ВОЛНОВАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2023 года по МПК F03B13/18 

Предложенное техническое решение относится к энергетическим установкам и может быть использовано для получения электрической энергии от морских/речных волн за счет образующихся волновых вертикальных подъемов и спадов.

В настоящее время конструкция используемых гидроэлектростанций (далее ГЭС) не претерпевает существенных изменений и достигла пика своего эволюционного развития, однако задачи по повышению мощности, КПД, эффективности работы ГЭС, стоят как никогда остро, в связи с постоянным поднятием цен на топливо и его образующемся дефиците во многих районах на планете.

Широко известны ГЭС плотинного типа, построенные на основе основательных конструкций и имеющие модули преобразования энергии воды, пропущенной через плотину, однако их эффективность и КПД работы недостаточно высока, а конструкция сложная и громоздкая и может применяться далеко не везде.

В качестве прототипа может быть принят патент RU 2715612 С1, 02.03.2020, раскрывающий конструкцию модульной установки преобразования энергии волн, содержащей основание со стойками, поплавок на штанге, соединенный с валом отбора мощности, на котором установлена муфта, для соединения с электрогенератором, при этом колебания рабочего тела передаются на вилку, внутри которой на общем валу с вилкой установлен храповой барабан, контактирующий зубьями с двумя собачками, одна установлена на вилке, другая на основании, а также спиральной пружиной внутри храпового барабана, верхний конец которой закреплен на корпусе храпового барабана, нижний конец закреплен на валу отбора мощности, на который нагружен редуктор, соединенный с электрогенератором.

Его недостатком является то, что при достаточно сложной конструкции устройство имеет низкую эффективность и КПД, поскольку вырабатывает энергию лишь в момент, когда пружина аккумулирует накопленную энергию. Также устройство не может быть развернуто и подстроено к набегающим волнам, что также снижает его КПД и эффективность.

Данным изобретением поставлена техническая проблема разработать конструкцию волновой гидроэлектростанции, устраняющей указанные недостатки известного устройства.

Техническим результатом является повышение эффективности и КПД устройства при одновременной простоте конструкции.

Данный технический результат достигается тем, что волновая гидроэлектростанция включает подъемную опору, выполненную с возможностью ее установки в грунт водоема и регулировки по высоте, поворотную платформу, взаимодействующую с подъемной опорой с возможностью ее поворота, при этом

на указанной поворотной платформе установлены верхние опоры, на которых закреплены линейные направляющие, обеспечивающие вертикальное возвратно-поступательное перемещение зубчатых реек, проходящих сквозь соответствующие отверстия в поворотной платформе,

на поворотной платформе в направляющих установлен основной вал и вспомогательный вал, связанные общей передачей, при этом на конце основного вала закреплен электрогенератор отбора мощности,

основной вал и вспомогательный вал содержат расположенные напротив друг друга пары шестерен с обгонными муфтами, выполненные с возможностью взаимодействия с соответствующими им зубчатыми рейками, для передачи вращения на электрогенератор,

на нижнем конце каждой зубчатой рейки установлены штанги с поплавками, выполненными с возможностью перемещения вверх-вниз под действием волны для воздействия на зубчатые рейки и их вертикального перемещения.

Перед электрогенератором отбора мощности на основном валу установлен редуктор для корректировки скорости вращения.

Электрогенератор включает генератор переменного тока и выпрямительный блок.

Поворотная платформа взаимодействует с подъемной опорой посредством поворотного зубчатого круга и мотор-редуктора с приводной шестерней.

Поворотная платформа взаимодействует с подъемной опорой в автоматическом режиме, корректируя угол поворота платформы в зависимости от направления волны.

Поплавок выполнен с возможностью регулировки его степени плавучести.

Регулировка степени плавучести поплавка осуществляется посредством грузов-противовесов.

Регулировка степени плавучести поплавка осуществляется посредством повышения и уменьшения воздушного давления внутри поплавка.

Общая передача выполнена в виде приводных звездочек и цепной передачи.

