RU161015U1

RU161015U1 - WAVE ENERGY MODULE

Info

Publication number: RU161015U1
Application number: RU2015103258/06U
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Болотин; Павел Геннадьевич Шибин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Альянс-ЭнергоСтрой"
Priority date: 2015-02-02
Filing date: 2015-02-02
Publication date: 2016-04-10

Abstract

1. Волновой энергетический модуль, содержащий две герметичные цилиндрические капсулы, установленные одна в другой и имеющие балластные отсеки заполнения-откачки забортной водой, причем внутренняя капсула снабжена амортизаторами колебаний, стабилизатором ее вертикального положения и силовыми гидроцилиндрами динамического включения-отключения из рабочего цикла, причем в этой капсуле в водонепроницаемом отсеке размещены гидромоторы и электрогенераторы.2. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что амортизаторы колебаний выполнены пружинными с изменяемым ходом и различным коэффициентом жесткости.3. Модуль по п. 1 или 2, отличающийся тем, что стабилизатор вертикального положения выполнен в виде полуцилиндрической сферы и элемента цилиндрической поверхности, установленных на роликах между капсулами.4. Модуль по п. 1 или 2, отличающийся тем, что снабжен швартовыми растяжками, прикрепляемыми на дне моря за поворотный узел или поворотную линейную конструкцию.1. A wave energy module containing two sealed cylindrical capsules installed one in the other and having ballast compartments for filling-pumping with outboard water, the internal capsule being equipped with vibration dampers, a stabilizer of its vertical position and power hydraulic cylinders for dynamic on-off from the duty cycle, This capsule in the waterproof compartment contains hydraulic motors and electric generators. 2. The module according to claim 1, characterized in that the vibration dampers are spring-loaded with a variable stroke and a different stiffness coefficient. 3. A module according to claim 1 or 2, characterized in that the vertical stabilizer is made in the form of a semi-cylindrical sphere and an element of a cylindrical surface mounted on rollers between the capsules. 4. The module according to claim 1 or 2, characterized in that it is equipped with mooring extensions attached to the bottom of the sea for a rotary assembly or a rotary linear structure.

Description

Полезная модель относится к области альтернативной энергетики, в частности, к поплавковым волновым электростанциям (ПВЭС), преобразующим энергию морских волн в электрическую энергию.The utility model relates to the field of alternative energy, in particular, to float wave power plants (PVES), which convert the energy of sea waves into electrical energy.

Известен патент на изобретение RU №2016227, кл. F25B 13/20, опубл. 15.07.1994, в котором описывается модуль поплавковой волновой электростанции (ПВЭС), который представляет собой продолговатую осесимметричную капсулу-поплавок, располагаемую на поверхности моря в направлении местной вертикали. Внутри капсулы расположены механический преобразователь энергии волн - колебательный привод, электрогенератор и вспомогательный накопитель энергии. Колебательный привод позволяет согласовывать работу устройства с внешним волновым полем, обеспечивая оптимальные условия для отбора энергии. Под действием волн капсула-поплавок и колебательная система механического преобразователя находятся в непрерывном колебательном движении, а привод, сцепленный с последней, обеспечивает непрерывную раскрутку электрогенератора.Known patent for the invention RU No. 2016227, class. F25B 13/20, publ. 07/15/1994, which describes the module of the float wave power plant (PVES), which is an oblong axisymmetric capsule-float located on the sea surface in the direction of the local vertical. Inside the capsule there is a mechanical wave energy converter - an oscillatory drive, an electric generator and an auxiliary energy store. The oscillatory drive allows you to coordinate the operation of the device with an external wave field, providing optimal conditions for energy extraction. Under the action of the waves, the capsule-float and the oscillatory system of the mechanical transducer are in continuous oscillatory motion, and the drive, coupled with the latter, provides continuous unwinding of the electric generator.

К недостаткам ПВЭС относится многоступенчатое механическое преобразование возвратно-поступательных колебаний груза маятника в энергию вращения ротора электрогенератора: применение винтовой передачи, редуктора, системы шестерен, в совокупности, создает низкий кпд передачи, что, в свою очередь, снижает общий коэффициент полезного действия ПВЭС; динамический инерционный накопитель условиях морской качки, кроме накопления энергии и создания более постоянной частоты вращения для электрогенератора, в тоже время проявляет и отрицательные воздействия на энерговыработку, так как кроме полезных вертикальных колебаний ПВЭС всегда испытывает различные другие сторонние колебания, относительно своей вертикальной оси, создавая гамму инерционных усилий на вращающийся маховик, которые замедляют его вращение с электрогенератором, а раскрутка маховика за счет электродвигателя создает отбор электрической мощности от электрогенератора, уменьшая, тем самым, его КПД и выработку электроэнергии. В данном устройстве отсутствуют какие-либо технические решения, с помощью которых можно было бы компенсировать или снять вредные воздействия сторонних сил.The disadvantages of PVES include the multistage mechanical conversion of the reciprocating oscillations of the pendulum load into the energy of rotation of the rotor of the electric generator: the use of a helical gear, gearbox, gear system, together, creates a low transmission efficiency, which, in turn, reduces the overall efficiency of PVES; dynamic inertial storage under sea rolling conditions, in addition to accumulating energy and creating a more constant speed for the electric generator, at the same time it also has negative effects on energy production, since in addition to useful vertical vibrations, PVES always experiences various other external vibrations, relative to its vertical axis, creating a gamma inertial forces on the rotating flywheel, which slow down its rotation with the electric generator, and the promotion of the flywheel due to the electric motor creates boron of electric power from the generator, thereby reducing its efficiency and power generation. This device does not have any technical solutions with which it would be possible to compensate or remove the harmful effects of external forces.

