Поплавковая электростанция – Поплавковая электростанция

Поплавковая электростанция

Поплавковая электростанция.

 

 

Поплавковая электростанция (поплавковая волновая электростанция) представляет собой продолговатую осесимметричную капсулу-поплавок, располагаемую на поверхности моря в направлении местной вертикали. Внутри капсулы размещены механический преобразователь энергии волн в виде колебательного привода, электрогенератор и вспомогательный накопитель энергии.

 

Описание

Преимущества

Применение

 

Описание:

Поплавковая электростанция (поплавковая волновая электростанция) – модуль ПВЭС представляет собой продолговатую осесимметричную капсулу-поплавок, располагаемую на поверхности моря в направлении местной вертикали. Внутри капсулы размещены механический преобразователь энергии волн в виде колебательного привода, электрогенератор и вспомогательный накопитель энергии. Колебательный привод позволяет согласовывать работу устройства с внешним волновым полем, обеспечивая оптимальные условия для отбора энергии.

Под действием волн капсула-поплавок и колебательная система механического преобразователя находятся в непрерывном колебательном движении, а привод обеспечивает непрерывную раскрутку электрогенератора.

В зависимости от назначения, возможно создание как одномодульных, рассчитанных на выходную электрическую мощность до 50 кВт, так и многомодульных установок в виде сетей, которые могут быть собраны из большого количества десяти – пятидесяти киловаттных модулей с суммарной электрической мощностью до десятков мегаватт.

Мировой океан покрывает три четверти поверхности Земли, участвуя в глобальных солнечно-земных процессах. Океаны, по оценкам различных источников, обладают совокупной, доступной для утилизации волновой мощностью порядка 1010 кВт. Так плотность потока солнечного излучения в среднем по году равна 250 Вт/м , ветрового потока (при скорости ветра 7,3 м/с) – около 250 Вт/м , водного потока (при скорости 1 м/с) — 500 Вт/м , в то время как, средняя величина потока энергии набегающей волны при периоде Т = 7…10 сек и сравнительно небольшой высоте Н = 2 м в расчете на 1 м фронта волны составляет порядка 40 кВт. В отдельных акваториях на средних широтах обоих полушарий Земли волновая активность характеризуется величинами потоков 70…100 кВт. Использование волновой энергии морей и океанов для производства электроэнергии во многих регионах представляет несомненный интерес.

 

Преимущества:

– утилизация энергии возобновляемого источника экологически чистым способом без нарушения естественного энергетического баланса природной среды, без вредных выбросов и отходов, без тепло-газо-пыле-вибро-шумового загрязнения, без вывода из хозяйственного оборота плодородных земель и лесных угодий,

– возможность размещения энергоустановок и энергопромышленных комплексов прямо в морях и океанах, в местах мало или совсем не пригодных для обитания человека или мореплавания. Возможность изменения места размещения установок в зависимости от волновой активности морской акватории и сезонно-синоптических условий,

– использование в преобразователе колебательного привода, позволяющего согласовывать работу устройства с внешним волновым полем, обеспечивая, тем самым, наилучшие условия для отбора энергии,

– эффективная и надежная работа при любых длинах, скоростях, интенсивностях и направлениях распространения морских волн. Возможность подстройки параметров устройства под меняющиеся внешние условия,

– использование конструктивно отработанных, стандартных узлов и механизмов. Высокий ресурс работы благодаря защищенности узлов и механизмов от внешнего агрессивного воздействия среды с помощью герметичной капсулы – поплавка. Простота монтажа и демонтажа изделия,

– возможность работы в необслуживаемом режиме,

– низкая стоимость изделия и эксплуатации. Быстрая окупаемость затрат.

 

Применение:

– одномодульные поплавковые электростанции (ПВЭС ) могут быть использованы в качестве источников питания для световых и радиомаяков, для энергообеспечения аппаратуры аварийного и индивидуального жизнеобеспечения, метеосистем, глобальных и региональных систем связи, навигации, телекоммуникации и др.

– многомодульные связки модулей ПВЭС могут служить хорошей энергетической базой для создания экологически чистых объектов перерабатывающей промышленности морского и прибрежного базирования. На перерабатывающих объектах, размещаемых, в том числе, на морских платформах с выработанными нефтяными скважинами можно будет осуществлять переработку морепродуктов в продукты питания и сырье для технических нужд, минерального сырья и полезных ископаемых для дальнейшего промышленного использования. Среди задач, перспективных с точки зрения использования электроэнергии, вырабатываемой ПВЭС, особое место занимает возможность организации крупномасштабного электролизного производства водорода на основе электролиза морской воды.

 

карта сайта

поплавковая волновая электростанция
поплавковая электростанция

 

Коэффициент востребованности 213

comments powered by HyperComments

xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai

Волновая электростанция: принцип работы

Воды Мирового океана скрывают в себе несметные богатства, главными из которых, пожалуй, являются безграничные источники энергии в виде морских волн. Впервые об использовании кинетической энергии накатывающихся на берег валов задумались в 18 веке в Париже, где был представлен первый патент на волновую мельницу. Сейчас технологии шагнули далеко вперед, и совместными усилиями ученых была создана первая коммерческая волновая электростанция, которая начала эксплуатироваться в 2008 году.

Почему это выгодно?

Ни для кого не секрет, что природные богатства находятся на грани истощения. Запасы угля, нефти и газа – основных энергетических источников – подходят к концу. По самым оптимистичным прогнозам ученых, запасов хватит для 150-300 лет жизни. Атомная энергетика тоже не оправдала ожиданий. Большая мощность и производительность окупают затраты на строительство, эксплуатацию, но проблемы захоронения отходов и нанесения ущерба окружающей среде скоро заставят отказаться и от них. По этим причинам ученые ищут новые альтернативные источники энергии. Сейчас уже действуют ветровые и солнечные электростанции. Но при всех своих достоинствах они имеют существенный недостаток – низкий КПД. Удовлетворить потребности всего населения не удастся. Поэтому необходимы новые решения.

Для выработки электричества волновая электростанция использует кинетическую энергию волн. По самым скромным подсчетам, этот потенциал оценивается в 2 млн МВт, что сравнимо с 1000 работающих на полную мощность атомных электростанций, а на один метр фронта волны приходится около 75 кВт/м. При этом не наблюдается абсолютно никакого вредного воздействия на окружающую среду.

Общая схема работы

Волновыми электростанциями называют плавучие сооружения, которые способны преобразовывать механическую энергию движения волн в электрическую и передавать ее потребителю. При этом стараются использовать два источника:

1. Кинетические запасы. Морские валы проходят через трубу большого диаметра и вращают лопасти, которые передают усилие на электрогенератор. Применяется и пневматический принцип – вода, проникая в специальную камеру, вытесняет оттуда кислород, который перенаправляется по системе каналов и вращает лопасти турбины.
2. Энергия качения. В этом случае волновая электростанция выступает в роли поплавка. Перемещаясь в пространстве вместе с профилем волны, она посредством сложной системы рычагов заставляет вращаться турбину.

Разными странами используются свои собственные технологии преобразования механического движения волн в электричество, но общая схема действия у них одинаковая.

Недостатки волновых электростанций

Главным препятствием на пути к обширному внедрению волновых электростанций является их стоимость. Из-за сложной конструкции и сложной установки на поверхность морских вод затраты на внедрение подобных установок в эксплуатацию выше, чем на строительство АЭС или ТЭС.

Кроме того, наблюдается и ряд других недостатков, которые в основном связаны с появлением социально-экономических проблем. Дело все в том, что крупные поплавковые станции создают опасность и мешают мореходству и рыболовству – поплавковая волновая электростанция может просто вытеснить человека из промысловых зон. Возможны и экологические последствия. Использование установок значительно гасит морские валы, делает их меньше и не дает пробиться на берег. Между тем волны играют важную роль в процессе газообмена океана, очищения его поверхности. Все это может привести к смещению экологического равновесия.

Положительные стороны волновых электростанций

Вместе с недостатками волновая электростанция имеет и ряд преимуществ, которые оказывают положительное воздействие и на деятельность человека:

• установки, благодаря тому что гасят энергию волны, могут защищать прибрежные сооружения (причалы, порты) от разрушения силой океана;
• выработка электричества происходит с минимальными затратами;
• высокая мощность волнения делает ВЭС экономически более выгодными, нежели ветровые или солнечные электростанции.

