МАДАТ0В Артём Валериевич (пер. Цымлянский, д. 1 Днепродзержинск, Днепропетровская обл, Dneprodzerzhinsk, UA)
МАДАТ0В Артём Валериевич (пер. Цымлянский, д. 1 Днепродзержинск, Днепропетровская обл, Dneprodzerzhinsk, UA)
формула изобретения
1. устройство для преобразования энергии морских волн в механическую энергию, содержащее полунадводный ротор в виде множества ковшеобразных емкостей, которые циклически равномерно размещены вокруг в целом горизонтального вала с опорами вращения и жестко связаны с этим валом, отличающееся тем, что содержит подводный ротор, выполненный в виде множества профилированных лопаток, которые циклически равномерно размещены вокруг другого горизонтального вала с опорами вращения и жестко связаны с этим валом, при этом опоры вращения вала полунадводного ротора жестко связаны с опорами вращения вала подводного ротора посредством жесткого каркаса.
2. устройство по п. 1, отличающееся тем, что вал полунадводного ротора кинематически связан с валом подводного ротора для согласования вращения роторов и суммирования создаваемых ими вращающих моментов.
3. устройство по п. 2, отличающееся тем, что кинематическая связь валов роторов выполнена в виде кривошипно-шатунного механизма.
4. устройство по п. 1, отличающееся тем, что имеет вторую идентичную пару из полунадводного ротора и подводного ротора, при этом опоры вращения роторов второй пары жестко связаны с опорами вращения валов роторов первой пары посредством общего жесткого каркаса.
5. устройство по п. 4, отличающееся тем, что валы всех роторов кинематически связаны друг с другом обеспечения согласованного вращения всех роторов и суммирования создаваемых ими вращающих моментов.
6. устройство по п. 4, отличающееся тем, что ковшеобразные емкости и профилированные лопатки роторов второй пары ориентированы зеркально по отношению к соответственно ковшеобразным емкостям и профилированным лопаткам соответствующего ротора первой пары.
7. устройство по одному из пп.1-6, отличающееся тем, что роторы имеют в целом форму удлиненных цилиндров с множеством ковшеобразных емкостей на боковой поверхности.
8. устройство по п.7, отличающееся тем, что длина цилиндров составляет 5 - 80 м.
9. устройство по п.6, отличающееся тем, что для обеспечения синхронного и противоположного направление вращения и суммирование вращающих моментов, на валах надводных или подводных роторов первой и второй пар установлены зубчатые шестерни, находящихся в зацеплении друг с другом.
10. устройство по п.7, отличающееся тем, что ковшеобразные емкости и/или профилированные лопатки изготовлены из эластичного материала с возможностью изменять свою форму в зависимости от направления движения набегающего потока воды.
11. устройство по одному из п.п.1-10, отличающееся тем, что входные отверстия ковщеобразных емкостей по крайней мере частично обращены к обращенному навстречу волнам концу надводного ротора. |
устройство для преобразования энергии морских волн
в механическую энергию
изобретение относится к волновой энергетике, в частности, к устройствам для преобразования энергии волн на поверхности водоема, преимущественно морских или океанских волн, в полезную механическую энергию, которая может быть использована непосредственно или преобразована в другие виды энергии, например, электрическую.
известны устройства для преобразования энергии волн на поверхности воды, содержащие закрепленный на поверхности водоема ротор в виде множества полунадводных ковшеобразных емкостей, которые циклически равномерно размещены вокруг в целом горизонтального вала и жестко связаны с этим валом (WO 81/02329, Fозв 13/12, 1981; GB 2,110,763, Fозв 13/12, 1983; RU 2,065,078, Fозв 13/12, 1996). ось вращения ротора расположена на высоте среднего уровня воды и ориентирована вдоль направления распространения волн. при набегании волны ковшеобразные емкости с одной стороны ротора, обращенные устьями вверх (направленные вверх), заполняются водой. ковшеобразные емкости с другой стороны ротора, обращенные устьями вниз (направленные вниз), остаются заполненными воздухом и при погружении всего ротора в воду стремятся всплыть, за счет чего создается крутящий момент. при откате волны направленные вниз ковшеобразные емкости опорожняются, а направленные вверх ковшеобразные емкости остаются заполненными водой, что также создает направленный в ту же сторону крутящий момент.
