Система для концентрации энергии волн открытого моря

СОЮЗ ССВЕТО 1 ИХсаееаюаашииРЕСПУБЛИК аа а 2 В 9/08 НИЕ ИЗОБРЕТЕ К ПАТЕНТ 663398/2912.09.7873154 о тмень иг.1 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРпО делАм изОБРетений и (лнРытий(46) 30,05,84. Бюл. Иф 20 (72) Эвен Мехлум (Норвегия) (71) Сентралинститутт фор Индустриэлл форскнинг (Норвегия) (53) 627.2(088.8)(56) 1. Патент США Ф 2441759, кл. 61-20, 1948.2. Выложенная заявка Японии У 108437, ка. Г 03 В 13/12, 1975 (прототип).(54)(57) 1, СИСТЕМА ДЛЯ КОНЦЕНТРА- ЦИИ ЭНЕРГИИ ВОЛН ОТКРЫТОГО МОРЯ, включающая установленное в море концентрирующее устройство, выполненное в виде установленных в ряд навстречу движению волн элементов, расстояние между которыми уменьшается от серединыряда к его перифери" ям, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективнос- . ти концентрации, элементы расположены ниже поверхности воды.2. Система по п. 1, о т л ич а ю щ а я с я тем, что она снаб" жена вторым рядом элементов, параллельным первому, причем расстояния между элементами второго ряда обратно пропорциональны расстояниям между элементами первого ряда.3. Система по п. 1, о т л и ч аю щ а я с я тем, что она снабженавторым рядом элементов, параллельным первому, расположенным за зонойконцентрации волн и выполненным ввиде вертикального препятствия,4. Система по пп, 1-3, о т л и-,ч а ю щ а я с я тем, что в качестве элементов могут быть использованы природные формации, например скалы.5. Система по пп. 1-3, о т л ич а ю щ а я с я тем, что по меньшей мере один элемент выполнен иэупругого материала.6. Система по пп. 1-3, 5,л и ч а ю щ а я с я тем,что пошей мере один элемент выполнен ввиде горизонтальной плиты.7. Система по пп. 5 и 6, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что поменьшей мере один элемент выполнен.с возможностью регулирования формыи размеров.8. Система по пп. 5 и 6, о т л ич а ю щ а я с я тем, что по меньшей мере Юдин элемент установлен своэможйостью перемещения в трехвзаимноперпендикулярных направлениях и/или поворота в трех взаимноперпендикулярных плоскостях.,1095880 кто аказ 3646/46 Тираз 644 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.одписно ал ППП "Патент", г. Уагород, ул. Проектная, 4 Составитель А. Сергеев Алексеенко Техред Т,Маточка Корректор О.ТигИзобретение относится к гидротехнике, а именно к устройствам дляиспользования энергии морских волн.Известна система для концентрацииэнергии волн открытого моря, включаю 5щая установленное в море концентрирующее устройство, выполненное в виде воронки, которая позволяет собрать энергию волн с более широкогофронта волны 11.1 ОНедостаток этого устройства заключается в том, что ширина фронтаиспользуемой волны ограничена шириной воронки, поэтому оно имеет низ 15кую концентрирующую способность,Наиболее близкой к изобретениюявляется система для концентрацииэнергии волн открытого моря, включающая установленное в море кон-"20центрирующее устройство, выполненноев виде установленных в ряд навстречу движению волн элементов, расстояние между которыми уменьшаетсяот середины ряда к его перифериям 21,25Устройство также имеет низкуюконцентрирующую способность.Цель изобретения - повышение эффективности концентрации.Поставленная цель достигаетсятем, что элементы расположены нижеповерхности воды.Кроме того, система, снабжена вторым рядом элементов, параллельнымпервому, причем расстояния междуэлементами второго ряда обратно про- З 5порциональны расстояниям между элементами первого ряда.Система может быть также снабжена вторым рядом элементов, параллельным первому, расположенным за зоной 4 Оконцентрации волн и выполненнымв виде вертикального препятствия.При этом в качестве элементовмогут быть использованы природные фор.мации, например скалы, а по меньшеймере один элемент может быть выполнен из упругого материала,По меньшей мере один элемент может быть выполнен в виде горизонтальной плиты. 