ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ВОЛНОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2015 года по МПК F03B13/18 H02M7/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение в первом аспекте относится к электрическому устройству, включающему в себя обмотку, средство для индуцирования тока в обмотке и схему электрического моста с емкостным средством. Изобретение также относится к волновой энергетической установке, включающей в себя множество таких электрических устройств, и к электрической сети, соединенной, по меньшей мере, с одним таким электрическим устройством.

Изобретение во втором аспекте относится к применению такого электрического устройства.

Изобретение в третьем аспекте относится к способу управления электрической обмоткой, в которой индуцируется ток.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Движения волн в море и в больших внутриматериковых озерах составляет потенциальный источник энергии, который до сих пор почти не эксплуатируется. Однако уже сделаны различные предложения по использованию вертикальных движений моря для выработки электрической мощности в генераторе. Поскольку точка на поверхности моря совершает возвратно-поступательное вертикальное движение, это удобно для использования линейного генератора с целью выработки электрической мощности.

В документе WO 03/058055 описан такой волновой энергетический блок, в котором движущаяся часть генератора, т.е. часть, которая соответствует ротору во вращающемся генераторе и в данной заявке называется преобразователем, совершает возвратно-поступательное движение относительно статора генератора. В упомянутом изобретении статор крепится якорями к дну моря. Преобразователь соединен посредством кабеля, провода или цепи с телом, плавающим в море.

Для волнового энергетического блока этого типа важно оптимизировать количество энергии волн, которое поглощается волновым энергетическим блоком и подается в качестве электрической энергии. Оптимизация предусматривает учет соображений, связанных с механическими, а также электрическими аспектами системы. Полная мощность, поглощаемая волновой энергетической установкой, зависит от гидродинамических параметров и факторов затухания энергетической системы. Плавучее тело определяет гидродинамические параметры и нагрузку, которая вместе с генератором и морским кабелем создает факторы затухания.

Высокий коэффициент захвата мощности, определяемый как частное, получаемое в результате деления отбираемой мощности на мощность волн, падающих на поперечное сечение плавучего тела, достигается, когда собственная частота волнового энергетического блока совпадает с частотой волн. Поэтому желательно достичь конструкции волнового энергетического блока, которая приводит к такому механическому резонансу. Однако различные параметры, которые приходится учитывать, и разные другие требования, которым должна удовлетворять система, делают весьма сложной оптимизацию коэффициента захвата мощности за счет конструкции механических компонентов системы.

В данном изобретении основное внимание уделяется электрическим компонентам системы. Известно, что электрический резонанс в электрической схеме, имеющей конденсаторы и катушки индуктивности, может создавать высокие напряжения и большую мощность - так называемую реактивную мощность. Вместе с тем, поскольку это может вызвать повреждения как традиционных генераторов, так и других электроэнергетических компонентов, электрического резонанса в электрических системах и сетях обычно избегают. Следовательно, существует громадный потенциал улучшенного преобразования мощности, заключающийся в преодолении вредных эффектов электрического резонанса в электрической схеме. Поэтому задача изобретения состоит в том, чтобы увеличить коэффициент захвата мощности электрического устройства, которое можно использовать в качестве волнового энергетического блока для выработки электрической энергии.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача данного изобретения решается за счет того, что электрическое устройство того типа, которое указано во введении, включает в себя конкретные признаки, заключающиеся в том, что схема электропитания, также именуемая далее схемой электрического моста или просто мостовой схемой, включает в себя емкостное средство, обладающее емкостью, для получения резонанса с импедансом обмотки.

Электрический резонанс наступает, когда . Однако резонанс, задаваемый для мостовой схемы, следует интерпретировать как означающий не только точный резонанс, но и отклонение до 10% от этого значения. Результатом резонанса также является сильное затухание генератора. Если компоненты имеют адекватные размеры, то этот резонанс увеличит коэффициент захвата мощности системы. Таким образом, электрический резонанс, получаемый с помощью данного изобретения, дает эффективную и менее сложную альтернативу механическим мерам обеспечения резонанса с частотой волн или обеспечивает дополнение к таким механическим мерам.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления мостовая схема дополнительно включает в себя полупроводниковое средство, имеющее один или более полупроводников.

Поэтому большую реактивную мощность, создаваемую при резонансе, по меньшей мере, частично можно использовать в качестве активной мощности. Обычно реактивная мощность в резонансном контуре будет просто переходить между индуктивностью и емкостью. Обеспечивая полупроводники в мостовой схеме для регулирования фазы, часть этой мощности - вместо вышеупомянутой ситуации - можно направлять на нагрузку и пользоваться ею. Это также внесет вклад в отдаваемую мощность электрического устройства.