Запасами энергии обладают и воды суши, главным образом реки. Сооружение станций на мостах, переправах, причалах является перспективой развития этой области выработки электроэнергии.

Проблемы, которые надо решить

Основная задача, которая стоит перед научным сообществом сейчас, – это совершенствование конструкции, что позволит снизить себестоимость электричества, которое вырабатывают волновые электростанции. Принцип работы должен остаться тем же, но применяться для создания установок будут уже новые технологии и материалы.

Средняя мощность волны составляет 75-85 кВт/м – именно на такой диапазон настраиваются большинство станций. Однако во время шторма сила морских валов увеличивается в несколько раз и создается опасность разрушения установок. Уже не одна лопасть была смята или погнута после шторма. Для решения этой проблемы ученые искусственными методами снижают удельную мощность волн. Одна из проблем состоит в том, что массовое использование волновых станций приведет к изменению климата. Генерация электрической энергии осуществляется за счет вращения Земли (именно так образуются волны). Повсеместное использование станций заставит планету вращаться медленнее. Человек разницу не почувствует, но это уничтожит ряд течений, которые играют важную роль в теплообмене Земли.

Первая в мире опытная ВЭС

Первая волновая электростанция появилась в 1985 году в Норвегии. Ее мощность составила 500 кВт, а сама она представляла собой опытный образец. Ее принцип действия основан на циклическом сжатии и расширении среды:

• цилиндр с открытым дном погружен в воду так, чтобы его край был ниже ложбины волны – самой нижней ее точки;
• периодически набегающая вода сжимает воздух во внутренней полости;
• по достижении определенного давления открывается клапан, который дает проход сжатому кислороду к турбине.

Такая электростанция вырабатывала 500 кВт энергии, чтобы было достаточно для подтверждения действенности установок, что способствовало их развитию.

Первая в мире промышленная электростанция

Первой в мире установкой промышленного масштаба считается Oceanlinx в акватории Порт-Кембл, в Австралии. Она введена в эксплуатацию в 2005 году, но затем была отправлена на реконструкцию и в 2009 году вновь заработала, из-за чего в регионе теперь используются и приливные, и волновые электростанции. Ее принцип действия состоит в следующем:

1. Волны периодически забегают в специальные камеры, заставляя сжиматься воздух.
2. По достижении критического давления сжатый воздух через сеть каналов вращает электрогенератор.
3. Для улавливания движения и силы волн лопасти турбины меняют свой угол наклона.

Мощность установки составила порядка 450 кВт, хотя каждая секция станции способна выдавать от 100 кВт*ч до 1,5 МВт*ч электрической энергии.

Первая в мире коммерческая ВЭС

Первая волновая электростанция коммерческого назначения заработала в 2008 году в Агусадоре, Португалия. Более того, она первая в мире установка, которая использует непосредственно механическую энергию волны. Проект подготовила английская компания Pelamis Wave Power.

В состав конструкции входит несколько секций, которые отпускаются и поднимаются вместе с профилем волны. Секции шарнирно скреплены с гидравлической системой и во время движения приводят ее в действие. Гидравлический механизм заставляет вращаться ротор генератора, благодаря чему и вырабатывается электроэнергия. Используемые в Португалии волновые электростанции плюсы и минусы имеют. Преимущество установки заключается в большой мощности – около 2,25 МВт, а также в возможности установки дополнительных секций. Недостаток установки системы один – возникает сложности с передачей электрической энергии по проводам к потребителю.

Первая в России волновая электростанция

В России первая ВЭС появилась в 2014 году в Приморском крае. Разработкой занимался коллектив ученых из Уральского федерального университета и Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН. Установка имеет экспериментальный характер. Ее особенность в том, что она использует энергию не только волн, но и приливов/отливов.

В Москве предполагается строительство научно-исследовательской лаборатории, которая займется разработкой и созданием первой отечественной поплавковой станции. Возможно, после этого волновые электростанции в России тоже будут иметь промышленное или коммерческое назначение.

fb.ru

Поплавковая волновая электростанция

Поплавковая волновая электростанция относится к отрасли морской энергетики и предназначена для извлечения электрической энергии из морских волн.

Известна волновая энергетическая установка, содержащая судно с волновым компрессором, использующим энергию волнения для производства сжатого воздуха, с расположенными по периметру судна и погруженными в воду рабочими камерами с впускными и выпускными окнами, и преобразующие энергию сжатого воздуха турбины с электрогенераторами, причем рабочие камеры в такте всасывания при уходе волны через впускные клапаны сообщаются с коллектором низкого давления, связанным с атмосферой, а через выпускные клапаны в такте сжатия с приходом волны сообщаются с коллектором высокого давления, судно имеет размеры и количество рабочих камер, обеспечивающих одновременную работу нескольких волн, отличающаяся тем, что рабочие камеры размещены ступенями по глубине, причем каждая последующая ступень рабочих камер расположена глубже предыдущей, а коллектор высокого давления предыдущей ступени одновременно является коллектором низкого давления последующей ступени, коллектор высокого давления последней ступени в своей нижней части имеет дренажные колодцы с выпускными клапанами, в судне выполнена система балластных отсеков для размещения волнового компрессора на ватерлинии, располагаемой на уровне рабочих камер первой ступени, а на корме и носу расположены судовые двигатели (Патент на изобретение РФ №2330987, F03B 13/24, 2008). Эта волновая энергетическая установка принята в качестве аналога.

Недостаток аналога – сложность конструкции – рабочие камеры расположены по периметру судна и размещены ступенями по глубине.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является волновая электростанция, содержащая неподвижную опору, пневмогидравлическую камеру, подводная часть которой сообщена с водоемом, а надводная – с атмосферой через закрепленный на верхнем торце камеры напорный воздуховод, поперек которого установлена, по меньшей мере, одна турбина с лопастями крыловидного профиля, кинематически связанная с генератором, при этом на противоположных внутренних поверхностях напорного воздуховода для каждой турбины выполнены выступы с вогнутыми стенками, примыкающие с зазором к цилиндрической поверхности, ометаемой лопастями турбины, а на опоре размещен вращающийся привод, кинематически связанный с камерой, которая закреплена на опоре с возможностью вертикального перемещения в соответствии с колебаниями среднего уровня водной поверхности (Патент на изобретение РФ №2459974, F03B 13/24, 2012). Эта волновая электростанция принята в качестве прототипа.

Недостатки прототипа – наличие неподвижной опоры, неэффективное использование энергии рабочего тела – сжатого атмосферного воздуха; часть кинетической энергии теряется при входе и выходе рабочего тела из напорного воздуховода.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в выполнении волновой электростанции в виде поплавка, а оборудование ее дефлектором с флюгером позволит увеличить процент выработки электрической энергию за счет более рационального использования кинетической энергии рабочего тела – сжатого воздуха.

Для достижения указанного технического результата поплавковая волновая электростанция, содержащая пневмогидравлическую камеру, подводная часть которой сообщена с морем, напорный воздуховод, в котором установлена, по меньшей мере, одна турбина с лопастями крыловидного профиля, при этом на противоположных внутренних поверхностях напорного воздуховода для каждой турбины выполнены выступы с вогнутыми стенками, примыкающие с зазором к цилиндрической поверхности, и кинематически связанная с электрогенератором, причем она снабжена поплавком, мультипликатором, заглушкой с отверстиями, подпружиненным клапаном для выпуска сжатого воздуха, подпружиненным клапаном для впуска атмосферного воздуха, дефлектором с флюгером, поплавок выполнен в виде круглой цилиндрической трубы, внутри которой размещен изогнутый по вертикали напорный воздуховод – труба круглого поперечного сечения, в верхней части которого размещен диффузор, перекрытый заглушкой с отверстиями, которые оборудованы подпружиненными клапанами для впуска атмосферного и выпуска сжатого воздуха, а в нижней части крепится пневмогидравлическая камера – труба круглого поперечного сечения, диаметр которой равен диаметру трубы напорного воздуховода, турбина установлена на прямом участке изгиба в полости напорного воздуховода и кинематически связана с мультипликатором, увеличивающим частоту вращения электрогенератора, которые установлены вне напорного воздуховода в полости поплавка, дефлектор выполнен в виде круглого цилиндра с вертикальным валом вращения, на боковой поверхности которого выполнено окно впуска атмосферного воздуха и окно и выпуска сжатого воздуха, при этом они ориентированы по диагонали круглого цилиндра, направление которой совпадает с стержнем флюгера, а окно выпуска сжатого воздуха размещено со стороны флажка флюгера.

