ВОЛНОВАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 1997 года по МПК F03B13/18 

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к волновым энергетическим установкам и может быть использовано в волновых электростанциях.

Известны волновые электростанции, преобразующие энергию волн в электрическую энергию путем использования колебательного движения поплавкового тепла, приводящего в действие поршневой насос, от которого под давлением подается жидкость в турбину, вырабатывающую электроэнергию.

Недостатком таких установок является достаточно высокая сложность и невысокий КПД.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является волновая электростанция, содержащая понтон с пьезоэлементами, заглубленный под уровень воды и прикрепленный якорем ко дну, и поплавок из двух частей, соединенный при помощи стержней и шарниров с понтоном. Устройство принято в качестве прототипа.

Его недостатком является невысокое качество электроэнергии, зависящее от силы волн.

Задача изобретения повышение эффективности электростанции.

Технический результат достигается тем, что в волновой электростанции, содержащей опору с закрепленными на ней пьезогенераторами, опора размещена на берегу (платформе), а на ней установлены стойки с осями, на каждой из которых закреплен разноплечий рычаг, на большем плече которого установлен поплавок, а на меньшем прижимной щит, расположенный над пьезогенератором, а пьезогенератор набран из N секций, разделенных диэлектрическими прокладками, причем каждая секция имеет пьезопленку, pазмещенную между верхней и нижней подложками, кроме того толщина пьезопленки в i-ой секции принимается в соответствии с выражением δ_i=δ₁•2^i-1; где δ₁ толщина пьезопленки первой секции, а выходной зажим одной полярности соединен через N последовательно включенных шунтирующих ключей с выходным зажимом другой полярности, а верхняя подложка i-ой секции соединена со входом шунтирующего ключа i-ой секции через i-ый секционный электронный ключ, кроме того нижняя подложка связана с выходом шунтирующего ключа i-ой секции, управляющий электрод которого через i-ый логический элемент НЕ соединен с соответствующим выходом второго реверсивного счетчика, связанного соответствующими выходами с управляющими электродами соответствующих секционных ключей, а суммирующим входом с выходом четвертого логического элемента И, первый вход которого соединен с выходом БОЛЬШЕ третьего числового компаратора, связанного с выходом МЕНЬШЕ с первым входом третьего логического элемента И, разрядами первого входа с соответствующими разрядами выхода задающего регистра, а разрядами второго входа с соответствующими разрядами выхода регистра памяти и сходами исходного числа первого реверсивного счетчика, вход записи исходного числа которого соединен с входом записи регистра памяти, вторыми входами третьего и четвертого логических элементов И, сбросовым входом триггера и выходом первого дифференциатора, вход которого подключен к выходу БОЛЬШЕ первого числа компаратора, связанного: разрядами первого входа с соответствующими разрядами выхода счетчика и входа регистра памяти; разрядами второго входа с соответствующими разрядами выхода аналого-цифрового преобразователя и второго входа второго числового компаратора; выходом МЕНЬШЕ с вторым входом второго логического элемента И, выход которого подключен к счетному входу счетчика, сбросовый вход которого связан с единичным входом триггера, сбросовым входом второго реверсивного счетчика, шиной СБРОС и с выходом второго дифференциатора, вход которого соединен с выходом МЕНЬШЕ второго числового компаратора, связанного с разрядами первого входа с соответствующими разрядами выхода первого реверсивного счетчика, а выходом БОЛЬШЕ со вторым входом первого логического элемента И, подключенного к вычитающему входу первого реверсивного счетчика, первым входом к выходу генератора стабильных импульсов и первому входу второго логического элемента И, третьим входом к инверсному выходу триггера, единичный выход подключен к третьему входу второго логического элемента И, кроме того к выходным зажимам генератора подключен делитель напряжения, ползунок которого связан с входом аналого-цифрового преобразователя а выход третьего логического элемента И с вычитающим входом второго реверсивного счетчика.

Прижимной щит обеспечивает одновременное воздействие сразу на всю площадь пьезогенератора. Рычаг, закрепленный на стойке, установленной на опоре, позволяет увеличить давление, воздействующее на пленку.