Как результат, низкая электрическая мощность - 3 кВт при значительных вертикальных размерах 21 метр и массе - 25 т, исходя из этих данных, удельный показатель вырабатываемой электрической мощности на один метр ПВЭС составляет 0,14 кВт/м (3 кВт/21 м), показатель металлоемкости конструкции ПВЭС на один куб. метр составляет 0,77 т/м³ (25 т/32,3 м³), удельный показатель вырабатываемой электрической мощности на одну тонну конструкции составляет 0,12 кВт/т (3 кВт/25 т), удельный показатель вырабатываемой электрической мощности на один м объема конструкции составляет 0,093 кВт/м³ (3 кВт/32,3 м³) - очень низкие удельные показатели. Вертикальные размеры конструкции не позволяют устанавливать ПВЭС вблизи берега, так как для ее безопасной работы необходимая глубина должна составлять не менее 40 метров, при качке вся длина ПВЭС будет уходить под воду, но еще необходим запас по глубине для безопасной работы. Удаленность конструкции от берега, в свою очередь, увеличивает протяженность электрических кабелей. Все выше перечисленные факторы и низкие удельные показатели делают данную ПВЭС малоэффективной для применения.As a result, low electric power - 3 kW with significant vertical dimensions of 21 meters and a mass of 25 tons, based on these data, the specific indicator of the generated electric power per meter of PVES is 0.14 kW / m (3 kW / 21 m), the rate of metal consumption of the PVES design per cubic meter. the meter is 0.77 t / m ³ (25 t / 32.3 m ³ ), the specific indicator of the generated electric power per ton of construction is 0.12 kW / t (3 kW / 25 t), the specific indicator of the generated electric power per one m of the construction volume is 0.093 kW / m ³ (3 kW / 32.3 m ³ ) - very low specific indicators. The vertical dimensions of the structure do not allow the installation of PVES near the coast, since for its safe operation the required depth should be at least 40 meters, when rolling, the entire length of the PVES will go under water, but a depth margin is still necessary for safe operation. The remoteness of the structure from the shore, in turn, increases the length of the electric cables. All of the above factors and low specific indicators make this PVES ineffective for use.

Известна также система Pelamis, (см. https://www.membrana.ru/, www.Dailyновости науки и технологий, новинки техники, www.Pelamis). Pelamis - плавающая энергетическая установка для преобразования энергии морских волн в энергию электрическую. Установка была испытана в 2008 году на энергостанции Agucadoura Wave Farm, расположенной близ берегов Португалии.The Pelamis system is also known (see https://www.membrana.ru/, www.Dailynews of science and technology, new technologies, www.Pelamis). Pelamis is a floating power plant for converting the energy of sea waves into electrical energy. The installation was tested in 2008 at the Agucadoura Wave Farm power station, located off the coast of Portugal.

Плавающая система Pelamis состоит из цилиндрических, подвижных секций, которые, изгибаясь на волнах, перемещают, находящиеся внутри, гидравлические поршни, прокачивающие масло через гидравлические двигатели, в свою очередь, вращающие электрогенераторы.The Pelamis floating system consists of cylindrical, movable sections that, curving on the waves, move the hydraulic pistons inside, pumping oil through hydraulic motors, which in turn rotate the electric generators.

Размеры одной системы: 120 метров в длину и 3,5 метра в диаметре. Вырабатываемая электрическая мощность 750 кВт. Общая масса конструкций 750 т. КПД установки составляет 25-40%. Удельные показатели системы: удельный показатель вырабатываемой электрической мощности на один метр Pelamis составляет 6,25 кВт/м (750 кВт/120 м), показатель металлоемкости конструкции на один куб. метр составляет 0,65 т/м3 (750 т/1154 м3), удельный показатель вырабатываемой электрической мощности на одну тонну конструкции составляет 1,0 кВт/т (750 кВт/750 т), удельный показатель вырабатываемой электрической мощности на один куб. метр объема конструкции составляет 0,65 кВт/м3 (750 кВт/1154 м3).Dimensions of one system: 120 meters in length and 3.5 meters in diameter. The generated electric power is 750 kW. The total mass of structures is 750 tons. The efficiency of the installation is 25-40%. Specific indicators of the system: the specific indicator of the generated electric power per meter Pelamis is 6.25 kW / m (750 kW / 120 m), the metal consumption of the structure per cubic meter. the meter is 0.65 t / m3 (750 t / 1154 m3), the specific indicator of the generated electric power per ton of construction is 1.0 kW / t (750 kW / 750 t), the specific indicator of the generated electric power per cubic meter. the meter of the construction volume is 0.65 kW / m3 (750 kW / 1154 m3).

Подвижные секции Pelamis технологически связаны между собой горизонтальными элементами гидроцилиндров, но такое их расположение ограничивает угол излома между секциями, при высоте волны выше 3,0 метра установка прекращает выработку электроэнергии и включает защитный режим. Помимо перемещений секций между собой в вертикальной плоскости, предусмотрено относительное их перемещение и в горизонтальной плоскости, напоминающее движение змейки, но возникающие одновременно перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях значительно увеличивают динамические нагрузки на гидравлические элементы, что сокращает их рабочий ресурс и уменьшает высоту волны для применения системы. Кроме того, конструктивные особенности Pelamis позволяют эффективно работать только при той длине волны, которая в точности совпадает с длиной наклона двух соседних секций, т.е. в тот момент, когда точка излома секций находится на вершине волны, края секций находятся во впадинах между волнами, при этом достигается максимальный ход гидравлических поршней. Но в силу меняющегося характера волнения на море, вероятность такого сочетания, безусловно, маловероятна, что, в свою очередь, уменьшает эффективность волнового качения системы и ее энерговыработку. Pelamis более эффективно работает при его постановке в море с глубиной шельфа 50-60 метров на расстоянии от берега 5-10 километров, что делает невозможным его применение в мелководных морях или вблизи береговой полосы. К примеру, максимальная глубина Азовского моря составляет 15 метров, глубина северной части Каспийского моря не превышает 25 метров.Pelamis mobile sections are technologically interconnected by horizontal elements of hydraulic cylinders, but their arrangement limits the angle of fracture between the sections, at a wave height above 3.0 meters, the installation stops generating electricity and turns on the protective mode. In addition to the movements of the sections between themselves in the vertical plane, their relative movement in the horizontal plane is provided, resembling the movement of a snake, but the simultaneous movements in the vertical and horizontal planes significantly increase the dynamic loads on the hydraulic elements, which reduces their working life and reduces the wave height for use system. In addition, the design features of Pelamis allow you to work effectively only at that wavelength that exactly matches the slope length of two adjacent sections, i.e. at the moment when the break point of the sections is at the top of the wave, the edges of the sections are in the hollows between the waves, while the maximum stroke of the hydraulic pistons is achieved. But due to the changing nature of sea waves, the probability of such a combination is certainly unlikely, which, in turn, reduces the efficiency of wave rolling of the system and its energy generation. Pelamis works more efficiently when placed in the sea with a shelf depth of 50-60 meters at a distance from the coast of 5-10 kilometers, which makes it impossible to use it in shallow seas or near the coastal strip. For example, the maximum depth of the Sea of Azov is 15 meters, the depth of the northern part of the Caspian Sea does not exceed 25 meters.

