Область использования изобретения.

Изобретение относится к энергетике и касается устройств работающих на

возобновляемых источниках энергии, а именно волновой гидроэлектростанции, использующей энергию волн океанов и морей для аккумулирования воды с целью генерации электрической энергии.

Предпосылки создания изобретения.

Известна гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС), насосно-аккумулирующая гидроэлектрическая станция, принцип действия которой заключается в преобразовании электрической энергии, получаемой от других электростанций, в потенциальную энергию воды; при обратном преобразовании накопленная энергия отдается в энергосистему главным образом для покрытия пиков нагрузки. Электроэнергия, вырабатываемая недогруженными электростанциями энергосистемы (в основном в ночные часы суток), используется ГАЭС для перекачивания насосами воды из нижнего водоема в верхний аккумулирующий бассейн. В периоды пиков нагрузки вода из верхнего бассейна по трубопроводу подводитс к гидроагрегатам ГАЭС, включенным на работу в турбинном режиме; выработанная при этом электроэнергия отдаётся в сеть энергосистемы, а вода накапливается в нижнем водоеме. Количество аккумулированной электроэнергии определяется ёмкостью бассейнов и рабочим напором ГАЭС. («Гидроаккумулирующие электростанции», Бабурин Б Л., Глезин М.Д., Красильников М.Ф., Шейнман Л. Б.; Под ред. Л.Б. Шейнмана.-М.: Энергия, 1978г., С.25-29).

Недостатками ГАЭС является то, что они для накопления воды используют

электроэнергию, вырабатываемую на других электростанциях, строятся на суше с использованием подходящего рельефа местности, при создании нижнего водоема и верхнего аккумулирующего бассейна затапливаются значительные территории земельных угодий, которые выводятся из оборота, в результате чего наносится урон природе.

Известно устройство для использования энергии волн моря, содержащее поршневой насос, установленный на дне моря и соединенный посредством выпускного клапана с нагнетательным трубопроводом, подключенным к аккумулирующему резервуару, расположенному на суше. Привод поршневого насоса осуществляется штоком, соединенным посредством коромысла с поплавком. (FR 2467997).

Недостатками данного устройства является ограниченность его использования береговой зоной, а также то, что опора, крепления, коромысло, поршневой насос, выпускной клапан, впускной клапан и часть нагнетательного трубопровода находятся в агрессивной морской среде и жидким рабочим элементом в устройстве является морская вода. Это приводит к необходимости использования дорогостоящих материалов устойчивых к воздействию агрессивной морской среды, осложнению монтажа, эксплуатации и технического обслуживания устройства.

Известно устройство для использования энергии волн водоема, содержащее поршневой насос, установленный на дне водоема и соединенный посредством выпускных клапанов с водоподъемным трубопроводом, подключенным к аккумулирующему резервуару, расположенному на суше. Привод поршневого насоса осуществляется штоком, соединенным с поплавком. (SU 1 158775).

Недостатками данного устройства является ограниченность его использования береговой зоной, низкая производительность, а также то, что поршневой насос, выпускные клапаны и часть водоподъемного трубопровода находятся в жестких условиях природной водной среды и рабочей жидкостью устройства является вода водоема. Это приводит к

необходимости использования дорогостоящих материалов, обладающих повышенной устойчивостью к коррозии, сложностям при монтаже, эксплуатации и техническом обслуживании устройства.

Известна волновая гидроэлектростанция, содержащая поршневой насос, установленный на дне водоема и соединенный посредством нагнетательных клапанов с нагнетательным трубопроводом, подключенным к аккумулирующему резервуару, расположенному на суше. Привод поршневого насоса осуществляется штоком, соединенным с поплавком. Гидроэлектростанция работает в широком диапазоне изменения высоты волн. (RU 2046995).

Недостатками данного устройства является ограниченность его использования береговой зоной, низкая производительность и то, что поршневой насос, всасывающие и

нагнетательные клапаны и часть нагнетательного трубопровода находятся в жестких условиях природной водной среды и рабочей жидкостью устройства является вода водоема. Это приводит к необходимости использования дорогостоящих материалов, обладающих повышенной устойчивостью к коррозии, осложнению монтажа, эксплуатации и технического обслуживания устройства.

