RU193679U1 - WAVE ENERGY CONVERTER - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области гидравлических машин, предназначенных для получения энергии из движений водных волн. Преобразователь энергии волн состоит из продолговатого поплавкового буя, постоянно погруженного нижнего опорного буя, отсека генератора и механизма отбора мощности, приводимого в действие жесткими тягами, выполненными с возможностью скольжения в направляющих, одноточечной системы якорения.Новым является то, что отсек генератора и механизма отбора мощности расположен на поплавковом буе, причем от механизма выведены два одинаковых соосных вала, по одному с каждой из длинных сторон буя, две жесткие тяги, имеющие форму вилки, закреплены в верхней части на каждом из валов с помощью храповых механизмов противоположного вращения, наклонные направляющие, обеспечивающие каждая свободное скольжение нижней части одной из тяг, сходятся в верхней части над центром опорного буя и закреплены на опорном буе в нижней части, опорный буй имеет круглое сечение в горизонтальной плоскости, система якорения прикреплена к преобразователю энергии волн в одной точке - центральной нижней точке опорного буя.Указанная конструкция самостоятельно ориентируется в преобладающем направлении распространения волн, работает как при росте волны, так и при ее спаде, использует и потенциальную, и кинетическую энергию волны, легко отклоняется при экстремальных волновых нагрузках, предохраняя элементы конструкции от разрушения, вырабатывает электрическую энергию непосредственно на преобразователе для последующей ее передачи на берег.The utility model relates to the field of hydraulic machines designed to generate energy from the movements of water waves. The wave energy converter consists of an elongated float buoy, a permanently submerged lower reference buoy, a generator compartment and a power take-off mechanism driven by rigid rods made to slide in guides, a single-point anchoring system. New is that the generator compartment and the power take-off mechanism located on the float buoy, and two identical coaxial shafts, one on each of the long sides of the buoy, are removed from the mechanism, two rigid rods, shaped like forks, are fixed in the upper part on each of the shafts using ratchet mechanisms of opposite rotation, the inclined guides ensuring each free sliding of the lower part of one of the rods converge in the upper part above the center of the support buoy and are fixed on the support buoy in the lower part, the support buoy has a circular horizontal cross section planes, the anchoring system is attached to the wave energy transducer at one point - the central lower point of the reference buoy. The indicated design is independently oriented in the prevailing direction of distribution wave elimination, works both during wave growth and during its decline, uses both potential and kinetic wave energy, easily deflects under extreme wave loads, protecting structural elements from destruction, generates electrical energy directly on the converter for its subsequent transfer to shore.

Description

Область техникиTechnical field

Настоящая полезная модель относится к области гидравлических машин, погруженных в воду, использующих перемещение элемента, приводимого в действие энергией волны, относительно другого элемента, а именно -к преобразователю энергии волн поплавкового типа, предназначенному для получения энергии из движений водных волн при расположении за пределами береговой линии.This utility model relates to the field of hydraulic machines immersed in water, using the movement of an element driven by wave energy relative to another element, namely, to a float type wave energy converter designed to receive energy from the movements of water waves when located outside the coastal lines.

Уровень техникиState of the art

Известно большое количество различных типов поплавковых преобразователей энергии волн в электрическую энергию. Большинство из них требуют использования устройств, которые компенсируют движение во время роста волны, например противовесов (WO 2013052447 2013-04-11), механических (WO 2007130525 2007-11-15) или пневматических пружин (GB 2540615 2017-01-25), что приводит к потерям в объеме используемой энергии волн. Другие решения обращаются к жестко фиксированным основаниям на дне океана (например, WO 2016195600 2016-12-08), что увеличивает стоимость преобразователя, поскольку требует дополнительных подконструктивных элементов для упрочнения структуры в условиях сильных волн. Кроме того, такая конструкция требует решения проблемы ориентации преобразователя в направлении распространения волн.A large number of different types of float converters of wave energy into electrical energy are known. Most of them require the use of devices that compensate for movement during wave growth, such as counterweights (WO 2013052447 2013-04-11), mechanical (WO 2007130525 2007-11-15) or pneumatic springs (GB 2540615 2017-01-25), which leads to losses in the volume of wave energy used. Other solutions turn to rigidly fixed bases on the ocean floor (for example, WO 2016195600 2016-12-08), which increases the cost of the transducer because it requires additional structural elements to strengthen the structure in strong waves. In addition, this design requires solving the problem of the orientation of the transducer in the direction of wave propagation.

