ПОПЛАВКОВАЯ ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 1995 года по МПК F03B13/16 

Изобретение относится к производству электроэнергии, в частности производству экологически чистой электроэнергии без отрицательного воздействия на окружающую среду путем преобразования энергии морских волн и ветра.

Известны технические решения по созданию волновых электростанций, преобразующих энергию морских волн в электроэнергию. Наиболее близким к изобретению техническим решением является поплавковая волновая электростанция (ПВЭС) (Мак-Кормик М. Преобразование энергии волн. М. Энергоатомиздат, 1985, с. 102-103, рис. 511; Omholt T. A Wave Activated Electric Generator. Proceedings, Ocean'78, Marine Technology Conference, Washington, D.C. pp. 585-589, 1978), содержащая корпус поплавка и механический преобразователь энергии морских волн, совмещенный с электрогенератором.

Эффективность описанного технического решения существенно зависит от длин морских волн, скорости и направления их распространения. Эти параметры морских волн являются постоянно меняющимися, причем изменение их носит случайный характер. Кроме того, прототип не содержит накопитель энергии, который необходим для всякой энергомашины как устройство, повышающее эффективность его работы.

Известные технические решения не могут обеспечивать стабильное и эффективное производство электроэнергии путем преобразования в последнюю энергии морских волн, а устройства, создаваемые на их базе, не могут рассматриваться в качестве надежных элементов системы энергообеспечения экономики.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и стабильности производства электроэнергии с помощью волновых электростанций, и тем самым повышение надежности волновых электростанций как элементов системы энергообеспечения экономики путем создания устройства, эффективно использующего энергию морских волн независимо от их длины, скорости и направления распространения, а также использующего энергию ветра над морской поверхностью.

Непременным условием прогресса любого общества является достаточность производства электроэнергии, необходимая для обеспечения социально-экономического развития. По оценкам экспертов ЮНЕСКО значения энергии волн мирового океана, а также энергии ветров, дующих у поверхности океана, техническое использование которых известными типами электропреобразователей возможно в настоящее время, равны соответственно 10¹² и 5˙10¹³ Вт. Это позволяет волновым и ветровым электростанциям занять достойное место в энергосистемах государств.

Энергия, которой располагают массы воды при волновом движении в океанах и морях, огромна. Так, сравнительно небольшая волна высотой 4 м в расчете на один квадратный метр колеблющейся поверхности способна развить мощность более 10 кВт. Мощность потока ветра через площадку сечением 1 м² при скорости 12 м/с по порядку величины равна 1 кВт.

Акватории, которым присуща высокая штормовая активность, занимают огромные площади океанских пространств. Соответственно этому весьма значительна и совокупная энергия штормов. Учитывая это было бы заманчиво использовать разрушительную энергию этих явлений для целей созидания и жизнеустройства. Тем более что акватории с высокой штормовой активностью сами по себе являются местами весьма неудобными для обитания и деятельности человека. Предложенное техническое решение позволяет решить указанную задачу.

Указанный технический результат решается тем, что в ПВЭС, содержащей корпус поплавка, механический преобразователь энергии морских волн и электрогенератор, корпус поплавка выполнен в виде герметичной капсулы цилиндрической формы, верхняя часть которой выполнена в виде полусферы радиуса, равного радиусу цилиндрической части корпуса, а нижняя часть капсулы выполнена в виде сферы, механический преобразователь энергии морских волн выполнен в виде упругого маятника, груз которого перемещается вдоль оси корпуса поплавка, в качестве упругих элементов используются либо пружины, выполненные из традиционных упругих материалов, либо нейтральные газы, электрогенератор выполнен в виде линейного электрогенератора, обмотки якоря которого размещены внутри корпуса поплавка вдоль его цилиндрической части, а индуктор выполнен в виде кольцевых секций постоянных магнитов, закрепленных на грузе маятника. Причем электростанция снабжена динамическим инерционным накопителем энергии с электромеханическим приводом двустороннего действия, при этом частота собственных колебаний маятника ω_мприблизительно равна частоте колебаний поплавка в воде ω_п.

