечена вдоль цилиндра (1) и имеет отверстие на верхнем конце, обращенное к водяной турбине (4), расположенной над цилиндром (1). Турбина (4) соединена с генератором (15). Цилиндр (1) имеет по меньшей мере одно отверстие в нижнем участке и обеспечен односторонним клапаном (22), выполненным с возможностью пропускания воды в нижний участок цилиндра (1). Цилиндр (1) имеет по меньшей мере одно отверстие в верхнем участке цилиндра, выполненное с возможностью пропускания воды в верхний участок цилиндра (1). Верхнее отверстие по меньшей мере одной напорной трубы дополнительно содержит одну или более регулируемых форсунок, выполненных с возможностью регулировки давления и скорости воды, выходящей из по меньшей мере одной напорной трубы. Изобретение направлено на создание эффективного и мощного устройства для отбора энергии волн. 12 з.п. ф-лы, 9 ил.
Настоящее изобретение относится к системе отбора мощности для использования в преобразователе энергии волн (WEC) типа точечного поглотителя. Плавучая платформа/буй/подъемное устройство может иметь несколько разных конструкций, форм и размеров. Ниже рассмотрена плавучая платформа.
Широко известно, что огромная сила морских волн может использоваться в качестве потенциального источника электрической энергии. Отношение веса воды к воздуху составляет 830/1, это говорит о том, что на гораздо меньшей площади может быть получен такой же или лучший эффект по сравнению с ветроэнергетикой. Это справедливо, даже несмотря на то, что скорость ветра в среднем выше, чем вертикальная скорость волн.
Наилучшие показатели экономической эффективности существующих волновых энергетических систем на сегодняшний день примерно на 80% выше, чем в случае ветроэнергетики. Существующие преобразователи энергии волн обеспечивают среднюю мощность на единицу от около 30 до максимум 300 кВт. Это объясняет довольно умеренный интерес со стороны коммерческих инвесторов. Несколько инвесторов и разработчиков не смогли достичь успеха в попытках сделать эти системы экономически целесообразными. Раз за разом они терпели неудачи из-за проблем, связанных с конструкцией и надежностью в суровых погодных условиях, сложных систем, состоящих из множества частей, растущих затрат, а также принципиально неверных теорий. Система, обеспечивающая всего 100 МВт, тем не менее, связана с необходимостью планирования, установки, обслуживания и мониторинга. С этой точки зрения более мощная установка будет иметь пропорционально более низкие затраты из расчета на МВт, главным образом за счет относительно меньшего количества человеко-часов и меньшего количества оборудования из расчета на МВт. По этой причине номинальная мощность ветроэнергетических установок возросла с 1 МВт до 8 МВт.
По-видимому, причина низкой выходной мощности других волновых энергетических систем включает в себя два аспекта. Во-первых, многие известные системы не имеют крепления к морскому дну. Таким образом, их выходная мощность основана только на силе тяжести и законе Ньютона без эффекта блокировки, который может быть получен с помощью точечного поглотителя. Известные точечные поглотители, имеющие блокировочное решение, являются слишком маленькими и к тому же обеспечены сложным и дорогостоящим оборудованием, что делает их менее экономически эффективными по сравнению с ветроэнергетическими установками.
Цель настоящего изобретения заключается в обеспечении концепции, которая станет важным достижением в снижении выбросов CO2, так как она сможет стать конкурентоспособной с позиции затрат на ископаемое топливо. При наилучшем раскладе это означает, что энергетические компании смогут заменить угольные энергетические установки этой системой при сопоставимых затратах и тем самым внести большой вклад в решение очень важной для человечества задачи.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения обеспечено устройство для отбора энергии волн для преобразователя энергии волн типа точечного поглотителя. Устройство содержит плавучую платформу, цилиндр, соединенный с ней, и поршень, имеющий поршневой шток, соединенный со швартовочным элементом на морском дне. По меньшей мере одна напорная труба находится в сообщении по текучей среде на своем нижнем конце с нижним участком цилиндра под поршнем. По меньшей мере одна напорная труба обеспечена вдоль цилиндра и имеет отверстие на верхнем конце, расположенное так, что вода, закачиваемая вверх по по меньшей мере одной напорной трубе, будет попадать в водяную турбину, расположенную над цилиндром, причем водяная турбина соединена с генератором. Предпочтительно напорная труба является относительно прямой и проходит параллельно цилиндру в виде трубопровода или трубы большого диаметра, но также может иметь другие формы, например, может быть обмотана вокруг цилиндра.
В соответствии с вариантом выполнения цилиндр соединен с плавучей платформой через вертлюжное соединение. Вертлюжное соединение обеспечивает возможность вращения вокруг одной или более осей. В соответствии с вариантом выполнения поршень выполнен с возможностью перемещения вверх и вниз из среднего положения в цилиндре. Предпочтительно цилиндр имеет по меньшей мере одно отверстие в сообщении по текучей среде с окружающей водой в верхнем участке и нижнем участке соответственно.
В соответствии с вариантом выполнения по меньшей мере одно отверстие в сообщении по текучей среде с окружающей водой обеспечено односторонним клапаном, пропускающим воду в нижний участок цилиндра при перемещении цилиндра вниз и, следовательно, при перемещении поршня вверх относительно цилиндра.