В патенте ЕР 2245299 2015-04-08 описан преобразователь, в котором используется инерционный противовес в сочетании с плавучим буем, при этом энергия захватывается при движении плавучего буя к противоположной стороне инерционной массы с использованием гидравлических цилиндров или шланговых насосов. В любом случае часть захваченной энергии будет использоваться для восстановления положения инерционной массы относительно плавучего буя, снижая таким образом эффективность преобразователя.EP 2245299 2015-04-08 describes a transducer in which an inertial counterweight is used in combination with a floating buoy, and energy is captured when the floating buoy moves to the opposite side of the inertial mass using hydraulic cylinders or hose pumps. In any case, part of the captured energy will be used to restore the position of the inertial mass relative to the buoy, thereby reducing the efficiency of the transducer.

В патенте ЕР 2094966 2016-08-03 используется плавающее основание для размещения генератора и фиксация плавучего буя (активный поплавок) для захвата энергии волн. Этот преобразователь работает так же, как и инерционное взаимодействие активного поплавка и реактивного тела с волнами. Когда частота волн уменьшается, эффективность преобразователя значительно снижается, в том числе за счет уменьшения разности реакции активной и реактивной частей.EP 2094966 2016-08-03 uses a floating base to house a generator and a floating buoy (active float) to capture wave energy. This converter works in the same way as the inertial interaction of the active float and the reactive body with the waves. When the wave frequency decreases, the efficiency of the converter is significantly reduced, including by reducing the difference in reaction between the active and reactive parts.

Другие решения, такие как устройства, продаваемые Компанией Ocean Power Technologies, вырабатывают энергию за счет различия в реакциях поплавка и платформы, оборудованной тяжелой плитой для увеличения инерции, на воздействия волн.Other solutions, such as devices sold by Ocean Power Technologies, generate energy due to differences in the responses of the float and the platform, equipped with a heavy plate to increase inertia, to the effects of waves.

Известна морская волновая энергоустановка, согласно US 4258270 А 1981-03-24 (колонка 6, абзац 4), представляющая собой два плавучих тела, одно из которых является опорным, а второе - рабочим. Рабочее тело прикреплено к опорному телу в плоскости распространения волны таким образом, что под действием набегающего потока отклоняется вверх и назад, совершая движения по части окружности с центром в месте крепления рабочего тела к опорному, при этом задняя поверхность рабочего тела выполнена соответствующей такой окружности с целью минимизировать сопротивление воды в пространстве между рабочим и опорным телом движению рабочего тела. Использование потенциальной компоненты волны не является ключевой для данного решения, поскольку для эффективного использования разницы уровня воды при росте и спаде волны (при обычной длине волны в десятки метров) центры тяжести плавучего рабочего и плавучего опорного тела должны быть значительно разнесены друг от друга по оси распространения волны. Для позиционирования устройства, согласно US 4258270 А, используются одноточечная система крепления ко дну и многоточечная система крепления к самому преобразователю. Такая система позволяет ориентировать конструкцию в направлении преимущественного распространения волн, но плохо компенсирует негативное воздействие отдельных нерегулярных волн, направление которых отличается от направления преимущественного распространения. Это объясняется относительно большим удалением конструкции от точки крепления на дне и, соответственно, необходимостью большого смещения всей конструкции для изменения угла восприятия волн (Для компенсации такого недостатка автор предполагает выполнить преобразователь в целом из отдельных элементов, имеющих некоторую свободу перемещения относительно друг друга при помощи упругих муфт).Known marine wave power plant, according to US 4258270 A 1981-03-24 (column 6, paragraph 4), which consists of two floating bodies, one of which is a reference, and the second is a worker. The working fluid is attached to the supporting body in the plane of wave propagation in such a way that, under the action of the incident flow, it deviates up and back, making movements along a part of the circle centered at the place of fastening of the working fluid to the supporting one, while the rear surface of the working fluid is made corresponding to such a circle in order to minimize the resistance of water in the space between the working and supporting body to the movement of the working fluid. The use of the potential component of the wave is not key for this solution, since for the effective use of the difference in water level during growth and decline of the wave (at a usual wavelength of tens of meters), the centers of gravity of the floating working and floating supporting bodies should be significantly spaced from each other along the propagation axis the waves. For positioning the device, according to US 4258270 A, a single-point bottom mounting system and a multi-point mounting system to the transmitter itself are used. Such a system allows you to orient the structure in the direction of the predominant propagation of waves, but poorly compensates for the negative impact of individual irregular waves, the direction of which differs from the direction of predominant propagation. This is explained by the relatively large distance of the structure from the attachment point at the bottom and, accordingly, the need for a large displacement of the entire structure to change the angle of perception of waves (To compensate for this drawback, the author proposes to perform the converter as a whole from individual elements having some freedom of movement relative to each other using elastic couplings).

