ПОПЛАВКОВАЯ ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2014 года по МПК F03B13/18 

Изобретение относится к производству электроэнергии, в частности, без отрицательного воздействия на окружающую среду путем преобразования энергии волн.

Аналогом является, например, поплавковая волновая электростанция (патент РФ №2016227, опубликованный 16.07.1994). Установка содержит плавучий корпус и расположенный в корпусе механический преобразователь, включающий инерционный маятник, имеющий пружинную подвеску и установленный с возможностью вертикального возвратно-поступательного движения, который имеет кинематическую связь в виде шариковинтовой передачи с электрогенератором.

Наиболее близкой к предлагаемой поплавковой волновой электростанции является поплавковая волновая электростанция (патент РФ №2037642, опубликованный 19.06.1995). Поплавковая волновая электростанция содержит вертикально расположенный герметичный корпус (поплавок) с размещенным в нем преобразователем энергии, выполненным в виде линейного электрогенератора. Обмотка якоря электрогенератора закреплена на внутренней стенке корпуса, а индуктор выполнен в виде инерционной массы с постоянными магнитами, установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения посредством упругих элементов, при этом частота собственных колебаний индуктора соизмерима с частотой колебаний корпуса в воде при воздействии волны.

В прототипе при воздействии на поплавковую волновую электростанцию волны возникают вертикальные колебания герметичного корпуса, вызывающие вынужденные колебания индуктора с постоянными магнитами, установленного на упругих элементах, которые преобразуются статором генератора в электрическую энергию.

Основными недостатками прототипа являются малая выходная мощность, которую может обеспечить поплавковая волновая электростанция, большая масса и габариты электростанции.

Выходная электрическая мощность поплавковой волновой электростанции зависит от механической мощности, которую развивает колебательная система электростанции. Методика расчета механической мощности поплавковой волновой электростанции приведена в патенте РФ №2037642. Определим по этой методике механическую энергию колеблющегося маятника, роль которого в прототипе выполняет индуктор. Принимаем массу маятника m=100 кг, амплитуду колебаний А=0,2 м и период колебаний, равный периоду следования волн, T=3 с. Частота колебаний составит ω=2·π/Т=2,1 1/с, и механическая энергия, которой обладает маятник при заданных параметрах колебаний, будет равна

$$E=\frac{m\cdot A^2\cdot {\omega }^2}{2}=\mathrm{17,6}Дж$$

За период колебаний Т такую энергию маятник накапливает дважды, когда проходит положение равновесия, отсюда механическая мощность, которую можно преобразовать в электрическую, будет равна

$$P=\frac{2\cdot E}{T}=\mathrm{11,7}Вт$$

Следует учесть, что при преобразовании механической энергии в электрическую часть мощности будет потеряна. Очевидно, что механическая мощность колеблющегося маятника очень мала и такая поплавковая волновая электростанция не выгодна.

Предлагаемое изобретение позволит создать поплавковую волновую электростанцию при той же массе маятника и параметрах колебаний со значительно более мощной энергетической установкой или уменьшить ее габариты и массу при равной с прототипом мощности.

Это достигается тем, что в поплавковой волновой электростанции, содержащей обтекаемый герметичный поплавок и вертикально расположенный внутри поплавка цилиндрический корпус с размещенным в нем маятником, маятник подвешен к концу троса, который переброшен через блок, установленный на вращающейся оси, другой конец этого троса прикреплен к якорю, установленному на дне, а к оси блока присоединен ротор электрического генератора с постоянными магнитами, статор которого закреплен на корпусе, при этом обмотка статора электрического генератора присоединена к зарядному устройству, а выход зарядного устройства присоединен к аккумулятору, который вместе с зарядным устройством находится в приборном отсеке в верхней части поплавка.