В соответствии с вариантом выполнения по меньшей мере одно отверстие в сообщении по текучей среде с окружающей водой обеспечено сеткой или фильтром.
В соответствии с вариантом выполнения сообщение по текучей среде между цилиндром и по меньшей мере одной напорной трубой содержит по меньшей мере один односторонний клапан, позволяющий воде перетекать из цилиндра в напорную трубу.
В соответствии с вариантом выполнения по меньшей мере две напорные трубы обеспечены с противоположных сторон цилиндра. Предпочтительно верхние отверстия по меньшей мере двух напорных труб обеспечены на разных уровнях, так что вода из по меньшей мере одного первого отверстия с первой стороны водяной турбины будет попадать в ковши в верхней части водяной турбины, а вода из по меньшей мере одного второго отверстия со второй стороны водяной турбины будет попадать в ковши в нижней части водяной турбины, или наоборот. В соответствии с вариантом выполнения одна или более напорных труб соединены с гидротурбиной с вертикальной осью (рабочее колесо расположено горизонтально), причем турбина лежит непосредственно на цилиндре, хотя и с пространством для выхода воды. Гидротурбина может иметь от одной до нескольких форсунок, а также от одного до нескольких рабочих колес. В этом варианте выполнения генератор может быть расположен непосредственно на гидротурбине.
В соответствии с вариантом выполнения по меньшей мере одна напорная труба имеет игольчатый клапан в своем верхнем отверстии. Таким образом, можно регулировать расход и давление воды из верхнего отверстия напорной трубы. Также возможны другие регулируемые форсунки, отличные от игольчатого клапана. Одним из вариантов является форсунка или отверстие фиксированного размера, особенно в случае небольших и недорогих установок, хотя это приводит к снижению эффективности.
В соответствии с вариантом выполнения по меньшей мере одна напорная труба имеет напорный клапан в своем верхнем отверстии. Предпочтительно клапан будет открываться при определенном давлении, выпуская воду из напорной трубы. Предпочтителен напорный клапан одностороннего типа.
В соответствии с вариантом выполнения водяная турбина представляет собой турбину Пелтона. В соответствии с вариантом выполнения между водяной турбиной и генератором обеспечено соединение. Предпочтительно между водяной турбиной и генератором обеспечен маховик. В случае гидротурбины с вертикальной осью и с установленным сверху генератором в соответствии с одним вариантом выполнения один маховик должен находиться непосредственно под нижним рабочим колесом, а другой сверху генератора.
В соответствии с вариантом выполнения плавучая платформа для частного использования имеет размер по меньшей мере 1 метр на 20 см. Для коммерческого использования возможен размер до 140 метров в длину, и подъемная сила более 4000 тонн, при использовании современных материалов. Со временем они будут увеличиваться.
Вкратце, изобретение можно описать как цилиндрический насос, в котором поршневой шток прикреплен к элементу, стоящему на морском дне, причем цилиндр прикреплен к плавучей платформе, и вода под давлением направляется вверх в турбину, приводящую в движение генератор. Расход воды регулируется с помощью односторонних клапанов на цилиндре, а также одной или более форсунок, обращенных к турбине, регулирующих давление и, следовательно, скорость воды, попадающей в турбину. Давление может варьироваться в диапазоне от 0 до 200 бар, в идеале от 20 до 100 бар в фазе подъема, и снижается почти до нуля в фазе опускания. Это можно представить как перевернутый водопад, поскольку величина давления воды в напорной трубе аналогична гидроэлектростанциям с падением с высоты в диапазоне от 50 до нескольких сотен метров, после запуска водяной турбины. (10 бар приблизительно эквивалентно падению воды с высоты 100 метров).
Поскольку этот принцип будет работать при любом размере, настоящее изобретение также применимо в отношении цилиндра длиной от полуметра и фактически может использоваться в бухте снаружи летнего домика. Также возможны цилиндры длиной 40 метров на глубине 60 метров или более с подъемной силой 4000 тонн, поскольку принцип является аналогичным. Крепление к морскому дну может быть реализовано с помощью груза или конструкции, засверленной в морское дно. Материал цилиндра, напорной трубы и поршня может быть выбран из нескольких материалов, хотя предпочтительны композитные материалы. Для каждой платформы может быть использован один или более цилиндров. Цилиндр может быть прикреплен к платформе жестко либо с помощью гибкого соединения, причем последнее является предпочтительным с точки зрения возможности регулировки в соответствии с качающим перемещением волн. Односторонние клапаны и форсунка (форсунки) могут открываться или закрываться в зависимости от направления потока воды и/или заданных настроек давления, но также могут управляться электронным образом с помощью датчиков или управляться компьютером.