Кроме того, заявляемое техническое решение имеет факультативные признаки, характеризующие его частные случаи, а именно:

– длина напорного воздуховода составляет , а длина пневмогидравлической камеры ;

– поплавок выполнен со скошенными во внешнюю сторону основаниям, которые крепятся к трубе напорного воздуховода и к трубе пневмогидравлической камеры;

– окно впуска атмосферного воздуха соединено коробом с отрезком трубы, которая проходит через центральное отверстием заглушки и посажена в нижний подшипник, причем она является частью вертикального вала круглого цилиндра дефлектора.

Отличительными признаками предлагаемого устройства от указанного выше, наиболее близкого к нему, являются то, что она снабжена поплавком, мультипликатором, заглушкой с отверстиями, подпружиненным клапаном для выпуска сжатого воздуха, подпружиненным клапаном для впуска атмосферного воздуха, дефлектором с флюгером, поплавок выполнен в виде круглой цилиндрической трубы, внутри которой размещен изогнутый по вертикали напорный воздуховод – труба круглого поперечного сечения, в верхней части которого размещен диффузор, перекрытый заглушкой с отверстиями, которые оборудованы подпружиненными клапанами для впуска атмосферного и выпуска сжатого воздуха, а в нижней части крепится пневмогидравлическая камера – труба круглого поперечного сечения, диаметр которой равен диаметру трубы напорного воздуховода, турбина установлена на прямом участке изгиба в полости напорного воздуховода и кинематически связана с мультипликатором, увеличивающим частоту вращения электрогенератора, которые установлены вне напорного воздуховода в полости поплавка, дефлектор выполнен в виде круглого цилиндра с вертикальным валом вращения, на боковой поверхности которого выполнено окно впуска атмосферного воздуха и окно выпуска сжатого воздуха, при этом они ориентированы по диагонали круглого цилиндра, направление которой совпадает с стержнем флюгера, а окно выпуска сжатого воздуха размещено со стороны флажка флюгера.

Благодаря наличию этих признаков применение этого устройства позволит снизить металлоемкость конструкции, а оборудование его дефлектором с флюгером позволит увеличить процент выработки электрической энергию за счет более рационального использования кинетической энергии рабочего тела – сжатого воздуха, полученного из возобновляемого источника энергии – морских волн.

Предлагаемое устройство – поплавковая волновая электростанция иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2, 3, 4 и 5.

На фиг. 1 показан план поплавковой волновая электростанции, на фиг. 2 – вертикальный разрез поплавковой волновая электростанции в гребне волны; на фиг. 3 – вертикальный разрез поплавковой волновая электростанции в подошве волны; на фиг. 4 – вертикальный разрез дефлектора с флюгером; на фиг. 5 – горизонтальный разрез А-А дефлектора с флюгером.

Поплавковая волновая электростанция содержит поплавок 1, дефлектор 2, флюгер 3, трос 4 и якорь 5 (фиг. 1). Поплавок 1 выполнен в виде круглой цилиндрической трубы со скошенными во внешнюю сторону основаниям 6. Внутри поплавка 1 размещен изогнутый по вертикали напорный воздуховод 7 – труба круглого поперечного сечения, в верхней части которого размещен диффузор 8, перекрытый заглушкой 9. Турбина 10 установлена на прямом участке изгиба в полости напорного воздуховода 7 и кинематически связана с мультипликатором 11, увеличивающим частоту вращения электрогенератора 12, которые установлены вне напорного воздуховода 7 в полости поплавка 1. В нижней части напорного воздуховода 7 крепится пневмогидравлическая камера 13 – труба круглого поперечного сечения, диаметр которой равен диаметру трубы напорного воздуховода 7. Нижний конец пневмогидравлическая камера 13 сообщается с морем.

На фиг. 2 приняты следующие обозначения: h – амплитуда морской волны; ω – угловая скорость кругового движения частиц жидкости; ср. ур. в. – средний уровень воды в море; – длина напорного воздуховода; – длина пневмогидравлической камеры. На заглушке 9 размещены центральное отверстие 14, оборудованное подпружиненным клапаном 15 для впуска атмосферного воздуха, и отверстия 16, оборудованные подпружиненным клапаном 17 выпуска сжатого воздуха. Дефлектор 2 выполнен в виде круглого цилиндра 18 с вертикальным валом 19 вращения в верхнем 20 и нижнем подшипнике 21. На боковой поверхности круглого цилиндра 18 выполнено окно 22 впуска атмосферного воздуха и окно 23 выпуска сжатого воздуха, при этом они ориентированы по диагонали круглого цилиндра 18, направление которой совпадает со стержнем 24 флюгера 3, причем окно 22 впуска атмосферного воздуха размещено со стороны начала стержня 24, а окно 23 выпуска сжатого воздуха размещено со стороны флажка 25 флюгера 3. Окно 22 впуска атмосферного воздуха соединено коробом 26 с отрезком трубы 27, которая проходит через центральное отверстием 14 заглушки 9 и посажена в нижний подшипник 21, причем она является частью вертикального вала 19 круглого цилиндра 18 дефлектора 2. Подпружиненный клапан 17 выпуска сжатого воздуха имеет боковые отверстия 28 и входное отверстие 29. Круглый цилиндр 18 имеет внутренние связи 30 крепления и наружные стойки 31 крепления верхнего подшипника 20.

Работа поплавковой волновой электростанции осуществляется следующим образом.

Работа поплавковой волновой электростанции зависит от амплитуды h морской волны и от скорости ветра. Чем больше значение h, тем сильнее будет сжатие воздуха в полости пневмогидравлической камеры 13 и напорном воздуховоде 7, так как столб воды работает как поршень насоса. Изменение формы волновой поверхности таково, что наблюдается поступательное движение, хотя сама волна не перемещается в направлении распространения волны. Это кажущееся перемещение есть результат наблюдения фаз смещения последовательного расположения частиц жидкости; как только одна частица в гребне опускается, другая занимает ее место, обеспечивая сохранение формы гребня и распространения волнового движения вперед.

На фиг. 2 показана траектория угловой скорости ω кругового движения частиц жидкости. Мощность Р, переносимая волнами, на единицу ширины волнового фронта в чисто синусоидальной волне на глубокой воде прямо пропорциональна квадрату амплитуды h и периоду Т:Р=ρg²h²T/8π, где ρ – плотность морской воды; g – ускорение силы тяжести; π=3,14. Для Атлантики: длина волны 100 м, h=1,5 м, P≅73 кВт/м (Дж. Твайделл, А. Уэйр Возобновляемые источники энергии. Энергоатомиздат, М., 1990, с. 307).

В основе работы дефлектора 2 с флюгером 3 лежит теория обтекания жидкостью круглого цилиндра 18 с вертикальным валом. Согласно этой теории в фронтальной зоне у окна 22 впуска атмосферного воздуха полное давление составит а в кормовой зоне у окна 23 выпуска сжатого воздуха разность давлений где Р_а – атмосферное давление, ρ_воз. – плотность воздуха, U – скорость воздуха, Р – давление в любой точке на контуре круглого цилиндра 18 с вертикальной осью (Н.Я. Фабрикант. Курс аэродинамики, часть первая, Государственное объединенное научно-техническое издательство, М.- Л., 1938).