ПВЭС может быть оснащена параметрическим осциллятором, установленным внутри корпуса поплавка, снабженным механизмом воздействия на характер колебательного движения маятника.

Кроме того, ПВЭС может быть снабжена дефлектором с флюгаркой, размещенными на внешней поверхности поплавка на верхней полусфере, тягой дефлектора и механизмом перемещения тяги дефлектора, установленными внутри корпуса поплавка. При этом она снабжена стабилизатором вертикальной и азимутальной устойчивости, выполненным в виде двух жестких взаимно перпендикулярных плоских панелей, закрепленных на наружной поверхности сферической части корпуса поплавка.

Выполнение механического преобразователя энергии морских волн в виде массивного упругого маятника заодно с электрогенератором, наряду с выполнением корпуса поплавка в виде осесимметричного, хорошо обтекаемого тела, плавающего на поверхности моря так, что его продольная ось всегда ориентирована вдоль направления местной вертикали, позволяет повысить эффективность и стабильность использования энергии волн и ветра, так как механический преобразователь энергии морских волн и форма поплавка обеспечивают работу электростанции при любых длинах, скоростях, интенсивностях и направлениях распространения морских волн.

Выполнение упругого маятника таким, чтобы частота его собственных колебаний ω_м была приблизительно равна частоте колебаний поплавка в воде ω_п(ω_м≃ ω_п) с одной стороны, обеспечивает переход маятника в колебательное движение сразу же после перехода в колебательное движение поплавка, а с другой стороны, позволяет наиболее оптимально осуществлять механическое преобразование энергии волн любой интенсивности и тем самым повысить эффективность и стабильность работы предложенной электростанции.

В качестве упругих элементов маятника используются как пружины, выполненные из традиционных упругих материалов, так и нейтральные газы. В последнем случае герметичная капсула поплавка разделяется грузом маятника как поршнем на верхнюю и нижнюю части (камеры), в которых газ, попеременно сжимаясь и расширяясь, оказывает на груз соответствующее периодическое воздействие (тем самым выполняя функции "газовых пружин").

Динамический инерционный накопитель энергии (ИНЭ) позволяет создавать запас энергии в периоды неполной нагрузки электрогенератора, а в периоды максимальной нагрузки или морского затишья поддерживать его вращение. Использование ИНЭ также существенно повышает эффективность действия электростанции. Одновременно ИНЭ является хорошим стабилизатором вертикальной устойчивости всего поплавка.

Для компенсации аритмии, предотвращения срыва колебаний и поддержания устойчивости колебательного движения маятника в ПВЭС предусмотрено дополнительное периодическое воздействие на груз с помощью параметрического осциллятора. При использовании в качестве упругих элементов традиционных пружин параметрическое воздействие осуществляется путем смещения точки закрепления пружин с помощью кривошипа, фазы движения которого согласуются параметрическим осциллятором с определенными фазами движения груза маятника. Если в качестве упругих элементов используются "газовые пружины", то параметрическое воздействие осуществляется путем перепуска порций газа с помощью клапанов, установленных в соединительных трубопроводах между верхней и нижней газовыми камерами. При этом срабатывание клапанов синхронизуется с определенными фазами движения груза маятника с помощью системы управления.

Развитие колебаний поплавка осуществляется и за счет использования потоков ветра над поверхностью морей. С этой целью над верхней полусферой устанавливается дефлектор с флюгаркой. Направляющие элементы дефлектора меняют свое положение так, что действие воздушных масс всякий раз способствует увеличению смещения поплавка от положения равновесия и, как следствие, увеличению энергии колебаний ПВЭС.

Для дополнительного обеспечения вертикальной устойчивости поплавка, а также для предотвращения раскрутки поплавка относительно его продольной оси на наружной поверхности сферической части поплавка устанавливается стабилизатор вертикальной и азимутальной устойчивости.

Волновые электростанции, создаваемые на базе предложенного технического решения, могут рассматриваться в качестве эффективного, стабильного и надежного элемента общей многокомпонентной системы энергоснабжения государств.