Далее предложенное изобретение будет подробно рассмотрено с учетом иллюстраций, где на:

Фиг. 1 - представлена волновая гидроэлектростанция, вид сбоку;

Фиг. 2 - представлена волновая гидроэлектростанция, вид сверху,

Фиг. 3 - вид А;

Фиг. 4 - представлен пример трехмерного изображения устройства;

Фиг. 5 - увеличенный фрагмент элементов устройства,

где позициями обозначены:

1 - подъемная опора;

2 - поворотная платформа;

3 - верхняя опора;

4 - линейные направляющие;

5 - зубчатая рейка;

6 - основной вал;

7 - вспомогательный вал;

8 - общая передача;

9 - шестерня;

10 - обгонная муфта;

11 - электрогенератор;

12 - штанга;

13 - поплавок;

14 – рычаг.

Волновая гидроэлектростанция используется на различных водоемах, где есть волны, однако предпочтительно ее использовать в прибрежных морских акваториях, где волна имеет достаточную высоту и постоянство. Волновая гидроэлектростанция включает подъемную опору 1, выполненную с возможностью ее установки в грунт водоема. Подъемная опора 1 представляет собой вертикальный стержень, заглубляемый в грунт водоема на достаточную глубину для неподвижной установки конструкции. Подъемная опора 1, чаще всего выполняется из металла или имеет железобетонную конструкцию, однако может также выполняться из обработанной от гниения древесины или иных материалов, обеспечивающих достаточную прочность и износостойкость. Подъемная опора 1 выполнена с возможностью регулировки ее по высоте. Как правило, механизм регулировки выполнен в верхней части подъемной опоры 1, например, посредством пневмоцилиндра, воздействующего на соответствующий элемент подъемной опоры 1 для осуществления подъема-опускания поворотной платформы 2 или посредством иного механизма подъема-опускания.

Поворотная платформа 2 установлена поверх подъемной опоры 1. Поворотная платформа 2 взаимодействует с подъемной опорой 1, предпочтительно посредством поворотного зубчатого круга, установленного в подъемной опоре 1 и мотор-редуктора с приводной шестерней (на фигурах не показаны), обеспечивающей вращение поворотной платформы 2. Поворотная платформа 2 может осуществлять поворот и по иной схеме и с иным механизмом, не ограничивающим указанное конкретное выполнение. Вращение данной поворотной платформы 2 необходимо для обеспечения постановки поворотной платформы 2 на нужный угол, обеспечивающий максимальное взаимодействие поплавков 13 с набегающей волной. Как правило, поворотная платформа 2 расположена под углом к направлению течения волны, что обеспечит максимальное воздействие волны на поплавок 13 для повышения эффективности и КПД устройства. Предпочтительно поворотная платформа 2 взаимодействует с подъемной опорой 1 в автоматическом режиме, корректируя угол поворота платформы 2 в зависимости от направления волны. Для этого устройство может быть дополнено средствами, анализирующими направление движения волны и электронным блоком, управляющим механизмом автоматического поворота платформы 2.

На указанной поворотной платформе 2 вертикально установлены верхние опоры 3. Верхние опоры 3 выполнены из прочного материала, например, стали. Верхние опоры 3 могут быть выполнены в виде металлопрофиля, например, двутавра, уголка, швеллера и пр., обеспечивающих достаточную прочность и жесткость для элементов устройства. На верхних опорах 3 закреплены линейные направляющие 4, обеспечивающие вертикальное возвратно-поступательное перемещение зубчатых реек 5, проходящих сквозь соответствующие отверстия в поворотной платформе 2. Линейные направляющие 4 могут быть выполнены из цельного направленного профиля или же состоять из определенных модульных элементов (отрезков), обеспечивающих направленный вертикальный проход зубчатых реек 5 по ним. Линейные направляющие 4 взаимодействуют с зубчатыми рейками 5, обеспечивая их строго вертикальное возвратно-поступательное перемещение. Элементами взаимодействия указанных узлов могут быть, например, выступы с двух сторон на каждой зубчатой рейке 5, и соответствующие им по профилю углубления на линейных направляющих 4, с необходимым свободным для перемещения зазором, однако, данное выполнение не является единственно возможным и взаимодействие данных элементов может быть реализовано иной конструкцией.