В соответствии с дополнительным вариантом осуществления полупроводниковое средство включает в себя один или более диодов.

В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления полупроводниковое средство включает в себя один или более тиристоров.

В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления полупроводниковое средство включает в себя один или более биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ).

Таким образом, в мостовой схеме можно использовать либо пассивные, либо активные компоненты, вследствие чего то, какой тип использовать, будут определять аспекты стоимости и аспекты качества. Конечно, диоды, тиристоры и БТИЗ можно использовать в сочетании.

В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления мостовая схема включает в себя первую, вторую и третью ветви, соединенные с нагрузкой, причем первая ветвь имеет конденсатор, параллельный нагрузке, каждая из второй и третьей ветвей имеет два полупроводника, причем все они расположены в одном и том же направлении, а обмотка соединена со второй ветвью между двумя полупроводниками и с третьей ветвью между двумя полупроводниками соответственно.

В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления мостовая схема включает в себя первую и вторую ветви, соединенные с нагрузкой, причем первая ветвь имеет первый конденсатор и первый полупроводник, вторая ветвь имеет второй конденсатор и второй полупроводник, при этом обмотка соединена с первой ветвью между первым конденсатором и первым полупроводником и со второй ветвью между вторым конденсатором и вторым полупроводником, посредством чего первый конденсатор и второй полупроводник соединены с нагрузкой через третий полупроводник, а первый полупроводник и второй конденсатор соединены с нагрузкой через четвертый полупроводник.

В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления мостовая схема включает в себя БТИЗ, через который обмотка соединена с нагрузкой, и дополнительно включает в себя первую ветвь, параллельную БТИЗ, и вторую ветвь, параллельную обмотке, а каждая из первой и второй ветвей включает в себя конденсатор, и поэтому полупроводник находится между первой и второй ветвями.

Все вышеупомянутые варианты осуществления, относящиеся к компоновке мостовой схемы, приводят к очень эффективному преобразованию мощности (которая в противном случае терялась бы в качестве реактивной мощности) в активную мощность на нагрузке.

В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления обмотка является многофазной обмоткой, такой, как трехфазная обмотка.

Таким образом, предлагаемое электрическое устройство можно будет легко адаптировать к подаче энергии в электрическую сеть.

В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления мост соединен с электрической нагрузкой.

В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления электрическое устройство включает в себя трансформатор, генератор и/или кабель постоянного тока высокого напряжения (ПТВН). В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления, обмотка является обмоткой статора генератора, а средством для индуцирования тока в обмотке являются магниты на движущейся части генератора.

В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления электрическое устройство включает в себя источник движущей силы, которому энергия сообщается ветром или морскими волнами, причем этот источник движущей силы кинематически связан с движущейся частью генератора.

В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления генератор является линейным генератором, имеющим совершающий возвратно-поступательное движение преобразователь в качестве движущейся части.

В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления источник движущей силы является плавучим телом, механически соединенным с преобразователем гибким соединительным средством.

Изобретение также относится к волновой энергетической установке, которая включает в себя множество электрических устройств в соответствии с данным изобретением, в частности в соответствии с любым из предпочтительных вариантов его осуществления.

Изобретение также относится к электрической сети, которая включает в себя соединение с электрическим устройством в соответствии с данным изобретением, в частности в соответствии с любым из предпочтительных вариантов его осуществления.

Во втором аспекте изобретения, предлагаемое электрическое устройство применяют для выработки электрической мощности и подачи этой мощности в электрическую сеть.

В третьем аспекте изобретения, задача решается за счет того, что способ того типа, который указан во введении, предусматривает конкретные меры, заключающиеся в том, что располагают в мостовой схеме емкостное средство, обладающее емкостью, которое выполнено с возможностью получения резонанса с индуктивностью обмотки.

В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления предлагаемого способа этот способ осуществляют с помощью электрического устройства в соответствии с данным изобретением, в частности в соответствии с любым из предпочтительных вариантов его осуществления.

Предлагаемая волновая энергетическая установка, предлагаемая электрическая сеть, предлагаемое применение и предлагаемый способ - все они обладают преимуществами, соответствующими преимуществам предлагаемого электрического устройства и предпочтительных вариантов его осуществления, которые описаны выше.