такие устройства могут эффективно работать только при условии, что высота волн превышает вертикальный размер ковшеобразной емкости. исходя из этого требования высота ковшеобразной емкости должна быть менее среднестатистической высоты волн в данной акватории. с другой стороны, энергетическая эффективность устройства прямо пропорциональна величине
заполняемого водой объема емкости и, следовательно, ограничения по высоте ковшеобразной емкости обуславливает ограничение энергетической эффективности устройства в целом. другими словами, если для получения заданной мощности устройства его емкости должны иметь высоту 0,5 м, то это означает, что при высоте волн менее 0,5 м происходит полная остановка устройства. оптимальным в этом случае представляется установка с высотой емкостей, которая не превышает среднестатистическую высоту волн в данной акватории. такая установка будет работать практически бесперебойно, но ее удельная мощность (мощность на единицу общего объема установки) оказывается ограниченной.
в устройстве по WO 81/02329, известном как ротор винкранца, опоры вращения вала с помощью тросов прикреплены к донным опорам, чем ограничивается вертикальное и горизонтальное смещение ротора под воздействием волн и ветра. устройство содержит также платформу с установленным на ней электрическим генератором, ротор которого соединен с полунадводный ротором.
когда ротор винкранца или отдельные его участки периодически накрываются волнами, то, как это описано выше, ковшеобразные емкости с одной стороны ротора оказываются заполненными водой, а с другой стороны - свободными от воды, за счет чего создается момент сил, приводящий к вращению ротора. наиболее эффективно устройство работает при условиях, что длина ротора равна или превышает длину морской волны, в спокойной воде ротор погружен в воду наполовину и его диаметр близок к высоте волны. здесь под длиной волны понимается горизонтальное расстояние в направлении распространения волны между соседними однофазными участками поверхности волновой поверхности, например, между вершинами двух соседних волн. при этих условиях каждый из участков ротора периодически проходит фазы полного или почти полного погружения в воду и полного или почти полного выхода из воды и достигается теоретически возможный максимум отбора энергии волны. длины ветровых волн обычно находятся в пределах 20-50 м, а так называемой
«зыби» - 50-120 м. таким образом, минимальная длина ротора винкранца должна быть от 20 до 50 м. при этом конструкция ротора должна выдерживать большие механические нагрузки, которые возникают при воздействии на него морских или океанских волн. с учетом реальных условий эксплуатации конструкция такой длины обеспечение прочности ротора требует специальных решения и применения особо прочных материалов, в результате чего стоимость устройства возрастает настолько, что его эксплуатация становится нерентабельной.
задачей настоящего изобретения является создание устройства для преобразования энергии морских волн в механическую энергию роторного типа, в котором при любой длине ротора будет обеспечен эффективный отбор энергии волн.
поставленная задача решается тем, что устройство для преобразования энергии морских волн в механическую энергию, содержащее пόлунадводный ротор в виде множества ковшеобразных емкостей, которые циклически равномерно размещены вокруг в целом горизонтального вала с опорами вращения и жестко связаны с этим валом, отличается тем, что содержит подводный ротор, выполненный в виде множества профилированных лопаток, которые циклически равномерно размещены вокруг другого горизонтального вала с опорами вращения и жестко связаны с этим валом, при этом опоры вращения вала полунадводного ротора жестко связаны с опорами вращения вала подводного ротора посредством жесткого каркаса.
предпочтительно, вал полунадводного ротора кинематически связан с валом подводного ротора, что позволяет согласовать скорости вращения обоих роторов и суммировать создаваемые ими вращающие моменты.
эта кинематическая связь валов роторов может быть выполнена в виде кривошипно-шатунного механизма.
устройство целесообразно выполнить в виде двух идентичных пар из полунадводного ротора и подводного ротора, опоры вращения которых жестко связаны между собой посредством общего жесткого каркаса.
при такой реализации изобретения валы всех роторов также могут быть кинематически связаны друг с другом с помощью, например, кривошипно- шатунного механизма, что обеспечивает согласованное вращение всех роторов и суммирование создаваемых ими вращающих моментов.