На фиг. 1 показан ПВЭС, общий вид; на фиг. 2 ПВЭС с совмещенным механическим преобразователем энергии морских волн и электрогенератором в разрезе с двухпружинным маятником, с параметрическим осциллятором, дефлектором и стабилизатором; на фиг. 3 ПВЭС в разрезе с "газовыми пружинами".

ПВЭС содержит корпус 1 поплавка (фиг. 1), выполненный в виде герметичной капсулы цилиндрической формы, верхняя часть которой выполнена в виде полусферы 2 радиуса, равного радиусу цилиндрической части 3 корпуса поплавка, а нижняя часть корпуса поплавка выполнена в виде сферы 4. Внутри корпуса 1 размещен механический преобразователь энергии морских волн, выполненный заодно с линейным электрогенератором. Механический преобразователь энергии морских волн выполнен в виде упругого маятника. Упругий маятник, выполняемый в двух вариантах, состоит из груза 5 (фиг. 2) и упругих элементов. В первом варианте в качестве упругих элементов используются односторонние и двусторонние пружины 6, выполненные из традиционных упругих материалов, прикрепленные одним концом сверху или снизу или сверху и снизу к грузу 5 маятника, а другим концом к корпусу 1 поплавка. Во втором варианте в качестве упругих элементов используются нейтральные газы. В этом случае герметичная капсула поплавка разделяется грузом маятника как поршнем на верхнюю 7 (фиг. 3) и нижнюю 8 части (камеры), в которых газ, попеременно сжимаясь и расширяясь, оказывает на груз соответствующее периодическое воздействие, выполняя тем самым функции "газовых пружин". Индуктор 9 линейного электрогенератора выполнен из кольцевых секций постоянных магнитов, он является составной частью груза 5 маятника. Обмотки якоря 10 размещены внутри корпуса поплавка вдоль его цилиндрической части 3.

Конструктивно упругий маятник выполняется так, чтобы частота его собственных колебаний ω_м была примерно равна частоте колебаний капсулы поплавка в воде ω_п(ω_м≃ ω_п)
В нижней сферической части 4 корпуса поплавка установлен динамический ИНЭ 11 с электромеханическим приводом 12 двустороннего действия, предназначенным либо для электромашинной раскрутки маховика 13 ИНЭ, либо для генерации электроэнергии за счет вращательной энергии маховика 13.

ПВЭС оснащена параметрическим осциллятором 14, установленным внутри корпуса поплавка. В варианте конструкции ПВЭС с использованием в качестве упругих элементов маятника традиционных пружин параметрический осциллятор снабжен соединенной с грузом 5 маятника тягой 15 и кривошипно-шатунным механизмом, кривошип 16 которого одним концом прикреплен к внутренней поверхности корпуса 1 поплавка, а другим концом прикреплен к пружине 6. В варианте конструкции ПВЭС с использованием в качестве упругих элементов маятника "газовых пружин" параметрический осциллятор снабжен компрессором, перепускными клапанами 17 и 18, а также трубопроводами 19 и 20, посредством которых осуществляется перепуск порций газа для параметрического воздействия на груз 5 маятника.

ПВЭС снабжена дефлектором 21 с флюгаркой 22, размещенными на внешней поверхности поплавка на верхней полусфере 2, тягой 23 и механизмом 24 перемещения тяги 23 дефлектора 21, установленными внутри корпуса поплавка. Кроме того, ПВЭС снабжена стабилизатором вертикальной и азимутальной устойчивости, выполненным в виде двух жестких взаимно перпендикулярных плоских панелей 25, закрепленных на наружной поверхности сферической части 4 корпуса поплавка.

Внутри капсулы расположен блок 26 автоматического управления, с помощью которого осуществляется управление работой всех блоков и узлов ПВЭС. В этом же блоке размещается электронный стабилизатор, позволяющий поддерживать в заданных пределах напряжение на выходе 27 электрогенератора при различных режимах работы ПВЭС.

ПВЭС работает следующим образом.

