ВОЛНОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2018 года по МПК F03B13/18 H02K35/00 

Изобретение относится к области производства электроэнергии путем преобразования механической энергии, в частности, энергии морских волн, в электрическую. Может применяться как составная часть группы генераторов (электростанции), объединенных в одну сеть для питания систем освещения пирсов, набережных, других маломощных потребителей.

Известно техническое решение по патенту RU №69932 U1 F03B 13/20 опубл. 10.01.2008 г., по которому ПОПЛАВКОВЫЙ ВОЛНОВОЙ ГЕНЕРАТОР содержит корпус с прямолинейным вертикальным каналом, выполненный плавучим; обмотку статора, выполненную на внутренней стенке вертикального канала; сердечник с постоянным магнитом, размещенный внутри вертикального канала с возможностью вертикального возвратно-поступательного движения относительно обмотки статора, отличающийся тем, что верхняя часть корпуса выступает над поверхностью водоема, нижний конец вертикального канала сообщается с водой водоема, верхний конец вертикального канала сообщается с атмосферой, сердечник выполнен плавучим, а инертность сердечника отличается от инертности корпуса так, что при наличии волн на поверхности водоема сердечник и корпус приобретают различные ускорения вдоль вертикальной оси.

Известный генератор RU №69932 имеет следующие недостатки. Во-первых, колебания сердечника относительно плавучего корпуса возникают за счет разности инерции, что сложно добиться на практике и колебания будут незначительными. Во-вторых, чтобы добиться инертности корпуса или сердечника при воздействии на них выталкивающей силы волн, и вертикального положения генератора, корпус или сердечник должны иметь значительную массу и габариты, что ведет к удорожанию конструкций сложности изготовления и монтажа. В-третьих, плавучее положение генератора ведет к помехе навигации, сложности передачи электроэнергии, возможность отрыва и потери изделия при шторме.

Известно техническое решение по патенту RU 2431057 С1 F03B 13/18 опубл./10.10.2011 г., по которому УСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВОЛН В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ содержит укрепленную на дне опору, поплавковое устройство, связанное с опорой, и устройство преобразования механической энергии в электрическую. Поплавковое устройство содержит поплавок и направляющую. Поплавок включает в себя обод, на котором закреплена покрышка с камерой, шарнирный сферический подшипник скольжения, установленный жестко по центру обода, и вентиль для закачки воздуха в камеру. Направляющая поплавкового устройства одним из концов жестко крепится по оси поплавка к внутреннему сферическому кольцу подшипника. Устройство преобразования содержит линейный электрогенератор, генерирующий индуктор которого непосредственно присоединен по оси ко второму концу направляющей поплавкового устройства, а с другого конца генерирующего индуктора жестко закреплена направляющая ось. Направляющая ось поплавкового устройства и направляющая ось генерирующего индуктора кинематически взаимодействуют с подшипниками скольжения, закрепленными в опорах, установленных по оси корпуса электрогенератора с двух торцовых его сторон.

Недостатки известной установки. Во-первых, сложность конструкции: поплавок вынесен за корпус генератора, передача колебаний от поплавка к якорю генератора осуществляется через шток. Для работы такой системы применены направляющие ролики, подшипники, сальники, шарниры, что усложняет изделие и влияет на надежность, особенно в условиях агрессивной среды морской воды. Во-вторых, на передающий шток кроме полезной продольной (выталкивающей) силы, оказывает действие поперечная силы волны, что влияет на надежность и может привести к поломке при значительных колебаниях воды.

Наиболее близким к заявляемому является техническое решение по патенту RU №2440510 С1 F03B 13/18,, опубл.. 20.01.2012 г., по которому ВОЛНОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА содержит линейный электрогенератор тока, состоящий из статора и генерирующего сердечника, способного к вертикальному возвратно-поступательному движению внутри статора, полый поплавок, шток, кинематически связывающий сердечник с поплавком, вертикальные направляющие балки с двигающимися по ним опорными роликами, демпферы. Установка снабжена вертикальной стойкой, неподвижно установленной, например, в грунте водоема, и укрепленным на ней корпусом, выполненным в виде пустотелого короба из неметаллического материала с центральными отверстиями на своде и на днище, внутри которого размещены статор и сердечник. Балки жестко закреплены на своде и на днище корпуса. Ролики прикреплены к боковой поверхности сердечника. Поплавок, имеющий днище, носовую часть, свод и вентиль, связан со штоком через шарнирное устройство, которое жестко присоединено к своду поплавка.

Недостатками являются низкий КПД и неравномерность процесса преобразования механической энергии волн в электрическую, низкая надежность и долговечность конструкции. В частности к недостаткам принятого прототипа можно отнести: поплавок вынесен за корпус генератора, передача колебаний от поплавка к якорю генератора осуществляется через шток. Работу сложной многокомпонентной системы обеспечивают направляющие ролики, подшипники, сальники, шарниры, что усложняет изделие и влияет на надежность, особенно в условиях агрессивной среды морской воды; также, кроме полезной продольной (выталкивающей) силы, возможно действие на передающий шток поперечной силы волны, что влияет на надежность и может привести к поломке при значительных колебаниях воды.

