ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ (варианты) Российский патент 2024 года по МПК F03B13/18 

Область техники

Группа изобретений относится к области электротехники и может быть использована при производстве электрической энергии путем преобразования энергии волн в электрическую энергию, передаваемую в системы электропитания, например метеобуев, буев связи, маяков и применяться как составная часть группы электростанций, объединенных в одну сеть для питания систем освещения пирсов, набережных и других потребителей.

Уровень техники

Из уровня техники известна установка для пьезоэлектрической генерации энергии с использованием волновой энергии (см. патент KR 1020110022855 от 08.03.2011), включающая поплавок, соединительную часть, вертикальную опору и пьезоэлектрический генератор. Поплавок движется вверх и вниз волнообразно и снабжен якорем для ограничения диапазона движения вверх и вниз. Соединительная часть соединена с поплавком на конце и поддерживается вертикальной опорой. Пьезоэлектрический генератор содержит пьезоэлектрическую генерирующую часть, которая соединена с другим концом соединительной части и генерирует электричество путем приведения в действие пьезоэлектрического элемента, и прижимающую пьезоэлектрический элемент часть, которая прижимает пьезоэлектрический элемент сверху для приведения в действие пьезоэлектрического элемента. Движение поплавка вверх и вниз передается на прижимную часть пьезоэлектрического элемента через соединительную часть так, что прижимная часть пьезоэлектрического элемента оказывает давление на пьезоэлектрический элемент.

Недостатком данной системы является ограниченная возможность применения, а именно установка станции возможно только на пологом берегу, так как конструкцией предусмотрен жесткий рычаг, не позволяющий применять станцию на скалистой местности. На таком пологом берегу вертикальная составляющая силы волны теряется, переходя в горизонтальную составляющую. Электрическая часть станции в этом случае будет находиться в воде, в связи с чем нарушается экологичность станции и безопасность. Кроме того, генератор большой мощности, например, 10 кВт/ч на пьезоэлементах много дороже генератора традиционного, работающего на магнитной индукции.

Известна система передачи энергии на основе водных волн (см. патент US20090127860 от 21.05.2009), включающая в себя якорь, установленный на дне океана, по меньшей мере один плавучий поплавок для плавания на поверхности океана или под ней, по меньшей мере один основной трос, который соединяет по меньшей мере один плавучий поплавок с верхним концом якоря, вторичный трос, который соединяет по меньшей мере один плавучий поплавок с натяжным механизмом, расположенным на берегу (или другом сухом массиве суши).

Недостатком данной конструкции является наличие якоря, прикрепленного ко дну, так как он оказывает ограничения на колебание поплавка по волнам. Кроме того, геометрия данного варианта не позволяет использовать полностью вертикальную составляющую волны и вес поплавка. А если такую станцию разместить на крутом обрыве, с большой глубиной под обрывом, то якорь парализует поплавок полностью, и станция не будет работать.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является волновая электростанция, содержащая опору, рычаг, закрепленный на опоре, генератор, возвратный механизм и лебедку с гибкой связью (см. GB 2611429 А от 05.04.2023).

Раскрытие изобретения

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание волновой электростанции, основная механическая и электрическая части которой, находятся на берегу, а на поверхности воды находится только поплавок с большой массой.

Техническим результатом является легкость монтажа и обслуживания электростанции, повышенная износостойкость, а также расширение области использования за счет возможности монтажа электростанции на территориях, непригодных для использования в туристических целях, например, на скалистом берегу и на крутых обрывах.

Технический результат по первому варианту достигается в волновой электростанция, содержащей опору, рычаг, закрепленный на опоре, генератор, возвратный механизм и лебедку с гибкой связью, отличающаяся тем, что электростанция снабжена храповым механизмом, связанным с рычагом, и поплавком, выполненным в виде емкости, заполненной водой, с воздушным пузырем, при этом с одной стороны рычага закреплен возвратный механизм и лебедка с гибкой связью, которая проходит через другой край рычага и соединена с поплавком, а генератор закреплен на опоре. При этом поплавок может иметь упор 12, необходимый для избежания вращения вокруг своей оси и для предотвращения механического износа из-за ударов об скалистую береговую поверхность. На гибкой связи могут располагаться роликовые опоры 10, необходимые на случай крепления волновой электростанции на скалистый берег, имеющей выступы, об которые может перетираться гибкая связь (как показано на фиг. 1). Поплавок представляет собой емкость, которая наполняется водой не полностью, оставляя воздушный пузырь, и закупоривается, например, резьбовой крышкой.