Из теории и опытов следует, что абсолютная величина отрицательного давления (вакуум) в кормовой зоне круглого цилиндра 18 значительно больше положительного давления в фронтальной зоне круглого цилиндра 18. Теперь рассмотрим цикл работы поплавковой волновой электростанции в гребне волны (фиг. 2). На фиг. 1 стрелками показано направление волнения и ветра у флюгера 3. Поплавок 1 со скошенными основаниями 6 удерживается на линии среднего уровня в море при помощи тросов 4 и якорей 5. Вода входит в пневмогидравлическую камеру 13 и выдавливает (сжимает) воздух, который поступает в напорный воздуховод 7, вращает турбину 10, мультипликатор 11 увеличивает частоту вращения электрогенератора 12, который вырабатывает электрический ток. Далее сжатый воздух поступает в диффузор 8 и натекает на заглушку 9. Далее сжатый воздух проходит через входное отверстие 29, сжимает пружину клапана 17 выпуска сжатого воздуха, боковые окна 28 открываются и сжатый воздух проходит через отверстия 16 и поступает в полость круглого цилиндра 18 и далее через окно 23 поступает (подсасывается) в зону пониженного давления и при этом ускоряется. Ускорение сжатого воздуха позволяет увеличить частоту вращения турбины 10, а значит повысить процент выработки электроэнергии.

Теперь рассмотрим цикл работы поплавковой волновой электростанции в подошве волны (фиг. 3). На фиг. 1 стрелками показано направление волнения и ветра у флюгера 3. Поплавок 1 со скошенными основаниями 6 удерживается на линии среднего уровня в море при помощи тросов 4 и якорей 5. Вода уходит из пневмогидравлической камеры 13 и подсасывает атмосферный воздух, который через окно 22 поступает в короб 26, проходит отрезок трубы 27, размещенный в центральном отверстии 14, сжимает пружину клапана 15 и поступает в напорный воздуховод 7, вращает турбину 10 в том же направлении, что и в цикле гребня, мультипликатор 11 увеличивает частоту вращения электрогенератора 12, который вырабатывает электрический ток. Ускорение атмосферного воздуха в окне 22 и коробе 26 позволяет увеличить частоту вращения турбины 10, а значит повысить процент выработки электроэнергии. Цикл в подошве сменяется циклом в гребне и процесс выработки электрической энергии продолжается в непрерывном режиме. При смене направления ветра конструкция дефлектора 2, включающая круглый цилиндр 18 с валом 19, который вращается в верхнем 20 и нижнем 21 подшипниках, и закрепленными связями 30 и стойками 31, автоматически отслеживает направление максимальной скорости ветра путем поворота стержня 24 и флажка 25 флюгера 3. Таким образом, дефлектор 2 с флюгером 3 в процессе работы поплавковой волновой электростанции обеспечивает в автоматическом режиме максимальную эффективность использования скорости ветра для выработки электрической энергии.

Внедрение поплавковой волновой электростанции позволит увеличить процент выработки электрической энергии из возобновляемого источника энергии – морских волн за счет более рационального использования кинетической энергии рабочего тела – сжатого воздуха и исключить гибель гидробионтов, поскольку они могут входить в пневмогидравлическую камеру в гребне и обратно выходить в море в подошве волны.

edrid.ru

Поплавковая волновая электростанция

 

Сущность изобретения: в плавучем корпусе расположен механический преобразователь, содержащий инерционный маятник, имеющий пружинную подвеску, установленный с возможностью вертикального возвратно-поступательного движения и кинематически связанный с электрогенератором. Корпус выполнен в виде герметичной капсулы цилиндрической формы, верхняя часть которой ограничена полусферой с радиусом, равным радиусу цилиндрической части, нижняя сферой с радиусом, большим радиуса полусферы. На внутренней поверхности цилиндрической части выполнены направляющие для движения маятника. Кинематическая связь с электрогенератором выполнена в виде шарико-винтовой передачи с редуктором. В нижней части капсулы установлен динамический инерционный накопитель энергии с электромеханическим приводом двухстороннего действия, соединенным с шарико-винтовой передачей, редуктором – коммутатором и вспомогательным редуктором. Частота собственных колебаний маятника соизмерима с характерной частотой колебаний капсулы в воде. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к производству электроэнергии, в частности к производству электроэнергии экологически чистого без отрицательного воздействия на окружающую среду путем преобразования энергии морских волн и ветра.