Таким образом, конструктивные особенности системы, недостатки, ограничивающие акваторию применения, низкие удельные показатели, низкий кпд 25-40%, не характеризуют систему Pelamis, как эффективную установку преобразования волновой энергии в электрическую. Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является полезная модель РФ №137580, кл. F03B 13/20, опубл. 04.09.2013, где описан волновой энергетический модуль, у которого внутри закрытого цилиндрического поплавка находится подвижный элемент - цилиндр, заполненный жидкостью, называемый гидроприводом, совершающий попеременно колебательные движения сверху вниз и снизу вверх, в соответствии с волновыми колебаниями. Проходящая через сопловые аппараты и рабочее колесо турбины жидкость, приводит во вращение колесо турбины, вращая его в одну сторону. В верхней части вал турбины соединен с электрогенератором, в нижней части вала установлен динамический инерционный накопитель энергии, который может быть выполнен в виде массивного диска.Thus, the design features of the system, the disadvantages that limit the water area of application, low specific indicators, low efficiency of 25-40%, do not characterize the Pelamis system as an effective installation of converting wave energy into electrical energy. The closest analogue to the claimed utility model is a utility model of the Russian Federation No. 137580, class. F03B 13/20, publ. 09/04/2013, where a wave energy module is described, in which a movable element is located inside a closed cylindrical float - a cylinder filled with liquid, called a hydraulic actuator, which alternately oscillates from top to bottom and from bottom to top, in accordance with wave vibrations. The liquid passing through the nozzle apparatus and the impeller of the turbine rotates the turbine wheel by rotating it in one direction. In the upper part, the turbine shaft is connected to the electric generator; in the lower part of the shaft, a dynamic inertial energy storage device is installed, which can be made in the form of a massive disk.

Недостатком этого модуля является переменный напор и расход жидкости через рабочее колесо турбины в процессе колебаний и, вместе с тем, отсутствие регулирования перечисленных параметров, так как главными условиями эффективной и стабильной работы гидротурбины - это постоянство напора и расхода через нее. Сбой в частоте вращения колеса турбины особенно будет проявляться при переходе колебаний с одного полупериода на другой, на это влияют два фактора - разный уровень высоты жидкости перед турбиной между движениями гидропривода вверх на волну и вниз с волны, и влияние вектора силы тяжести жидкости и конструкции гидропривода, направленные вертикально вниз. При движении гидропривода с волны, направление вектора силы тяжести воды и конструкции гидропривода, совпадает с направлением его движения, и гидропривод перемещается с положительным ускорением, раскручивая колесо турбины, но при движении гидропривода вверх, направление его движения и данного вектора становится противоположными, и, гидропривод, имея отрицательное ускорение, будет перемещаться вверх с замедлением, поэтому, перемещаясь вверх с меньшим расходом, масса жидкости выполняет функцию тормоза колеса турбины. Несколько скомпенсировать падение частоты вращения сможет инерционный накопитель, но это означает отбор мощности на валу электрогенератора, и, как следствие, уменьшение производства электроэнергии. Кроме того, применение инерционного накопителя вращения в поплавковом варианте, в условиях морской болтанки, не может являться эффективным способом накопления энергии, так как вместе с полезными вертикальными колебаниями конструкции на волне, всегда происходят ее вредные колебания - спонтанные качания относительно своей вертикальной оси, вызывая, в свою очередь, возникновение сторонних инерционных сил на находящуюся внутри жидкость, инерционный накопитель, колесо турбины, создавая тормозящий эффект для вращения, что снижает производство электроэнергии. Кроме того, здесь отсутствуют какие-либо технические решения, с помощью которых можно было бы компенсировать или снять вредные воздействия сторонних сил.The disadvantage of this module is the variable pressure and fluid flow through the turbine impeller during oscillations and, at the same time, the lack of regulation of the listed parameters, since the main conditions for the effective and stable operation of a hydraulic turbine are constant pressure and flow through it. A malfunction in the frequency of rotation of the turbine wheel will especially manifest itself during the transition of oscillations from one half-cycle to another, this is influenced by two factors - a different level of fluid height in front of the turbine between the hydraulic drive movements upward and downward from the wave, and the influence of the gravity vector of the fluid and the hydraulic drive design directed vertically down. When the hydraulic actuator moves from the wave, the direction of the gravity vector of the water and the hydraulic actuator design coincides with the direction of its movement, and the hydraulic actuator moves with positive acceleration, spinning the turbine wheel, but when the hydraulic actuator moves upward, the direction of its movement and this vector becomes opposite, and, the hydraulic actuator having a negative acceleration, it will move up with a deceleration, therefore, moving up with a lower flow rate, the mass of fluid acts as a brake on the turbine wheel. The inertial storage device will be able to somewhat compensate for the drop in rotation speed, but this means power take-off on the shaft of the electric generator, and, as a result, a decrease in electricity production. In addition, the use of an inertial rotation storage device in the float version, in the conditions of a sea lash, cannot be an effective way of energy storage, since together with useful vertical vibrations of the structure on the wave, its harmful vibrations always occur - spontaneous swings relative to its vertical axis, causing in turn, the appearance of external inertial forces on the fluid inside, the inertial storage ring, the turbine wheel, creating a braking effect for rotation, which reduces the production your electricity. In addition, there are no technical solutions with which it would be possible to compensate or remove the harmful effects of external forces.