ПВЭС представляет собой устройство, с помощью которого энергия морских волн и потоков ветра над поверхностью моря преобразуется в электроэнергию. Под действием морской волны поплавок ПВЭС выводится из состояния покоя. Поплавок вместе со всем содержимым начинает совершать колебательные движения, находясь под действием силы притяжения Земли и Архимедовой силы. Частота колебания поплавка определяется массой ПВЭС и площадью поперечного сечения цилиндрической части корпуса поплавка:
ω_п= (1) где М масса ПВЭС; ρ_в плотность морской волны; g ускорение свободного падения; S площадь поперечного сечения цилиндрической части корпуса поплавка.

Упругий маятник, находящийся внутри поплавка после перехода поплавка в колебательное движение, также переходит в движение, совершая вместе с поплавком вертикальные периодические перемещения. Через некоторое время после начала движения в такой системе устанавливается режим вынужденных колебаний с частотой ω_п.

Ввиду того, что конструктивно упругий маятник изготавливается так, чтобы частота его собственных колебаний была примерно равна частоте колебаний поплавка в воде ω_м≃ ω_п колебания упругого маятника в установившемся режиме могут рассматриваться как резонансные колебания в системе с произвольной зависимостью силы сопротивления от смещения и скорости осциллятора.

В процессе колебательного движения индуктор 9, являясь составной частью груза 5, возбуждает индукционные токи в обмотках якоря 10 электрогенератора. В качестве электрогенератора используется линейный электромашинный генератор.

Таким образом, с помощью механического маятника и электрогенератора, находящихся внутри капсулы-поплавка, энергия морских волн преобразуется в электроэнергию.

Для повышения эффективности действия ПВЭС оснащена динамическим ИНЭ 11 (Бут Д.А. Алиевский Б.Л. Мизюрин С.Р. Васюкевич П.В. Накопители энергии. М. Энергоатомиздат, 1991, с. 400). Раскрутка маховика 13 ИНЭ либо наоборот преобразование энергии вращательного движения его в электроэнергию производится с помощью электромеханического привода 12 двустороннего действия.

Использование ИНЭ 11 в качестве энергетического буфера позволяет создавать запас энергии в периоды неполной нагрузки электрогенератора, а в периоды максимальной нагрузки или морского затишья поддерживать его вращение.

ИНЭ выполняет еще одну очень важную функцию. В связи с тем, что вращение маховика 13, выполненного в виде осесимметричного шарового сегмента большой массы, раскручиваемой до высоких угловых скоростей, характеризуется значительной величиной момента импульса, ИНЭ является хорошим стабилизатором вертикальной устойчивости всего поплавка. Это свойство поплавка весьма существенно, если учесть всевозможные боковые воздействия со стороны волн и потоков ветра. Вертикальную устойчивость поплавку придают также жесткие панели стабилизатора 25, которые устанавливаются взаимно перпендикулярно на наружной поверхности сферической части 4 корпуса поплавка.

В процессе работы ПВЭС энергия колебаний упругого маятника расходуется на генерацию электроэнергии и работу против диссипативных сил. Это, естественно, влечет за собой уменьшение амплитуды маятника и частотное рассогласование колебаний маятника и вынуждающей силы.

На параметры колебаний упругого маятника могут также оказывать влияние амплитудные и фазовые изменения параметров колебаний поплавка, связанные со стохастическим характером процесса волнообразования в море.

Для компенсации аритмии, предотвращения срыва колебаний и поддержания устойчивости колебательного движения маятника в ПВЭС предусмотрено дополнительное подвозбуждение колебаний упругого маятника с помощью параметрического осциллятора 14 (Мандельштам Л.И. Лекции по теории колебаний. М. Наука, 1972). В варианте ПВЭС с использованием в качестве упругих элементов маятника традиционных пружин это происходит путем смещения точки закрепления пружины 6 с помощью кривошипа 16, фазы движения которого согласуются параметрическим осциллятором 14 с определенными фазами движения груза 5 маятника. В варианте ПВЭС с использованием в качестве упругих элементов маятника "газовых пружин" параметрический осциллятор 14 снабжен компрессором, перепускными клапанами 17 и 18, а также трубопроводами 19 и 20, посредством которых осуществляется перепуск порций газа для параметрического воздействия на груз 5 маятника.