Водяная турбина в идеале представляет собой турбину Пелтона, но концепция также применима в отношении других водяных турбин. Размер колеса турбины, а также количество рабочих колес, ковшей, форсунок/игольчатых клапанов и систем управления могут варьироваться. Маховик желателен, но не обязателен. Это, а также размер маховика, зависит от типа генератора, напряжения и размера сети и количества установок в той же области. Генератор и системы управления могут отличаться в зависимости от размера системы, пользователя, а также подключения к сети. Одним из возможных вариантов является асинхронный генератор с переменной скоростью. Поршневой шток соединен со швартовочным элементом внутри полой стойки, например, с помощью резьбы или створчатого соединения, что предпочтительно как с точки зрения установки, так и с точки зрения снятия для обслуживания. Вокруг различных отверстий могут быть обеспечены фильтры или сетки для предотвращения загрязнения системы.
В зависимости от конструкции, размера плавучей платформы от того, жестко или гибко к ней прикреплен цилиндр, может быть желателен карданный вал между водяной турбиной и генератором (при наличии, через маховик), но не обязателен. Карданный вал также может иметь шлицевое соединение.
Предпочтительно платформа должна удерживаться в приблизительном положении с помощью швартовочных тросов и якорей на морском дне, но она также будет функционировать с цилиндром и поршневым штоком в качестве единственного крепления. В отличие от других существующих систем концепция настоящего изобретения в сочетании с большими плавучими платформами с использованием современных композитных материалов может обеспечивать невероятные средние показатели производительности до 9 МВт на единицу, что в 90 раз превышает обычные системы и во много раз превышает наилучшую конкурентную производительность.
Крупнейшие в мире прибрежные ветроэнергетические установки, будучи наиболее экономичными, имеют высоту 220 метров и диаметр турбины 165 метров, вырабатывая в среднем 3,3 МВт. Их общий вес составляет около 6000 тонн, из которых 1900 тонн находятся на высоте 140 метров над морем. Система в соответствии с настоящим изобретением, имеющая подобную производительность, весит около 1700 тонн, из которых 1500 тонн приходятся на простой груз на морском дне, цепи и якоря. Всего 220 тонн приходится на платформу и оборудование, что составляет лишь малую долю от веса ветроэнергетической установки. Монтаж ветроэнергетической установки намного сложнее, чем системы в соответствии с настоящим изобретением. Поскольку высота установки намного меньше, чем в случае ветроэнергетической установки, изобретение не будет видно с берега на расстоянии 7 км, что намного меньше 52 км в случае ветроэнергетической установки с учетом кривизны Земли. Это объясняет, что зачастую они расположены на расстоянии 30-50 км от берега. Наряду с тем, что изобретение намного проще с точки зрения будущей установки и снятия, количество допустимых мест установки намного больше. Для того чтобы платформа была более заметна для других судов, сверху может быть расположен распылительный фонтан, для работы которого требуется лишь небольшая часть воды под давлением. Поскольку изобретение может быть установлено близко к берегу, вполне возможно, что это повысит его популярность среди соседей. Визуальный датчик, установленный на палубе и показывающий выходную мощность, также может повысить популярность. Стоимость смонтированной ветроэнергетической установки такого размера приблизительно составляет 200 млн. шведских крон. Стоимость системы в соответствии с настоящим изобретением в сочетании с большой плавучей платформой оценивается в 60-35% стоимости вышеуказанных ветроэнергетических установок, этот показатель вычислен в отношении затрат на выработанный МВт. Процентные затраты уменьшаются при увеличением размера. Эти цифры еще более впечатляющие по сравнению с номинальной мощностью. Эксплуатационные затраты в большинстве случаев аналогичны энергии ветра из расчета на выработанный МВт.
Вышеприведенное описание предназначено для того, чтобы показать важность реализации настоящего изобретения, а также продемонстрировать отличия от существующих систем.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее изобретение будет описано более подробно на основе примерных вариантов выполнения со ссылкой на чертежи, на которых:
Фиг. 1 иллюстрирует вариант выполнения устройства в соответствии с изобретением в сочетании с плавучей платформой, причем длинная сторона платформы обращена к волнам.
Фиг. 2 иллюстрирует устройство в соответствии с изобретением, показанное на Фиг. 1, в сочетании с платформой, причем показана короткая сторона платформы.
Фиг. 3 иллюстрирует вариант выполнения вертлюжного устройства сверху.
Фиг. 4 иллюстрирует вариант выполнения нижнего участка поршневого штока и его соединения со швартовочным элементом.
Фиг. 5 иллюстрирует вариант выполнения нижнего участка поршневого штока и его соединения со швартовочным элементом с дополнительной стойкой между поршневым штоком и U-образным соединением.
Фиг. 6 иллюстрирует соединение со швартовочным элементом, а также принцип установки с помощью тросовой лебедки. Этот вид повернут на 90 градусов относительно вида, показанного на Фиг. 4.
Фиг. 7 иллюстрирует вариант выполнения настоящего изобретения с короткой стороны платформы.
Фиг. 8 иллюстрирует другой вариант выполнения нижнего участка поршневого штока и его соединения со швартовочным элементом.