Задачей полезной модели является устранение отмеченных недостатков известных модулей. Технический результат заключается в повышении мощности вырабатываемой электроэнергии с максимальной стабильностью в широком диапазоне морских волнений на морских акваториях различной глубины.The objective of the utility model is to eliminate the noted drawbacks of the known modules. The technical result consists in increasing the power of generated electricity with maximum stability in a wide range of sea waves in marine areas of various depths.

Задача решается, а технический результат достигается за счет того, что волновой энергетический модуль содержит две герметичные цилиндрические капсулы, установленные одна в другой и имеющие балластные отсеки заполнения-откачки забортной водой, причем внутренняя капсула снабжена амортизаторами колебаний, стабилизатором ее вертикального положения и силовыми гидроцилиндрами динамического включения-отключения из рабочего цикла, причем в этой капсуле в водонепроницаемом отсеке размещены гидромоторы и электрогенераторы. Амортизаторы колебаний могут быть выполнены пружинными с изменяемым ходом и различным коэффициентом жесткости. Стабилизатор вертикального положения может быть выполнен в виде полуцилиндрической сферы и элемента цилиндрической поверхности, установленными на роликах между капсулами. Кроме того, модуль снабжен швартовыми растяжками, прикрепляемыми на дне моря за поворотный узел или поворотную линейную конструкцию.The problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that the wave energy module contains two sealed cylindrical capsules installed one in the other and having ballast compartments for filling-pumping with outboard water, and the internal capsule is equipped with vibration dampers, a stabilizer of its vertical position and dynamic power cylinders on-off from the duty cycle, and in this capsule in a waterproof compartment placed hydraulic motors and generators. Shock absorbers can be made spring with a variable stroke and a different coefficient of stiffness. The vertical stabilizer can be made in the form of a semi-cylindrical sphere and an element of a cylindrical surface mounted on rollers between the capsules. In addition, the module is equipped with mooring extensions attached to the bottom of the sea for a rotary unit or a rotary linear structure.

На фиг. 1 изображено продольное сечение модуля; на фиг. 2 - модуль с заполненными балластными отсеками между волнами; на фиг. 3 - модуль с заполненными балластными отсеками на гребне волны; на фиг. 4 - разрез по 1-1 на фиг. 1: на фиг. 5 - поперечное сечение модуля на разных участках волнения моря; на фиг. 6 - закрепление модуля на дне моря по схеме треугольника в надводном положении; на фиг. 7 - то же, в подводном положении; на фиг. 8 - закрепление модуля на дне моря по схеме прямоугольника в надводном положении с вариантами закрепления с помощью поворотного узла или поворотной линейной конструкцию; на фиг. 9 - то же, в подводном положении. На фиг. 5-9 стрелкой показано направление движения волны.In FIG. 1 shows a longitudinal section of a module; in FIG. 2 - module with filled ballast compartments between the waves; in FIG. 3 - module with filled ballast compartments on the wave crest; in FIG. 4 is a section through 1-1 in FIG. 1: in FIG. 5 is a cross section of a module in different areas of sea waves; in FIG. 6 - fixing the module to the bottom of the sea according to the triangle pattern in the above-water position; in FIG. 7 - the same in underwater position; in FIG. 8 - fixing the module on the bottom of the sea according to the diagram of the rectangle in the surface position with fixing options using a rotary node or a rotary linear design; in FIG. 9 - the same, underwater. In FIG. 5-9, the arrow shows the direction of wave movement.

Волновой энергетический модуль состоит из двух герметичных, горизонтальных, цилиндрических капсул: наружной капсулы 1 и внутренней капсулы 2 движения, устанавливаемых одна внутри другой, с рабочим зазором 3 между ними, достаточным для расположения в нем элементов 4 силовых гидравлических цилиндров 5 возвратно-поступательного действия и регулируемых пружинных амортизаторов 6, образовывая, в совокупности, колебательную систему. В нижней части рабочего зазора, между наружной и внутренней подвижной капсулой устанавливается полуцилиндрическая сфера 7 на опорных, прикрепленных к ней роликах 8 нижнего и бокового положения, а в верхней части рабочего зазора между наружной и внутренней подвижной капсулой устанавливается промежуточный элемент цилиндрической поверхности 10 с прикрепленными к нему роликами 9 верхнего положения. Вертикальные элементы силовых гидроцилиндров неподвижно закрепляются в нижних и в верхних точках полуцилиндра и промежуточного элемента цилиндрической поверхности, соответственно. Верхняя промежуточная цилиндрическая поверхность необходима для восприятия усилия пружин, исключая их прямой контакт с частично поворачивающейся наружной капсулой при боковой качке модуля, (см. фиг. 5). Корпус силовых гидроцилиндров неподвижно закрепляется по центру внутренней капсулы в вертикальном положении.The wave energy module consists of two sealed, horizontal, cylindrical capsules: the outer capsule 1 and the inner capsule 2 movements, installed one inside the other, with a working gap 3 between them, sufficient for the arrangement of elements 4 of the hydraulic power cylinders 5 of the reciprocating action and adjustable spring shock absorbers 6, forming, in aggregate, an oscillatory system. In the lower part of the working gap, between the outer and inner movable capsule, a semi-cylindrical sphere 7 is mounted on the support rollers 8 of the lower and lateral position attached to it, and in the upper part of the working gap between the outer and inner movable capsule, an intermediate element of the cylindrical surface 10 is attached with him rollers 9 upper position. The vertical elements of the power hydraulic cylinders are fixedly fixed at the lower and upper points of the half cylinder and the intermediate element of the cylindrical surface, respectively. The upper intermediate cylindrical surface is necessary for the perception of the force of the springs, excluding their direct contact with the partially rotating outer capsule during lateral rolling of the module (see Fig. 5). The case of power hydraulic cylinders is fixedly fixed in the center of the inner capsule in a vertical position.