Развитие колебаний поплавка может осуществляться и за счет использования энергии потоков ветра над поверхностью морей. С этой целью на наружной поверхности полусферы 2 установлен дефлектор 21 с флюгаркой 22. Направляющие элементы дефлектора 21 изменяют направление движения потоков ветра над поплавком, что приводит к появлению дополнительной вертикальной составляющей силы, действующей на капсулу. Тяга 23 с помощью механизма 24 перемещения дважды за период в зависимости от направления движения груза 5 маятника поворачивает направляющие элементы дефлектора 21, меняя тем самым направление движения отбрасываемых воздушных потоков. При этом действие воздушных масс всякий раз способствует увеличению смещения капсулы от положения равновесия и, как следствие, увеличению энергии колебаний ПВЭС.

Управление работой и взаимодействием всех блоков и узлов ПВЭС осуществляется с помощью блока 26 автоматического управления. В этом блоке размещается электронный стабилизатор, позволяющий поддерживать в заданных пределах напряжение на выходе электрогенератора при различных режимах работы ПВЭС.

Проведем оценку параметров ПВЭС, используя обобщенные физические характеристики объектов природы и технических устройств. При оценке будем использовать произвольные и в то же время реально достижимые (не экстремальные) значения параметров. Вместе с тем будем полагать, что при технической проработке конструкции ПВЭС значения параметров могут быть изменены в лучшую сторону.

Для примера рассмотрим ПВЭС с выходной электрической мощностью Р 3 кВт при суммарном КПД η 0,8 и периоде колебаний Т 8 с.

Средняя энергия, которой должен располагать такой маятник, равна
E 3·10⁴ Дж
Приняв в качестве средней рабочей амплитуды колебаний маятника величину А= 5 м, оценим соответствующую массу груза маятника
m_г= 3,9·10³ кг
Если груз маятника выполнен из стали и имеет форму цилиндра диаметром D_г 0,8 м, то его высота равна
h_г= ≃ 1 м
Масса ПВЭС складывается из массы груза маятника m_г, массы маховика ИНЭ m_н 18˙10³ кг и массы всех агрегатов: электрогенератора, редуктора, механизмов и устройств, а также корпуса капсулы m_к 2,1˙10³ кг:
М m_г + m_н + m_к 24˙10³ кг.

Теперь, используя формулу (1), можно оценить диаметр цилиндрической части капсулы, выступающей из воды:
D_к= ≃ 1,4 м.

Объем подводной части капсулы должен быть порядка 24 м³. Приняв высоту цилиндрической части капсулы, находящейся в отсутствии колебаний под водой, равной h_цп 7 м, определим ее объем:
V_цп= h_цп= 7 10,8 м
Объем сферической части корпуса, находящейся под водой
V_c 24,0 10,8 13,2 м³.

Отсюда радиус сферы
R_с= 1,5 м
Пусть радиус сферообразного маховика ИНЭ равен R_м 1,4 м. Зная массу маховика, определим высоту шарового сегмента, форму которого имеет маховик ИНЭ. Эта высота оказывается равной h_сегм 0,805 м
Таким образом, параметры ПВЭС в рассмотренном примере следующие:
Мощность Р 3 кВт
Суммарная масса М 24˙10³ кг
Суммарная высота Н 21 м
Диаметр цилиндрической части капсулы D_к 1,4 м
Диаметр сферической подводной части капсулы D_с 3 м
В зависимости от назначения возможно создание ПВЭС как на малые (менее 1 кВт), так и на большие (более 1 кВт) выходные мощности. Маломощные ПВЭС могут найти применение в малотоннажных судах как вспомогательные источники тока. Мощные ПВЭС могут образовываться путем составления многомодульных связок из оптимальных по характеристикам ПВЭС. Суммарная электрическая выходная мощность таких связок может составлять десятки мегаватт.

Многомодульные связки ПВЭС могут располагаться в акваториях мирового океана с высокой штормовой или волнообразующей активностью, в местах мало или совсем непригодных для обитания человека или мореплавания. Положение этих связок может фиксироваться как путем прикрепления к элементам морского дна или объектам на берегу, так и с помощью буксировочных судов, перемещающих связки ПВЭС в акватории океанов с высокой штормовой или волнообразующей активностью. Наведение таких комплексов судно связка ПВЭС на штормовые акватории океанов может осуществляться с помощью метеорологических искусственных спутников Земли.