Указанные недостатки устраняет заявляемое техническое решение.

Задача - повышение надежности в эксплуатации, увеличение ресурса работы при упрощении конструкции, повышение надежности работы устройства и долговечности конструкции.

Задача решается упрощением конструкции волновой энергетической установки, которая представляет собой линейный генератор переменного тока, содержащий полый цилиндрический литой корпус из диэлектрического материала (например, полипропилен) и установленный в нем статор с обмоткой. Внутри полости корпуса находится якорь-поплавок цилиндрической формы, выполненный из легкого плавучего материала (например, вспененного полипропилена), в цилиндрическую поверхность которого снаружи установлен кольцевой магнит. Полость цилиндра имеет негерметичные заглушки с двух сторон и направляющую якоря-поплавка, совпадающую с общей вертикальной осью устройства. При этом статор с обмоткой зафиксирован в стенке цилиндра корпуса с внутренней стороны, а постоянный магнит в теле корпуса якоря-поплавка с наружной. При колебании волны якорь-поплавок способен к возвратно-поступательному движению внутри корпуса вдоль направляющей, совпадающей с общей вертикальной осью устройства.

Отличия от прототипа: совмещение функции штока, поплавка, генерирующего сердечника в одном элементе - якоре-поплавке и помещении его в полости корпуса-генератора с возможностью возвратно-поступательного движения под действием морских волн, чем достигается существенное упрощение конструкции, позволяющее повысить надежность и долговечность устройства, снижение риска выхода из строя в связи с отсутствием выступающих элементов.

У прототипа ток генерирует сердечник возвратно-поступательным движением внутри статора, движение это обеспечивает поплавок через шток и шарнирное устройство.

В отличие от прототипа, в заявляемой конструкции вмонтированный в корпус статор неподвижен, ток в обмотке статора генерирует постоянный (кольцевой) магнит, вмонтированный в наружную цилиндрическую поверхность корпуса якоря-поплавка, своим возвратно-поступательным движением внутри неподвижного статора под действием волн вдоль направляющей, совпадающей с общей вертикальной осью устройства. Направляющая проходит через центральное отверстие в теле якоря-поплавка, и зафиксирована в центральных установочных отверстиях верхней и нижней заглушек, закрывающих полость цилиндра корпуса с обоих торцов. Заглушки, выполненные в виде круглых пластин, имеют отверстия для свободного доступа и выхода воды снизу и воздуха сверху в полости корпуса.

Преимущества заявляемого технического решения: простота конструкции, отсутствие промежуточных преобразователей энергии морской волны в электрическую (механических, гидравлических и т.п.систем), влияющих на надежность и долговечность устройства; отсутствует необходимость возведения сооружений (дамбы, резервуары, удерживающие грузы и т.п.), отсутствует помеха навигации и хозяйственной деятельности.

Технический результат - повышение надежности и долговечности устройства.

Технический результат достигается тем, что волновая энергетическая установка, представляет собой линейный электрогенератор тока, содержащий полый корпус, зафиксированный в вертикальном положении, из неметаллического материала с центральными отверстиями вверху и внизу (на своде и днище у прототипа), статор с обмоткой, якорь-поплавок, отличающаяся тем, что корпус цилиндрической формы включает статор с обмоткой, установленный в стенках корпуса с внутренней стороны, при этом внутренняя поверхность корпуса выполнена гладкой и сплошной, якорь-поплавок состоит из поплавка цилиндрической формы с установленным в нем кольцевым постоянным магнитом, при этом наружная цилиндрическая поверхность якоря-поплавка выполнена гладкой и сплошной, с возможностью возвратно-поступательного движения якоря-поплавка под действием морских волн внутри неподвижного статора вдоль направляющей, установленной в центральном отверстии поплавка, зафиксированной в центральных установочных отверстиях негерметичных заглушек, закрывающих полость корпуса с обоих торцов и совпадающей с общей вертикальной осью устройства. Внутренняя цилиндрическая поверхность корпуса и наружная цилиндрическая поверхность якоря-поплавка выполнены из материала с диэлектрическими свойствами.

Как частный случай, заглушки выполнены в виде круглых пластин с отверстиями для свободного доступа и выхода воды снизу и воздуха сверху в полости корпуса. Корпус в виде полого цилиндра выполнен литым из неметаллического материала с диэлектрическими свойствами, поплавок выполнен литым из легкого плавучего материала с диэлектрическими свойствами.

Техническое решение поясняют изображения на фигурах 1-2 (а, б, в):

Фиг. 1. Общий вид устройства в разрезе вдоль вертикальной оси устройства, где

1 - корпус;

2 - статор;

3 - обмотка статора;

4 - направляющая якоря-поплавка;

5 - корпус якоря-поплавка;

6 - постоянный кольцевой магнит;

7 - верхняя заглушка;

8 - нижняя заглушка;

9 - отводящие провода;

10 - коробка выводов проводов;

11 - электрокабель;

12 - кронштейн.

Фиг. 2. Схематическое изображение устройства в процессе эксплуатации:

а) в статическом состоянии; б) якорь-поплавок в верхнем положении; в) якорь-поплавок в нижнем положении.