Вышеописанные предпочтительные варианты осуществления изобретения конкретно охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения. Должно быть ясно, что - конечно же - можно составить дополнительные предпочтительные варианты осуществления из любой возможной комбинации вышеописанных предпочтительных вариантов осуществления и из любой возможной комбинации этих признаков и тех, которые упоминаются в описании примеров ниже.

Изобретение будет описано далее посредством нижеследующего подробного описания его примеров со ссылками на прилагаемые чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 представлен вид сбоку электрического устройства в соответствии с данным изобретением, представленного здесь волновым энергетическим блоком.

На фиг. 2 показано сечение, проведенное через часть детали генератора электрического устройства, показанного на фиг. 1.

На фиг. 3 изображена мостовая схема в соответствии с примером изобретения.

На фиг. 4 изображена мостовая схема в соответствии с дополнительным примером изобретения.

На фиг. 5-7 изображены мостовые схемы в соответствии с еще одними дополнительными примерами изобретения.

На фиг. 8 схематически изображена волновая энергетическая установка в соответствии с данным изобретением.

ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ

На фиг. 1 представлен схематический вид сбоку электрического устройства в соответствии с данным изобретением, адаптированного в качестве волнового энергетического блока при работе в море. Плавучее тело 1 плавает на поверхности моря и соединено соединительным средством 3, таким как кабель, провод, трос, цепь или аналогичное средство, с линейным генератором 2, заякоренным на дне моря. На чертеже генератор показан закрепленным на дне моря. Однако следует понимать, что генератор может находиться над дном моря и может быть заякорен каким-нибудь другим образом.

Линейный генератор 2 имеет статор 5 с обмоткой и преобразователь 6 с магнитами. Преобразователь 6 выполнен с возможностью совершения возвратно-поступательного движения вверх-вниз внутри статора 5, тем самым генерируя ток в обмотке статора, передаваемый по электрическому кабелю 11 в электрическую цепь.

Преобразователь 6 включает в себя шток 7, к которому крепится провод 3. Когда плавучее тело 1 из-за вертикальных движений волн вынуждено двигаться вверх, это плавучее тело будет тянуть находящийся внизу преобразователь 6 кверху. Когда плавучее тело после этого движется вниз, преобразователь 6 будет двигаться вниз под действием силы тяжести. Дополнительную силу, направленную вниз, обеспечивает не обязательная - но предпочтительная - пружина (не показана) или аналогичное средство, действующая или действующее на преобразователь 6.

Фиг. 2 иллюстрирует взаимодействие между преобразователем 6 и статором 5. На этом чертеже показана лишь часть преобразователя 6 и статора 5 соответственно. На преобразователе 6 предусмотрено множество постоянных магнитов 14, которые распределены во множестве вертикальных рядов на поверхности преобразователя 6 и обращены к статору 5. На рассматриваемом чертеже показаны лишь некоторые из магнитов в одном из этих рядов.

Статор 5 имеет множество пазов 15 обмотки, которые обращены к магнитам 14 и в которых заключена обмотка 12.

Когда преобразователь движется вверх и вниз, магниты 14 перемещаются относительно обмотки 12, вследствие чего в ней индуцируется ток благодаря изменяющемуся магнитному потоку Φ. Напряжение будет иметь величину , где n - количество витков обмотки в пазу 15. Время перемещения магнита 14 на расстояние, соответствующее вертикальному расстоянию между серединами двух соседних магнитов 14, определяет частоту напряжения.

Обмотка статора 5 снабжена мостовой схемой, соединенной с нагрузкой посредством кабеля 11. Мостовая схема имеет компоненты, выполненные с возможностью установления резонанса в мостовой схеме. Фиг. 3-7 иллюстрируют несколько примеров компоновки такой мостовой схемы.

Первый пример, изображенный на фиг. 2, демонстрирует мостовую схему 100 в соответствии с изобретением в ее простейшей форме. Обмотка 12 статора, имеющая сопротивление R и импеданс L, соединена с нагрузкой 13 посредством двух диодов 102, 103. Параллельно обмотке 12 статора соединен конденсатор 101. Конденсатор 101 имеет емкость, настраиваемую на резонанс с индуктивностью L обмотки 12 на частоте, определяемой временем перемещения преобразователя 6 на расстояние, соответствующее расстоянию между двумя соседними магнитами на преобразователе 6.