Известна поплавковая насосная установка в энергетических системах на базе поплавковых насосов. Шток поршня выполнен с возможностью регулирования при помощи

телескопического выдвижения таким образом, что длина штока поршня может

увеличиваться или уменьшаться в зависимости от требований эксплуатации поплавковой насосной установки. Намагниченный поплавковый блок может иметь регулируемый по весу балласт. (RU 2430264).

Недостатками этой поплавковой насосной установки является то, что она

устанавливается в водную среду и осуществляет функционирование в жестких условиях природной среды. Это приводит к необходимости использования дорогостоящих материалов, обладающих повышенной устойчивостью к коррозии, осложнению монтажа, эксплуатации и технического обслуживания устройства.

Краткое изложение сущности изобретения.

Чтобы избежать подробностей, которые не являются необходимыми для практической реализации изобретения специалистами в данной области техники, в данном описании может быть опущена определенная информация, известная специалистам в данной области техники. Вследствие этого, последующее подробное описание не должно быть истолковано, как ограничение и объем данного изобретения определен только формулой изобретения.

Целью настоящего изобретения является разработка волновой гидроэлектростанции, использующей энергию волн океанов и морей для аккумулирования воды и

преобразования потенциальной энергии воды в электрическую энергию, работающей в широком диапазоне мощностей волн и обладающей высокой производительностью, длительным сроком эксплуатации, основные рабочие элементы которой не контактируют с агрессивной морской водой, а строительство, монтаж, эксплуатация и техническое обслуживание основных рабочих элементов характеризуются удобством и

осуществляются над морской акваторией.

Поставленная задача решается тем, что в отличие от других устройств, использующих энергию волн моря для аккумулирования воды и преобразования потенциальной энергии воды в электрическую энергию, в заявленной волновой гидроэлектростанции имеется нижний накопительный резервуар, а коромысло соединено с поплавком посредством штока и телескопической трубы, при этом поршневой насос, выпускной клапан, водоподъемная труба, верхний аккумулирующий резервуар, напорный трубопровод, гидротурбина, сбросной трубопровод, нижний накопительный резервуар и впускной клапан соединены между собой и установлены над морской акваторией на опоры, опирающиеся на дно моря или плавающую платформу, а в качестве рабочей жидкости используется техническая вода.

Краткое описание прилагаемых чертежей.

105 На фиг.1 изображена общая схема волновой гидроэлектростанции, установленной на

опорах, опирающихся на дно моря.

На фиг.2 изображен поперечный разрез волновой гидроэлектростанции, показанной на фиг.1 , выполненный по линии А - А.

На фиг.З изображен примерный порядок связки надводной части опор между собой 110 продольными, поперечными и диагональными металлическими крепежными балками на уровне установки нижнего накопительного резервуара и верхнего аккумулирующего резервуара.

Примечание: в вышеуказанных фигурах указаны: подошва волны 21 , гребень волны 22, водная среда океана или моря 23, дно состоящее из мягких отложений 24, несущее дно 25.

115 Опоры 1 изготавливаются из металла или железобетона и устанавливаются на дно моря.

Подводная часть опор, находящаяся в агрессивной морской воде, покрывается защитными полимерными материалами. Устойчивость конструкции обеспечивается за счет связки опор между собой по всей их высоте продольными, поперечными и диагональными металлическими крепежными балками 2, покрываемых защитными полимерными

120 материалами. Надводная часть опор также связывается между собой двумя ярусами

продольных, поперечных и диагональных металлических крепежных балок 2. На уровне установки нижнего накопительного резервуара 3, который изготовлен с обеспечением герметичности из металлических листов и металлоконструкций, возводится первый ярус металлических крепежных балок 2. При необходимости, укрепление конструкций

125 надводной части опор 1 осуществляется сплошным связыванием опор 1 между собой продольными, поперечным и и диагональными металлическими крепежными балками 2. Нижний накопительный резервуар 3 крепится к опорам 1 и металлическим крепежным балкам 2. К нижней части нижнего накопительного резервуара 3 крепится, с

обеспечением герметичности, корпус поршневого насоса 4. Поршень 5 поршневого

130 насоса 4 связан посредством штока 6 с малым плечом коромысла 7, при этом поршень 5 и корпус поршневого насоса 4 могут быть изготовлены различной конфигурации.

