ПОПЛАВКОВАЯ ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2019 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 №2513070, опубликованный 20.04.2014). Поплавковая волновая электростанция содержит 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, а другой конец этого троса прикреплен к якорю, установленному на дне. К вращающейся оси блока присоединен ротор электрического генератора с постоянными магнитами, статор которого закреплен на цилиндрическом корпусе.

Наиболее близка к предлагаемой поплавковой волновой электростанции поплавковая волновая электростанция (варианты) (патент №2567916, опубликованный 10.11.2015). Поплавковая волновая электростанция содержит обтекаемый, герметичный поплавок и установленный на поплавке электрический генератор, ротор которого соединен с осью двух барабанов. На один из барабанов намотан трос, переброшенный через блок, закрепленный на носовой части поплавка, и конец этого троса прикреплен к якорю. На другой барабан намотан трос, переброшенный через блок, закрепленный на кормовой части поплавка, и конец этого троса прикреплен к вертикальному маятнику. При этом направление намотки на барабаны троса, прикрепленного к якорю, и троса, прикрепленного к маятнику, противоположное.

Недостатком прототипа является нестабильность параметров электроэнергии по амплитуде и частоте.

Нестабильность параметров электроэнергии поплавковой волновой электростанции обусловлена характером вращения барабанов и ротора генератора при колебаниях поплавковой волновой электростанции на волнах. При подъеме поплавка на гребень волны и при спуске поплавка с гребня волны частота вращения барабанов и ротора генератора меняет величину направление, переходя через ноль, примерно по синусоидальному закону. Вследствие этого амплитуда и частота выходного напряжения, снимаемого с обмотки статора генератора, за период колебаний поплавка на волнах дважды уменьшаются до ноля и дважды увеличиваются до максимального значения. Для большинства потребителей электроэнергии нестабильная по амплитуде и частоте напряжения электроэнергия не подходит.

Предлагаемое изобретение позволит создать поплавковую волновую электростанцию, у которой амплитуда и частота выходного напряжения будут иметь стабильность, соответствующую требованиям к стандартной электроэнергии переменного тока.

Это достигается тем, что в поплавковой волновой электростанции, содержащей обтекаемый герметичный поплавок, электрический генератор, два барабана, на один из которых намотан трос, переброшенный через блок, установленный на кормовой части поплавка, и конец этого троса прикреплен к вертикальному маятнику, а на другой барабан намотан трос, переброшенный через блок, установленный на носовой части поплавка, и конец этого троса прикреплен к якорю, при этом направление намотки тросов на барабаны противоположное, согласно изобретению, к общей оси барабанов присоединена ось кривошипа, на котором установлен шатун, связанный шарниром со штоком насоса. Входная магистраль низкого давления насоса соединена с емкостью слива, а выходная магистраль высокого давления насоса соединена с емкостью высокого давления. Первая выходная магистраль емкости высокого давления через регулировочный клапан соединена с гидродвигателем, а вторая выходная магистраль емкости высокого давления через предохранительный клапан соединена с емкостью слива, при этом выходной вал гидродвигателя соединен с ротором синхронного электрического генератора.

Кроме того, электростанция может быть снабжена одним или более дополнительным насосом со штоком, соединенным с дополнительным шатуном, установленном на дополнительном «колене» кривошипа, и «колена» на кривошипе смещены по угловой координате, при этом входные магистрали каждого насоса соединены с емкостью слива, а выходные магистрали насосов соединены с емкостью высокого давления.

Кроме того, электростанция может быть снабжена одним или более дополнительным насосом со штоком, соединенным с дополнительным шатуном, установленном на дополнительном «колене» кривошипа, и «колена» на кривошипе смещены по угловой координате при этом входная магистраль первого насоса соединена с емкостью слива, а выходная магистраль первого насоса соединена с входной магистралью следующего насоса, и выходная магистраль последнего насоса соединена с емкостью высокого давления

На фиг. 1 показан вид сверху на предлагаемую поплавковую волновую электростанцию. На фиг. 2 - схема гидросистемы поплавковой волновой электростанции. На фиг. 3 показано положение поплавковой волновой электростанции на спокойной поверхности воды. На фиг. 4 - работа поплавковой волновой электростанции при подъеме поплавка на гребень волны. На фиг. 5 показана работа поплавковой волновой электростанции при спуске поплавка с гребня волны.