Существует потребность в преобразователе энергии волн, эффективность которого не уменьшается движущимися частями, и который способен приспосабливаться к изменению направления волны, не расходуя полный потенциал энергии волны, а именно:There is a need for a wave energy converter, the efficiency of which is not reduced by moving parts, and which is able to adapt to a change in the direction of the wave without spending the full potential of the wave energy, namely:

легко ориентироваться в преобладающем направлении распространения волн;easy to navigate in the prevailing direction of wave propagation;

работать на поверхности или в приповерхностном слое воды;work on the surface or in the surface layer of water;

работать в направлении распространения как потенциальной, так и кинетической энергии волны;work in the direction of propagation of both potential and kinetic wave energy;

иметь как можно более жесткую точку опоры рабочего тела и, в то же время, способность компенсировать негативное воздействие волн, которое невозможно утилизировать;have the hardest possible fulcrum of the working fluid and, at the same time, the ability to compensate for the negative effects of waves that cannot be disposed of;

работать как при росте волны, так и при ее спаде;work both with the growth of the wave, and with its decline;

вырабатывать электрическую энергию непосредственно на преобразователе для последующей ее передачи на берег.generate electric energy directly on the converter for its subsequent transfer to the shore.

Сущность полезной моделиUtility Model Essence

Технической задачей настоящей полезной модели является создание преобразователя энергии волн с поплавковым и опорным буями, предназначенного для размещения вне береговой линии, который ориентируется в преобладающем направлении распространения волн, работает как при росте волны, так и при ее спаде, использует и потенциальную, и кинетическую энергию волны, легко отклоняется при экстремальных волновых нагрузках, предохраняя элементы конструкции от разрушения, вырабатывает электрическую энергию непосредственно, для последующей ее передачи на берег.The technical task of this utility model is to create a wave energy converter with float and support buoys, designed to be placed off the coastline, which is oriented in the prevailing direction of wave propagation, works both with wave growth and decay, and uses both potential and kinetic energy waves, easily deflected under extreme wave loads, protecting structural elements from destruction, generates electrical energy directly, for its subsequent Achi ashore.

Техническим решением задачи является то, что преобразователь энергии волн, состоит из продолговатого поплавкового буя, постоянно погруженного нижнего опорного буя, отсека генератора и механизма отбора мощности, приводимого в действие жесткими тягами, выполненными с возможностью скольжения в направляющих, одноточечной системы якорения. Новым является то, что отсек генератора и механизма отбора мощности расположен на поплавковом буе, причем от механизма выведены два одинаковых соосных вала, по одному с каждой из длинных сторон буя, две жесткие тяги, имеющие форму вилки, закреплены в верхней части на каждом из валов с помощью храповых механизмов противоположного вращения, наклонные направляющие, обеспечивающие каждая свободное скольжение нижней части одной из тяг, сходятся в верхней части над центром опорного буя и закреплены на опорном буе в нижней части, опорный буй имеет круглое сечение в горизонтальной плоскости, система якорения прикреплена к преобразователю энергии волн в одной точке - центральной нижней точке опорного буя.The technical solution to the problem is that the wave energy converter consists of an oblong float buoy, a permanently submerged lower reference buoy, a generator compartment and a power take-off mechanism driven by rigid rods made with the possibility of sliding in guides, a single-point anchoring system. New is that the compartment of the generator and power take-off mechanism is located on the float buoy, and two identical coaxial shafts, one on each of the long sides of the buoy, are removed from the mechanism, two rigid rods, shaped like forks, are fixed in the upper part on each of the shafts using ratchets of the opposite rotation, the inclined guides providing each free sliding of the lower part of one of the rods converge in the upper part above the center of the reference buoy and are fixed on the reference buoy in the lower part, the supporting buoy has T circular section in a horizontal plane, the anchoring system is attached to transducer wave energy in a single point - the central point of the bottom support buoy.