Технический результат по второму варианту достигается в волновой электростанции, содержащей опору, рычаг, закрепленный на опоре, генератор, возвратный механизм и лебедку с гибкой связью, отличающаяся тем, что электростанция снабжена храповым механизмом, связанным с рычагом, и поплавком, выполненным в виде емкости, заполненной водой, с воздушным пузырем, редуктором и маховиком, при этом с одной стороны рычага закреплен возвратный механизм и лебедка с гибкой связью, которая проходит через другой край рычага и соединена с поплавком, а редуктор, маховик и генератор закреплены на опоре. При этом редуктор используют для увеличения количества оборотов и уменьшения вследствие этого массы и стоимости генератора, а маховик используют для выравнивания нагрузок и скорости вращения. Рычаг длинной 6 м от оси обеспечивает работу станции при амплитуде волны до 8 м.

Легкость в монтаже и эксплуатации обусловлена отсутствием необходимости применять плавсредства или спецтехнику, так как комплектующие детали малогабаритны и маловесны, а емкость можно наполнить водой уже на берегу и спустить с помощью гибкой связи и лебёдки на воду, после чего закрепить лебёдку неподвижно, чтобы гибкая связь оставалась одинаковой длины и на колебания волны и поплавка по вертикали отвечал колебаниями только рычаг.

Кроме того, одним из преимуществ заявленных вариантов конструкции является повышенная износостойкость, так как при шторме любой силы подвергается риску повреждения только поплавок, а не вся станция.

Заявленные варианты конструкции волновой электростанции может быть использована на скалистых берегах и крутых обрывах за счет наличия в конструкции гибкой связи, которая передает механическое усилие от вертикальных колебаний массивного плавучего поплавка на установку, находящуюся далеко от воды.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображен вариант установки электростанции с редуктором и маховиком на скалистом берегу.

На фиг. 2 изображен вид сверху электростанции.

На фиг. 3 изображен вариант установки электростанции с без редуктора и маховика на прямом обрыве без использования роликовых опор.

Обозначения на рисунках:

1 - опора;

2 - рычаг;

3 - возвратный механизм;

4 - лебедка гибкой связи;

5 - храповый механизм;

6 - редуктор;

7 - маховик;

8 - генератор;

9 - гибкая связь;

10 - роликовые опоры;

11 - поплавок;

12 - упор поплавка.

Осуществление изобретения

В данном разделе описания будет приведен наиболее предпочтительный вариант осуществления изобретения, который тем не менее, не ограничивает другие возможные варианты осуществления явным образом следующие из материалов заявки и понятные специалисту.

Отбор энергии волны начинается именно тогда, когда поплавок 11, находясь за счёт своей плавучести на верхней части волны, начинает переходить в нижнюю часть волны за счёт своей массы и амплитуды волны. Именно масса поплавка через натянутую гибкую связь 9 создает крутящий момент посредством рычага 2 с храповым механизмом 5 на редукторе 6, и с преображенным количеством оборотов на маховике 7, с которого механическая энергия снимается, и преобразуется генератором 8 в электрический сигнал.

Устройство с габаритами, например, 1 м × 1,5 м и высотой 1,5 м, рычагом общей длиной 7 м, поплавком ёмкостью 3.500 л и массой поплавка 3.000 кг, при высоте волны 2 м (в условиях: скала, уходящая в глубину, очень небольшая амплитуда) и 10 циклах в минуту, преобразует и выдаёт (за минусом потерь и коэффициента преобразования) около 10 кВт/ч энергии.

Расчет мощности следующий:

1) Чтобы получить работу в (Дж), производимую поплавком за один цикл, умножаем среднюю высоту волны на силу тяжести поплавка в (Н), получаем: 2 м × 30 000 Н = 60000 Дж.

2) Рассчитываем количество циклов в час: 10 циклов/мин × 60 мин = 600 циклов.

3) Далее рассчитываем работу производимую поплавком в течение часа: 600 циклов × 60 000 Дж = 36 000 000 Дж.

4) 1кВт/час электроэнергии содержит с себе 3 600 000 Дж работы.

5) Рассчитываем мощность в кВт/час, производимую поплавком, получаем: 36 000 000 Дж ÷ 3 600 000 Дж = 10 кВт/час.

6) Рассчитываем мощность станции, учитывая коэффициенты на преобразование и механические потери: 10кВт/час ×0,9 = 9кВт/час.

Мощность станции зависит от массы поплавка, амплитуды волны, мощности генератора.

Поскольку работу и мощность производят волна и поплавок, то наличие/отсутствие в конструкции редуктора и маховика не влияют на приведенный выше расчет.

Монтаж волновой электростанции без редуктора и маховика на прямом обрыве:

1. Опору 1 монтируют на болты к закладным деталям в предварительно выполненном бетонном армированном фундаменте, либо анкерами, к скальной поверхности.