На фиг. 1 на поплавке 1, выполненном в виде катамарана расположена палуба 2. На палубе 2 установлены два барабана 3 и 4, общая ось которых соединена с кривошипом 5. На барабан 3 намотан трос (канат или цепь) 6, переброшенный через блок в виде шкива 7, установленный на палубе 2 в носовой части поплавка 1. Конец троса 6 прикреплен к якорю 8, установленному на дне водоема. На барабан 4 намотан трос 9, переброшенный через блок в виде шкива 10, установленный в кормовой части поплавка 1. Конец троса 9 прикреплен к маятнику 11, свободно подвешенному в толще воды. На кривошипе 5 установлен шатун 12, соединенный с помощью шарнир 13 со штоком 14 поршня насоса 15.

На фиг. 2 показана схема гидросистемы поплавковой волновой электростанции. Входная магистраль 16 насоса 15 низкого давления соединена с емкостью 17 слива. Выходная магистраль 18 насоса 15 соединена с емкостью 19 высокого давления, имеющей аварийный клапан 20. Первая выходная магистраль 21 емкости 19 через регулировочный клапан 22, управляемый регулятором 23, соединена с гидродвигателем 24. Отработавшая рабочая жидкость с выхода гидродвигателя 24 через магистраль 25 поступает в емкость 17 слива. Вторая выходная магистраль 26 емкости 19 через предохранительный клапан 27, управляемый регулятором 28, соединена с емкостью 17 слива. Выходной вал 29 гидродвигателя 24 соединен с ротором электрического генератора 30.

На фиг. 3 показано сечение А-А между корпусами катамарана поплавка и положение элементов электростанции при отсутствии волн. Маятник 11 своим весом создает постоянное натяжение троса 9. Под действием своего веса маятник 11 опускается, вращая барабан 4 и сматывая с него трос 9. Вместе с барабаном 4 вращается барабан 3, наматывая трос 6 и подтягивая поплавок 1 к месту установки якоря 8. Опускание маятника 11 закончится, когда поплавок 1 окажется над якорем 8, и сила натяжения троса 9 под действием веса маятника 11 будет компенсироваться натяжением троса 6, прикрепленного к якорю. При отсутствии волн это состояние поплавковой волновой электростанции изменяться не будет.

При возникновении волн поплавок 1 под действием давления волн развернется носовой частью против направления движения волн, так как в носовой части установлен шкив 7, через который переброшен трос 6, прикрепленный к якорю 8. При подходе волны носовая часть поплавка 1 начинает подъем на склон волны (фиг. 4) при этом расстояние шкива 7 от якоря 8 увеличивается. Вследствие этого трос 6 начинает сматываться с барабана 3, вращая барабаны 3, 4 и кривошип 5. При этом на барабан 4 наматывается трос 9, поднимая маятник 11. При вращении кривошипа 5 шатун 12 через шарнир 13 заставляет шток 14 с поршнем насоса 15 совершать возвратно-поступательное движение. Насос 15 под давлением перекачивает рабочую жидкость гидросистемы из емкости 17 слива в емкость 19 высокого давления. В верхней части емкости 19 находится воздушная подушка, которая по мере подачи насосом 15 рабочей жидкости в емкость 19 сжимается. Воздушная подушка не позволяет при подаче рабочей жидкости в емкость 19 резко изменяться давлению внутри емкости 19. Когда давление в емкости 19 достигает определенной величины, регулятор 23 открывает клапан 22 и через магистраль 21 подает рабочую жидкость на гидродвигатель 24. Под действием напора рабочей жидкости гидродвигатель 24 начинает вращаться и вращает ротор генератора 30, который преобразует механическую энергию вращения в электрическую. Отработанная рабочая жидкость из гидродвигателя 24 через магистраль 25 возвращается в емкость 17 слива. Регулятор 23 управляет расходом рабочей жидкости через клапан 22 таким образом, чтобы обеспечить постоянную частоту вращения гидродвигателя 24 и генератора 30. Благодаря этому частота напряжения на выходе генератора 30 будет постоянной. Стабильность амплитуды напряжения генератора 30, как и в других электрогенерирующих установках с синхронным генератором, обеспечивается регулятором тока возбуждения генератора 30, который на фиг. 1-5 не показан.