Сущность полезной модели поясняется чертежами и иллюстрациями, гдеThe essence of the utility model is illustrated by drawings and illustrations, where

- на фиг. 1 схематично изображен преобразователь энергии волн, фронтальный вид;- in FIG. 1 schematically shows a wave energy converter, front view;

на фиг. 2 - то же, вид сбоку;in FIG. 2 - the same side view;

на фиг. 3 - схематично отображена эффективная траектория движения преобразователя;in FIG. 3 - schematically shows the effective path of the Converter;

на фиг. 4 - график эффективной траектории движения преобразователя энергии волн;in FIG. 4 is a graph of an effective trajectory of a wave energy converter;

на фиг. 5 - возможные воздействия волн на преобразователь;in FIG. 5 - possible effects of waves on the transducer;

на фиг. 6 - фотографическое изображение опытного образца преобразователя энергии волн.in FIG. 6 is a photographic image of a prototype wave energy converter.

Основными частями преобразователя являются:The main parts of the converter are:

верхний, поплавковый буй 1 продолговатой формы;upper, float buoy 1 oblong shape;

механизм отбора мощности с генератором, расположенный в отсеке 2 вверху и в центре поплавкового буя, причем от механизма выведено два соосных вала 3 - по одному над каждой из длинных сторон буя 1, перпендикулярно этим сторонам;a power take-off mechanism with a generator located in compartment 2 at the top and in the center of the float buoy, and two coaxial shafts 3 are withdrawn from the mechanism - one above each of the long sides of buoy 1, perpendicular to these sides;

две жесткие тяги 4, выполненные в форме вилки, посаженные верхними концами на каждый из вышеуказанных валов 3, а нижними концами свободно скользящие в противоположных направляющих 5;two rigid rods 4, made in the form of a fork, planted with their upper ends on each of the above shafts 3, and the lower ends freely sliding in opposite guides 5;

сходящиеся над центром опорного буя симметрично расположенные наклонные направляющие 5, обеспечивающие каждая свободное скольжение нижнего конца одной из тяг 4;symmetrically located inclined guides 5 converging above the center of the reference buoy, providing each free sliding of the lower end of one of the rods 4;

нижний, постоянно погруженный, опорный буй 6, который имеет круглое сечение в горизонтальной плоскости (например: буй цилиндрической или конической формы), и на котором жестко зафиксированы нижние концы направляющих 5;lower, constantly submerged, supporting buoy 6, which has a circular cross section in the horizontal plane (for example: a buoy of cylindrical or conical shape), and on which the lower ends of the guides 5 are rigidly fixed;

одноточечная система якорения 7, прикрепленная к центральной нижней точке опорного буя 6.single-point anchoring system 7, attached to the central lower point of the reference buoy 6.

Указанная конструкция самостоятельно ориентируется в преобладающем направлении распространения волн благодаря воздействию кинетической компоненты волны на продолговатый верхний буй 1, в практике мореходства такой эффект называется "разворот лагом на волну". При этом круглый в горизонтальном сечении опорный буй 6, тяги 4, направляющие 5 и одноточечная якорная система 7, оказывают минимальное сопротивление такой ориентации.The indicated design independently orientates itself in the predominant direction of wave propagation due to the influence of the kinetic component of the wave on the elongated upper buoy 1, in the practice of navigation this effect is called a “turn lag on a wave”. In this case, the circular buoy 6, the thrust 4, the guides 5 and the single-point anchor system 7, round in horizontal section, provide minimal resistance to this orientation.

Верхний поплавковый буй 1, расположенный на поверхности воды абсорбирует как потенциальную энергию волны (совершая движение вверх при росте волны и вниз под действием собственного веса при ее спаде), так и кинетическую (накат волны, воздействуя на переднюю вертикальную поверхность поплавкового буя 1, отклоняет всю конструкцию в целом от вертикальной оси). За счет этого ход поплавкового буя 1 относительно опорного буя 6 возрастает, как показано на Фиг. 3а и Фиг. 3б. Движение тяг 4, передающих полезное усилие на валы 3 механизма отбора мощности, при этом происходит в одной плоскости, в которой и расположен результирующий вектор энергии волны.The upper float buoy 1, located on the surface of the water, absorbs both potential wave energy (moving upward when the wave grows and down under the influence of its own weight during its decline), and kinetic (the wave roll, affecting the front vertical surface of the float buoy 1, rejects the whole design as a whole from the vertical axis). Due to this, the stroke of the float buoy 1 relative to the reference buoy 6 increases, as shown in FIG. 3a and FIG. 3b. The movement of the rods 4, transmitting the useful force to the shafts 3 of the power take-off mechanism, occurs in the same plane in which the resulting wave energy vector is located.