Пьезогенератор набран из N секций, напряжения на которых в связи с разной толщиной пьезопленки отличаются в два раза и для i-ой секции определяется по выражению V_i V₁ • 2^i-1, где V₁ напряжение первой секции. Это позволяет иметь на выходных зажимах электростанции любое необходимое напряжение и обеспечивать его стабильность в зависимости от нагрузки станции и силы волн путем варьирования количества включенных в работу секций.

Шунтирующие и секционные электронные ключи, управляемые вторым реверсивным счетчиком, обеспечивают коммутацию секций при регулировании напряжения. Делитель напряжения и аналого-цифровой преобразователь составляют измерительный орган схемы регулирования напряжения. Первый числовой компаратор, счетчик, второй логический элемент И, генератор стабильных импульсов и первый дифференциатор обеспечивают формирование кода амплитуды напряжения, который заносится в регистр памяти. Второй числовой компаратор, первый реверсивный счетчик, второй дифференциатор и первый логический элемент И служат для возврата схемы в исходное состояние для формирования очередного кода амплитуды. Третий числовой компаратор, регистр памяти, задающий регистр, третий и четвертый логические элементы И формируют регулирующее воздействие на второй реверсивный счетчик для увеличения или уменьшения напряжения пьезогенератора.

На фиг. 1 представлен вид волновой электростанции; на фиг. 2 разрез по А А; на фиг. 3 устройство и схема управления пьезогенератором; на фиг. 4 - блочная схема системы автоматического регулирования напряжения; на фиг. 5 - эпюры сигналов на выходах основных элементов схемы регулирования.

Волновая электростанция содержит опору 1, пьезогенератор 2, стойку 3, шарнир 4, рычаг 5, поплавок 6, прижимной щит 7, шунтирующие электронные ключи 8 1, 8 N секционные электронные ключи 9 1, 9 N, делитель напряжения 10, аналого-цифровой преобразователь 11, счетчик импульсов 12, первый 13 и второй 14 реверсивные счетчики, первый 15, второй 16 и третий 17 числовые компараторы, регистр памяти 18, первый 19 и второй 20 дифференциаторы, задающий регистр 21, первый 22, второй 23, третий 24 и четвертый 25 логические элементы И, триггер 26, генератор стабильных импульсов 27, логические элементы НЕ 28 1, 28 N. Пьезогенератор 2 состоит из N секций, каждая из которых содержит верхнюю 30 N и нижнюю 32 N подложки с токоотводами, пьезопленку 31 N и диэлектрическую прокладку 33 N.

Электростанция работает следующим образом. При подходе волны поплавок 6 поднимается и на большее плечо рычага 5 воздействует сила. Рычаг проворачивается на оси 4 и прижимной щит 7 воздействует на пьезогенератор 2, на выходных зажимах которого появляется электродвижущая сила. После прохождения волны поплавок 6 опускается под действием собственного веса и щит 7 приподнимается, снимая давление с пьезогенератора 2. При подходе следующей волны цикл повторяется.