Фиг. 9 иллюстрирует другой вариант выполнения швартовки варианта выполнения настоящего изобретения, показанного на Фиг. 7, если смотреть с длинной стороны.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Все иллюстрации на чертежах предназначены для описания выбранных вариантов выполнения настоящего изобретения и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения. Настоящее изобретение относится к устройству отбора мощности для использования в преобразователе энергии волн (WEC) типа точечного поглотителя. На Фиг. 1 и 2 показан вариант выполнения, имеющий цилиндр 1, который прикреплен к плавучей платформе 2 либо жестко, либо предпочтительно подвешен на вертлюжном устройстве 3, см. также Фиг. 3. Вертлюжное устройство 3 может поворачиваться в одной или более осях. Длина цилиндра 1 может составлять от 1⁄2 метра до 40 метров и более для областей с высокими волнами и случайными блуждающими волнами. Диаметр цилиндра 1 предпочтительно должен составлять около 1/10-1/15 длины, если учитывать очень редкие блуждающие волны, но также возможны другие соотношения. Последнее зависит от площади плавучей платформы. Как правило, высота блуждающих волн может в десять раз превышать высоту нормальных волн, на практике это означает, что на побережье Атлантического океана доступная длина хода должна составлять 15 метров в каждом направлении и 30 метров в сумме. Таким образом, общая длина цилиндра должна составлять 35-40 метров. Длина поршневого штока будет аналогичной или больше в глубоких водах. Как может быть видно на фигурах, площадь плавучей платформы во много раз превышает площадь цилиндра для увеличения давления воды, закачиваемой в водяную турбину 4. Таким образом, чем больше это соотношение, тем большее давление может быть достигнуто. Это соотношение будет зависеть от оптимального сочетания расхода и давления для конкретной турбины (турбин), выбранной для конкретной установки, а также от высоты волн в конкретном месте.
Материал цилиндра 1, поршня 5, поршневого штока 6 и стойки 8 может быть выбран из нескольких вариантов, например, металла или полимерного композитного материала, содержащего армирующее волокно. Хорошей альтернативной являются многослойные композитные материалы, поскольку они очень прочные и имеют небольшую толщину по отношению к весу, не подвержены коррозии или разрушению в соленой воде, могут иметь различную форму и прочность, а также экономически выгодны. Установка также упрощается за счет меньшего веса. Над цилиндром 1 установлена водяная турбина 4, предпочтительно турбина Пелтона или турбина подобного принципа. Преимущество турбины Пелтона заключается в том, что она может работать вне воды, а также обеспечивает отличную производительность при относительно широком диапазоне давления и расхода. Срок службы на обычных гидроэлектростанциях составляет более тридцати лет. При работе с соленой водой должен использоваться немного другой сорт нержавеющей стали для предотвращения точечной коррозии ковшей и других частей турбины 4. Распространенным способом является добавление 2% молибдена. В другом случае может быть использована концепция готовой турбины. Причина установки турбины 4 непосредственно над цилиндром 1 заключается в том, чтобы исключить использование каких-либо гибких труб с ограниченным сроком службы и напрямую использовать мощность давления воды для уменьшения потери мощности. Таким образом, напорные трубы являются жесткими. Внутри цилиндра 1 находится поршень 5, предпочтительно имеющий поршневые кольца, подходящие для работы с выбранным материалом цилиндра. Поскольку направление хода поршня вверх и вниз меняется каждые 2-4 секунды, и наряду с этим скорость составляет 0,5-1,5 метров в секунду, поршневые кольца не должны выполнять полную герметизацию. Это связано с тем, что небольшая утечка при сжатии оказывает некоторое влияние на объем и скорость воды. Поршень 5 соединен с поршневым штоком 6, который скользит во втулке 7 на нижнем конце цилиндра 1. Назначение этой втулки 7 заключается в надежном удержании поршневого штока в центре цилиндра 1. Поршневой шток 6 соединен на нижнем конце с полой стойкой 8 или непосредственно с верхним участком U-образного соединения 29. Поршневой шток 6 крепится к стойке 8 или U-образному соединению 29 с помощью резьбы 31 и контргайки 30, как показано на Фигурах 4 и 5, или по принципу створок, как показано на Фигуре 1 и 2. Другим вариантом являются фланцы, которые соединяются и стягиваются большими болтами. При использовании стойки 8 и резьбы 31 они проходят внутри верхнего участка U-образного соединения 29, как показано на Фигуре 5 и более подробно описано ниже. Также возможны другие решения при условии, что они могут регулироваться в соответствии с глубиной и U-образным соединением.
Поршневой шток 6 или стойка 8, в свою очередь, соединены со швартовочным элементом 10, стоящим на морском дне, альтернативно винт или шток может быть засверлен и зацементирован в скалистом морском дне. Между швартовочным элементом 10 и стойкой 8 установлено гибкое U-образное соединение 23. Принцип работы U-образного соединения аналогичен любому набору торцевых ключей или автомобильному карданному валу.