Чтобы уменьшить реактивную мощность, создаваемую резонансом, мостовая схема на практике должна быть гораздо сложнее, чем в примере согласно фиг. 2. На фиг. 3 изображен пример такой мостовой схемы. Мостовая схема в этом примере имеет три ветви 206, 207, 208, соединенные с нагрузкой 13. Первая из этих ветвей - 206 - имеет конденсатор 201 для создания резонанса. Каждая из других двух ветвей 207, 208 имеет два диода 202, 203; 204, 205, посредством который снижается реактивная мощность и осуществляется использование мощности для нагрузки 13. Обмотка соединена с каждой из второй и третьей ветвей между двумя диодами 202, 203; 203, 205 в соответствующей ветви 207, 208.

На фиг. 4 изображен дополнительный пример. Мостовая схема 300 имеет БТИЗ 304, посредством которого обмотка 12 соединена с нагрузкой 13. Первый конденсатор 301 соединен параллельно БТИЗ 304 в первой ветви 305. Второй конденсатор 302 соединен параллельно обмотке 12 во второй ветви 306. Диод 303 находится в мостовой схеме между двумя ветвями 305, 306.

Еще один дополнительный пример изображен на фиг. 5. Мостовая схема 400 включает в себя две ветви 407, 408. Первая ветвь 407 имеет первый конденсатор 401 и первый диод 403. Вторая ветвь 408 имеет второй конденсатор 402 и второй диод. Обмотка 12 соединена с первой ветвью 407 между ее конденсатором 401 и ее диодом 403 и соединена со второй ветвью 408 между ее конденсатором 402 и ее диодом 404. Третий диод 405 соединяет конденсатор 401 первой ветви 407 и диод 404 второй ветви 408 с нагрузкой 13. Четвертый диод 406 соединяет конденсатор 402 второй ветви 408 и диод 403 первой ветви 407 с нагрузкой 13.

Следует понимать, что некоторые или все диоды в вышеописанных примерах можно заменить активными или пассивными полупроводниками других типов. Кроме того, проиллюстрированные компоновки мостовой схемы являются лишь примерами, и должно быть ясно, что в рамках объема притязаний изобретения применимы различные другие компоновки, включая также компоновки, в которых количество конденсаторов и/или полупроводников больше, чем в проиллюстрированных примерах. Каждый конденсатор может быть одним-единственным конденсатором, но следует понимать, что под термином «конденсатор» также можно понимать батарею конденсаторов. Мостовая схема также может включать в себя дополнительные компоненты для измерения, регулирования, управления, преобразования и аналогичных целей.

Все вышеописанные примеры иллюстрируют лишь одну фазу, чтобы упростить представление. На практике, мостовая схема обычно будет скомпонована для трех фаз. Фиг. 6 схематически иллюстрирует пример трехфазного применения мостовой схемы 500.

Фиг. 7 схематически иллюстрирует на виде сверху волновую энергетическую установку, имеющую множество электрических устройств вышеописанного типа. Все генераторы 2 этих блоков соединены с погруженным коммутатором 30, соединенным с электрической сетью 40.

Функциональные возможности предлагаемого электрического устройства, имеющего мостовую схему, создающую резонанс, подтверждены испытаниями, краткое описание которых приводится ниже. Испытание проводили с помощью электрического устройства, адаптированного в качестве волнового энергетического блока с преобразователем, имевшим собственный вес 32000 Н. Таким образом, сила преобразователя была подъемной силой за вычетом 32000 Н. В качестве эталонного, проводили испытание для нагрузки, являвшейся чисто резистивной, что дало следующий результат, в котором все величины представлены максимальными значениями:

При испытании волнового энергетического блока с мостовой схемой, как изображено на фиг. 6, где емкость составляла 8,5 мФ, были получены следующие данные:

Соответствующее испытание для емкости 11,8 мФ привели к следующим данным:

Изобретение относится к электрическому устройству с обмоткой (12) и средством для индуцирования тока в обмотке. Мостовая схема (400) электрически соединяет обмотку (12) с нагрузкой (13). В соответствии с изобретением мостовая схема (400) включает в себя емкостное средство (401, 402), которое адаптировано для получения резонанса с импедансом обмотки (12). Технический результат - увеличение коэффициента захвата мощности энергетической установки. 5 н. и 16 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Электрическое устройство, включающее в себя обмотку, средство для индуцирования тока в обмотке и схему электрического моста, отличающееся тем, что схема электрического моста включает в себя емкостное средство, обладающее емкостью, адаптированной для получения резонанса с импедансом обмотки.