Увеличение выходной мощности поплавковой волновой электростанции достигается за счет того, что в предлагаемой поплавковой волновой электростанции в электрическую энергию преобразуется не механическая энергия, накопленная инерционным маятником, подвешенным на упругих элементах, как это происходит в прототипе. При подъеме навигационного буя на гребень волны в электрическую энергию преобразуется механическая энергия движения герметичного корпуса под действием сила Архимеда вместе со статором электрического генератора относительно стабилизирующего балласта и присоединенного к балласту ротора линейного электрического генератора. При спуске поплавковой волновой электростанции с гребня волны в электрическую энергию преобразуется механическая энергия движения стабилизирующего балласта и присоединенного к балласту ротора относительно герметичного корпуса и статора генератора под действием силы тяжести балласта и ротора. Как будет показано ниже, механическая энергия, которую можно преобразовать в электрическую при той же массе маятника и тех же параметрах колебаний, в предлагаемой поплавковой волновой электростанции значительно больше, чем в прототипе. А если мощности предлагаемой поплавковой волновой электростанции и прототипа одинаковы, то масса и габариты предлагаемой поплавковой волновой электростанции будут намного меньше.

На фиг.1 показано осевое сечение поплавковой волновой электростанции. На фиг.2 - схема поплавковой волновой электростанции без поплавка и якоря, на фиг.3 - второй вариант закрепления троса на корпусе.

Изображенная на фиг.1 поплавковая волновая электростанция имеет герметичный поплавок 1 в форме тора, разделенный водонепроницаемыми переборками 2 на отсеки. Во внутренней полости к тороидальному поплавку 1 прикреплен вертикально расположенный цилиндрический корпус 3 с размещенным в нем маятником 4. Маятник 4 подвешен к концу троса 5, переброшенного через блок 6, закрепленный на вращающейся оси 7. Трос 5 с другой стороны блока 6 проходит через направляющую, которая может быть выполнена в виде трубы 8, присоединенной к цилиндрическому корпусу 3 с внешней стороны, и прикреплен к якорю 9, который неподвижно установлен на дне водоема. К вращающейся оси 7 присоединен ротор электрического генератора 10 с постоянными магнитами. Обмотка статора электрического генератора 10 (фиг.2) соединена проводниками со входом зарядного устройства 11, размещенного в герметичном отсеке 12 в верхней части поплавка. Выход зарядного устройства 11 соединен с аккумулятором 13, также находящимся в герметичном отсеке 12.

Схема на фиг.2 показывает элементы поплавковой волновой электростанции без тороидального поплавка 1 и якоря 9.

Поплавковая волновая электростанция работает следующим образом. В исходном состоянии при отсутствии волны маятник 4 своим весом создает силу натяжения троса 5. Эта сила натяжения троса 5 заставляет поплавковую волновую электростанцию расположиться над якорем. При подходе волны поплавок 1 под действием силы Архимеда всплывает на гребень волны, длина части троса 5 от якоря 9 до блока 6 увеличивается, а длина части троса 5 от блока 6 до маятника 4 уменьшается. При этом маятник 4 поднимается, а блок 6 при смещении троса 5 поворачивается вместе с осью 7. Ось 7 при повороте блока 6 вращает ротор с постоянными магнитами электрического генератора 10. На обмотке статора электрического генератора 10 появляется переменное электрическое напряжение, которое поступает на вход зарядного устройства 11, выпрямляется и подается с выхода зарядного устройства 11 на аккумулятор 13, обеспечивая зарядку аккумулятора 13. К аккумулятору 13 подключаются потребители электроэнергии, которые могут находиться на судне или на берегу.

При спуске с гребня волны поплавковой волновой электростанции расстояние от блока 6 до якоря 9 уменьшается, в результате маятник 4 опускается, расстояние от маятника 4 до блока 6 увеличивается, при этом трос 5 вращает блок 6 с осью 7 и ротором электрического генератора 10. Электрический генератор 10 через зарядное устройство 11 снова обеспечивает зарядку аккумулятора 13.

При перемещении троса 5 в направляющей, выполненной в виде трубы 8, могут возникать значительные силы трения, которые уменьшают мощность поплавковой волновой электростанции и приводят к износу троса 5. Для уменьшения сил трения направляющие троса 5 можно выполнить в виде вращающихся роликов 14 (фиг.3), прикрепленных в опорах качения к цилиндрическому корпусу 3. При смещении троса 5 ролики 14 поворачиваются, скольжения троса 5 относительно направляющих роликов 14 нет, и износ троса 5 уменьшается.