На указанной поворотной платформе 2 в направляющих установлен основной вал 6 и вспомогательный вал 7, связанные между собой общей передачей 8. Общая передача 8 выполнена, например, в виде приводных звездочек на валах 6,7 и связанной с ними цепной передачи или в виде двухосного редуктора или иным образом, обеспечивающим связанное взаимодействие указанных валов 6, 7. Основной вал 6 и вспомогательный вал 7 установлены в соответствующих направляющих (на фигурах не обозначены) для обеспечения соосности установки указанных валов 6, 7 и их свободного вращения. Направляющие, предпочтительно содержат подшипниковые механизмы вращения. При этом на конце основного вала 6 закреплен электрогенератор 11 отбора мощности, взаимодействующий с указанным основным валом 6. Перед электрогенератором 11 отбора мощности на основном валу 6 может быть установлен, в случае необходимости, редуктор, для корректировки скорости вращения. Предпочтительно, чтобы электрогенератор 11 состоял из генератора переменного тока и выпрямительного блока, что обеспечивает стабилизацию выходного тока.

Основной вал 6 и вспомогательный вал 7 содержат расположенные напротив друг друга пары шестерен 9 и соответствующие им обгонные муфты 10, каждые из которых взаимодействуют с соответствующими им зубчатыми рейками 5 для передачи вращения на электрогенератор 11. Каждая шестерня 9 связана с обгонной муфтой 10 в соответствующий модуль воздействия на валы, при котором передача вращения шестерни 9 на вал осуществляется в одном направлении, при соответствующем холостом проворачивании в другом направлении.

Количество пар обгонных муфт 10 и пар шестерен 9 может быть различным, связано с длиной поворотной платформы 2, длиной валов 6, 7, частотой установки зубчатых реек 5 с поплавками 13 и прочих факторов. Конструкция обгонных муфт 10 может быть различной, однако любой вариант их выполнения должен обеспечивать проворачивание соответствующего вала в одном направлении и холостое проворачивание в обратном направлении, для обеспечения передачи вращения на электрогенератор 11 в одном направлении. Обгонные муфты 10 связаны с соответствующими им шестернями 9 на каждом из валов 6, 7.

Принцип взаимодействия узла основан на том, что обгонные муфты 10 на разных валах 6, 7 настроены по-разному, а именно, при поднятии зубчатой рейки 5 вверх через шестерни 9 передается на один из валов вращение, при этом на второй вал вращение не передается, поскольку через шестерню 9 срабатывает обгонная муфта 10 и не дает вращение на данный вал, при опускании зубчатой рейки 5 наоборот, тот вал который получал вращение не получает его за счет работы обгонной муфты 10, а второй вал, наоборот, получает вращение. Таким образом, происходит постоянный (безразрывный) цикл передачи вращения на электрогенератор 11, либо напрямую через основной вал 6, либо через вспомогательный вал 7 и общую передачу 8, что обеспечивает повышение эффективности и КПД устройства при простоте конструкции.

На нижнем конце каждой зубчатой рейки 5 установлены штанги 12 с поплавками 13, выполненными с возможностью их перемещения вверх-вниз под действием волны для воздействия на зубчатые рейки 5 и их вертикального перемещения. Штанги 12, как правило, выполняются в виде трубы или стержня и предпочтительно разъемно фиксируются с зубчатыми рейками 5. На нижнем конце штанги 12 предпочтительно закреплен рычаг 14 для крепления в него поплавков 13. Поплавки 13 могут выполняться из различных материалов. Поплавки 13 необходимо балансировать таким образом, чтобы они имели плавучесть, близкую к нейтральной, но под действием волны стремились вверх, а без воздействия волны опускались вниз. Поэтому, предпочтительно выполнять поплавок 13 с возможностью регулировки его степени плавучести, поскольку в зависимости от разных условий использования, глубины установки, плотности воды в водоеме и других факторов, может быть необходима балансировка поплавков 13. В качестве балансировки могут применяться дополнительные съемные грузы-противовесы или например регулировка поплавка 13 путем подкачки (повышения давления) или стравливания (понижения давления) воздуха внутри него или иным методом регулировки плавучести.