Пример осуществления.

Волновая энергетическая установка представляет собой линейный генератор, содержащий зафиксированный в вертикальном положении корпус 1, выполненный в виде полого цилиндра из диэлектрического материала, например, полипропилена. Корпус 1 выполнен литым. Изнутри в стенки корпуса 1 жестко неразъемно вмонтирован статор 2 с обмоткой 3, при этом внутренняя поверхность корпуса остается гладкой и сплошной. С обоих торцов отверстия полости цилиндра закрыты негерметичными заглушками 7, 8, выполненными в виде круглой пластины с отверстиями для попадания и выхода морской воды снизу и воздуха сверху. В центре обеих заглушек в центральных установочных отверстиях жестко установлена направляющая 4, выполненная в виде стержня, проходящего через центральное отверстие якоря-поплавка 5. Якорь-поплавок 5 выполнен в виде сплошного литого цилиндра с центральным отверстием для направляющей, из легкого плавучего материала, например, вспененного полипропилена.

Со стороны внешней цилиндрической поверхности в корпус якоря-поплавка 5 жестко неразъемно вмонтирован кольцевой постоянный магнит 6, при этом наружная цилиндрическая поверхность якоря-поплавка 5 выполнена гладкой и сплошной. Корпус 1 жестко разъемно зафиксирован в вертикальном положении с помощью кронштейнов 12, отводящие провода 9 установлены в стенке корпуса, коробка выводов проводов 10, от которой отходит электрокабель 11, зафиксирована на верхнем торце корпуса 1.

Работает устройство следующим образом: генератор крепится через кронштейны 12 стационарно на конструкции, находящейся в воде (например, опора пирса, волнорез и т.п.), якорь-поплавок 5 под действием волн совершает вдоль направляющей 4 возвратно-поступательные движения (фиг. 2б, в), внутри полого цилиндрического корпуса 1, при этом в обмотке статора 3 под действием магнитного поля кольцевого магнита 6 индуктируется электродвижущая сила, ток по отводящим проводам 9 поступает в коробку выводов проводов 10 и передается по электрокабелю 11.

Способ применения: данный генератор может применяться как составная часть группы генераторов (электростанции) объединенных в одну сеть для питания систем освещения пирсов, набережных, других маломощных потребителей.

Изобретение относится к области производства электроэнергии путем преобразования механической морских волн в электрическую. Волновая энергетическая установка содержит линейный электрогенератор тока, включающий полый корпус 1 цилиндрической формы, зафиксированный в вертикальном положении, из неметаллического материала с центральными отверстиями вверху и внизу, статор 2 с обмоткой 3, якорь-поплавок 5. Корпус 1 содержит статор 2 с обмоткой 3, установленный в стенках корпуса 1 с внутренней стороны. Внутренняя поверхность корпуса 1 выполнена гладкой и сплошной. Якорь-поплавок 5 состоит из поплавка цилиндрической формы с установленным в нем кольцевым постоянным магнитом 6. Наружная цилиндрическая поверхность якоря-поплавка 5 выполнена гладкой и сплошной с возможностью возвратно-поступательного движения якоря-поплавка под действием морских волн внутри неподвижного статора 2 вдоль направляющей 4, установленной в центральном отверстии поплавка, зафиксированной в центральных установочных отверстиях негерметичных заглушек 7, 8, закрывающих полость корпуса 1 с обоих торцов, и совпадающей с общей вертикальной осью устройства. Изобретение направлено на повышение надежности и долговечности устройства. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Волновая энергетическая установка, содержащая линейный электрогенератор тока, содержащий полый корпус, зафиксированный в вертикальном положении, из неметаллического материала с центральными отверстиями вверху и внизу, статор с обмоткой, якорь-поплавок, отличающаяся тем, что корпус цилиндрической формы содержит статор с обмоткой, установленный в стенках корпуса с внутренней стороны, при этом внутренняя поверхность корпуса выполнена гладкой и сплошной, якорь-поплавок состоит из поплавка цилиндрической формы с установленным в нем кольцевым постоянным магнитом, при этом наружная цилиндрическая поверхность якоря-поплавка выполнена гладкой и сплошной с возможностью возвратно-поступательного движения якоря-поплавка под действием морских волн внутри неподвижного статора вдоль направляющей, установленной в центральном отверстии поплавка, зафиксированной в центральных установочных отверстиях негерметичных заглушек, закрывающих полость корпуса с обоих торцов, и совпадающей с общей вертикальной осью устройства.

2. Волновая энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что внутренняя цилиндрическая поверхность корпуса и наружная цилиндрическая поверхность якоря-поплавка выполнены из материала с диэлектрическими свойствами.

3. Волновая энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что заглушки выполнены в виде круглых пластин с отверстиями для свободного доступа и выхода воды снизу и воздуха сверху в полости корпуса.

4. Волновая энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что корпус в виде полого цилиндра выполнен литым из неметаллического материала с диэлектрическими свойствами.

5. Волновая энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что поплавок выполнен литым из легкого плавучего материала.