При перемещении платформы 1 вверх на волне цилиндр 1 также перемещается вместе с ней, тогда как поршень 5 остается неподвижным. Водная масса вокруг поршня 5 также остается неподвижной. Перемещается только вода, сжимаемая и вытесняемая из по меньшей мере одного одностороннего клапана 11 в нижнем участке цилиндра 1, а также главным образом горизонтально заполняющая верхний участок цилиндра 1 через по меньшей мере одно отверстие 19. Другими словами, большая часть воды по-прежнему остается неподвижной относительно окружающей воды, это означает, что для такой работы будет задействована лишь незначительная энергия. Может быть обеспечен один или более односторонних клапанов 11. Вода под давлением будет проходить через по меньшей мере один односторонний клапан 11 внутрь и вверх по по меньшей мере одной напорной трубе 13, в показанном варианте выполнения две напорные трубы расположены с противоположных сторон снаружи цилиндра 1 параллельно цилиндру 1. Внутри цилиндра также может быть обеспечена по меньшей мере одна напорная труба 13, хотя в этом случае поршень 5 должен быть изменен. В верхнем отверстии напорной трубы 13 расположен по меньшей мере один игольчатый клапан 12 или другой клапан с аналогичной функцией открытия/закрытия, возможно, в сочетании с отдельным напорным клапаном, и они будут открываться при достижении определенного давления. Таким образом, вода будет выходить из игольчатых клапанов 13 на высокой скорости, попадая в ковши водяной турбины 4, тем самым приводя турбину в движение на оптимальной скорости. Игольчатый клапан, который регулирует давление и расход воды, попадающей в ковши, должен быть усилен, так как число перемещений будет больше, чем при обычном использовании. Одним из вариантов снижения износа стандартного игольчатого клапана является отдельный напорный клапан непосредственно перед игольчатым клапаном. Вместо игольчатых клапанов турбина может быть обеспечена форсунками, особенно при наличии множества форсунок, и, следовательно, будет использовать отдельный напорный клапан для подачи воды под давлением во впускной патрубок, обеспеченный вокруг турбины.
В соответствии с конкретным вариантом выполнения небольшой электрический водяной насос 26 в сочетании с односторонним клапаном может обеспечивать постоянную подачу воды в наивысших точках напорной трубы (труб). Линия 27 подачи может проходить вдоль напорной трубы ниже уровня моря. Поскольку игольчатый клапан и/или напорный клапан в верхнем отверстии в направлении водяной турбины закрывается не полностью герметично, электрический водяной насос будет предотвращать образование воздушных карманов во время обратного хода. Водяная турбина 4 соединена с генератором 15. Соединение предпочтительно может быть реализовано в виде карданного вала 16. Между водяной турбиной 4 и генератором 15 может быть обеспечен дополнительный маховик 14. Оптимальное давление воды, подаваемой из напорной трубы 13, будет зависеть от размера и подъемной силы плавучей платформы 2, высоты и скорости волн, диаметра цилиндра, а также от сопротивления на маховике 14 и генераторе 15. Так как при каждом вертикальном перемещении давление подается на турбину 4 с большой силой, генератор 15 испытывает довольно быстрое ускорение, даже если оно ослабляется маховиком 14. Оно может быть ослаблено с помощью торсионной муфты или муфты для передачи крутящего момента между турбиной 4 и генератором 15, подобно решениям, применяемым в ветроэнергетике. Поскольку платформа 2 может перемещаться не так, как цилиндр 1, необходимо гибкое соединение с генератором 15. Это реализовано с помощью карданного вала 16, имеющего U-образные соединения 17 на обоих концах или вблизи концов. В середине предпочтительно обеспечено шлицевое соединение 18. Таким образом, U-образные соединения 17 примут на себя частые и большие перемещения волн, ударяющихся о длинную сторону прямоугольной платформы 2, тогда как шлицевое соединение 18 будет обрабатывать меньшие перемещения при ударе волн о платформу с короткой стороны. Увеличение угла U-образных соединений 17 приводит к небольшому изменению скорости вращения с каждым оборотом. Это может привести к преждевременному износу генератора 15, в результате чего используется торсионная муфта или муфта для передачи крутящего момента в сочетании с карданным валом, подобно концепциям, используемым в ветроэнергетике. Генератор 15 предпочтительно должен быть расположен в нижней части платформы 2. Также генератор 15 может быть непосредственно прикреплен к турбине при условии достаточного пространства и с учетом дополнительного веса. Поскольку напряжение на вертлюжном устройстве 3 очень велико из-за сопротивления подъемной силы, дополнительный вес генератора окажет небольшое влияние.
Один из вариантов этого решения заключается в использовании гидротурбины 4' с вертикальной осью (рабочее колесо расположено горизонтально), причем турбина лежит непосредственно на цилиндре 1, хотя и с пространством для выхода воды, см. Фигуру 7. Гидротурбина 4' может иметь от одной до нескольких форсунок, а также от одного до нескольких рабочих колес. В этом варианте выполнения генератор 15 может быть расположен непосредственно на гидротурбине 4'. В этой конфигурации рабочим решением может являться маховик 14, расположенный непосредственно под нижним рабочим колесом, а также сверху генератора 15.
При подъеме платформы вода будет заполнять верхний участок цилиндра 1. Это реализовано с помощью больших отверстий 19 в верхнем участке. Для предотвращения попадания рыбы и других морских организмов, а также мусора, плавающего в океане, снаружи этих отверстий установлены фильтры или сетки 20. Размер фильтров 20 зависит от местности. Скорее всего, фильтр 20 будет больше, чем проиллюстрировано, поскольку площадь изображенного фильтра будет замедлять скорость воды. Таким образом, устройство в виде клетки, обеспеченное снаружи отверстий, позволит уменьшить отверстия, но по-прежнему будет обеспечивать достаточный расход воды за счет увеличенного размера поверхности, что опять-таки позволит уменьшить попадание фрагментов в цилиндр. Дополнительным вариантом является односторонний откидной клапан, так что при выдувании наружу отсутствует какой-либо фильтр. Отверстия 19 расположены в цилиндре 1 относительно высоко. Их положение должно быть таким, что более 95% высоты волн или около того не взаимодействует с отверстиями 19. Когда волны изредка вызывают прохождение поршня мимо них, эффективность теряется только в этой области, тогда как ниже будет обеспечена нормальная производительность.