предпочтительно, ковшеобразные емкости и профилированные лопатки роторов одной такой пары ориентированы зеркально по отношению к ковшеобразным емкостям и профилированным лопаткам соответствующего ротора другой пары, что обеспечивает противоположное направление создаваемых ими вращающих моментов и горизонтальную устойчивость всей конструкции.
обеспечение синхронного и противоположного направление вращения и суммирование вращающих моментов, может быть обеспечено с помощью установленных на валах надводных или подводных роторов первой и второй пар зубчатых шестерен, находящихся в зацеплении друг с другом.
наиболее целесообразной формой роторов является цилиндр длиной от 5 до 80 м. короткие роторы (5 - 8 м) очень устойчивы к воздействию высоких волн и ветровых нагрузок, и, соответственно, наиболее приемлемы для использования в акваториях, где возможные сильные штормы. в защищенных от штормовых ветра и волн заливах, лагунах, бухтах и т.п. можно применять установки с более длинными, длиной до 80 м, роторами.
ковшеобразные емкости и/или профилированные лопатки могут быть изготовлены из эластичного материала, что обеспечивает возможность изменения их формы в зависимости от направления набегающего потока воды, в частности, расправляться до максимального объема когда поток воды набегает на емкость или лопатку со стороны входного отверстия, и сминаться до минимального объема при обратном направлении набегающего потока воды.
поскольку в процессе роторы будут располагаться преимущественно вдоль направления распространения волн, то предпочтительно, чтобы входные отверстия ковшеобразных емкостей были по крайней мере частично обращены концу ротора, направленному навстречу волнам.
более подробно устройство описано ниже с помощью чертежей, на которых показаны:
- фиг. 1 - схематическое изображение установки с одной парой роторов;
- фиг. 2 - схематическое изображение четырехроторной установки; фиг. 3 - кинематическая схема четырехроторной установки; фиг. 4 - кинематическая схема восьмироторной установки;
в наиболее простом варианте реализации устройство для преобразования энергии морских волн в механическую энергию содержит полунадводный ротор 1 с валом 2, установленным в опорах вращения 3, и подводный ротор 4 с валом 5, установленным в опорах вращения 6 (фиг. 1). надводный ротор 1 выполнен в виде множества ковшеобразных емкостей 7, которые циклически равномерно размещены вокруг вала 2 и жестко связаны с этим валом. подводный ротор 4 выполнен в виде множества профилированных лопаток 8, которые циклически равномерно размещены вокруг вала 5 и жестко связаны с этим валом. опоры вращения 3 надводного ротора 1 жестко связаны с опорами вращения 6 подводного ротора 4 посредством жесткого каркаса 9. надводный ротор 1 и подводный ротор 4 снабжены соответственно кривошипами 10 и 11 , которые связаны между собой шатуном 12.
входные отверстия (устья) ковшеобразных емкостей по крайней мере частично обращены к тому концу надводного ротора, который в рабочем состоянии обращен навстречу валнам..
как ковшеобразные емкости так и профилированные лопатки могут быть изготовлены из эластичного, устойчивого к многократному изгибанию
материала, например, из армированной тканью листовой резины, полимерных пластин и т.п. (на фиг. не показано).
внешний диаметр D полунадводного ротора 1 выбран таким, чтобы он был примерно равен среднестатистической высоте волны H, характерной для данной акватории, а окружной размер h ковшеобразных емкостей на периферии ротора 1 выбран таким, чтобы он был заведомо меньшим этой высоты волны. высота L жесткого каркаса 9 может составлять величину 2H или более; предпочтительно она должна быть больше глубины, на которую распространяются вызываемые волной возмущения. в данном примере длина ротора значительно меньше длины волны.
в рабочем состоянии устройство помещено в воду и прикреплено тросами к береговым или донным опорам для исключения неконтролируемого горизонтального перемещения (на фиг. не показаны). оси роторов 1 и 4 расположены в целом горизонтально и вдоль направления распространения волн в данной акватории. полунадводный ротор 1 находится в полупогруженном состоянии на поверхности воды, в подводный ротор 4 полностью погружен в воду и находится в области относительно спокойной воды, где амплитуда и фаза вертикальных перемещений слоев воды незначительна или отличается от амплитуды и/или фазы волновых колебаний на поверхности водоема. поскольку длина ротора значительно меньше длины волны, можно считать, что в любой момент времени все участки по длине ротора находятся на одной глубине.