Известны технические решения по созданию волновых электростанций, преобразующих энергию морских волн в электроэнергию. В устройстве К. Кокереля три шарнирно соединенные между собой секции понтона, плавающего на поверхности моря, меняют взаимное положение при каждом движении морских волн. Установленные в каждом шарнирном соединении встречно два гидроцилиндра, действуя как гидравлические двигатели, вращают ротор электрогенератора. Наиболее близким техническим решением является поплавковая волновая электростанция. Данная электростанция содержит плавучий корпус, расположенный в немеханический преобразователь, включающий инерционный маятник, имеющий пружинную подвеску, установленный с возможностью, вертикального возвратно-поступатель- ного движения и кинематически связанный с электрогенератором. Эффективность обоих технических решений существенно зависит от длин морских волн, скорости и направления их распространения. Эти параметры морских волн являются постоянно меняющимися, причем изменение их носит случайный характер. Известные технические решения не могут обеспечивать стабильное и эффективное производство электроэнергии путем преобразования в последнюю энергии морских волн, а устройства, создаваемые на их базе не могут рассматриваться в качестве надежных элементов системы энергообеспечения экономики. Техническим результатом данного изобретения является повышение эффективности и стабильности производства электроэнергии с помощью волновых электростанций, и тем самым, повышение надежности волновых электростанций как элементов системы энергообеспечения экономики путем создания устройства эффективно использующего энергию морских волн независимо от их длины, скорости и направления распространения, а также использующего энергию ветра над морской поверхностью. Непременным условием прогресса любого общества является достаточность производства электроэнергии, необходимая для обеспечения социально-экономического развития. По оценкам экспертов ЮНЕСКО значения энергии волн мирового океана, а также энергии ветров, дующих у поверхности океана, техническое использование которых известными типами электропреобразователей возможно в настоящее время равны соответственно 10¹² и 5 10¹³ Вт. Это позволяет волновым и ветровым электростанциям занять достойное место в энергосистемах государств. Энергия, которой располагают массы воды при волновом движении в океанах и морях огромна. Так сравнительно небольшая волна высотой 4 м в расчете на один квадратный метр колеблющейся поверхности способна развить мощность более 10 кВт. Мощность потока ветра через площадку сечением 1 м² при скорости 12 м/с по порядку величины равна 1 кВт. Акватории, которым присуще высокая штормовая активность, занимают огромные площади океанских пространств. Соответственно этому весьма значительна и совокупная энергия штормов. Учитывая это, было бы заманчиво использовать разрушительную энергию этих явлений для целей созидания и жизнеустройства. Тем более, что акватории с высокой штормовой активностью сами по себе являются местами весьма неудобными для обитания и деятельности человека. Предложенное техническое решение позволяет решить указанную задачу. Поставленный технический результат достигается тем, что в поплавковой волновой электростанции, содержащей корпус поплавка, механический преобразователь энергии морских волн, соединенный с электрогенератором, корпус поплавка выполнен в виде герметичной капсулы цилиндрической формы, верхняя часть которой выполнена в виде полусферы радиусом, равным радиусу цилиндрической части корпуса, а нижняя часть капсулы выполнена в виде сферы; на внутренней поверхности цилиндрической части корпуса выполнены направляющие, механический преобразователь энергии морских волн выполнен в виде пружинного маятника, состоящего из перемещающегося по направляющим вдоль оси корпуса груза, пружины или пружин, прикрепленной или прикрепленных одним концом к грузу сверху или снизу, или сверху и снизу груза, а другим концом к корпусу поплавка, и механического привода в виде шарико-винтовой передачи и редуктора; причем электростанция снабжена динамическим инерционным накопителем энергии с электромеханическим приводом двухстороннего действия, соединенным с шарико-винтовой передачей, редуктором-коммута- тором, вспомогательным редуктором, выходной вал которого соединен с электрогенератором, размещенными в сферической части корпуса, при этом частота собственных колебаний маятника _м приблизительно равна частоте колебаний поплавка в воде _п(_мп ). При этом поплавковая волновая электростанция оснащена параметрическим осциллятором, установленном внутри корпуса поплавка, снабженным соединенной с грузом маятника тягой и кривошипно-шатунным механизмом, кривошип которого одним концом прикреплен к внутренней поверхности корпуса поплавка, а вторым концом – к пружине маятника. Кроме того, поплавковая волновая электростанция снабжена дефлектором с флюгаркой, размещенными на внешней поверхности поплавка на верхней полусфере, тягой дефлектора и механизмом перемещения тяги дефлектора, установленными внутри корпуса поплавка, при этом механизм перемещения тяги дефлектора снабжен рычагом, один из концов которого соединен с осью привода редуктора. При этом, поплавковая волновая электростанция снабжена стабилизатором вертикальной и азимутальной устойчивости, выполненном в виде двух жестких взаимно перпендикулярных плоских панелей, закрепленных на наружной поверхности сферической части корпуса поплавка. Выполнение механического преобразователя энергии морских волн в виде массивного пружинного маятника, движение которого благодаря направляющим может осуществляться только вдоль продольной оси поплавка, и совместимой с ним системы передачи силового воздействия на электрогенератор, наряду с выполнением корпуса поплавка в виде осесимметричного, хорошо обтекаемого тела, плавающего на поверхности моря так, что его продольная ось всегда ориентирована вдоль направления местной вертикали позволяет повысить эффективность и стабильность использования энергии волн и ветра, т.к. механический преобразователь энергии морских волн и данная форма поплавка обеспечивают работу электростанции при любых длинах, скоростях, интенсивностях и направлениях распространения морских волн. Выполнение пружинного маятника таковым, чтобы частота его собственных колебаний _м была приблизительно равна частоте колебаний поплавка в воде _п(_пм) , с одной стороны, обеспечивает переход маятника в колебательное движение сразу же после перехода в колебательное движение поплавка, а с другой стороны, позволяет наиболее оптимально осуществлять механическое преобразование энергии волн любой интенсивности и, тем самым, также повысить эффективность и стабильность работы предложенной электростанции. Для повышения эффективности действия электростанции, она снабжена динамическим инерционным накопителем энергии (ИНЭ), позволяющим создавать запас энергии в периоды неполной нагрузки электрогенератора, а в периоды максимальной нагрузки или морского затишья поддерживать его вращение и одновременно являющимся хорошим стабилизатором вертикальной устойчивости всего поплавка. Для компенсации аритмии, предотвращения срыва колебаний и поддержания устойчивости колебательного движения маятника в поплавковой волновой электростанции (ПВЭС) предусмотрено дополнительное периодическое смещение точки закрепления пружины маятника с помощью параметрического осциллятора. Смещение точки закрепления пружины производится с помощью кривошипа, фазы движения которого согласуются параметрическим осциллятором с определенными фазами движения груза маятника, так чтобы в системе постоянно осуществлялся процесс подвозбуждения колебаний. Развитие колебаний поплавка осуществляется и за счет использования потоков ветра над поверхностью морей. С этой целью над верхней полусферой устанавливается дефлектор с флюгаркой. Направляющие элементы дефлектора меняют свое положение так, что действие воздушных масс всякий раз способствует увеличению смещения поплавка от положения равновесия и, как следствие, увеличению энергии колебаний ПВЭС. Для дополнительного обеспечения вертикальной устойчивости поплавка, а также для предотвращения раскрутки поплавка относительно его продольной оси на наружной поверхности сферической части поплавка устанавливается стабилизатор вертикальной и азимутальной устойчивости. Волновые электростанции, создаваемые на базе предложенного технического решения, могут рассматриваться в качестве эффективного, стабильного и надежного элемента общей многокомпонентной системы энергоснабжения государств. На фиг. 1 показан общий вид ПВЭС в разрезе с двухпружинным маятником; на фиг. 2 показан общий вид ПВЭС с параметрическим осциллятором, дефлектором и стабилизатором. Поплавковая волновая электростанция содержит корпус поплавка 1 (см. фиг. 1) выполненный в виде герметичной капсулы цилиндрической формы, верхняя часть которой выполнена в виде полусферы 2 радиуса равного радиусу цилиндрической части корпуса поплавка 3, а нижняя часть корпуса поплавка выполнена в виде сферы 4. На внутренней поверхности цилиндрической части 3 корпуса 1 выполнены направляющие 5. Внутри корпуса 1 размещены электрогенератор 6 и приводящий его во вращение механический преобразователь энергии морских волн. Механический преобразователь энергии морских волн выполнен в виде пружинного маятника и механического привода. Пружинный маятник состоит из груза 7, перемещающегося по направляющим 5 корпуса поплавка 1, и односторонней или двухсторонней пружины 8, прикрепленной одним концом сверху или снизу, или сверху и снизу к грузу маятника 7, а другим концом к корпусу поплавка 1. Механический привод состоит из шариково-винтовой передачи, включающей в себя винтовую ось 9 с находящимся в зацеплении с ней грузом маятника 7, оси привода 10 редуктора 11, которая сцеплена с винтовой осью 9 с помощью муфты 12 и на которую жестко посажена ведущая шестерня 13 редуктора 11, а также самого редуктора 11. Выходной вал 14 редуктора 11 посредством управляемой муфты сцепления 15 соединен с электрогенератором 6. Конструктивно пружинный маятник выполняется так, чтобы частота его собственных колебаний _м была примерно равна частоте колебаний капсулы поплавка в воде _п(_мп). ПВЭС оснащена также параметрическим осциллятором 16, установленным внутри корпуса поплавка, снабженным соединенной с грузом маятника 7 тягой 17 и кривошипно-шатунным механизмом, кривошип 18 которого одним своим концом прикреплен к внутренней поверхности корпуса поплавка 1, а другим концом прикреплен к пружине 8. Параметрический осциллятор 16 используется для параметрического подвозбуждения маятника путем изменения положения точки подвеса маятника в зависимости от состояния движения последнего. В нижней сферической части 4 корпуса поплавка установлен динамический инерционный накопитель энергии 19 с приводом двухстороннего действия, состоящим из электромеханического привода 20, редуктора-коммутатора 21 и вспомогательного редуктора 22, служащими либо для первоначальной механической и последующей электромашинной раскрутки маховика 23 накопителя энергии 19, либо для вращения электрогенератора 6 с помощью системы передачи, включающей в себя вспомогательный редуктор 22, вал 24, шестерни 25, 26 и управляемую муфту сцепления 15. Электромеханический привод 20 соединен с винтовой осью 9 шарико-винтовой передачи с помощью поступательной кинематической пары 27 и управляемой муфты сцепления 28. Поплавковая волновая электростанция снабжена дефлектором 29 с флюгаркой 30, размещенными на внешней поверхности поплавка на верхней полусфере 2, тягой 31 и механизмом перемещения 32 тяги 31 дефлектора 29, установленными внутри корпуса поплавка. Механизм перемещения 32 снабжен рычагом 33, один из концов которого соединен с осью привода 10 редуктора 11. Кроме того ПВЭС снабжена стабилизатором вертикальной и азимутальной устойчивости, выполненным в виде двух жестких взаимно перпендикулярных плоских панелей 34, закрепленных на наружной поверхности сферической части 4 корпуса поплавка. Внутри капсулы расположен также блок автоматического управления 35, с помощью которого