50По меньшей мере один элемент может быть выполнен с возможностью регулирования формы и размеров или может быть установлен с возможностью перемещения в трех взаимноперпенди 55 кулярных направлениях и/или поворота в трех взаимноперпендикулярных плоскостях. Изобретение основывается на использовании решетчатого типа структуры или дифракционной решетки по аналогии с оптической.На фиг, 1 изображена известная дифракционная структура для дифрагирующихся световых волн; на фиг. 2 - известная система дифракции для фокусирующихся световых волн, на фиг. 3 - схема фокусирования водяных волн 1 на фиг. 4 - установка для проведения экспериментов с амплитудной решеткой, на фиг. 5 - система для концентрации волн открытого моря посредством применения амплитудной решетки; на фнг. 6 - то же, посредством применения фазовой решетки, на фиг. 7 - система с использованием останавливающих элементов естественного происхождения; на фиг. 8 - система с использованием модифицированного кораллового рифа в качестве амплитудной решетки; на фиг. 9 - альтернативные задерживающие элементы, на фиг. 10 - альтернативные останавливающие элементы, на фиг. 11и 12 - комбинированные системы.Установка для проведения экспериментов с амплитудной решеткой 1(фиг. 4) состоит из бассейна со стенками 2, в котором установлена решетка, выполненная в виде балки 3 сзакрепленными на ней планками 4, расстояния между которыми уменьшаются от середины к периферии. В серединерешетки 1 перпендикулярно ей установлена стенка 5, окрашенная в белый цвет для удобства наблюдения волновой картины.За решеткой 1 размещен волновой генератор, обеспечивающий параллельные волны 6 (не показан),В натурных условиях (фиг. 5) решетка 1 расположена перпендикулярнопреобладающему направлению волн 6,причем зона 7 концентрации волн 8находится в заливе 9, образованномв скале 10. На скале 10 находитсяэлектростанция 11 с линией электропередач, использующая энергию волнв зоне 7 концентрации, и бассейн 12.В заливе 9 может быть установленгидравлический насос, соединенныйтрубопроводом с бассейном 12.Решетка может состоять из задерживающих элементов 13 (фиг. 6), выполненных в виде наполненных воздухом шлангов или буйков, закрепленных к дну посредством тросов с якорями или с лебедками 14. В зонеконцентрации установлена платформа15 с роторным ковшом или другимисредствами, использующими энергиюволн, например турбинную установку, .насос и бассейн.Решетка также может состоять изостанавливающих элементов 16(фиг. 7). в виде природных островков, 10скал и т,д. и искусственных останавливающих элементов 16.Вместо останавливающих элементов16 могут использоваться и задерживающие,элементы 13, 15На берегу 17 может быть установлена фазовая решетка 1 из задерживающих элементов 13. Иежду решетками 1 находится зона 7 концентрации,в которой .расположена платформа 15 с 20энергооборудованием.Амплитудная решетка 1 может бытьобразована взрывом в определенныхместах кораллового рифа (фиг. 8) сполучением элементов 18 с проливами19 между ними,Задерживающие элементы 13 (фиг.9)могут быть выполнены в виде горизонтально расположенной йлиты 20с длиной, равной длине волны, изагнутой плиты 21, причем плиты могутбыть соединены между собой (показано пунктирной линией), и кубическогорезервуара 22 и закреплены к днуякорями. Один из элементов можетпредставлять судно 23 или естественный шельф 24.Останавливающие элементы 16(фиг. 10) могут быть выполнены в виде бетонного блока 25 на опорах, 40цилиндрического заякоренного элемента 26, затонувшего судна 27 или искусственного острова 28.Для фокусировки параллельных волн(фиг. 11) в море устанавливают параллельно две решетки 29 и 30.Элементы решетки могут быть выполнены с возможностью регулирования формы и размеров, с возможностьюперемещения или поворота, а такжепредставлять собой участок 31 морского дна (фиг. 12).Световые волны 6 (фиг, 1), попа-дая на дифракционную решетку 1,дифрагируются в определенных направ" 55лениях, определяемых длиной волныи расстояниями между элементами ре"шетки 1, в волны 8. Если расстояния между элементами увеличиваются к центру решетки 1 (фиг. 2), образуются сходящиеся сферические волны 8 с фокусом в зоне 7.