2. Электрическое устройство по п.1, в котором мостовая схема (100-500) дополнительно включает в себя полупроводниковое средство, имеющее один или более полупроводников.

3. Электрическое устройство по п.2, в котором полупроводниковое средство включает в себя один или более диодов.

4. Электрическое устройство по п.2 или 3, в котором полупроводниковое средство включает в себя один или более тиристоров.

5. Электрическое устройство по любому из пп.2 или 3, в котором полупроводниковое средство включает в себя один или более биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ).

6. Электрическое устройство по п.1, в котором мостовая схема (200) включает в себя первую, вторую и третью ветви (206, 207 и 208), соединенные с электрической нагрузкой (13), причем первая ветвь (206) имеет конденсатор (201), параллельный электрической нагрузке (13), каждая из второй и третьей ветвей (207 и 208) имеет два полупроводника (202, 203; 204, 205), а обмотка (12) соединена со второй ветвью (207) между двумя полупроводниками (202, 203) и с третьей ветвью (208) между двумя полупроводниками (204, 205) соответственно.

7. Электрическое устройство по п.1, в котором мостовая схема (400) включает в себя первую и вторую ветви (407, 408), соединенные с электрической нагрузкой (13), причем первая ветвь (407) имеет первый конденсатор (401) и первый полупроводник (403), вторая ветвь (408) имеет второй конденсатор (402) и второй полупроводник (404), при этом обмотка (12) соединена с первой ветвью (407) между первым конденсатором (401) и первым полупроводником (403) и со второй ветвью (408) между вторым конденсатором (402) и вторым полупроводником (404), посредством чего первый конденсатор (401) и второй полупроводник (404) соединены с нагрузкой (13) через третий полупроводник (405), а первый полупроводник (403) и второй конденсатор (402) соединены с нагрузкой (13) через четвертый полупроводник (406).

8. Электрическое устройство по п.1, в котором мостовая схема (300) включает в себя БТИЗ (304), через который обмотка (12) соединена с электрической нагрузкой (13), и дополнительно включает в себя первую ветвь (305), параллельную БТИЗ (304), и вторую ветвь (306), параллельную обмотке (12), каждая из первой и второй ветвей (305, 306) которой включает в себя конденсатор (301, 302), и поэтому полупроводник (303) находится между первой и второй ветвями (305, 306).

9. Электрическое устройство по любому из пп.1 или 2, в котором обмотка (12) является многофазной обмоткой.

10. Электрическое устройство по п.9, в котором обмотка является трехфазной обмоткой.

11. Электрическое устройство по любому из пп.1 или 2, в котором мост соединен с электрической нагрузкой.

12. Электрическое устройство по любому из пп.1 или 2, в котором упомянутое электрическое устройство включает в себя трансформатор, генератор и/или кабель постоянного тока высокого напряжения (ПТВН).

13. Электрическое устройство по п.12, в котором упомянутое электрическое устройство включает в себя генератор, обмотка которого является обмоткой статора генератора и в котором средство для индуцирования тока в обмотке является магнитами на движущейся части генератора.

14. Электрическое устройство по п.13, в котором упомянутое электрическое устройство включает в себя источник движущей силы, которому энергия сообщается ветром или морскими волнами, причем упомянутый источник движущей силы кинематически связан с движущейся частью генератора.

15. Электрическое устройство по п.14, в котором генератор является линейным генератором, имеющим совершающий возвратно-поступательное движение преобразователь в качестве движущейся части.

16. Электрическое устройство по п.15, в котором источник движущей силы является плавучим телом, механически соединенным с преобразователем гибким соединительным средством.

17. Волновая энергетическая установка, отличающаяся тем, что упомянутая волновая энергетическая установка включает в себя множество электрических устройств по п.15 или 16.

18. Электрическая сеть, отличающаяся тем, что упомянутая электрическая сеть включает в себя соединительную линию, соединяющую сеть с, по меньшей мере, одним электрическим устройством по любому из пп.14-16.

19. Применение электрического устройства по любому из пп.1-16, отличающееся тем, что упомянутое электрическое устройство применяется для выработки электрической энергии и подачи этой энергии в электрическую сеть.

20. Способ управления электрической обмоткой, в которой индуцируют ток, отличающийся тем, что соединяют обмотку с электрическим мостом, включающим в себя емкостное средство, и адаптируют емкость емкостного средства для получения резонанса с импедансом обмотки.

21. Способ по п.20, отличающийся тем, что упомянутый способ осуществляют с помощью электрического устройства по любому из пп.1-16.