Наружная капсула разделена герметичными перегородками 11 на несколько водонепроницаемых отсеков - отсеки балластные 12 для заполнения забортной водой с датчиками контроля 32 уровня заполнения, отсек центральный 13 для размещения внутренней капсулы 2 движения, содержит оборудование - насосы перекачки 14 для заполнения и откачки забортной воды в балластные отсеки, ваерные лебедки 15 с ваерным трюмом 16 для укладки ваерного троса 17. На торцевых сторонах наружной капсулы устанавливаются поворотные рым-блоки 18 для направленной подачи ваерного троса на лебедку, в нижней части наружной капсулы устанавливается килевой балласт 19.The outer capsule is divided by hermetic partitions 11 into several watertight compartments - ballast compartments 12 for overboard filling with control sensors 32 of the filling level, central compartment 13 for accommodating the internal capsule 2 of the movement, contains equipment - transfer pumps 14 for filling and pumping overboard water into the ballast compartments , winch winches 15 with a warp hold 16 for laying the warp cable 17. On the ends of the outer capsule, rotary eyeblocks 18 are installed for the directional supply of the warp cable and the winch, at the bottom of the outer capsule 19 is installed ballast keel.

Внутренняя подвижная капсула разделена герметичными перегородками 20 на несколько водонепроницаемых отсеков - отсеки балластные 21 для заполнения забортной водой сдатчиками контроля 32 уровня заполнения, отсек технологический 23 для размещения основного и вспомогательного технологического оборудования - гидромоторов объемного гидропривода 24, электрогенераторов 25, устройств управления и вспомогательных устройств с гидроаккумуляторами 26, гидролиний 27, блока управления электрогенераторами 28 с силовым кабелем 34. По длине балластных отсеков, по центру их объема, предусматривается узкоразмерный отсек 29 для размещения силовых гидроцилиндров 5 поступательного действия, гидролиний 27, насосов перекачки 22 забортной воды в балластные отсеки, электроприводов 30 для подачи пружинных амортизаторов в рабочий зазор 3 между капсулами 1 и 2. В верхних точках всех отсеков внутренней и наружной капсулы устанавливается оборудование воздухозабора - воздухоудаления 31. В нижней части внутренней капсулы предусматривается стационарный балласт 33 для увеличения массы и вертикальной остойчивости.The internal movable capsule is divided by sealed partitions 20 into several watertight compartments - ballast compartments 21 for overboard filling with control sensors 32 of the filling level, technological compartment 23 for accommodating the main and auxiliary technological equipment - hydraulic displacement hydraulic motors 24, electric generators 25, control devices and auxiliary devices with hydraulic accumulators 26, hydraulic lines 27, control unit for electric generators 28 with power cable 34. The length of the ballast compartment s, in the center of their volume, provides a narrow-sized compartment 29 for accommodating translational-acting power cylinders 5, hydraulic lines 27, overhead water transfer pumps 22 into ballast compartments, electric drives 30 for supplying spring shock absorbers to the working gap 3 between capsules 1 and 2. At the upper points all the compartments of the inner and outer capsules are equipped with air intake and exhaust equipment 31. A stationary ballast 33 is provided in the lower part of the inner capsule to increase mass and vertical stability and.

Преобразование волновой энергии в энергию электрическую происходит в следующей последовательности: механическая энергия колебания капсул преобразовывается в гидравлическую энергию потока рабочей жидкости за счет силовых гидроцилиндров - гидравлическая энергия потока рабочей жидкости преобразовывается в энергию вращения выходного вала на гидромоторах - энергия вращения выходного вала гидромотора передается вращению ротора установленного с ним соосно электрогенератора для производства электроэнергии.The wave energy is converted into electrical energy in the following sequence: the mechanical energy of the oscillation of the capsules is converted into the hydraulic energy of the working fluid flow due to the power hydraulic cylinders - the hydraulic energy of the working fluid flow is converted into the energy of rotation of the output shaft on the hydraulic motors - the rotation energy of the output shaft of the hydraulic motor is transmitted to the rotor of the installed rotor with it coaxially an electric generator for generating electricity.