Оценим механическую мощность колебаний в предлагаемой поплавковой волновой электростанции, которую можно преобразовать в электрическую мощность электрическим генератором при тех же параметрах маятника и колебаний, как и у рассмотренного выше прототипа: масса маятника m=100 кг, амплитуда колебаний А=0,2 м, период колебаний Т=3 с. Максимальная скорость смещения маятника будет равна Vm=А·ω=0,42 м/с. При подъеме на гребень волны поплавковой волновой электростанции смещение герметичного поплавка 1 относительно якоря 9 происходит под действием силы Fп, максимальное значение Fпmax примерно равно

Fпmax=Fa-Fэ,

где Fa=γв·V·g- сила Архимеда, действующая на герметичный поплавок 1;

Fэ - вес поплавковой волновой электростанции с маятником 4 и тросом 5;

γв - плотность воды;

V- объем герметичного поплавка 1;

g - ускорение свободного падения.

При подъеме на гребень волны поплавковой волновой электростанции сила натяжения Fнп троса 5, создающая момент, вращающий блок 6 и ротор электрического генератора 10, равна Fп

Fнп=Fп.

При спуске поплавковой волновой электростанции с гребня волны сила натяжения Fнс троса 5, создающая момент, вращающий блок 6 и ротор электрического генератора 10, примерно равна весу маятника 5

Fнс=m·g.

Отсюда механическая энергия вращения блока 6 и ротора электрического генератора 10 при подъеме поплавковой волновой электростанции на гребень волны равна

Wмп=Fнп·Vm.

Механическая энергия вращения блока 6 и ротора электрического генератора 10 при спуске поплавковой волновой электростанции с гребня волны равна

Wмс=Fнс·Vm.

Поскольку период колебаний буя принят T=3 с, можно найти среднюю механическую мощность вращения блока 6 и ротора электрического генератора 10

Рм=(Wмп+Wмс)/T.

Определим Рм при весе поплавковой волновой электростанции с маятником 4 и тросом 5 Fэ=200 кг, силе Архимеда Fa=300 кг и тех же параметрах колебаний, что и для прототипа. По этим параметрам получим

Fпmax=Fa-Fэ=100 кг=980 Н;

Wмпmах=Fпmax·Vm=411 Дж;

Wмс=m·g·Vm=205 Дж;

Рмmах=(Wмп+Wмс)/T=205 Вт.

Если принять, что при подъеме на гребень волны используется только часть механической мощности Wмпmах, равная Wмс, то получим Рм=137 Вт.

Как видно, механическая мощность предлагаемой поплавковой волновой электростанции при одинаковой массе маятника и параметрах колебаний многократно увеличена по сравнению с прототипом. Значит, многократно увеличивается и электрическая мощность, которую вырабатывает электрический генератор. Если мощность предлагаемой поплавковой волновой электростанции и прототипа одинакова, то масса и габариты маятника и, значит, всех остальных элементов электростанции, у предлагаемой поплавковой волновой электростанции будут намного меньше, чем у прототипа.

Изобретение может быть использовано для производства электроэнергии путем преобразования энергии волн. Электростанция содержит обтекаемый герметичный поплавок 1 и вертикально расположенный внутри поплавка цилиндрический корпус 3 с размещенным в нем маятником 4. Маятник 4 подвешен к концу троса 5, который переброшен через блок 6, установленный на вращающейся оси 7. Другой конец троса 5 прикреплен к якорю 9, установленному на дне. К вращающейся оси 7 блока присоединен ротор электрического генератора 10 с постоянными магнитами. Статор генератора 10 закреплен на корпусе 3. Обмотка статора генератора 10 присоединена к входу зарядного устройства 11, а выход устройства 11 присоединен к аккумулятору 13, который вместе с устройством 11 находится в приборном отсеке в верхней части поплавка 1. Изобретение направлено на увеличение мощности, уменьшение габаритов и массы поплавковой волновой электростанции. 3 ил.

Поплавковая волновая электростанция, содержащая обтекаемый герметичный поплавок и вертикально расположенный внутри поплавка цилиндрический корпус с размещенным в нем маятником, отличающаяся тем, что маятник подвешен к концу троса, который переброшен через блок, установленный на вращающейся оси, другой конец этого троса прикреплен к якорю, установленному на дне, а к вращающейся оси блока присоединен ротор электрического генератора с постоянными магнитами, статор которого закреплен на цилиндрическом корпусе, при этом обмотка статора электрического генератора присоединена ко входу зарядного устройства, а выход зарядного устройства присоединен к аккумулятору, который вместе с зарядным устройством находится в приборном отсеке в верхней части поплавка.