Мощные многомодульные ПВЭС могут служить хорошей энергетической базой для создания экологически чистых объектов перерабатывающей промышленности морского и прибрежного базирования. На таких объектах можно осуществлять переработку морепродуктов, опреснять морскую воду или производить ее гидролиз, получать из морской воды необходимые для промышленного использования вещества и т.д. Причем все это возможно осуществить, не нанося вреда окружающей среде, путем освоения пространств, не пригодных для жизни человека, и использования "бросовых" первичных источников энергии, неприменимых с точки зрения традиционного энергопроизводства.

К современным электростанциям наряду с энергоэкономическими предъявляются требования по экологической чистоте. В этом отношении большое значение имеет создание источников и преобразователей энергии, не оказывающих отрицательного воздействия на окружающую среду. Перспективными с этой точки зрения являются волновые и ветровые электростанции океанского и морского базирования. Наряду с такими достоинствами, как использование возобновляемых источников энергии и экологическая чистота, эти электростанции позволили бы свести к нулю не только факторы теплогазопылевого загрязнения, присущие тепловым электростанциям, но даже такие факторы загрязнения окружающей среды, создаваемые наземными ветроэлектростанциями, как шум и вибрация.

Сущность изобретения в вертикально расположенном герметичном цилиндрическом корпусе размещен преобразователь энергии, выполненный в виде линейного электрогенератора. Обмотки якоря расположены вдоль корпуса. Индуктор выполнен в виде инерционный массы с постоянными магнитами, установленными с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения посредством упругих элементов. Верхняя часть корпуса ограничена полусферой с радиусом, равным радиусу цилиндрической части, нижняя - сферой с радиусом большим, чем последний. Обмотки якоря закреплены на внутренней стенке корпуса. Магниты объединены в кольцевые секции и размещены внутри обмотки якоря. В нижней сферической части корпуса установлен динамический инерционный накопитель энергии с электромеханическим приводом двустороннего действия. Частота собственных колебаний индуктора соизмерима с характерной частотой колебаний в воде. 5 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ПОПЛАВКОВАЯ ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, содержащая вертикально расположенный герметичный цилиндрический корпус, размещенный в нем преобразователь энергии, выполненный в виде линейного электрогенератора, обмотки якоря которого расположены вдоль корпуса, а индуктор выполнен в виде инерционной массы с постоянными магнитами, установленными с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения посредством упругих элементов, отличающаяся тем, что верхняя часть корпуса ограничена полусферой с радиусом, равным радиусу цилиндрической части, а нижняя сферой с радиусом, большим, чем последний, обмотки якоря электрогенератора закреплены на внутренней стенке корпуса, а магниты индуктора объединены в кольцевые секции и размещены внутри обмоток якоря, при этом в нижней сферической части корпуса установлен динамический инерционный накопитель энергии с электромеханическим приводом двустороннего действия, а частота собственных колебаний индуктора соизмерима с характерной частотой колебаний корпуса в воде. 2. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена установленным в корпусе параметрическим осцилятором с тягой и кривошипно-шатунным механизмом, при этом упругие элементы выполнены в виде пружин, а кривошип одним концом прикреплен к внутренней стенке корпуса, а другим к пружине индуктора. 3. Электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что упругие элементы выполнены в виде полостей, заполненных нейтральным газом. 4. Электростанция по пп. 1 и 3, отличающаяся тем, что она снабжена установленными в корпусе параметрическим осциллятором, компрессором, перепускными клапанами и трубопроводами для перепуска газа из одной полости в другую. 5. Электростанция по пп. 1 4 отличающаяся тем, что она снабжена размещенными на верхней полусфере дефлектором с флюгаркой и размещенными в корпусе тягой дефлектора с механизмом перемещения. 6. Электростанция по пп. 1 5, отличающаяся тем, что она снабжена закрепленными на наружной поверхности нижней сферы двумя жесткими вертикальными взаимно перпендикулярными плоскими панелями.