осуществляется управление работой всех блоков и узлов ПВЭС. В этом же блоке размещается электронный стабилизатор, позволяющий поддерживать в заданных пределах напряжение на выходе 36 электрогенератора при различных режимах работы ПВЭС. Поплавковая волновая электростанция работает следующим образом. Поплавковая волновая электростанция (ПВЭС) представляет собой устройство, с помощью которого энергия морских волн и потоков ветра над поверхностью моря преобразуется в электроэнергию. Под действием морской волны поплавок-ПВЭС выводится из состояния покоя. Поплавок 1 вместе со всем содержимым начинает совершать колебательные движения, находясь под действием силы притяжения Земли и Архимедовой силы. Частота колебаний поплавка определяется массой ПВЭС и площадью поперечного сечения цилиндрической части корпуса поплавка _п= (1) где М – масса ПВЭС, _в – плотность морской воды, g – ускорение свободного падения, S – площадь поперечного сечения цилиндрической части корпуса поплавка. Упругий маятник, находящийся внутри поплавка одним из концов своей пружины прикреплен к корпусу поплавка. В силу этого, после перехода поплавка в колебательное движение, маятник также приходит в движение, совершая вместе с поплавком вертикальные периодические перемещения. Через некоторое время после начала движения в такой системе устанавливается режим вынужденных колебаний с частотой _п. Ввиду того, что конструктивно пружинный маятник изготавливается так, чтобы частота его собственных колебаний была примерно равна частоте колебаний поплавка в воде (_пм), колебания пружинного маятника в установившемся режиме могут рассматриваться как резонансные колебания в системе с произвольной зависимостью силы сопротивления от смещения и скорости осциллятора. В процессе движения груз маятника 7 большой массы, находясь посредством шариково-винтовой передачи в зацеплении с осью привода 10 редуктора 11 раскручивает последнюю. При движении груза маятника 7 вверх-вниз ось привода 10 вращается влево-вправо. Помимо вращательного движения ось привода 10 редуктора 11 совершает также возвратно-поступательные движения вверх-вниз, которое обеспечивается за счет действия силы сопротивления между элементами шарико-винтовой передачи (винтовой осью 9 и грузом маятника 7). В процессе движения оси привода 10 вверх-вниз ведущая шестерня 13 редуктора 11, жестко сидящая на этой оси, попеременно входит в зацепление с шестернями 37 и 38 редуктора 11. Такой принцип действия входного устройства, согласно кинематической схеме системы передачи движения, позволяет при двух противоположно направленных вращательных движениях оси привода 10 получать однонаправленное вращение выходного вала 14 редуктора 11. Выходной вал 14 редуктора 11 посредством управляемой муфты 15 сцепляется с осью ротора электрогенератора 6. В качестве электрогенератора может быть использован электромашинный генератор тока любого типа, в том числе и наиболее распространенный синхронный электрогенератор. Таким образом, с помощью механического маятника, привода и электрогенератора, находящихся внутри капсулы-поплавка энергия морских волн преобразуется в электроэнергию. Для повышения эффективности действия ПВЭС оснащена динамическим инерционным накопителем энергии (ИНЭ) 19. Использование ИНЭ 19 в качестве энергетического буфера позволяет создавать запас энергии в периоды неполной нагрузки электрогенератора, а в периоды максимальной нагрузки или морского затишья поддерживать его вращение. Начальная раскрутка маховика 23 ИНЭ производится от входного вала 39 электромеханического привода 20, входящего в зацепление с осью – винтом 9 с помощью управляемой муфты сцепления 28. Раскрутка на высоких оборотах производится с помощью электромеханического привода 20. С осью маховика ИНЭ также связан редуктор-коммутатор 21, с помощью которого, в зависимости от режима работы, производится либо раскрутка маховика от электромеханического привода 20, либо раскрутка электрогенератора от ИНЭ посредством передачи, включающей в себя вспомогательный редуктор 22, вал 24, шестерни 25 и 26, а также управляемую муфту сцепления 15. ИНЭ выполняет еще одну очень важную функцию. В связи с тем, что вращение маховика 23, выполненного в виде осесимметричного шарового сегмента большой массы, раскручиваемой до высоких угловых скоростей, характеризуется значительной величиной момента импульса, ИНЭ является хорошим стабилизатором вертикальной устойчивости всего поплавка. А это свойство поплавка весьма существенно, если учесть всевозможные боковые воздействия со стороны волн и потоков ветра. Вертикальную устойчивость поплавку придают также жесткие панели стабилизатора 34, которые устанавливаются взаимно перпендикулярно на наружной поверхности сферической части 4 корпуса поплавка. В процессе работы ПВЭС энергия колебаний пружинного маятника расходуется на вращение оси 10 привода и работу против диссипативных сил. Это, естественно, влечет за собой уменьшение амплитуды маятника и частотное рассогласование колебаний маятника и вынуждающей силы. На параметры колебаний пружинного маятника могут также оказывать влияние амплитудные и фазовые изменения параметров колебаний поплавка 1 связанные со стохастическим характером процесса волнообразования в море. Для компенсации аритмии, предотвращения срыва колебаний и поддержания устойчивости колебательного движения маятника в ПВЭС предусмотрено дополнительное периодическое смещение точки закрепления пружины маятника с помощью параметрического осциллятора-синхронизатора 16. Смещение точки закрепления пружины производится с помощью кривошипа 18, фазы движения которого согласуются осциллятором-синхронизатором 16 с определенными фазами движения груза маятника 7, так чтобы в системе постоянно осуществлялся процесс подвозбуждения колебаний. Параметрическое воздействие на колебательное движение пружинного маятника может также осуществляться путем использования определенного режима срабатывания муфт сцепления 15 и 28. Особенность этого режима заключается в снятии нагрузки с выходного вала 14 редуктора 11 и с винтовой оси 9 при приближении груза маятника 7 к верхней и нижней точкам своего движения. Тем самым, из рабочего цикла исключаются “малоэффективные” участки движения груза маятника 7, т.к. в соответствующие промежутки времени скорость груза и сила его воздействия на эти оси минимальны. В то же время это позволяет маятнику, освобожденному от нагрузки, дополнительно приобрести некоторый запас потенциальной энергии. Развитие колебаний поплавка 1 может осуществляться и за счет использования энергии потоков ветра над поверхностью морей. С этой целью на наружной поверхности полусферы 2 установлен дефлектор 29 с флюгаркой 30. Направляющие элементы дефлектора 29 изменяют направление движения потоков ветра над поплавком, что приводит к появлению дополнительной вертикальной составляющей силы, действующий на капсулу. Тяга 31 через механизм перемещения 32 связана с осью привода 10 редуктора 11 и дважды за период, в зависимости от направления движения груза маятника 7, поворачивает направляющие элементы дефлектора 29, меняя, тем самым, направление движения отбрасываемых воздушных потоков. При этом действие воздушных масс всякий раз будет способствовать увеличению смещения капсулы от положения равновесия и, как следствие, увеличению энергии колебаний ПВЭС. Управление работой и взаимодействием всех блоков и узлов ПВЭС осуществляется с помощью блока автоматического управления 35. В этом же блоке размещается электронный стабилизатор, позволяющий поддерживать в заданных пределах напряжение на выходе электрогенератора 36 при различных режимах работы ПВЭС. Проведем оценку параметров ПВЭС используя обобщенные физические характеристики объектов природы и технических устройств. При оценке будем использовать произвольные, и в то же время реально достижимые (не экстремальные) значения параметров. Вместе с тем будем полагать, что при технической проработке конструкции ПВЭС значения параметров могут быть изменены в лучшую сторону. Для примера рассмотрим ПВЭС с выходной электрической мощностью Р=3 10³ Вт при суммарном КПД = 0,7 и периоде колебаний Т=8 с. Средняя энергия, которой должен располагать такой маятник равна E= = = 3.4310⁴Дж. Приняв в качестве средней рабочей амплитуды колебаний маятника величину А=5,0 м, оценим соответствующую массу груза маятника m_г= = = 4.4510³кг. Если груз маятника выполнен из стали и имеет форму цилиндра диаметром D_г=0,8 м, то его высота равна h_г= = = =1.14 м. Масса ПВЭС складывается из массы груза маятника mг, массы маховика инерционного накопителя энергии m_н=18 10³ кг и массы всех агрегатов: электрогенератора, редуктор, механизмов и устройств, а также корпуса капсулы m_к= 2,55 10³ кг. М = m_г + m_н + m_к = (4,45 + 18,0 + 2,55) 10³ = =25 10³ кг Теперь, используя формулу (1) можно оценить диаметр цилиндрической части капсулы, выступающей из воды D_к= = 1.4 м. Объем подводной части капсулы должен быть порядка 25 м3. Приняв высоту цилиндрической части капсулы, находящейся в отсутствии колебаний под водой, равной h_цп=7,0 м определим ее объем V_цп= h_цп= 7.0=10.77 м³. Объем сферической части корпуса, находящейся под водой V_с = 25,0 – 10,77 = 14,23 м³. Отсюда определим радиус сферы R_с= = 1.5 м. Пусть радиус сферообразного маховика инерционного накопителя энергии равен R_н= 1,4 м. Зная массу маховика определим высоту шарового сегмента, форму которого имеет маховик ИНЭ. Эта высота оказывается равной h_сегм=0,805 м. Таким образом параметры ПВЭС в рассмотренном примере оказались равными:
Мощность Р=3 кВт
Суммарная масса М=25 10³ кг
Суммарная высота Н=21,0 м
Диаметр цилиндрической части капсулы D_к=1,4 м
Диаметр сферической подводной части капсулы D_с=3,0 м. В зависимости от назначения возможно создание ПВЭС, как на меньшие, так и на большие, чем в приведенном примере выходные мощности. Маломощные ПВЭС могут найти применение в малотоннажных судах как вспомогательные источники тока. Мощные ПВЭС могут образовываться путем составления многомодульных связок из оптимальных по характеристикам ПВЭС. Суммарная электрическая выходная мощность таких связок может составлять десятки мегаватт. Многомодульные связки ПВЭС могут располагаться в акваториях мирового океана с высокой штормовой или волнообразующей активностью, в местах мало или совсем непригодных для обитания человека или мореплавания. Положение этих связок может фиксироваться как путем прикрепления к элементам морского дна или объектам на берегу, так и с помощью буксировочных судов, перемещающих связки ПВЭС в акватории океанов с высокой штормовой или волнообразующей активностью. Наведение таких комплексов судно-связка ПВЭС на штормовые акватории океанов может осуществляться с помощью метеорологических искусственных спутников Земли. Мощные многомодульные ПВЭС могут служить хорошей энергетической базой для создания экологически чистых объектов перерабатывающей промышленности морского и прибрежного базирования. На таких объектах можно было бы осуществлять переработку морепродуктов, опреснять морскую воду или производить ее гидролиз, получать из морской воды необходимые для промышленного использования вещества и т.д. Причем все это возможно осуществить не нанося вреда окружающей среде путем освоения пространств, не пригодных для жизни человека, и использования “бросовых” первичных источников энергии, неприменимых с точки зрения традиционного энергопроизводства. К современным электростанциям наряду с энерго-экономическими предъявляются требования по экологической чистоте. В этом отношении большое значение имеет создание источников и преобразователей энергии, не оказывающих отрицательного воздействия на окружающую среду. Перспективными с этой точки зрения являются волновые и ветровые электростанции океанского и морского базирования. Наряду с такими достоинствами, как использование возобновляемых источников энергии и экологическая чистота, эти электростанции позволили бы свести к нулю не только факторы тепло-газо-пылевого загрязнения, присущие тепловым электростанциям, но даже такие факторы загрязнения окружающей среды, создаваемые наземными ветроэлектростанциями, как шум и вибрация.