При опускании платформы 2 к подошве волны вода должна заполнять нижний участок цилиндра 1. Это реализовано путем прохождения воды через по меньшей мере один фильтр или сетку 21, а затем через по меньшей мере один односторонний клапан 22. Может быть обеспечен один или более односторонних клапанов 22. Направление потока во всех односторонних клапанах показано маленькими стрелками. В этом случае фильтры 21 также могут быть большего размера, чем проиллюстрировано, т.е. общая площадь сетки будет больше, чтобы не замедлять воду и обеспечивать более мелкие отверстия. По существу это означает, что в случае если отверстия сетки имеют меньший размер, чем отверстие игольчатого клапана, любой мусор, попадающий в цилиндр, будет выдуваться через отверстие игольчатого клапана. Большинство неорганических загрязняющих веществ любого размера обычно плавают на поверхности или опускаются на дно, это означает, что обычно на глубине 20-40 метров главным образом присутствуют органические вещества, которые не будут долго задерживаться внутри цилиндра 1 или напорной трубы 13. Снаружи цилиндр 1 и платформа 2 могут быть покрыты краской против обрастания. Темнота внутри цилиндра не подходит для роста органики. Консультант, компетентный в данной области, заявляет, что это будет несущественной или умеренной проблемой, так как органику привлекают более светлые области. Обработка керамическими покрытиями дополнительно способствует уменьшению количества организмов, налипших на стенки цилиндра. Тем не менее, поршень может иметь верхнее и нижнее скребковые кольца для удаления остатков, наросших не стенке цилиндра. Так как длина хода при нормальной работе будет значительно меньше максимальной длины, может потребоваться периодическое удаление остатков в верхней и нижней областях. Это может быть реализовано путем освобождения соединения 23 и перемещения поршня на всю длину вверх и вниз. Одним из вариантов также являются водолазы, выполняющие эту работу вручную, например, с помощью воды под высоким давлением. Третий вариант заключается в установке дополнительного скребкового поршня небольшой высоты, но такого же диаметра, в нижней и верхней областях и периодического перемещения его по направлению к центру. Четвертый вариант заключается в использовании форсунок или роботов с водой под высоким давлением, управляемых снаружи водолазами или с помощью элементов дистанционного управления на борту.
При опускании платформы 2 вниз вода над поршнем будет вытекать через большие отверстия 19 с относительно небольшим сопротивлением. Это направленное наружу промывание способствует сохранению фильтров 19/20 чистыми от мусора и остатков.
В нижнем участке цилиндра 1, а также в верхнем участке напорной трубы 13 могут быть обеспечены клапаны 24 сброса избыточного давления. Вертлюжная конструкция 3, показанная на Фиг. 3, работает по тому же принципу, что и морской компас или гироскоп. В платформе 2 имеется мокрое пространство со стенками 25, показанное на Фиг 1. В стенках мокрого пространства 25 установлены большие болты с подшипниками. Они прикреплены к раме 3A, которая, таким образом, может свободно поворачиваться в одном направлении. Болты и подшипники 3C также установлены между рамой 3A и цилиндром 1. Подшипники могут быть обеспечены с обеих сторон или с одной стороны болта, принцип будет одинаков. Таким образом, цилиндр 1 может свободно перемещаться взад и вперед, а также в боковом направлении. Вертлюжное устройство 3 может быть обеспечено в соответствии с решением, показанным на чертежах, но также может отлично функционировать с одним подшипником с каждой стороны цилиндра, соединенным с платформой 2, обеспечивая свободу перемещения только по одной оси.
Мокрое пространство обеспечено дренажем для потока воды, попадающего в ковши, за счет открытой области снаружи цилиндра 1. Поскольку часть воды может просачиваться в платформу 2 там, где карданный вал проходит через стенку 25 мокрого пространства, в этой области предпочтительно обеспечен дренаж и, возможно, трюмный насос. Круглая отражающая пластина/диск 40, установленная непосредственно на карданном валу между насосом и стенкой 25, будет останавливать большую часть водных брызг на начальном этапе. Три последовательных стенки 28 с общим нижним выпуском за пластиной/диском 29 дополнительно минимизируют попадание воды внутрь платформы 2. Из-за силы тяжести и последовательной кривой брызг воды брызги воды часто попадают на одну из трех стенок.
Поскольку глубина воды в областях, выбранных для установки, будет варьироваться, длина поршневого штока или стойки или того и другого должна меняться. Глубина размещения предпочтительно должна более чем в 1,3 раза превышать самую высокую возможную блуждающую волну в соответствующей области, так как это позволит избежать разрушительных опрокидывающихся волн, и вместо этого вода будет иметь характер так называемых глубоководных волн в этом месте. Для побережья Атлантического океана эта цифра составляет 50 метров или более.