Принцип использования предложенного изобретения следующий.

Подъемная опора 1 устанавливается в грунт в акватории водоема.

На подъемную опору 1 устанавливается поворотная платформа 2.

Поворотная платформа 2 разворачивается, перпендикулярно направлению волны, а подъемная опора 1 регулируется по высоте.

На поворотной платформе 2 в направляющих установлен основной вал 6 и вспомогательный вал 7, связанные общей передачей 8. На конце основного вала 6 закреплен электрогенератор 11 отбора мощности.

На поворотной платформе 2 установлены верхние опоры 3, на которых закреплены линейные направляющие 4.

Основной вал 6 и вспомогательный вал 7 содержат расположенные напротив друг друга пары шестерен 9 с обгонными муфтами 10, взаимодействующих с соответствующими им зубчатыми рейками 5.

На нижнем конце каждой зубчатой рейки 5 установлены штанги 12 с поплавками 13.

Под воздействием волны поплавки 13 совершают вертикальное перемещение и через штанги воздействуют на зубчатой рейки 5.

Зубчатые рейки 5 совершают по линейным направляющим 4 вертикальное возвратно-поступательное перемещение.

Зубчатые рейки 5 передают вращение через шестерни 9 на валы 6, 7, однако обгонные муфты 10 на разных валах 6, 7 настроены по-разному, а именно, при поднятии зубчатой рейки 5 вверх через шестерни 9 передается на один из валов вращение, при этом на второй вал вращение не передается, поскольку срабатывает обгонная муфта 10 и не передает вращение на данный вал, при опускании зубчатой рейки 5 наоборот, тот вал который получал вращение - не получает его, за счет работы обгонной муфты 10, а второй вал, наоборот, получает вращение. Таким образом, происходит постоянный (безразрывный) цикл передачи вращения на электрогенератор 11.

Цикл повторяется.

Пример 1

Волновая гидроэлектростанция включает подъемную опору 1, выполненную с возможностью ее установки в грунт водоема и регулировки по высоте,

- поворотная платформа 2 взаимодействует с подъемной опорой 1 с возможностью ее поворота,

- на поворотной платформе 2 установлены верхние опоры 3, на которых закреплены линейные направляющие 4,

- на поворотной платформе 2 в направляющих установлен основной вал 6 и вспомогательный вал 7, связанные общей передачей 8, при этом на конце основного вала 6 закреплен электрогенератор 11 отбора мощности,

- основной вал 6 и вспомогательный вал 7 содержат расположенные напротив друг друга пары шестерен 9 с обгонными муфтами 10, взаимодействующие с соответствующими им зубчатыми рейками 5,

- на нижнем конце каждой зубчатой рейки 5 установлены штанги 12 с поплавками 13,

- регулировка степени плавучести поплавка 13 осуществляется посредством повышения и уменьшения воздушного давления внутри поплавка.

Пример 2

Волновая гидроэлектростанция включает подъемную опору 1, выполненную с возможностью ее установки в грунт водоема и регулировки по высоте,

- поворотная платформа 2 взаимодействует в автоматическом режиме с подъемной опорой 1 посредством поворотного зубчатого круга и мотор-редуктора с приводной шестерней для осуществления ее поворота,

- на поворотной платформе 2 установлены верхние опоры 3, на которых закреплены линейные направляющие 4,

- на поворотной платформе 2 в направляющих установлен основной вал 6 и вспомогательный вал 7, связанные общей передачей 8, при этом на конце основного вала 6 через редуктор закреплен электрогенератор 11 отбора мощности,

- основной вал 6 и вспомогательный вал 7 содержат расположенные напротив друг друга пары шестерен 9 с обгонными муфтами 10, взаимодействующие с соответствующими им зубчатыми рейками 5,

- на нижнем конце каждой зубчатой рейки 5 через рычаг 14 установлены штанги 12 с поплавками 13,

регулировка степени плавучести поплавка 13 осуществляется посредством грузов-противовесов.