В данном процессе источником энергии являются поступательные перемещения наружной и внутренней капсулы относительно друг друга при колебаниях модуля на волне или под водой. Динамика преобразования выглядит следующим образом: при переходе модуля через впадину волны, вертикальное движение наружной капсулы с волны вниз, за счет Архимедовой силы, прекращается, капсула начинает всплывать, но движение внутренней капсулы вниз, за счет инерции движения, продолжается. Обладая относительной кинетической энергией вертикального движения и потенциальной энергией силы тяжести, внутренняя капсула с усилием действует на корпус силовых гидроцилиндров, а наружная капсула, в свою очередь, действует на вертикальные элементы гидроцилиндров. За счет совместного двухстороннего сжатия рабочей жидкости в гидроцилиндрах, в системе объемного гидропривода создается поток рабочей жидкости большого давления 20 МПа и выше. Далее, при движении модуля вверх, на волну, система запасает потенциал, за счет смещения - подскока внутренней капсулы в верхнее положение, используя для этого силу инерции поступательного движения и энергию пружин, затем процесс повторяется. От силовых гидравлических цилиндров по гидролиниям гидравлическая энергия потока рабочей жидкости подается на устройства управления со вспомогательными устройствами и, распределяясь, поступает на гидромоторы вращательного движения, которые, в свою очередь, обеспечивают вращение электрогенераторов. Электроэнергия от электрогенераторов передается по силовому кабелю на берег потребителю.In this process, the energy source is the translational movement of the outer and inner capsules relative to each other when the module vibrates on a wave or under water. The dynamics of the transformation is as follows: when the module passes through the cavity of the wave, the vertical movement of the outer capsule from the wave down, due to the Archimedean force, stops, the capsule begins to float, but the movement of the inner capsule down, due to inertia of motion, continues. Possessing the relative kinetic energy of vertical motion and the potential energy of gravity, the internal capsule acts with force on the body of the power hydraulic cylinders, and the external capsule, in turn, acts on the vertical elements of the hydraulic cylinders. Due to the joint bilateral compression of the working fluid in the hydraulic cylinders, a high-pressure working fluid flow of 20 MPa and higher is created in the volumetric hydraulic drive system. Further, when the module moves upward, onto the wave, the system stores the potential, due to the displacement, the internal capsule jumps to the upper position, using the inertia of translational motion and the energy of the springs, then the process is repeated. From hydraulic power cylinders through hydraulic lines, hydraulic energy of the working fluid flow is supplied to control devices with auxiliary devices and, distributed, is supplied to rotational motion motors, which, in turn, provide rotation of electric generators. Electricity from electric generators is transmitted via power cable to the shore to the consumer.

Аналогичные технологические процессы будут происходить при постановке модуля в подводное положение, отличие в том, что колебания модуля идут в противофазе с колебаниями волн на поверхности: при прохождении гребня волны над модулем он будет частично погружаться на глубине, так как возникает дополнительный столб давления на модуль, а при прохождении впадины волны - частично всплывать, так как давление над модулем уменьшается.Similar technological processes will occur when the module is placed in an underwater position, the difference is that the module oscillates in antiphase with the wave oscillations on the surface: when the wave crest passes over the module, it will partially submerge at a depth, since an additional pressure column arises on the module, and when passing the trough of the wave - partially float, since the pressure above the module decreases.

Для получения согласованных колебаний капсул с набегающей волной, получения максимальных усилий на гидравлические цилиндры, равномерного распределения механической энергии колебаний и гидравлической энергии потока рабочей жидкости между гидроцилиндрами, оборудованием объемного гидропривода, в зависимости отданного характера волнения на море, предусматриваются вспомогательные системы управления.To obtain coordinated oscillations of capsules with an oncoming wave, to obtain maximum efforts on hydraulic cylinders, to evenly distribute mechanical energy of vibrations and hydraulic energy of a working fluid flow between hydraulic cylinders, volumetric hydraulic drive equipment, depending on the nature of the sea waves, auxiliary control systems are provided.

Увеличение или уменьшения массы модуля осуществляется закачкой или откачкой забортной воды при увеличении или уменьшении высоты волны, соответственно. Увеличение массы внутренней капсулы увеличивает механическое воздействие на силовые гидроцилиндры, что ведет к увеличению гидравлической энергии потока рабочей жидкости и, соответственно, выработку электроэнергии. Закачка забортной воды в балластные отсеки капсул производится до получения максимально возможных значений выработки электроэнергии при данном характере волнения на море, но с учетом обеспечения достаточной положительной плавучести модуля для его эффективного функционирования. Для каждого характера волнения на море определяются свои оптимальные соотношения заполнения балластных отсеков.An increase or decrease in the mass of the module is carried out by pumping or pumping outboard water with an increase or decrease in wave height, respectively. An increase in the mass of the inner capsule increases the mechanical effect on the power hydraulic cylinders, which leads to an increase in the hydraulic energy of the flow of the working fluid and, accordingly, the generation of electricity. Seawater is pumped into the ballast compartments of the capsules until the maximum possible values of electricity generation are obtained for a given character of sea waves, but taking into account the sufficient positive buoyancy of the module for its effective functioning. For each character of unrest at sea, their optimal filling ratios of ballast compartments are determined.

Закачка-откачка забортной воды производится насосами перекачки 22, установленными в балластных отсеках наружной 1 и внутренней 2 капсул. Контроль заполнения осуществляется с помощью установленных датчиков 32 уровня воды. При необходимости буксировки модуля на ремонтные или профилактические работы производится полная откачка балластной воды.Pumping-pumping overboard water is carried out by transfer pumps 22 installed in the ballast compartments of the outer 1 and inner 2 capsules. The filling control is carried out using the installed sensors 32 water level. If it is necessary to tow the module for repair or maintenance work, the ballast water is completely pumped out.

Пружинные амортизаторы 6 в зависимости от характера волнения на море и объема заполнения балластных отсеков подаются в рабочий зазор 3 частично или на полную рабочую длину, при этом при необходимости изменяется количество работающих амортизаторов. С целью возможности более широкого диапазона регулирования предусматриваются амортизаторы с различным коэффициентом жесткости. Кроме основной своей функции - распределение механических усилий и согласование частоты колебаний, амортизаторы выполняют дополнительную функцию ограничителей от соударений между капсулами и силовыми гидроцилиндрами. Управление амортизаторами 6 осуществляется электроприводами, установленные на каждом амортизаторе.Spring shock absorbers 6, depending on the nature of the unrest at sea and the volume of filling of the ballast compartments, are supplied to the working gap 3 partially or to the full working length, while the number of working shock absorbers changes if necessary. In order to allow a wider range of regulation, shock absorbers with different stiffness ratios are provided. In addition to its main function - the distribution of mechanical forces and the coordination of the oscillation frequency, shock absorbers perform the additional function of limiters against collisions between capsules and power hydraulic cylinders. The shock absorbers 6 are controlled by electric drives installed on each shock absorber.