Решетка 1, помещенная в воду (фиг. 3), отклоняет волны 6, причем если расстояния между элементами решетки 1 увеличиваются к ее цент ру, образуются сходящиеся концентрические волны 8 с фокусом в зоне 7.Элементы решетки 1 могут оказывать влияние как на амплитуду волны, так и на ее фазу. В первом, случае элементы останавливают волну, во вто. ром - задерживают.Фазовая решетка, составленная из останавливающих элементов 16, является более эффективной чем амплитудная, поскольку она незначительно уменьшает энергию волн, тогда как задерживающие элементы 3 значительно уменьшают энергию волн эа счет частичного отражения волновой энергии. Одна установка или система может включать как останавливающие элементы 16, влияющие на амплитуду, так н задерживающие 13, влияющие на фазу,В связи с концентрацией волн 6 свободного моря для производства энергии представляет интерес так называемое поле короткой дальности действия. По аналогии с оптической геометрией, микроскопом, представляется возможным систематизировать структуру элементов таким образом, что различные направления исходных волн фокусируются в одной точке или в зоне 7 концентрации, которая может также называться фокусной зоной. Эта фокусная зона представляет собой зону, находящуюся в поле короткой дальности действия элементарной системы, которая охватывается различными и прилежащими фокусными точка- . ми различно падающих волн 6 на элементарную систему, По отношению к отдаленному полю различные фокусные точки имеют настолько большое разнесениедруг от друга, что может не быть достаточно большой концентрации для генерирования энергии. Кро. ме того, отдаленное поле настолько нарушается посторонними исходными волнами, что еще более сокращаетсяго 953предполагаемая концентрация в ограниченной зоне.Использование поля короткой дальности не является обязательным условием для производства энергии волн, однако в поле ксроткой дальности систем, предназначенных для производства энергии, должна располагаться фокусная эона,Большое влияние на поле короткой дальности оказывает способность системы элементов концентрировать волны, имеющие различные направления, в упомянутой зоне сосредоточения илн фокусной зоне.15При проектировании предлагаемой установки или системы ра"четы долж" ны выполняться методом, каким традиционно пользуются в строительст" ве или механике, т.е. методом выбора конфигурации и размеров и вычисления на их базе результатов. Ес" ли первоначально выбранные конфигурация и размеры (параметры) не удовлетворяют требованиям, необходимо повторно делать выбор параметров и расчеты до тех пор, пока не будет получен удовлетворительный результат.Для множества практических случа- ЗО ев необходимо установить лимит для расширения поля короткой дальности действия, согласно следующему правилу: если самый большой размер в структуре всего элемента составляет З 5 Р , а расстояние между зоной конвцхфцентрации и ближайшим элементом в данной структуре А;, то зона концентрации находится внутри поля короткой дальности действия, когда 401 с 1 ) примерно 20. щахоь г;Самый большой размер есть расстоя ние между двумя элементами, удаленными в системе на наибольшее друг45 от друга расстояние, которое обычно является длиной системы, имеющей направление, перпендикулярное преимущественному направлению распространения волн. Как далеко от структуры элементов в указанных пределах поля короткой дальности должна располагаться зона сосредоточения, зависит, например, от топографии дна и характеристик волн в зоне расположения 53 системы.Степень дальности расположения зоны концентрации от элементарной ВВО Ьсистемы в пределах ограничений поля короткого радиуса действия зависит, в частности, от протяженности, или апертуры, системы по отношению к фронтам исходных волн.