когда волна прокатывается вдоль полунадводного ротора 1, ротор оказывается погруженным в воду на максимальную глубину (положение уровня воды относительно ротора 1 в этой фазе показано линией мах) и на минимальную глубину (положение уровня воды относительно ротора 1 в этой фазе показано линией MIN).
когда положение уровня воды относительно полунадводного ротора 1 является минимальным, ковшеобразные емкости 7 с одной стороны ротора,
обращенные устьями вверх (направленные вверх), полностью или частично заполнены водой от предыдущей волны, а с другой стороны ротора эти емкости свободны от. воды, поскольку обращены устьями вниз (направлены вниз). на боковых сторонах ротора возникает разность масс, которая создает крутящий момент, стремящийся провернуть ротор в сторону заполненных водой емкостей 7 (против часовой стрелки на фиг. 1).
при набегании волны на этот участок ротора 1 уровень воды относительно него повышается, направленные вверх устьями ковшеобразные емкости 7 с одной стороны ротора заполняются водой и имеют нулевую или отрицательную плавучесть. в то же время направленные вниз ковшеобразные емкости 7 с другой стороны ротора остаются заполненными воздухом и при погружении в воду приобретают положительную плавучесть, т.е. стремятся всплыть. таким образом на боковых сторонах ротора 1 образуется разность плавучести, которая создает крутящий момент, также направленный против часовой стрелки на фиг. 1.
при спаде волны уровень воды относительно этого участка ротора 1 понижается, направленные вверх ковшеобразные емкости 7 с одной стороны ротора остаются заполненными водой, направленные вниз ковшеобразные емкости 7 с другой стороны ротора опорожняются. вновь на боковых сторонах ротора возникает разность масс, которая создает крутящий момент, стремящийся провернуть ротор против часовой стрелки.
в случае, если ковшеобразные емкости обращены устьями навстречу набегающей волне, возникает дополнительный крутящий момент за счет гидродинамического давления на боковую стенку емкостей.
если ковшеобразная емкость изготовлена из эластичного материала, то при набегании потока воды со стороны входного отверстия емкость расправляется и ее объем становится максимальным. при обратном направлении набегающего потока воды емкость сминается этим потоком и ее объем становится минимальным, что позволяет реализовать максимально
возможную разность сил, приложенных к диаметрально противоположным емкостям и получить максимальный вращающий момент.
поскольку установка в целом обладает положительной плавучестью, то при подъеме и спаде уровня воды вся конструкция установки стремится подниматься и опускаться относительно дна водоема синхронно с изменением уровня воды, т.е. просто плавать на поверхности волн. если ей это позволить, то изменение уровня воды относительно полунадводного ротора происходить не будет или оно будет минимальным и, соответственно, установка работать не будет или будет работать крайне неэффективно. этому препятствует подводный ротор 4, который находится глубже или на границе зоны возмущения, вызываемой волнами, с жестко связан с полунадводным ротором 1 посредством каркаса 9. когда уровень воды относительно полунадводного ротора 1 изменяется и установка стремится соответственно изменить свое вертикальное, подводный ротор 4 встречает сопротивление воды своему движению и тормозит этот процесс, хотя полностью его не останавливает, благодаря этому установка хотя и совершает колебательные движения в вертикальном направлении, но амплитуда этих колебаний значительно меньше высоты волн. благодаря форме лопаток 8 перемещение подводного ротора 4 вырабатывает крутящий момент, которые через кривошип 11, шатун 12 и кривошип 10 суммируется с крутящим моментом от полунадводного ротора 1. суммарный момент может быть передан на нагрузку, например, на установленный на плавучей платформе генератор электрического тока, с помощью обычных механизмов, таких как, например, цепная передача, зубчатый редуктор, кривошипно-шатунный механизм, гибкий вал и т.п.
такая двухроторная установка будет эффективно работать при длине как меньшей, так и большей длины волны. на практике длина установки должна выбираться максимально большой с учетом ограничений, накладываемыми затратами, быстро растущими с увеличением ее длины.