При спуске с гребня волны (фиг. 5) носовая часть поплавка 1 опускается в ложбину между волнами по склону волны (фиг. 4) при этом расстояние шкива 7 от якоря 8 уменьшается. Вследствие этого натяжение троса 6 ослабевает.Маятник 11, поднятый вверх при подъеме поплавка 1 на гребень волны, под действием своего веса начинает опускаться, сматывая трос 9 с барабана 4. Барабан 4 начинает вращаться и вращает барабан 3 и кривошип 5. Барабан 3 наматывает ослабевший трос 6. При вращении кривошипа 5 шатун 12 через шарнир 13 заставляет шток 14 с поршнем насоса 15 совершать возвратно-поступательное движение. При возвратно-поступательном движении штока 14 насос 15 под давлением перекачивает рабочую жидкость гидросистемы из емкости 17 слива в емкость 19 высокого давления. Изменение направления вращения кривошипа 5 во время спуска поплавка 1 с гребня волны, по сравнению с направлением вращения кривошипа 5 во время подъема поплавка 1, на гребень волны не влияет на работу плунжерного насоса 15. Рабочая жидкость из емкости 19 высокого давления через магистраль 21 и клапан 22 поступает на гидродвигатель 24, который вращает ротор электрического генератора 30, и генератор 30 преобразует механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию.

Если подача насосом 15 рабочей жидкости в емкость 19 превышает расход рабочей жидкости через выходную магистраль 21 и клапан 22, например, при сильном волнении, то для того, чтобы давление в емкости 19 не превысило допустимого значения, регулятор 28 открывает предохранительный клапан 27, и часть рабочей жидкости из емкости 19 будет сливаться через выходную магистраль 26 в емкость 17 слива.

Для ограничения давления внутри емкости 19 служит также аварийный клапан 20, который при превышении давления допустимой величины открывается и стравливает воздух из емкости 19.

В предлагаемой поплавковой волновой электростанции давление рабочей жидкости в емкости высокого давления изменяется в соответствии с периодом следования волн, поскольку подача рабочей жидкости насосом изменяется. Регулировочный клапан при снижении давления увеличивает подачу рабочей жидкости на гидродвигатель или уменьшает подачу рабочей жидкости при увеличении давления таким образом, чтобы обеспечить стабильную частоту вращения гидронасоса и ротора электрического генератора. Частота вращения гидронасоса и ротора электрического генератора определяют частоту напряжения на выходе генератора, следовательно, при стабильной частоте вращения ротора генератора частота напряжения генератора будет также стабильной, соответствующей стандартной частоте электроэнергии переменного тока.

Поскольку предлагаемая поплавковая волновая электростанция обеспечивает стандартную стабильность частоты выходного напряжения генератора, то стабильность амплитуды переменного напряжения будет обеспечена регулированием тока возбуждения, как и на других видах электростанций с синхронными генераторами. Регулятор тока возбуждения генератора на фиг. 1-5 не показан.

Таким образом, предлагаемая поплавковая волновая электростанция позволяет получить электроэнергию переменного тока стандартного качества со стабильной амплитудой и частотой, которая может быть передана в общую электрическую сеть, объединяющую множество генераторных агрегатов или использоваться для питания потребителей автономного участка электрической сети.

Для создания более равномерной нагрузки на общем валу барабанов кривошип 5 может иметь два или большее число «колен», смещенных по угловой координате (фиг. 6). На одном «колене» кривошипа 5 размещен шатун 12, связанный шарниром 13 со штоком 14 насоса 15. На втором «колене» кривошипа 5 размещен шатун 31, связанный шарниром 32 со штоком 33 насоса 34. Входные магистрали 16 и 35, соответственно насосов 15 и 34, соединены с общей емкостью 17 слива, а выходные магистрали 18 и 36 насосов 15 и 34 соединены с общей емкостью 19 высокого давления. При таком соединении насосов 15 и 34 с емкостями 17 и 19, как показано на фиг. 6 насосы работают параллельно, и подача рабочей жидкости в емкость 19 увеличивается в два раза. При использовании двух насосов для создания примерно равномерной нагрузки на кривошипе 5 «колена» кривошипа 5 должны быть смещены по угловой координате на 90 градусов. При наличии на кривошипе 5 N «колен» и N насосов смещение «колен» по угловой координате должно быть равно 360°/N.

