ВОЛНОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1994 года по МПК F03B13/12 F03B13/18 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для зарядки аккумуляторных батарей и питания различных потребителей электрической энергии.

Известна волновая энергетическая установка (авт.св. N 1286802, кл. F 03 B 13/12, 1977), содержащая опору, установленный на ней с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения поплавок, электрогенератор с якорем и индукторным элементом, якорь и индукторный элемент имеют форму полос и расположены в горизонтальной плоскости параллельно друг другу, причем якорь имеет гибкие концы, соединенные с опорой, и размещен на поплавке, а индукторный элемент закреплен на опоре.

Однако известное устройство обладает низкой удельной мощностью в связи с низкой величиной ЭДС, наводимой в якоре.

Известна также волновая энергетическая установка [1], являющаяся прототипом изобретения, содержащая стойку, связанную с ней с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения поплавковую камеру, электрогенератор с ротором и корпусом и преобразователь поступательного перемещения поплавковой камеры во вращательное движение ротора, выполненный в виде шариковинтовой передачи.

Известное устройство за счет передачи в преобразователе поступательного движения вала во вращательное позволяет получить достаточно высокую ЭДС, но при этом характеризуется недостаточно высокими удельными энергетическими характеристиками (обусловленными потерями в преобразователе и плохими массогабаритными показателями узла преобразователь-генератор). Кроме того, известное устройство является стационарным (корпус генератора находится на опоре, фиксированной относительно дна бассейна).

Целью изобретения является повышение удельных энергетических показателей и надежности, обеспечение мобильности установки.

Это достигается тем, что в известной волновой энергетической установке, содержащей стойку, связанную с ней с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения поплавковую камеру, электрогенератор с ротором и корпусом и преобразователь поступательного перемещения поплавковой камеры во вращательное движение ротора, последний выполнен полым и внутри него размещен преобразователь поступательного перемещения во вращательное движение, выполненный в виде шариковинтовой передачи (ШВП), причем гайка этой передачи жестко связана с ротором, а винт - со стойкой, корпус генератора жестко закреплен на поплавковой камере, а стойка шарнирно соединена с опорным устройством, выполненным с возможностью установки неподвижно относительно дна бассейна.

Кроме того, предлагаемая волновая энергетическая установка содержит не менее двух электрогенераторов, корпуса которых жестко закреплены на поплавковой камере, последняя выполнена со сквозным вертикальным отверстием, сквозь которое проходит стойка зонтичной конструкции, ее горизонтальная часть жестко связана с винтами ШВП электрогенераторов, корпуса электрогенераторов размещены симметрично относительно стойки, причем оси винтов параллельны ее вертикальной части.

В предлагаемой волновой энергетической установке поплавковая камера снабжена по крайней мере одним клапаном в ее донной части.

На фиг. 1 изображена предлагаемая волновая энергетическая установка с одним электрогенератором; на фиг. 2 - принципиальное устройство электрогенератора; на фиг. 3 и 4 - волновая энергетическая установка с четырьмя электрогенераторами на поплавковой камере; на фиг. 5 (а-д )-принцип действия клапана, расположенного в донной части поплавковой камеры, при изменении высоты волны.

Волновая энергетическая установка (фиг. 1) содержит стойку 1, поплавковую камеру 2, связанную со стойкой посредством кронштейнов 3, установленных жестко на поплавковой камере и роликов 4, имеющих возможность вертикального возвратно-поступательного перемещения в пазах 5, выполненных на стойке. На поплавковой камере 2 жестко закреплен корпус 6 электрогенератора. Стойка 1 посредством двухстепенного шарнира 7 связана с опорным элементом 8, снабженным штырями 9 для фиксации опорного элемента относительно дна водоема 10.

В корпусе 6 электрогенератора (фиг. 2) расположен полый ротор 11, в котором размещена шариковинтовая передача (ШВП), гайка 12 которой жестко связана с ротором 11, а винт 13 - со стойкой 1. На корпусе 6 электрогенератора размещена якорная обмотка 14 . На поплавковой камере может быть размещено несколько электрогенераторов, связанных с соответствующими стойками и опорными элементами.

На фиг. 3 и 4 представлена в качестве примера волновая энергетическая установка, на поплавковой камере 2 которой жестко закреплены корпусы 6 четырех электрогенераторов. Поплавковая камера выполнена со сквозным вертикальным отверстием 15, стойка имеет зонтичную конструкцию, вертикальная ее часть 16 проходит через сквозное отверстие 15, а горизонтальная часть 17 жестко связана с винтами 14 ШВП электрогенераторов. Корпус 6 электрогенераторов равномерно распределен на поплавковой камере 2, а оси винтов 13 параллельны оси вертикальной части 16 стойки.

Поплавковая камера 2 может быть снабжена клапаном 18 (фиг. 5).

Установка работает следующим образом.

Предварительно производится фиксация опорного элемента 8 относительно дна водоема, например, посредством выдвижения винта 13 в сторону дна при работе генератора в двигательном режиме при запитке его от аккумуляторной установки. После вхождения штырей 9 в грунт установка готова к работе.

Волновые колебания уровня водоема вызывают колебания поплавковой камеры 2, которая последовательно поднимается с уровня впадины волны до ее гребня, а затем вновь опускается до уровня впадины. Генерирование электроэнергии происходит за счет энергии волны при ее подъеме и за счет потенциальной энергии поплавковой камеры и размещенных на ней элементов при опускании волны.

Колебания поплавковой камеры и связанного с ней корпуса 6 генератора приводит к вращению гайки 12 и жестко связанного с ней ротора 11 генератора. При этом в якорной обмотке 14 (фиг. 2), размещенной на корпусе, наводится переменная ЭДС, которая может быть использована для питания различных потребителей.