По крайней мере некоторые из этих элементов должны быть регулируемыми, например, посредством смещения в некоторое положение и ориентации в пространстве для адаптации и регулировки, например для того, чтобы принимать во внимание изменения направления исходных волн, большие или разрушительные волны во время плохой погоды. При концентрации таких волн их разрушительный эффект может быть катастрофическим, поэтому в подобного рода ситуациях желательно иметь возможность модификации или исключения эффекта концентрации данной структуры.1Конструирование этих элементов может меняться несколькими путями. Эти элементы могут мочтироваться так, чтобы они стояли неподвижно на дне моря, могли ставиться на якорь или удерживаться в соответствуЬщем положении посредством динамических систем фиксации по месту. Таким образом, они могут образовываться бетонными блоками или обычными большими судами, такими как танкеры (альтернативно в качестве потерпевшего аварию судна), которые располагаются так, чтобы образовывать решетчатую систему желаемой конфигурации. Элементы естественного происхождения, такие как островки или что-либо им подобное, могут использоваться в качестве элементов решетчатой системы в фактическом местоположении для данной системы. В таком случае, расположение по месту искусственных элементов должно определяться в отношении к уже существующим элемен" там естественного происхождения, которые впрочем могут модифицироваться взрывными работами или добавочной структурой. Несмотря на то, что упомянутые элементы действуют в решетчатой структуре в взаимодействии с другими элементами, может быть много конструкций элементов, которые образуют непрерывную структуру, например продолговатую шлангообразную, которая в определенных местах, или частях, выступает в направлении3или над поверхностью воды, чтобыобразовывать отдельные элементы, которые в остальной части погружаются настолько глубоко, что воздействие этой конструкции на волны впромежуточных частях незаметно, 5 При использовании предлагаемых отдельных элементов в решеткообразной структуре необходимо учитывать, .что системы для генерирования энергии волн открытого моря могут иметь очень большую длину, или протяженность, например порядка нескольких километров или нескольких десятков километров, в особенности, когда используются элементы естественного происхождения, такие как коралловые рифы с взорванными проходами. Путем применения изобретения представляется возможным в одной энергетической 20 установке использовать энергию волн на протяженности гораздо большего региона, или береговой полосы, чем это было возможно при .использовании известных систем.При использовании изобретения важно иметь воэможность регулирования системы элементов для каждого отдельного места, нли участка, с тем, чтобы могла оптимизироваться структура ЗО дифракции для получения лучшей возможной концентрации энергии в ограниченной зоне, в которой должна иметь место трансформация в полезную мощность. Математические расчеты при этом играют важную роль в определении конфигурации системы и формы упомянутых элементов. Дифференциальные уравнения, используемые при этом необходимо решать, принимая во вни мание пограничные условия, появление которых обусловлено желаемой конфигурацией структуры элементов.Вычисления или расчеты выполняют, используя уравнения, указанные в 45 книге Д.Б. Уитама "Линейные и нелинейные волны" (Лондон, 1973, глава 13), а необходимыми для расчетов параметрами являются форма, размеры и положение элементов (независимо от того, являются ли они искусственными нли естественными образованиями), В отношении волн единственным важным параметром является их фаза.Систему элементов важно установить так, чтобы она оказывала такое воздействие на исходные волны, при котором получающаяся волна имеет круговой фронт, ведущий к концентрацииэнергии волн в фокусной зоне.