Коромысло 7 представляет собой металлоконструкцию, установленную на кронштейне 9, закрепленном на опорах и крепежных балках 2. Большое плечо коромысла 7 соединено со штоком 8, связанным с телескопической трубой 10. Телескопическая труба 10 соединена 135 с поплавком 1 1 . Поршневой насос 4 подключен посредством выпускного клапана 12 к водоподъемному трубопроводу 13. Водоподъемный трубопровод 13 соединен с верхним аккумулирующим резервуаром 14, который изготовлен с обеспечением герметичности из металлических листов и металлоконструкций. На уровне установки верхнего

аккумулирующего резервуара 14 возводится второй ярус крепежных балок 2. Верхний

140 аккумулирующий резервуар 14 крепится к опорам 1 и металлическим крепежным балкам 2. Верхний аккумулирующий резервуар 14 связан посредством напорного трубопровода 15 с гидротурбиной 16, соединенной с генератором (здесь не показано). Напорный трубопровод 15 снабжен затвором для пуска или остановки движения воды по напорному трубопроводу (здесь не показано). Гидротурбина 16 установлена над нижним

145 накопительным резервуаром 3 на металлоконструкции 17, которая крепится к опорам 1 и крепежным балкам 2. Гидротурбина 16 соединена с нижним накопительным резервуаром 3 сбросным трубопроводом 1 8. Нижний накопительный резервуар 3 соединен с поршневым насосом 4 посредством впускного клапана 1 9. Нижний накопительный резервуар 3 и верхний аккумулирующий резервуар 14 сообщаются водоотводящей трубой

150 20. Верхний аккумулирующий резервуар 14 и нижний накопительный резервуар 3 в целях обеспечения устойчивости волновой гидроэлектростанции во время сильных ветров и ураганов имеют обтекаемую форму. Верхний аккумулирующий резервуар 14 и нижний накопительный резервуар 3 могут быть изготовлены различных форм. Объем верхнего аккумулирующего резервуара 14 рассчитывается в зависимости от перекачиваемых

155 объемов воды из нижнего накопительного резервуара, расчетных показателей расхода воды, подаваемой на гидротурбину 16 или несколько гидротурбин и резервного объема воды в верхнем аккумулирующем резервуаре 14. Объем нижнего накопительного резервуара 3 рассчитывается в зависимости от поступающих объемов воды из

гидротурбины или гидротурбин, объема воды перекачиваемой в верхний

160 аккумулирующий резервуар 14 и резервного объема воды в нижнем накопительном

резервуаре 3. Заполнение водой верхнего аккумулирующего резервуара 14 и нижнего накопительного резервуара 3 осуществляется через водоналивные горловины,

снабженные крышками (здесь не показано).

По окончании строительно-монтажных работ верхний аккумулирующий резервуар и 165 нижний накопительный резервуар через водоналивные горловины заполняются

технической водой, посредством судов, имеющих на своем борту опреснительные установки или танкеров.

Высота и диаметр водоподъемного трубопровода 1 3 определяются расчетами в ходе проектирования волновой гидроэлектростанции. Водоподъемный трубопровод может 170 быть изготовлен из гибкого материала.

Использование телескопической трубы 1 0 обеспечивает нахождение поплавка 1 1 в средней волновой линии во время приливов и отливов. Удлинение и сокращение длины телескопической трубы 10 осуществляется посредством гидравлического насоса (здесь не показано). Работа гидравлического насоса управляется компьютером по установленной

175 программе с учетом изменения уровня воды во время приливов и отливов.