2. Затем монтируют рычаг 2 с храповым механизмом 5 генератор 8. На рычаг устанавливают лебедку 4 с гибкой связью 9 и возвратный противовес 3.

3. На поплавок 11 крепят гибкую связь 9, далее поплавок наполняют водой, но не полностью, оставляя воздушный пузырь, и закупоривают, например, резьбовой крышкой.

4. Поплавок 11 спускают на воду посредством лебёдки (с механическим или электрическим приводом), рычага и гибкой связи. После чего гибкую связь неподвижно фиксируют в натяг, вследствие чего в амплитуде начинает работать только рычаг.

Монтаж волновой электростанции с редуктором и маховиком на скалистом обрыве:

1. Опору 1 монтируют на болты к закладным деталям в предварительно выполненном бетонном армированном фундаменте, либо анкерами, к скальной поверхности.

2. Затем монтируют рычаг 2 с храповым механизмом 5, редуктор 6, маховик 7, генератор 8. На рычаг устанавливают лебедку 4 с гибкой связью 9 и возвратный противовес 3.

3. На поплавок 11 крепят гибкую связь 9, далее поплавок наполняют водой, но не полностью, оставляя воздушный пузырь, и закупоривают, например, резьбовой крышкой.

4. Поплавок 11 спускают на воду посредством лебёдки (с механическим или электрическим приводом), рычага и гибкой связи. После чего гибкую связь неподвижно фиксируют в натяг, вследствие чего в амплитуде начинает работать только рычаг.

5. Роликовые опоры 10 монтируют в местах контакта гибкой связи со скальными выступами после опускания поплавка на воду.

6. Конструкция поплавка оснащена специальными упорами 12, которые препятствуют его вращению вокруг своей собственной оси и механическому износу из-за воздействия со скальной береговой поверхностью.

Одно из преимуществ заявляемой волновой электростанции - возможность устанавливки на береговой полосе, непригодной для оборудования пляжной зоны и невыгодной для эксплуатации в каком-либо виде для туристического бизнеса.

Вследствие малых габаритов станции, мощностью 10-50 кВт, каждую можно размещать вдоль береговой линии с интервалом 3-10 м независимо (посредством диодов), параллельно подключая к общей магистрали. Таким образом, на протяжении всего 500 м береговой полосы может разместиться волновая станция общей мощностью 5 мВт.

Небольшая станция подобного типа номинальной мощностью 1,5 кВт, соответственно, 35-40 кВт в сутки, оснащена накопителем энергии (например, литий- железо-фосфатными аккумуляторами) контроллером и инвертором, и может свободно запитать большой коттедж или небольшой дом на трёх хозяев.

Группа изобретений относится к области электротехники и может быть использована при производстве электрической энергии путем преобразования энергии волн в электрическую энергию, передаваемую в системы электропитания. Волновая электростанция содержит опору 1, рычаг 2, закрепленный на опоре 1, генератор, возвратный механизм 3 и лебедку 4 с гибкой связью 9. Электростанция снабжена храповым механизмом 5, связанным с рычагом 2, и поплавком 11, выполненным в виде емкости, заполненной водой, с воздушным пузырем. С одной стороны рычага 2 закреплен возвратный механизм 3 и лебедка 4 с гибкой связью 9, которая проходит через другой край рычага 2 и соединена с поплавком 11. Генератор закреплен на опоре 1. Группа изобретений направлена на обеспечение легкости монтажа и обслуживания электростанции, повышенной износостойкости. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Волновая электростанция, содержащая опору, рычаг, закрепленный на опоре, генератор, возвратный механизм и лебедку с гибкой связью, отличающаяся тем, что электростанция снабжена храповым механизмом, связанным с рычагом, и поплавком, выполненным в виде емкости, заполненной водой, с воздушным пузырем, при этом с одной стороны рычага закреплен возвратный механизм и лебедка с гибкой связью, которая проходит через другой край рычага и соединена с поплавком, а генератор закреплен на опоре.

2. Электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что поплавок выполнен с упором.

3. Электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что на гибкой связи выполнена по меньшей мере одна роликовая опора для крепления к скальным выступам.

4. Волновая электростанция, содержащая опору, рычаг, закрепленный на опоре, генератор, возвратный механизм и лебедку с гибкой связью, отличающаяся тем, что электростанция снабжена храповым механизмом, связанным с рычагом, и поплавком, выполненным в виде емкости, заполненной водой, с воздушным пузырем, редуктором и маховиком, при этом с одной стороны рычага закреплен возвратный механизм и лебедка с гибкой связью, которая проходит через другой край рычага и соединена с поплавком, а редуктор, маховик и генератор закреплены на опоре.