В случае применения двух и более насосов массу и габариты гидродвигателя 24 можно уменьшить, если увеличить давление рабочей жидкости в емкости 19 высокого давления. Для повышения давления насосы 15 и 34 нужно соединить последовательно (фиг. 7). Входную магистраль 16 первого насоса 15 нужно соединить с емкостью 17 слива, выходную магистраль 18 насоса 15 соединить с входной магистралью 35 второго насоса 34, а выходную магистраль 36 насоса 34 нужно соединить с емкостью 19 высокого давления. Давление рабочей жидкости в емкости 19 увеличится в два раза, за счет чего масса и габариты гидродвигателя 24 может быть уменьшена.

Как и в прототипе между осью барабанов и кривошипом может быть установлен мультипликатор, а также использован полиспаст. И в том, и в другом случае частота вращения кривошипа увеличится, что позволит использовать насосы меньших габаритов, массы и стоимости при той же самой мощности поплавковой волновой электростанции.

Изобретение относится к производству электроэнергии путем преобразования энергии волн. Поплавковая волновая электростанция содержит поплавок 1, электрический генератор, два барабана 3, 4. На барабан 4 намотан трос 9, переброшенный через блок, установленный на кормовой части поплавка 1. Конец троса 3 прикреплен к маятнику 11. На барабан 3 намотан трос 6, переброшенный через блок, установленный на носовой части. Конец троса 6 прикреплен к якорю. Направление намотки тросов 6, 9 на барабаны 3, 4 противоположное. К общей оси барабанов 3, 4 присоединена ось кривошипа 5, на котором установлен шатун 12, связанный шарниром 13 со штоком 14 насоса 15. Входная магистраль низкого давления насоса 15 соединена с емкостью слива, а выходная магистраль высокого давления соединена с емкостью высокого давления. Первая выходная магистраль емкости высокого давления через регулировочный клапан соединена с гидродвигателем. Вторая выходная магистраль емкости высокого давления через предохранительный клапан соединена с емкостью слива. Выходной вал гидродвигателя соединен с генератором. Изобретение направлено на создание электростанции, у которой амплитуда и частота выходного напряжения имеют стабильность, соответствующую требованиям к стандартной электроэнергии переменного тока. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Поплавковая волновая электростанция, содержащая обтекаемый герметичный поплавок, электрический генератор, два барабана, на один из которых намотан трос, переброшенный через блок, установленный на кормовой части поплавка, и конец этого троса прикреплен к вертикальному маятнику, а на другой барабан намотан трос, переброшенный через блок, установленный на носовой части поплавка, и конец этого троса прикреплен к якорю, при этом направление намотки тросов на барабаны противоположное, отличающаяся тем, что к общей оси барабанов присоединена ось кривошипа, на котором установлен шатун, связанный шарниром со штоком насоса, входная магистраль низкого давления насоса соединена с емкостью слива, а выходная магистраль высокого давления насоса соединена с емкостью высокого давления, первая выходная магистраль емкости высокого давления через регулировочный клапан соединена с гидродвигателем, а вторая выходная магистраль емкости высокого давления через предохранительный клапан соединена с емкостью слива, при этом выходной вал гидродвигателя соединен с ротором синхронного электрического генератора.

2. Поплавковая волновая электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что электростанция снабжена одним или более дополнительным насосом со штоком, соединенным с дополнительным шатуном, установленным на дополнительном «колене» кривошипа, и «колена» на кривошипе смещены по угловой координате, при этом входные магистрали каждого насоса соединены с емкостью слива, а выходные магистрали насосов соединены с емкостью высокого давления.

3. Поплавковая волновая электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что электростанция снабжена одним или более дополнительным насосом со штоком, соединенным с дополнительным шатуном, установленным на дополнительном «колене» кривошипа, и «колена» на кривошипе смещены по угловой координате, при этом входная магистраль первого насоса соединена с емкостью слива, а выходная магистраль первого насоса соединена с входной магистралью следующего насоса и выходная магистраль последнего насоса соединена с емкостью высокого давления.