Формула изобретения

1. ПОПЛАВКОВАЯ ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, содержащая плавучий корпус, расположенный в нем механический преобразователь, включающий инерционный маятник, имеющий пружинную подвеску, установленный с возможностью вертикального возвратно-поступательного движения и кинематически связанный с электрогенератором, отличающаяся тем, что корпус выполнен в виде герметичной капсулы цилиндрической формы, верхняя часть которой ограничена полусферой с радиусом, равным радиусу цилиндрической части, а нижняя – сферой с радиусом большим, чем последний, причем на внутренней поверхности цилиндрической части выполнены направляющие для движения маятника, кинематическая связь с электрогенератором выполнена в виде шариковинтовой передачи с редуктором, при этом в нижней части капсулы установлен динамический инерционный накопитель энергии с электромеханическим приводом двустороннего действия, соединенным с шариковинтовой передачей, редуктором-коммутатором и вспомогательным редуктором, выходной вал которого соединен с электрогенератором, а частота собственных колебаний маятника соизмерима с характерной частотой колебаний капсулы в воде. 2. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена установленным в капсуле параметрическим осцилятором, соединенным с маятником посредством тяги и кривошипно-шатунного механизма, кривошип которого одним концом прикреплен к внутренней поверхности капсулы, а другим – к пружине маятника. 3. Электростанция по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она снабжена размещенными на верхней части капсулы дефлектором с флюгаркой и внутри капсулы тягой дефлектора с механизмом перемещения, причем последний соединен посредством рычага с редуктором. 4. Электростанция по пп.1 – 3, отличающаяся тем, что она снабжена закрепленными на наружной поверхности нижней части капсулы двумя жесткими вертикальными взаимно перпендикулярными плоскими панелями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