Предложенное решение обеспечивает повышение эффективности и КПД устройства с одновременной простотой конструкции.

Изобретение относится к волновым гидроэлектростанциям. Гидроэлектростанция включает подъемную опору 1, выполненную с возможностью ее установки в грунт водоема и регулировки по высоте, поворотную платформу 2 взаимодействующую с опорой 1 с возможностью ее поворота. На платформе 2 установлены верхние опоры 3 с закрепленными линейными направляющими, обеспечивающими вертикальное возвратно-поступательное перемещение зубчатых реек 5, проходящих сквозь отверстия в платформе 2. На платформе 2 в направляющих установлены основной и вспомогательный валы, связанные общей передачей. На конце основного вала закреплен электрогенератор 11. Основной и вспомогательный валы содержат расположенные напротив друг друга пары шестерен с обгонными муфтами, выполненные с возможностью взаимодействия с соответствующими им рейками 5, для передачи вращения на электрогенератор 11. На нижнем конце рейки 5 установлены штанги 12 с поплавками 13. Изобретение направлено на повышение эффективности и КПД устройства при одновременной простоте конструкции. 8 з.п. ф-лы, 2 пр., 5 ил.

1. Волновая гидроэлектростанция, характеризующаяся тем, что включает подъемную опору, выполненную с возможностью ее установки в грунт водоема и регулировки по высоте, поворотную платформу, взаимодействующую с подъемной опорой с возможностью ее поворота, при этом на указанной поворотной платформе установлены верхние опоры, на которых закреплены линейные направляющие, обеспечивающие вертикальное возвратно-поступательное перемещение зубчатых реек, проходящих сквозь соответствующие отверстия в поворотной платформе,

на поворотной платформе в направляющих установлен основной вал и вспомогательный вал, связанные общей передачей, при этом на конце основного вала закреплен электрогенератор отбора мощности,

основной вал и вспомогательный вал содержат расположенные напротив друг друга пары шестерен с обгонными муфтами, выполненные с возможностью взаимодействия с соответствующими им зубчатыми рейками для передачи вращения на электрогенератор,

на нижнем конце каждой зубчатой рейки установлены штанги с поплавками, выполненными с возможностью перемещения вверх-вниз под действием волны для воздействия на зубчатые рейки и их вертикального перемещения.

2. Гидроэлектростанция по п. 1, характеризующаяся тем, что перед электрогенератором отбора мощности на основном валу установлен редуктор для корректировки скорости вращения.

3. Гидроэлектростанция по п. 1, характеризующаяся тем, что электрогенератор включает генератор переменного тока и выпрямительный блок.

4. Гидроэлектростанция по п. 1, характеризующаяся тем, что поворотная платформа взаимодействует с подъемной опорой посредством поворотного зубчатого круга и мотор-редуктора с приводной шестерней.

5. Гидроэлектростанция по п. 1, характеризующаяся тем, что поворотная платформа взаимодействует с подъемной опорой в автоматическом режиме, корректируя угол поворота платформы в зависимости от направления волны.

6. Гидроэлектростанция по п. 1, характеризующаяся тем, что поплавок выполнен с возможностью регулировки его степени плавучести.

7. Гидроэлектростанция по п. 6, характеризующаяся тем, что регулировка степени плавучести поплавка осуществляется посредством грузов-противовесов.

8. Гидроэлектростанция по п. 6, характеризующаяся тем, что регулировка степени плавучести поплавка осуществляется посредством повышения и уменьшения воздушного давления внутри поплавка.

9. Гидроэлектростанция по п. 1, характеризующаяся тем, что общая передача выполнена в виде приводных звездочек и цепной передачи.