Поплавок 1 1 представляет собой герметичный металлический полый корпус

прямоугольной формы, с ребрами жесткости внутри поплавок. Поплавок 1 1 может быть изготовлен различных форм. Над поплавком крепится емкость из полимерных

материалов, служащая балластом с регулируемым весом, в которую для увеличения веса

180 накачивается вода, а для уменьшения веса из нее в необходимом количестве откачивается вода гидронасосом (здесь не показано). Регулируемый по весу балласт обеспечивает возможность соответствующего увеличения веса поплавка с целью увеличения усилия, действующего на большое плечо коромысла и далее на малое плечо и ш ток поршневого насоса в тех сезонах и месяцах года, в которых мощности волн превышают расчетные.

185 Этим достигается возможность увеличить объем воды, подаваемой в верхний

аккумулирующий резервуар 14 и выработку электрической энергии. Выпускной клапан 12 и впускной клапан 19, представляют собой однонаправленные гидравлические устройства, которые позволяют потоку воды проходить либо внутрь цилиндра

поршневого насоса, либо наружу из него соответственно. Длина и диаметр напорного

190 трубопровода 1 5 определяются расчетами в ходе проектирования волновой

гидроэлектростан ции .

Тип гидротурбин 1 6 выбирается исходя из обеспечения высоких значений коэффициента полезного действия в заданном диапазоне условий их работы, напоров и нагрузок.

Водоотводящая труба 20 предусмотрена для стока лишнего объема воды из верхнего

195 аккумулирующего резервуара в нижний резервуар во время снижения расхода воды, при профилактических или аварийных остановках гидротурбин. При этом верхняя горловина водоотводящей трубы 20 выше расчетного уровня воды в верхнем аккумулирующем резервуаре 14 на определенную высоту, обеспечивающей сток лишнего объема воды из верхнего аккумулирующего резервуара 14 в нижний накопительный резервуар 3 без

200 ущерба эксплуатации волновой гидроэлектростанции.

Волновая гидроэлектростанция работает следующим образом.

Во время прохождения гребня волны под поплавком, поплавок движется вверх и соответственно передает это движение вверх телескопической трубе, которая посредством штока передает это движение большому плечу коромысла. При этом, малое плечо

205 коромысла движется вниз и передает движение вниз с помощью соединенного с ним штока поршню поршневого насоса. В ходе опускания поршня вниз в цилиндре поршневого насоса давление понижается и в цилиндр поршневого насоса через впускной клапан из нижнего накопительного резервуара поступает вода. Объем воды, поступающей в цилиндр поршневого насоса, зависит от мощности волны, прошедшей под поплавком,

210 которая приводит большое плечо коромысла в движение вверх, а малое плечо коромысла в движение вниз. Энергия волны пропорциональна длине и квадрату высоты волны. Чем мощнее волна, проходящая под поплавком, тем выше подъем большого плеча коромысла и те ниже глубина опускания малого плеча коромысла и тем больше наполняемость цилиндра поршневого насоса. После прохождения волны, независимо от ее мощности,

215 совокупная масса телескопической трубы и поплавка под действием силы тяжести

движется вниз и приводит большое плечо коромысла в движение вниз, а малое плечо коромысла в движение вверх. При этом на малое плечо коромысла действует

увеличенная в кратном размере, равному отношению длин большого и малого плеч коромысла, сила тяжести, воздействующая на большое плечо коромысла. Малое плечо

220 коромысла движется вверх и передает движение вверх с помощью соединенного с ним штока поршню поршневого насоса. В ходе подъема поршня вверх в цилиндре поршневого насоса создается избыточное давление и с повышением давления впускной клапан, соединенный с нижним накопительным резервуаром, закрывается и открывается выпускной клапан, соединенный с водоподъемным трубопроводом. Вода, поступающая в

225 водоподъемный трубопровод из цилиндра поршневого насоса под напором, сливается в верхний аккумулирующий резервуар. Из верхнего аккумулирующего резервуара вода спускается по напорному трубопроводу в гидротурбину, связан ную с генератором. Вода, прошедшая через гидротурбину, поступает через сбросной трубопровод в нижний накопительный резервуар, а из него, при следующем цикле опускания поршня

230 поршневого насоса, через впускной клапан поступает в цилиндр поршневого насоса.