Поддержания оптимального рабочего давления в объемном гидроприводе 24 при изменении массы модуля происходит за счет последовательного включения силовых гидравлических цилиндров в рабочий режим или их последовательного отключения из рабочего режима: переход из рабочего режима в нерабочий осуществляется за счет автоматического открытия байпасной линии на силовом гидроцилиндре при одновременном закрытии рабочей гидролинии; в результате таких действий гидронасос совершает возвратно-поступательные движения на холостом ходу, перекачивая рабочую жидкость сам на себя; переход в рабочий режим осуществляется в обратном порядке.Maintaining the optimal working pressure in the hydraulic drive 24 when the mass of the module changes is due to the sequential inclusion of the power hydraulic cylinders in the operating mode or their sequential shutdown from the operating mode: the transition from the operating mode to non-working is carried out by automatically opening the bypass line on the power hydraulic cylinder while closing working hydraulic line; as a result of such actions, the hydraulic pump makes a reciprocating motion at idle, pumping the working fluid to itself; transition to the operating mode is carried out in the reverse order.

В предлагаемом модуле возможно последовательное включение рабочих пар гидромотор - электрогенератор при увеличении энергии потока рабочей жидкости от гидроцилиндров или их последовательного отключения при уменьшении энергии потока. Для получения электроэнергии с максимальным КПД в данном модуле устанавливается не менее двух технологических пар гидромотор - электрогенератор, предусматривая для каждой технологической пары свой диапазон генерируемой электрической мощности.In the proposed module, it is possible to sequentially turn on the working pairs of a hydraulic motor - an electric generator with an increase in the energy of the flow of the working fluid from the hydraulic cylinders or their sequential shutdown with a decrease in the flow energy. To obtain electricity with maximum efficiency, at least two technological pairs of a hydraulic motor and an electric generator are installed in this module, providing for each technological pair its own range of generated electric power.

При возникновении запредельных штормовых условий, создающих угрозу для безопасной эксплуатации модуля возможна его работа в подводном положении. Постановка модуля в подводное положение может происходить и в случае надвигающегося плавающего средства. Возможность модуля уходить на глубину происходит с помощью двух ваерных лебедок 15, работающие одновременно. При необходимости лебедки включаются и, накручивая на барабан трос 17, затягивают модуль под воду. Всплытие модуля происходит за счет включение лебедок в обратную сторону.If extreme storm conditions arise that pose a threat to the safe operation of the module, it can operate underwater. Setting the module in an underwater position can occur in the case of an impending floating vehicle. The ability of the module to go to depth occurs with the help of two fan winches 15 working simultaneously. If necessary, the winches are turned on and, winding the cable 17 onto the drum, pull the module under water. Ascent of the module occurs due to the inclusion of winches in the opposite direction.

Стабилизатор вертикального положения внутренней капсулы обеспечивает стабильное вертикальное положение внутренней поворотной конструкции при боковой качке модуля на волне. Сохранение устойчивого вертикального положения внутренней конструкции дает возможность внутренней капсуле совершать только вертикальные перемещения, передавая механическую энергию на гидроцилиндры без потерь. Устойчивое вертикальное положение обеспечивается достаточной массой полуцилиндрической сферы 7, установленной на роликах в нижней части рабочего зазора 3 между капсулами.The stabilizer of the vertical position of the inner capsule provides a stable vertical position of the internal rotary structure during lateral rolling of the module on the wave. Maintaining a stable vertical position of the internal structure allows the internal capsule to perform only vertical movements, transferring mechanical energy to the hydraulic cylinders without loss. A stable vertical position is ensured by a sufficient mass of a semi-cylindrical sphere 7 mounted on rollers in the lower part of the working gap 3 between the capsules.

Устойчивое положение модуля параллельно фронту набегающей волны достигается двумя способами:A stable position of the module parallel to the front of the incident wave is achieved in two ways:

- установкой модуля на швартовых растяжках 35 по схеме треугольника, фиг. 6-7- installation of the module on mooring extensions 35 according to the triangle diagram, FIG. 6-7

- установкой модуля на швартовых растяжках 36 по схеме прямоугольника, фиг 8-9.- installation of the module on mooring extensions 36 according to the rectangle diagram, Figs. 8-9.

Схема треугольника - закрепление швартовых растяжек равной длины на морском дне 37, в одной точке поворотного узла 38, на поверхности моря швартовые растяжки крепятся к модулю с двух его торцевых сторон, образовывая с ним линии треугольника. На морском дне поворотный узел монтируется на неподвижном, закрепленным на грунте блоке 39. Установка модуля по схеме треугольника применяется для стационарного надводного или подводного положения.The triangle diagram is the fastening of mooring extensions of equal length on the seabed 37, at one point of the rotary assembly 38, on the sea surface, mooring extensions are attached to the module from its two end faces, forming triangle lines with it. At the seabed, the rotary assembly is mounted on a block 39 fixed on the ground. The installation of the module according to the triangle scheme is used for a stationary surface or underwater position.

Схема прямоугольника - закрепление швартовых растяжек равной длины на морском дне, в двух точках поворотной линейной конструкции 40, на поверхности моря швартовые растяжки крепятся к модулю с двух его торцевых сторон, образовывая с ним линии прямоугольника. На морском дне поворотная линейная конструкция монтируется с поворотным устройством 38 на неподвижном, закрепленным на грунте блоке 41. Установка модуля по схеме прямоугольника применяется для изменения надводного положения на подводное и наоборот.The rectangle scheme is the fastening of mooring extensions of equal length on the seabed, at two points of the rotary linear structure 40, on the sea surface mooring extensions are attached to the module from its two end faces, forming lines of the rectangle with it. On the seabed, a rotary linear structure is mounted with a rotary device 38 on a fixed block 41 fixed to the ground. Installing the module according to the rectangle scheme is used to change the surface position to underwater and vice versa.