Применение преобразователя поступательного перемещения во вращательное в виде ШВП, встроенной в полый ротор электрогенератора позволяет улучшить массогабаритные показатели узла преобразователь-генератор и повысить удельные энергетические показатели установки. Наличие шарнира, связывающего стойку и опорный элемент, позволяет уменьшить возникающие в процессе эксплуатации поперечные силовые воздействия на стойку и винт. Кроме того, возможность оперативной фиксации и освобождение стойки с опорным элементом посредством электрогенераторов, входящих в состав установки, обеспечивает мобильность установки, что делает возможным ее применение на различных плавсредствах, в том числе самоходных.

Таким образом, по сравнению с прототипом, оказывается возможным повысить удельные энергетические показатели и надежность, а также обеспечить мобильность установки.

Удельные энергетические показатели установки могут быть повышены при введении в устройство дополнительных электрогенераторов (фиг. 3, 4).

Предлагаемое выполнение установки позволяет при увеличении числа электрогенераторов, а следовательно, при увеличении выходной мощности установки не увеличивать число стоек и опорных элементов, что повышает удельную мощность установки. При этом наибольший эффект достигается при симметричном размещении электрогенераторов на поплавке относительно вертикальной части стоек и так, что их оси параллельны оси стойки (фиг. 3) в связи с тем, что при этом достигается практическое совпадение по фазе выходных ЭДС электрогенераторов, причем каждая из них достигает максимально возможного значения и, следовательно, их сумма будет также максимальна.

Кроме того, при условии сохранения плавучести поплавковой камеры, утяжеление последней активными элементами - электрогенераторами приводит к увеличению потенциальной энергии поплавковой камеры при ее опускании (спаде волны), что также улучшает удельные энергетические показатели установки. При таком выполнении установки повышается также усилие, приложенное к опорному элементу при его фиксации относительно дна, что делает возможным работу установки на твердых донных грунтах.

В случае, когда перепад высот между гребнем и впадиной волны Δh=h_г-h_в (фиг. 5 а-д) превышает ход винта Δl_в=l_вmax-l_вmin, возможно усиление положительного эффекта за счет введения в поплавковую камеру по крайней мере одного клапана 18 (фиг. 5 а-д). Управление клапаном, например электромагнитным, осуществляется от системы управления.

В случае, когда высоты волны равна h_в (фиг. 5а) поплавок "зависает" над поверхностью волны, клапан закрыт. Далее высота волны увеличивается и достигает нижней поверхности поплавковой камеры: последняя поднимается вместе с волной (фиг. 5б). При достижении высоты волны, близкой к высоте гребня h_г (гайка ШВП подходит к верхней концевой части винта), клапан открывается (фиг. 5 в), например, по сигналу с кругового датчика, встроенного в электрогенератор. Поплавковая камера заполняется водой до заданного уровня, определяемого, например, датчиком уровня, после чего клапан закрывается. При этом подъемная сила, действующая на поплавковую камеру, становится равной нулю и ее поступательное движение прекращается. Волна спадает, поплавковая камера опускается (фиг. 5 г) под действием собственного веса, увеличенного на величину веса воды, находящейся в камере устройства. При достижении волной высоты, большей чем h_в (гайка ШВП подходит к нижней концевой части винта ШВП). Клапан открывается (фиг. 5 д), вода, находящаяся в поплавковом устройстве сливается, после чего клапан закрывается и цикл повторяется.

Увеличение силы, действующей на поплавковую камеру, и обусловленное увеличение ее массы при заполнении водой, приводит к увеличению скорости вращения ротора электрогенератора а, следовательно, и наведенной ЭДС.

Кроме того, наличие клапана, работающего по описанному алгоритму, позволяет уменьшить собственную массу поплавковой камеры. В связи с действием указанных факторов, повышаются удельные энергетические показатели устройства.

Использование: преобразование энергии волн в электроэнергию. Сущность изобретения: на дне водоема неподвижно установлено опорное устройство, к которому шарнирно прикреплена стойка, с последней связана с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения поплавковая камера с электрогенератором и преобразователем поступательного перемещения поплавковой камеры во вращательное движение ротора электрогенератора, выполненным в виде шарико-винтовой передачи, гайка которой связана с ротором, а винт - со стойкой. При этом ротор выполнен полым, шарико-винтовая передача размещена внутри ротора, упомянутые связи гайки и винта выполнены жесткими, а корпус электрогенератора закреплен на поплавковой камере. Стойка может быть выполнена зонтичной конструкции, а с поплавковой камерой связано несколько электрогенераторов. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. ВОЛНОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, содержащая неподвижно установленное на дне водоема опорное устройство со стойкой, связанную с последней с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения поплавковую камеру, электрогенератор с ротором и корпусом и преобразователь поступательного перемещения поплавковой камеры во вращательное движение ротора, выполненный в виде шариковинтовой передачи, гайка которой связана с ротором, а винт - со стойкой, отличающаяся тем, что, с целью повышения удельных энергетических показателей и надежности, а также обеспечения мобильности установки, ротор генератора выполнен полым, шариковинтовая передача размещена внутри ротора, причем упомянутые связи гайки и винта выполнены жесткими, корпус электрогенератора закреплен на поплавковой камере, а стойка соединена с опорным устройством посредством шарнира. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена по меньшей мере одним дополнительным электрогенератором, корпус которого также закреплен на поплавковой камере, последняя выполнена со сквозным вертикальным отверстием, стойка выполнена в виде зонтичной конструкции, вертикальная часть которой пропущена через сквозное отверстие в поплавковой камере, горизонтальная часть жестко связана с винтами, а корпуса электрогенераторов размещены симметрично относительно стойки, причем оси винтов параллельны ее вертикальной оси.