Предпочтительно обеспечение гибкой системы регулировки длины поршневого штока 6, задача которой состоит в том, чтобы поршень 5 располагался приблизительно в центральном положении при малой/средней высоте волн. Это может быть реализовано несколькими способами. Один из них заключается в обеспечении выбора разных доступных длин поршневого штока 6 и установки поршневого штока непосредственно в верхний участок 29 U-образного соединения 23, см. Фиг. 4. При такой концепции резьба 31 нижнего конца поршневого штока 6 входит в верхний участок 29 U-образного соединения. Контргайка 30 остается неподвижной, чтобы не изнашивать резьбу. Другой вариант заключается в обеспечении стойки 8, как показано на Фиг. 1, 2 и 5, между поршневым штоком 6 и верхним участком 29 U-образного соединения 23. За счет такого решения может быть обеспечена, например, только одна или две длины поршневого штока 6, но можно выбирать разную длину стойки 8. Резьба 31 на поршневом штоке 6, а также в стойке 8 может продолжаться на несколько метров для более точной регулировки требуемой длины. В этом варианте поршневой шток 6 ввинчивается до требуемого положения в стойку 8 и затягивается с помощью контргайки 30. Тот же принцип применяется к стойке 8 и верхнему участку 29 U-образного соединения 23. Вследствие этого U-образное соединение 23, показанное на Фиг. 5, будет иметь больший диаметр, чем на Фиг. 4.
В обоих вариантах нижний участок 32 U-образного соединения 23 на практике прикреплен к швартовочному элементу 10. Все вышеуказанные части предпочтительно будут установлены перед буксировкой в конечное местоположение. На месте возможны небольшие перемещения из-за волн, но это существенно способствует размещению платформы 2 короткой стороной к волнам. Водолазы контактируют с палубной командой для размещения нижнего участка 32 U-образного соединения 23 в блоке 33, см. Фиг 6. Через нижний участок 29 может проходить трос 34 с контргайкой 35 на конце. (Вместо этого гайка 35 может представлять собой две конусные половины, прижатые друг к другу вокруг троса и размещенные в установочном конусе в блоке 33). Гайка 35 и трос 34 убираются после установки. Направляющий кронштейн 36 с отверстием для троса направляет нижний участок 29 в его конечное положение. Для вытягивания троса используется ручная лебедка 37. Небольшие перемещения вверх и вниз по волнам дополнительно способствуют размещению этих частей. Посадка между нижним участком 29 и блоком 33 является герметичной. В приблизительном положении болт 38, имеющий коническую форму, забивается в положении для окончательной фиксированной установки. Контргайка 39 гарантирует неподвижное положение болта 38. Фигуры 4 и 6 соответственно повернуты на 90 градусов относительно друг друга.
Выше приведены два варианта соединения и установки системы на практике. Также возможны другие варианты, например, створчатое соединение, гибкие соединения и шкивы, а также вышеупомянутое решение с вертикальной башней, такой как стойка из швартовочного элемента на морском дне. В одном из вариантов стойка 8 и U-образное соединение 23 могут быть опущены, как показано, и вместо этого верхний участок 29 U-образного соединения 23 может быть непосредственно соединен с нижней частью поршневого штока. Нижняя часть 32 U-образного соединения 23 также может быть непосредственно соединена с блоком 33 для уменьшения количества частей. Принцип изобретения остается аналогичным. Один из вариантов также заключается в обеспечении швартовочного элемента на морском дне, форма которого подобна круглому шару 29, при этом соединение 23 будет опущено, и вместо этого будет обеспечено небольшое вращение вперед и назад в направлении самого морского дна. Вместо использования морского дна в качестве основания, подверженного проседанию, возможным вариантом является бетонное или металлическое основание 30, на котором может покачиваться круглый швартовочный элемент.
На большей глубине возникает проблема изгиба поршневого штока 6 даже при использовании стойки 8 для удлинения. Это можно предотвратить путем обеспечения отдельного более толстого и твердого штока, продолжающегося вверх от швартовочного элемента 10', тем самым поднимая соединение 23 на более подходящий уровень. Этот нижний шток может иметь разную форму, например, форму треноги 28, см. Фигуру 8. Эффект будет имитировать подъем морского дна на меньшую глубину с использованием башенной конструкции, продолжающейся снизу вверх. Таким образом, при необходимости на всех глубинах установки можно использовать поршневой шток 6 одинаковой длины и ширины. Главным преимуществом является то, что эта концепция может использоваться за пределами стран с очень глубокими водами, например, в Японии. На Фигуре 8 показаны три ноги 28A, 28B и 28C. Они образуют треугольник, если смотреть сверху. Швартовочные элементы 10' расположены на морском дне. При буксировке со строительной площадки в конечное местоположение следует учитывать глубину и сопротивление. Один из вариантов заключается в транспортировке цилиндра 1 и систем, горизонтально лежащих на платформе, с помощью судна, оборудованного краном, для установки их на месте.
Другой вариант заключается в подъеме цилиндра, например, наполовину, для транспортировки, а затем, возможно, с помощью бортового крана установки его на месте.