При такой установке корпус модуля располагается параллельно Фронту набегающей волны, так как набегающие волны, обладая кинетической энергией, подталкивают модуль по направлению их движения. При изменении направления набегающих волн, возникает плечо силы, поворачивая модуль относительно точки вращения узла или линейной конструкции. Модуль с растяжками будет разворачиваться, пока плечо не равно нулю. Таким образом, поворотная система на швартовых растяжках будет всегда ориентирована по направлению движения волны, а модуль располагаться параллельно их фронту.With such an installation, the module case is parallel to the front of the incident wave, since incident waves, having kinetic energy, push the module in the direction of their movement. When the direction of the incident waves changes, a shoulder of force arises, turning the module relative to the point of rotation of the node or linear structure. The stretch module will unfold until the shoulder is zero. Thus, the rotary system on mooring extensions will always be oriented in the direction of wave motion, and the module will be parallel to their front.

Для эффективности производства электроэнергии способы постановки модуля в море имеют важное значение, так как в этом случае, сводится к минимуму вредная килевая качка, к примеру, при длине модуля 10 метров и длине набегающих волн по фронту, обычно их длина 25-30 метров и более, килевая качка на модуле практически отсутствует. Благодаря этому, подъем на волну и падение с волны происходит одновременно, всем длинным корпусом модуля, создавая синхронность в перемещении капсул, поступательных движений гидроцилиндров, работы амортизаторов.For the efficiency of electricity production, the methods of placing the module in the sea are important, since in this case, harmful keel pitching is minimized, for example, with a module length of 10 meters and incident waves along the front, usually their length is 25-30 meters or more , pitching on the module is practically absent. Due to this, the rise to the wave and the fall from the wave occurs simultaneously, with the entire long module body, creating synchronism in the movement of capsules, translational movements of hydraulic cylinders, and shock absorbers.

Предлагаемая полезная модель позволяет максимально убрать вредную для работы килевую и бортовую качку, оставляя для функционирования только вертикальную составляющую колебаний, что в целом дает возможность сохранить высокий КПД, конструктивно заложенный в применяемом на модуле оборудовании объемного гидропривода.The proposed utility model allows maximum removal of keel and side rolling, which is harmful for operation, leaving only the vertical component of vibrations to function, which as a whole makes it possible to maintain the high efficiency constructively incorporated in the volumetric hydraulic drive equipment used on the module.

В последовательной цепочке преобразования волновой энергии в энергию электрическую, применяемое оборудование системы объемного гидропривода имеет высокие коэффициенты полезного действия. Коэффициент полезного действия КПД₁ силовых гидроцилиндров поступательного действия - 0,91…0,96; КПД₂гидромоторов вращения - 0,8…0,95; КПД₃ электрогенератора - 0,95; 0,9 - коэффициент (k), учитывающий потери в гидролиниях и гидрораспределителях - от 5 до 10%. Механический КПДмех. передачи усилий со стороны перемещающихся относительно друг друга капсул на гидроцилиндры равен единицы, так как передача осуществляется без потерь на прямую. Следовательно, общий КПД преобразования волновой энергии в энергию электрическую составляет: КПДобщ.=КПДмех.*КПД₁*КПД₂*КПД₃*k=1*0,91*0,8*0,95*0,9=0,62, т.е. 62%.In a sequential chain of converting wave energy into electrical energy, the equipment used in the volumetric hydraulic drive system has high efficiency. Efficiency coefficient of efficiency _{1 of} power hydraulic cylinders of translational action - 0.91 ... 0.96; Efficiency of ₂ rotation motors - 0.8 ... 0.95; Efficiency _{3 of the} electric generator - 0.95; 0.9 - coefficient (k), taking into account losses in hydraulic lines and control valves - from 5 to 10%. Mechanical efficiency. the transmission of forces from the capsules moving relative to each other to the hydraulic cylinders is equal to unity, since the transmission is carried out without loss to the straight line. Therefore, the total efficiency of converting wave energy into electrical energy is: Efficiency total = Efficiency. * Efficiency ₁ * Efficiency ₂ * Efficiency ₃ * k = 1 * 0.91 * 0.8 * 0.95 * 0.9 = 0.62 , i.e. 62%

Преимущество горизонтального модуля - его малая осадка и, как следствие, расширение акватории применения за счет уменьшения глубины морского дна под модулем, так как, к примеру, при глубине морского дна 10 метров и наружном диаметре модуля 3 метра, запас глубины под модулем составит 7-8 метров, что при условии ровного дна, вполне достаточно для его безопасной эксплуатации, поэтому данная горизонтальная конструкция модуля позволяет успешно его эксплуатировать как в прибрежной полосе с малыми глубинами, так и на больших глубинах при значительном удалении от берега, а герметичность конструкции, размещение технологического оборудования внутри корпуса модуля, использование гибких средств фиксации при рабочей постановке в море, позволяют использовать для работы любую высоту волн.The advantage of the horizontal module is its small draft and, as a consequence, the expansion of the water area by reducing the depth of the seabed under the module, since, for example, with a depth of 10 meters and an outer diameter of 3 meters, the depth margin under the module will be 7- 8 meters, which provided a flat bottom, is enough for its safe operation, therefore, this horizontal design of the module allows it to be successfully operated both in the coastal strip with shallow depths and at great depths with significant away from the coast, and the tightness of the structure, the placement of technological equipment inside the module case, the use of flexible means of fixation when working in the sea, allow you to use any wave height for work.

Claims

1. A wave energy module containing two sealed cylindrical capsules installed one in the other and having ballast compartments for filling-pumping with seawater, the internal capsule being equipped with vibration dampers, a stabilizer of its vertical position and power hydraulic cylinders for dynamic on-off from the duty cycle, This capsule in a waterproof compartment contains hydraulic motors and electric generators.

2. The module according to claim 1, characterized in that the vibration dampers are spring-loaded with a variable stroke and a different stiffness coefficient.

3. The module according to claim 1 or 2, characterized in that the vertical stabilizer is made in the form of a semi-cylindrical sphere and an element of a cylindrical surface mounted on rollers between the capsules.

4. The module according to claim 1 or 2, characterized in that it is equipped with mooring extensions attached to the bottom of the sea for a rotary unit or a rotary linear structure.