Длина малого плеча и длина большого плеча коромысла определяются расчетным путем с целью наиболее эффективного действия силы тяжести при движении вниз общей массы телескопической трубы и поплавка для создания расчетных показателей давления в цилиндре поршневого насоса.

235 В расчетах используются и учитываются следующие основные элементы волн: средний волновой уровень волнового профиля - делит волновой профиль так, что сумма площадей выше и ниже этого уровня равны; отдельные участки профиля волны имеют свои названия: гребень и ложбина волны - ее части выше и ниже среднего волнового уровня; вершина и подошва - высшая и низшая точки гребня и ложбины; геометрические

240 элементы волны: высота волны - превышение вершины волны над соседней подошвой; длина волны, которая представляет собой расстояние в горизонтальном направлении между вершиной и подошвой; кинематические элементы волны: период волны, интервал времени между прохождением двух смежных вершин волн через фиксированную вертикаль; скорость волны - скорость перемещения гребня волны в направлении ее 245 распространения, определяемая за короткий интервал времени, порядка периода волны.

Важнейшими показателями при проектировании волновой гидроэлектростанции являются такие, как объем и вес поплавка, соотношение длин его плеч и вес коромысла, длина измененения и вес телескопической трубы, объем цилиндра поршневого насоса, высота и диаметр водоподъемной трубы, расход воды в гидротурбине, подведенный к

250 гидротурбине напор, количество турбин, количество поршневых насосов, объемы

верхнего аккумулирующего и нижнего накопительного резервуаров, которые

рассчитываются на основании мощностей волн.

Расчет производится на основании того, что, во-первых, в данном регионе мирового океана или моря, с учетом изменений по сезонам и по месяцам года, сила волны,

255 действующая на поплавок, должна быть достаточной для подъема общей массы поплавка, телескопической трубы, штока и большого плеча коромысла на расчетную высоту, во- вторых, сила, действующая на малое плечо коромысла, должна быть достаточной для создания напора и движения воды из цилиндра поршневого насоса через водоподъемную трубу в верхний аккумулирующий резервуар.

260 Волновая гидроэлектростанция, имея один верхний аккумулирующий резервуар и один нижний накопительный резервуар, может содержать от нескольких до нескольких сот поршневых насосов и в целях повышения маневренности и эффективности при

эксплуатации может иметь несколько гидротурбин. Установленная мощность волновой гидроэлектростанции может быть от нескольких десятков МВт до нескольких сотен МВт,

265 в зависимости от потребности в электрической энергии и имеющихся мощностей волн в регионе проектируемого строительства. Верхний аккумулирующий резервуар, напорный трубопровод, гидротурбина или несколько гидротурбин и нижний накопительный резервуар могу т быть расположены на суше.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения.

270 По результатам океанологических и других исследований, мощность волн в мировом океане на каждый погонный метр достигает до 1 00 кВт на п/м. Количество волн варьируется от 4 до 21 в минуту.

Заявленная волновая гидроэлектростанция оптимальна для использования при мощностях волн от 1 0 кВт до 80 кВт на п/м волны в любых регионах мирового океана и морей.

275 Решения, примененные в заявленной волновой гидроэлектростанции, позволяют

эффективно функционировать, гибко используя волны различной мощности по сезонам й месяцам года. При этом заявленная волновая гидроэлектростанция, строительство и эксплуатация которой осуществляется в регионах, характеризуемых мощностью волн менее 10,0 кВт на п/м, количеством волн менее 4 волн в минуту, будет обладать

280 невысокой рентабельностью и длительным сроком окупаемости. Строительство и

эксплуатация заявленной волновой гидроэлектростанции в регионах, характеризуемых мощностью волны 80 кВт на п/м и более, отличаются риском в силу отсутствия стабильных внешних условий. ·

Проектирование, строительство и эксплуатация заявленной волновой

285 гидроэлектростанции не представляет сложностей для специалистов в данной области техники.

В современном мире остро ощущается загрязнение окружающей среды, изменение климата и истощение запасов пресной воды. Применение заявленной волновой

гидроэлектростанции приводит к решению глобальных проблем благодаря эффективному 290 использованию энергии волн океанов и морей.