Третий вариант заключается в транспортировке цилиндра 1 в воде и установки его снизу. Турбина Пелтона также может находиться в воде или нет в зависимости от практических аспектов, касающихся соединений гидравлических и электрических элементов.
Электричество для работы системы может подаваться от генератора и через преобразователь может быть подключено к аккумулятору, питающему системы. Альтернативно для обеспечения аккумулятору достаточного питания также может быть использована небольшая простая ветроэнергетическая установка, поскольку периоды отсутствия ветра в море довольно коротки.
В любой технической системе имеется вероятность поломки или сдвига деталей. Помимо вышеупомянутых клапанов 24 сброса избыточного давления могут быть установлены дополнительные компоненты обеспечения безопасности. Они могут включать в себя подрывные патроны или слабые места для разрыва поршневого штока 6 или вертлюжного устройства 3 в случае заедания поршня. Подобные решения могут быть применены к некоторым швартовочным цепям для перемещения платформы в поперечном направлении от местоположения для предотвращения столкновения частей в большей мере, чем это необходимо в случае сдвигания или заедания частей. Подобным образом могут быть обеспечены элементы управления, которые сбрасывают давление через клапаны 24 сброса избыточного давления либо для предотвращения превышения максимального давления, либо для полного сброса давления в случае некоторых неисправностей. Также могут быть обеспечены сигнальные датчики, подключенные к системам пожаротушения, а также к трюмным насосам. Без перечисления всех вариантов, могут потребоваться подобные традиционные установки, как в судоходстве и авиации, особенно в более масштабных и дорогостоящих вариантах этой платформы и концепции отбора мощности.
1. Устройство для отбора энергии волн для преобразователя энергии волн типа точечного поглотителя, содержащее плавучую платформу (2), цилиндр (1), соединенный с ней и расположенный под плавучей платформой (2), и поршень (5), имеющий поршневой шток (6), выполненный с возможностью соединения со швартовочным элементом (10) на морском дне, в котором по меньшей мере одна напорная труба (13) находится в сообщении по текучей среде на своем нижнем конце с нижним участком цилиндра (1) под поршнем (5), причем по меньшей мере одна напорная труба (13) обеспечена вдоль цилиндра (1) и имеет отверстие на верхнем конце, обращенное к водяной турбине (4), расположенной над цилиндром (1), причем водяная турбина (4) соединена с генератором (15), в котором цилиндр (1) имеет по меньшей мере одно отверстие в нижнем участке и обеспечен односторонним клапаном (22), выполненным с возможностью пропускания воды в нижний участок цилиндра (1), когда цилиндр (1) перемещается вниз, и, следовательно, поршень (5) перемещается вверх относительно цилиндра (1), в котором цилиндр имеет по меньшей мере одно отверстие (19) в верхнем участке цилиндра, выполненное с возможностью пропускания воды в верхний участок цилиндра (1), когда цилиндр (1) перемещается вверх, и, следовательно, поршень (5) перемещается вниз относительно цилиндра (1), и в котором верхнее отверстие по меньшей мере одной напорной трубы (13) дополнительно содержит одну или более регулируемых форсунок, выполненных с возможностью регулировки давления и скорости воды, выходящей из по меньшей мере одной напорной трубы (13).
2. Устройство по п. 1, в котором цилиндр (1) соединен с плавучей платформой (2) через вертлюжное соединение (3).
3. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором по меньшей мере одно отверстие (19) в верхнем и/или нижнем участках цилиндра (1) обеспечено сеткой (20, 21).
4. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором сообщение по текучей среде между цилиндром (1) и по меньшей мере одной напорной трубой (13) содержит по меньшей мере один односторонний клапан (11), выполненный с возможностью обеспечения перетекания воды из цилиндра (1) в по меньшей мере одну напорную трубу (13).
5. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором по меньшей мере две напорные трубы (13) обеспечены с противоположных сторон цилиндра (1).
6. Устройство по п. 5, в котором водяная турбина (4) выполнена с горизонтальной осью вращения и в котором верхние отверстия по меньшей мере двух напорных труб (13) обеспечены на разных уровнях, так что по меньшей мере одно первое отверстие с первой стороны водяной турбины (4) обращено к ковшам в верхней части водяной турбины, а по меньшей мере одно второе отверстие со второй стороны водяной турбины обращено к ковшам в нижней части водяной турбины, или наоборот.
7. Устройство по любому из пп. 1-5, в котором водяная турбина (4) выполнена с вертикальной осью вращения.
8. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором по меньшей мере одна напорная труба (13) имеет клапан с функцией открытия/закрытия, например игольчатый клапан (12), в своем верхнем отверстии.
9. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором по меньшей мере одна напорная труба (13) имеет напорный клапан в своем верхнем отверстии.
10. Устройство по п. 9, в котором напорный клапан выполнен с возможностью открытия при достижении заданного давления.
11. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором водяная турбина (4) представляет собой турбину Пелтона.
12. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором между водяной турбиной (4) и генератором (15) обеспечено соединение (16).
13. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором между водяной турбиной (4) и генератором (15) обеспечен маховик (14).