В процессе теоретических вычислений важно непосредственно рассматривать приемлемые приближения, атакже учитывать определенные физические состояния в волнах открытогоморя, а именно их частотный спектри угловое рассеивание направлений,в пределах которых волны обычно попадают в данном месте. Когда делается ссылка на волны открытого моря,имеются в виду мощные волны с большими периодами и длиной, которые более или менее постоянно накатываются через большие площади поверхности океана и, в конце концов, падаютна некоторое, побережьеПосле систематических измерений и анализов ус.тановлено, что такие волны имеютдостаточно узкий спектр полосы частот, от которого существенно зависит целесообразность изобретения,так как при более узком спектре частот обеспечивается большая эффективность,В качестве примера можно привести следующие цифры. Если говоритьо периоде, являющемся противоположным понятием частоты, то средний период волн равен 10 с. В этом случаеструктура элементов обеспечит прием"лемую концентрацию волновой энергиис изменением периода на 203, т.е.с периодами, колеблющимися в диапазоне 8-.12 с. Приемлемыми можно считать угловые отклонения в диапазоне30 в обе стороны от центральнойлинии или основного направления.Применительно к случаю использования поля короткой дальности пределсоставляет 20 . Конструкция системыэлементов будет менее сложной, если угловое рассеивание или отклонение направлений волн от основногонаправления небольшое. Волны, исходящие из направлений,лежащих вне углового диапазона, накоторый рассчитана система, нефокусируются, При получении энергииот волн в поле короткой дальностина интерференционную картину волнвлияют средства или оборудованиедля преобразования энергии волн виную энергию. При проектированиисистемы необходимо учитывать методотвода энергии,10 дальности действия располагаетсядругая решетка 30, например фазовая,которая задерживает фазу круговыхволн 8 к обеим сторонам от центрарешетки 30 так, чтобы плоские волны 8 с увеличенной высотой распространялись в направлении стрелки.Решетка 30 может также образовываться из природной формации дна(фиг. 12)Здесь участок 31 морского дна образует фазовую решетку сконтурами дна, симметрично расположенными по обеим сторонам от впадины дна. 9 г 1095880Исследования, проведенные в бассейне (фиг. 4) глубиной 0,5 м, в котором волновым генератором образовывали волны 6 с высотой 2 см и длиной 25 см, фикусное расстояние (от решетки 1 до зоны 7) составило 220 см, а высота волны в зоне - .7-4 см. Длина решетки 1 была примерно 450 см. Расстояние между элементами и их ширина определялись в соотеетствии с таблицей, где А - рассто- . ние от стенки 5 до ближайшей грани" цы отверстия 8 - расстояние от стенки 5 до удаленной границы.Номер от"верстия Ю 2 10,0 75,9 1343 177,6 156,9 196,9 232,7 2496 282,1 266,1 313,2 328,3 358,0 343,3 ЗУ 2,6 401,4 429,7 457,6 9 387,1 10 415,6 443,7 Амплитудная кпи фазовая решетка 29 может быть использована для фо-. кусировки плоских волн 8 (фиг. 11) концентрическими кольцами. Впереди фокусной эоны 7 в поле короткой 30 35 40 45 Эта система может использоваться для получения энергии, а также для разрушения ледяного покрова н образования канала во льду. Следовательно, решетка ЗО обладает возможностью углового азииутального перемещения, и поэтому плоские волны могут бытьод различным углом направлены к ледяному слою для проламывания в кем веерообразного прохода. Угловое перемещение решетки. 30может быть выполнено путем передви"жение каждого из элементов решеткии отдельности. Тип таких элементованалогичен, например, типу элементов 13 (фиг. 6),Ори фокусной зоне 7 решетки 29,расположенной близко к берегу нлн наберегу, построенный канал может приводить волны 8 к поднятому бассейнудля получения энергии.Решетки 29 и 30 в системе (фиг.11)также могут рассматриваться в качестве частей одной системы нз более крупных элементов, в которойрешетка 29 образует создающую концентрацию главную часть системы, арешетка 30 - днспергирующую вспомогательную систему, располагаемую вполе короткой дальности действия отрешетки 29.Такое выполнение системы позволяет повысить эффективность концентра"ции волн открытого моря.