взаимодействие вращающихся роторов двухроторной установки с водой приводит к возникновению горизонтальной силы, которая стремится сместить установку в направлении вращения роторов. для компенсации этого эффекта целесообразно в одной установке объединить две пары роторов по фиг.l. кинематическая схема такой четырехроторной установки показана на фиг. 2. эта установка полностью включает описанную выше конструкцию, которая дополнена вторым полунадводным ротором 13 с ковшеобразным емкостям 14, валом 15, опорой вращения 16 и кривошипом 17, и вторым подводным ротором 18 с лопатками 19, валом 20, опорой вращения 21 и кривошипом 22. опоры вращения 16 и 21 жестко связаны с общим для всей установки каркасом 9. кривошипы 17 и 22 кинематически связаны друг с другом шатуном 23. по крайней мере один из элементов механизма второй пары роторов - ротор 13, ротор 18, кривошип 17, кривошипом 22 или шатун 23 - кинематически связан с одним из элементов механизма первой пары роторов — ротором 1, ротором 4, кривошипом 10, кривошипом 11 или шатуном 12. одна из возможных схем кинематической связи этих элементов показана на фиг. 3. ковшеобразные емкости 14 ротора 13 ориентированы зеркально по отношению к ковшеобразным емкостям 7 ротора 1, а лопатки 19 ротора 18 ориентированы зеркально по отношению к лопаткам 8 ротора 4.
вторая пара роторов 13 и 18 работает аналогично первой паре роторов 1 и 4 с той только разницей, что направление вращение второй пары роторов 13 и 18 противоположно направлению вращения первой пары роторов 1 и 4. в результате горизонтальные силы, которые возникают от взаимодействия вращающихся с водой каждой пары роторов будут направлены в противоположных направлениях и будут компенсировать друг друга, чем достигается гораздо большая горизонтальная устойчивость четырехроторной установки в сравнении с двухроторной установкой.
на фиг. 3 показана упрощенная кинематическая схема четырехроторной установки, в которой полунадводные роторы кинематически связаны между собой и с нагрузкой, обозначенной позицией 24, посредством зубчатой
передачи. такая конструкция обеспечивает суммирование всех крутящих моментов, вырабатываемых роторами и передачу суммарного момента на нагрузку.
мощность всей установки может быть увеличена за счет дальнейщего наращивания количества пар роторов, размещенных на общем жестком каркасе. на фиг. 4 показана кинематическая схема восьмироторной установки, в которой к описанной ранее четырехроторной конструкции добавлено еще четыре ротора 25, 26, 27 и 28, аналогичных первым четырем роторам. полунадводный ротор 25 кинематически связан шатуном 29 с подводным ротором 26 и шатуном 30 - с полунадводным ротором 1. подводный ротор 28 кинематически связан шатуном з l с полунадводным ротором 27, и шатуном 32 - подводным ротором 18.
ясно, что количество таких пар можно наращивать и далее до разумных с инженерной точки зрения размеров.
таким образом, наличие подводного ротора, связанного жесткой рамой с полунадводным ротором, обеспечивает возможность эффективного отбора энергии морских волн в механическую энергию при любой длине ротора. в сравнении с ротором винкранца к.п.д. установки по изобретению, особенно с эластичными ковшеобразными емкостями, может быть увеличен в 2 раза (до 50%) за счёт того, что полунадводные роторы полностью погружаются в воду, количество ковшеобразных емкостей, заполненных водой в каждый момент времени, удваивается. при этом к.п.д. установки по изобретению не зависит от длины волны на море.
качественно новый эффект заключается в:
уменьшении габаритов и материалоёмкости конструкции за счёт укорочения роторов и исключения тормозного диска;
снижении потерь энергии на трение сминаемых (складывающихся) ковшей емкостей из эластичного материала - резины или пластика;
оптимизации пропорций рамы (уменьшения отношения длины к ширине и высоте), что увеличивает механическую устойчивость конструкции к деформации;
уменьшение минимальной амплитуды волн, при которой установка начинает работать и увеличение крутящего момента и к.п.д. роторов с эластичными ковшеобразными емкостями путём уменьшения сопротивления вращению за счёт использования складывающихся (сминаемых) ковшеобразных емкостей;
увеличение к.п.д. установки за счёт использования эффективного гидродинамического тормоза - подводных роторов;
увеличении остойчивости вэу к опрокидыванию большими волнами за счёт расположения центра тяжести конструкции ниже уровня воды.