Делитель напряжения 10 подключается на шины пьезогенераторов 2. С выхода переменное напряжение подается на вход аналого-цифрового преобразователя 11. Код мгновенного напряжения поступает на второй вход числового компаратора 15. На первый его вход подключен выход счетчика импульсов 12, на котором будет формироваться код амплитуды напряжения. До тех пор пока код мгновенного значения напряжения больше кода на выходе счетчика импульсов 12, присутствует сигнал на выходе МЕНЬШЕ числового компаратора 15, который подготавливает логический элемент И 23 по второму входу. От генератора импульсов 27 через первый вход логического элемента И 23 поступают импульсы на счетный вход счетчика импульсов 12. Код на его выходе возрастает и при равенстве кодов на входах компаратора 15 логический элемент И 23 запирается, импульсы на счетчик 12 не поступают до момента когда код на выходе аналого-цифрового преобразователя 11 возрастает. Этот процесс продолжается до достижения амплитудного значения мгновенного напряжения. После того, как мгновенное значение напряжения становится меньше амплитудного, код на выходе счетчика 12 становится больше кода на выходе аналого-цифрового преобразователя 11 и появляется сигнал на выходе БОЛЬШЕ компаратора 15. По фронту этого сигнала дифференциатор 19 выдает импульс на вход записи регистра памяти 18, куда заносится код амплитуды напряжения с выхода счетчика импульсов 12. Одновременно импульсы с дифференциатора 19 триггер 26 переводится в нулевое состояние и логический элемент И 23 закрывается по третьему входу. Этим же сигналом в реверсивный счетчик 13 заносится код амплитуды напряжения с выхода регистра памяти 18. Этот код поступает на первый вход компаратора 16, а на его второй вход поступает код мгновенного напряжения, который меньше в данное время амплитудного значения напряжения, поэтому имеет место сигнал на выходе БОЛЬШЕ компаратора 16. Этим сигналом логический элемент И 22, подготовленный по третьему входу сигналом с инверсного выхода триггера 26 подготавливается по второму входу и с генератора 27 начинают поступать импульсы на вычитающий вход реверсивного счетчика 13. Код на его выходе уменьшается. Этот процесс продолжается до тех пор пока мгновенное значение напряжения не достигнет минимума, после чего код на втором входе компаратора 16 становится больше чем на первом входе и появляется сигнал на выходе МЕНЬШЕ компаратора 16. Этот сигнал дифференцируется дифференциатором 20 и поступает на единичный выход триггера 26, который меняет свое состояние и подготавливает по третьему входу логический элемент И 23. Одновременно импульсы с дифференциатора 20 счетчик импульсов 20 переводится в нулевое состояние. Код на первом входе компаратора 15 становится меньше кода мгновенного напряжения и начинается процесс измерения амплитуды очередной волны напряжения, код которой записывается в регистр памяти 18. Этот код поступает на второй вход компаратора 17, на первый вход которого с выхода задающего регистра 21 подан код заданной амплитуды напряжения.

Если текущая амплитуда выходного напряжения меньше заданной, то появляется сигнал на выходе БОЛЬШЕ компаратора 17, этот сигнал подготавливает по первому входу логический элемент И 25 через который после формирования кода амплитуды напряжения с дифференциатора 19 проходит импульс на суммирующий вход реверсивного счетчика 14. Появляется сигнал на выходе его первого разряда. При этом подается управляющий сигнал на секционный электронный ключ 9 1 первой секции пьезогенератора. Одновременно подается через логический элемент НЕ 23 1 низкий уровень на шунтирующий электронный ключ, 8 1, который закрывается. При этом к выходным зажимам подключается первая секция пьезогенератора 2.

По результатам второго цикла измерения амплитуды напряжения будет введена в работу вторая секция пьезогенератора 2, имеющая на одну ступень большее напряжение. Остальные секции пьезогенератора будут отключены.

По результатам третьего цикла измерения амплитуды напряжения в работу будет введена дополнительно первая секция пьезогенератора 2. При этом секционные ключи 9 1, 9 2 будут включены, а шунтирующие 8 1, 8 2 будут выключены.

В результате напряжение каждый раз возрастает на одну ступень. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока амплитуда напряжения не достигнет заданной, после чего логический элемент И 25 закрывается по первому входу.

Если амплитуда напряжения увеличиться и станет больше заданной, то появиться сигнал на выходе МЕНЬШЕ компаратора 17, подготавливающий по первому входу элемент И 24. После формирования очередного кода амплитуды напряжения с дифференциатора 19 через логический элемент И 24 поступает импульс на вычитающий вход реверсивного счетчика 14 и в результате переключения секций напряжение на зажимах пьезогенератора 2 уменьшается на одну ступень.

То при изменении параметров волны или величины нагрузки на зажимах пьезогенератора будет поддерживаться заданное напряжение за счет соответствующей коммутации секций пьезогенератора.

За счет расширения диапазона изменения давления, воздействующего на пьезогенератор, изобретение позволяет увеличить его КПД в 2 5 раз. Предложенная волновая электростанция позволяет вырабатывать любое заданное напряжение с высокой точностью его регулирования, что определяется разностью применяемой элементной базы и при восьми разрядах позволяет обеспечить погрешность регулирования не более 0,004. Быстродействие определяется частотой генератора. При частоте импульсов генератора 18 20 кГц и восьмиразрядных элементах схемы установка выходного напряжения с нуля до номинального может быть осуществлена на 1,25 х 10^-3 с. При увеличении числа разрядов и быстродействия генератора точности могут быть увеличены. Для повышения мощности станции и стабильности вырабатываемого напряжения волновая секция может содержать несколько блоков, установленных рядом и работающих на общую нагрузку.