Нижний опорный буй 6 при спаде волны создает усилие, которое возвращает всю конструкцию в вертикальное положение и которое достаточно для работы генератора при движении поплавкового буя 1 вниз под собственным весом. В результате поплавковый буй 1 максимально сближается с опорным буем 6, вырабатывая энергию на спаде волны.The lower supporting buoy 6 during a wave decay creates a force that returns the entire structure to a vertical position and which is sufficient for the generator to work when the float buoy 1 moves down under its own weight. As a result, the float buoy 1 approaches as close as possible to the reference buoy 6, generating energy in a wave decay.

Если рассмотреть другие возможные воздействия волн на поплавковый буй 1 (Фиг. 4), такие как рыскание, качание относительно поперечной и продольной осей (крен и дифферент соответственно), снос в сторону, то можно увидеть, что в силу своей конструкция преобразователь легко отклоняется под их воздействием, не допуская экстремальных вредных нагрузок. Крен и снос компенсируются подвижностью нижних концов тяг 4 в направляющих 5. Дифферент преобразуется в дополнительные движения в направлениях вверх-вниз и вперед-назад, что обуславливается жесткостью в узлах крепления деталей конструкции.If we consider other possible effects of waves on the float buoy 1 (Fig. 4), such as yaw, swing relative to the transverse and longitudinal axes (roll and trim, respectively), drift to the side, we can see that, due to its design, the transducer easily deviates under their impact, avoiding extreme harmful loads. Roll and demolition are compensated by the mobility of the lower ends of the rods 4 in the guides 5. The trim is converted into additional movements in the up-down and back-and-forth directions, which is caused by stiffness in the attachment points of the structural parts.

Крепление тяг 4 на валах 3 механизма отбора мощности осуществляется с помощью храповых механизмов противоположного вращения, что обеспечивает постоянное вращение каждого вала в одном направлении при любой фазе волны.The rods 4 are mounted on the shafts 3 of the power take-off mechanism using ratchet mechanisms of opposite rotation, which ensures a constant rotation of each shaft in one direction at any phase of the wave.

Возможен вариант жесткой фиксации на валах одной тяги и свободного крепления другой тяги, при котором одна из тяг не задействована в полезной работе, а исполняет поддерживающую роль, и направление вращения валов меняется в зависимости от фазы волны, обеспечивая возможность применения принципиально другого механизма отбора мощности.A variant of rigid fixation on the shafts of one rod and the free fastening of another rod is possible, in which one of the rods is not involved in useful work, but plays a supporting role, and the direction of rotation of the shafts changes depending on the phase of the wave, making it possible to use a fundamentally different power take-off mechanism.

Claims (1)

Преобразователь энергии волн, состоящий из продолговатого поплавкового буя, постоянно погруженного нижнего опорного буя, отсека генератора и механизма отбора мощности, приводимого в действие жесткими тягами, выполненными с возможностью скольжения в направляющих, одноточечной системы якорения, отличающийся тем, что отсек генератора и механизма отбора мощности расположен на поплавковом буе, причем от механизма выведены два одинаковых соосных вала, по одному с каждой из длинных сторон буя, две жесткие тяги, имеющие форму вилки, закреплены в верхней части на каждом из валов с помощью храповых механизмов противоположного вращения, наклонные направляющие, обеспечивающие каждая свободное скольжение нижней части одной из тяг, сходятся в верхней части над центром опорного буя и закреплены на опорном буе в нижней части, опорный буй имеет круглое сечение в горизонтальной плоскости, система якорения прикреплена к преобразователю энергии волн в одной точке - центральной нижней точке опорного буя.A wave energy converter, consisting of an oblong float buoy, a permanently submerged lower reference buoy, a generator compartment and a power take-off mechanism driven by rigid rods made to slide in guides, a single-point anchoring system, characterized in that the generator compartment and a power take-off mechanism located on the float buoy, and two identical coaxial shafts, one on each of the long sides of the buoy, two rigid rods, shaped like a fork, are fixed from the mechanism in the upper part on each of the shafts with the help of ratchet mechanisms of opposite rotation, the inclined guides ensuring each free sliding of the lower part of one of the rods converge in the upper part above the center of the support buoy and are fixed on the support buoy in the lower part, the support buoy has a circular cross section in horizontal plane, the anchoring system is attached to the wave energy transducer at one point - the central lower point of the reference buoy.

Images