Использование: к гидроэнергетике, а именно к волновым энергетическим установкам и может быть использовано в волновых электростанциях. Сущность изобретения: волновая электростанция содержит опору 1, пьезогенератор 2, стойку 3, шарнир 4, рычаг 5, поплавок 6, прижимной щит 7, электронные ключи 8, 9, делитель напряжения 10, аналого-цифровой преобразователь 11, счетчик 12, реверсивные счетчики 13 и 14, числовые компараторы 19 и 20, логические элементы И 21, 22, 23, 24, 25 и НЕ 28, триггер 26, генератор 27. Волновая электростанция позволяет вырабатывать заданное напряжение с высокой точностью его регулирования. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Волновая гидроэлектростанция, содержащая опору с закрепленными на ней пьезоэлектрогенераторами, поплавок, кинематически связанный с прижимным щитом, расположенным над пьезоэлектрогенераторами, отличающаяся тем, что опора размещена на берегу или платформе, на ней установлены стойки с осями, кинематическая связь поплавка выполнена в виде разноплечего рычага, установленного на осях, поплавок прикреплен к большему плечу, а прижимной щит к меньшему, при этом пьезоэлектрогенератор набран из расположенных друг над другом секций, разделенных диэлектрическими прокладками, каждая секция выполнена из пьезопленки, размещенной между верхней и нижней подложками, причем толщина пьезопленки в секции принимается в соответствии с выражением
δi = δ₁•2^i-1,
где δ₁ толщина пьезопленки первой верхней секции;
δ₂ толщина пьезопленки i-й секции. 2. Волновая электростанция по п.1, отличающаяся тем, что выходной зажим одной полярности соединен через N последовательно включенных шунтирующих ключей с выходным зажимом другой полярности, а верхняя подложка i-й секции соединена с входом шунтирующего ключа i-й секции через i-й секционный электронный ключ, кроме того нижняя подложка связана с выходом шунтирующего ключа i-й секции, управляющий электрод которого через i-й логический элемент НЕ соединен с соответствующим выходом второго реверсивного счетчика, связанного соответствующими выходами с управляющими электродами соответствующих секционных ключей, а суммирующим входом с выходом четвертого логического элемента И, первый вход которого соединен с выходом "Больше" третьего числового компаратора, связанного выходом "Меньше" с первым входом третьего логического элемента И, разрядами первого входа с соответствующими разрядами выхода задающего регистра, а разрядами второго входа с соответствующими разрядами выхода регистра памяти и входами исходного числа первого реверсивного счетчика, вход записи исходного числа которого соединен с входом записи регистра памяти, вторыми входами третьего и четвертого логических элементов И, сбросовым входом триггера и выходом первого дифференциатора, вход которого подключен к выходу "Больше" первого числового компаратора, связанного разрядами первого входа с соответствующими разрядами выхода счетчика и входа регистра памяти, разрядами второго входа с соответствующими разрядами выхода аналого-цифрового преобразователя и второго входа числового компаратора, выходом "Меньше" с вторым входом второго логического элемента И, выход которого подключен к счетному входу счетчика, сбросовый вход которого связан с единичным входом триггера, сбросовым входом второго реверсивного счетчика, шиной "Сброс" и с выходом второго дифференциатора, вход которого соединен с выходом "Меньше" второго числового компаратора, связанного разрядами первого входа с соответствующими разрядами выхода первого реверсивного счетчика, а выходом "Больше" с вторым входом первого логического элемента И, подключенного выходом к вычитающему входу первого реверсивного счетчика, первым входом к выходу генератора стабильных импульсов и первому входу второго логического элемента И, третьим к инверсному выходу триггера, единичный выход которого подключен к третьему входу второго логического элемента И, кроме того к выходным зажимам генератора подключен делитель напряжения, ползунок которого связан с входом аналого-цифрового преобразователя, а выход третьего логического элемента И с вычитающим входом второго реверсивного счетчика.