findpatent.ru

поплавковая волновая электростанция – патент РФ 2016227

Сущность изобретения: в плавучем корпусе расположен механический преобразователь, содержащий инерционный маятник, имеющий пружинную подвеску, установленный с возможностью вертикального возвратно-поступательного движения и кинематически связанный с электрогенератором. Корпус выполнен в виде герметичной капсулы цилиндрической формы, верхняя часть которой ограничена полусферой с радиусом, равным радиусу цилиндрической части, нижняя сферой с радиусом, большим радиуса полусферы. На внутренней поверхности цилиндрической части выполнены направляющие для движения маятника. Кинематическая связь с электрогенератором выполнена в виде шарико-винтовой передачи с редуктором. В нижней части капсулы установлен динамический инерционный накопитель энергии с электромеханическим приводом двухстороннего действия, соединенным с шарико-винтовой передачей, редуктором – коммутатором и вспомогательным редуктором. Частота собственных колебаний маятника соизмерима с характерной частотой колебаний капсулы в воде. 3 з.п.ф-лы, 2 ил. Изобретение относится к производству электроэнергии, в частности к производству электроэнергии экологически чистого без отрицательного воздействия на окружающую среду путем преобразования энергии морских волн и ветра. Известны технические решения по созданию волновых электростанций, преобразующих энергию морских волн в электроэнергию. В устройстве К. Кокереля три шарнирно соединенные между собой секции понтона, плавающего на поверхности моря, меняют взаимное положение при каждом движении морских волн. Установленные в каждом шарнирном соединении встречно два гидроцилиндра, действуя как гидравлические двигатели, вращают ротор электрогенератора. Наиболее близким техническим решением является поплавковая волновая электростанция. Данная электростанция содержит плавучий корпус, расположенный в немеханический преобразователь, включающий инерционный маятник, имеющий пружинную подвеску, установленный с возможностью, вертикального возвратно-поступатель- ного движения и кинематически связанный с электрогенератором. Эффективность обоих технических решений существенно зависит от длин морских волн, скорости и направления их распространения. Эти параметры морских волн являются постоянно меняющимися, причем изменение их носит случайный характер. Известные технические решения не могут обеспечивать стабильное и эффективное производство электроэнергии путем преобразования в последнюю энергии морских волн, а устройства, создаваемые на их базе не могут рассматриваться в качестве надежных элементов системы энергообеспечения экономики. Техническим результатом данного изобретения является повышение эффективности и стабильности производства электроэнергии с помощью волновых электростанций, и тем самым, повышение надежности волновых электростанций как элементов системы энергообеспечения экономики путем создания устройства эффективно использующего энергию морских волн независимо от их длины, скорости и направления распространения, а также использующего энергию ветра над морской поверхностью. Непременным условием прогресса любого общества является достаточность производства электроэнергии, необходимая для обеспечения социально-экономического развития. По оценкам экспертов ЮНЕСКО значения энергии волн мирового океана, а также энергии ветров, дующих у поверхности океана, техническое использование которых известными типами электропреобразователей возможно в настоящее время равны соответственно 10¹² и 5 10¹³ Вт. Это позволяет волновым и ветровым электростанциям занять достойное место в энергосистемах государств. Энергия, которой располагают массы воды при волновом движении в океанах и морях огромна. Так сравнительно небольшая волна высотой 4 м в расчете на один квадратный метр колеблющейся поверхности способна развить мощность более 10 кВт. Мощность потока ветра через площадку сечением 1 м² при скорости 12 м/с по порядку величины равна 1 кВт. Акватории, которым присуще высокая штормовая активность, занимают огромные площади океанских пространств. Соответственно этому весьма значительна и совокупная энергия штормов. Учитывая это, было бы заманчиво использовать разрушительную энергию этих явлений для целей созидания и жизнеустройства. Тем более, что акватории с высокой штормовой активностью сами по себе являются местами весьма неудобными для обитания и деятельности человека. Предложенное техническое решение позволяет решить указанную задачу. Поставленный технический результат достигается тем, что в поплавковой волновой электростанции, содержащей корпус поплавка, механический преобразователь энергии морских волн, соединенный с электрогенератором, корпус поплавка выполнен в виде герметичной капсулы цилиндрической формы, верхняя часть которой выполнена в виде полусферы радиусом, равным радиусу цилиндрической части корпуса, а нижняя часть капсулы выполнена в виде сферы; на внутренней поверхности цилиндрической части корпуса выполнены направляющие, механический преобразователь энергии морских волн выполнен в виде пружинного маятника, состоящего из перемещающегося по направляющим вдоль оси корпуса груза, пружины или пружин, прикрепленной или прикрепленных одним концом к грузу сверху или снизу, или сверху и снизу груза, а другим концом к корпусу поплавка, и механического привода в виде шарико-винтовой передачи и редуктора; причем электростанция снабжена динамическим инерционным накопителем энергии с электромеханическим приводом двухстороннего действия, соединенным с шарико-винтовой передачей, редуктором-коммута- тором, вспомогательным редуктором, выходной вал которого соединен с электрогенератором, размещенными в сферической части корпуса, при этом частота собственных колебаний маятника _м приблизительно равна частоте колебаний поплавка в воде _п(_мп ). При этом поплавковая волновая электростанция оснащена параметрическим осциллятором, установленном внутри корпуса поплавка, снабженным соединенной с грузом маятника тягой и кривошипно-шатунным механизмом, кривошип которого одним концом прикреплен к внутренней поверхности корпуса поплавка, а вторым концом – к пружине маятника. Кроме того, поплавковая волновая электростанция снабжена дефлектором с флюгаркой, размещенными на внешней поверхности поплавка на верхней полусфере, тягой дефлектора и механизмом перемещения тяги дефлектора, установленными внутри корпуса поплавка, при этом механизм перемещения тяги дефлектора снабжен рычагом, один из концов которого соединен с осью привода редуктора. При этом, поплавковая волновая электростанция снабжена стабилизатором вертикальной и азимутальной устойчивости, выполненном в виде двух жестких взаимно перпендикулярных плоских панелей, закрепленных на наружной поверхности сферической части корпуса поплавка. Выполнение механического преобразователя энергии морских волн в виде массивного пружинного маятника, движение которого благодаря направляющим может осуществляться только вдоль продольной оси поплавка, и совместимой с ним системы передачи силового воздействия на электрогенератор, наряду с выполнением корпуса поплавка в виде осесимметричного, хорошо обтекаемого тела, плавающего на поверхности моря так, что его продольная ось всегда ориентирована вдоль направления местной вертикали позволяет повысить эффективность и стабильность использования энергии волн и ветра, т.к. механический преобразователь энергии морских волн и данная форма поплавка обеспечивают работу электростанции при любых длинах, скоростях, интенсивностях и направлениях распространения морских волн. Выполнение пружинного маятника таковым, чтобы частота его собственных колебаний _м была приблизительно равна частоте колебаний поплавка в воде _п(_пм) , с одной стороны, обеспечивает переход маятника в колебательное движение сразу же после перехода в колебательное движение поплавка, а с другой стороны, позволяет наиболее оптимально осуществлять механическое преобразование энергии волн любой интенсивности и, тем самым, также повысить эффективность и стабильность работы предложенной электростанции. Для повышения эффективности действия электростанции, она снабжена динамическим инерционным накопителем энергии (ИНЭ), позволяющим создавать запас энергии в периоды неполной нагрузки электрогенератора, а в периоды максимальной нагрузки или морского затишья поддерживать его вращение и одновременно являющимся хорошим стабилизатором вертикальной устойчивости всего поплавка. Для компенсации аритмии, предотвращения срыва колебаний и поддержания устойчивости колебательного движения маятника в поплавковой волновой электростанции (ПВЭС) предусмотрено дополнительное периодическое смещение точки закрепления пружины маятника с помощью параметрического осциллятора. Смещение точки закрепления пружины производится с помощью кривошипа, фазы движения которого согласуются параметрическим осциллятором с определенными фазами движения груза маятника, так чтобы в системе постоянно осуществлялся процесс подвозбуждения колебаний. Развитие колебаний поплавка осуществляется и за счет использования потоков ветра над поверхностью морей. С этой целью над верхней полусферой устанавливается дефлектор с флюгаркой. Направляющие элементы дефлектора меняют свое положение так, что действие воздушных масс всякий раз способствует увеличению смещения поплавка от положения равновесия и, как следствие, увеличению энергии колебаний ПВЭС. Для дополнительного обеспечения вертикальной устойчивости поплавка, а также для предотвращения раскрутки поплавка относительно его продольной оси на наружной поверхности сферической части поплавка устанавливается стабилизатор вертикальной и азимутальной устойчивости. Волновые электростанции, создаваемые на базе предложенного технического решения, могут рассматриваться в качестве эффективного, стабильного и надежного элемента общей многокомпонентной системы энергоснабжения государств. На фиг. 1 показан общий вид ПВЭС в разрезе с двухпружинным маятником; на фиг. 2 показан общий вид ПВЭС с параметрическим осциллятором, дефлектором и стабилизатором. Поплавковая волновая электростанция содержит корпус поплавка 1 (см. фиг. 1) выполненный в виде герметичной капсулы цилиндрической формы, верхняя часть которой выполнена в виде полусферы 2 радиуса равного радиусу цилиндрической части корпуса поплавка 3, а нижняя часть корпуса поплавка выполнена в виде сферы 4. На внутренней поверхности цилиндрической части 3 корпуса 1 выполнены направляющие 5. Внутри корпуса 1 размещены электрогенератор 6 и приводящий его во вращение механический преобразователь энергии морских волн. Механический преобразователь энергии морских волн выполнен в виде пружинного маятника и механического привода. Пружинный маятник состоит из груза 7, перемещающегося по направляющим 5 корпуса поплавка 1, и односторонней или двухсторонней пружины 8, прикрепленной одним концом сверху или снизу, или сверху и снизу к грузу маятника 7, а другим концом к корпусу поплавка 1. Механический привод состоит из шариково-винтовой передачи, включающей в себя винтовую ось 9 с находящимся в зацеплении с ней грузом маятника 7, оси привода 10 редуктора 11, которая сцеплена с винтовой осью 9 с помощью муфты 12 и на которую жестко посажена ведущая шестерня 13 редуктора 11, а также самого редуктора 11. Выходной вал 14 редуктора 11 посредством управляемой муфты сцепления 15 соединен с электрогенератором 6. Конструктивно пружинный маятник выполняется так, чтобы частота его собственных колебаний _м была примерно равна частоте колебаний капсулы поплавка в воде _п(_мп). ПВЭС оснащена также параметрическим осциллятором 16, установленным внутри корпуса поплавка, снабженным соединенной с грузом маятника 7 тягой 17 и кривошипно-шатунным механизмом, кривошип 18 которого одним своим концом прикреплен к внутренней поверхности корпуса поплавка 1, а другим концом прикреплен к пружине 8. Параметрический осциллятор 16 используется для параметрического подвозбуждения маятника путем изменения положения точки подвеса маятника в зависимости от состояния движения последнего. В нижней сферической части 4 корпуса поплавка установлен динамический инерционный накопитель энергии 19 с приводом двухстороннего действия, состоящим из электромеханического привода 20, редуктора-коммутатора 21 и вспомогательного редуктора 22, служащими либо для первоначальной механической и последующей электромашинной раскрутки маховика 23 накопителя энергии 19, либо для вращения электрогенератора 6 с помощью системы передачи, включающей в себя вспомогательный редуктор 22, вал 24, шестерни 25, 26 и управляемую муфту сцепления 15. Электромеханический привод 20 соединен с винтовой осью 9 шарико-винтовой передачи с помощью поступательной кинематической пары 27 и управляемой муфты сцепления 28. Поплавковая волновая электростанция снабжена дефлектором 29 с флюгаркой 30, размещенными на внешней поверхности поплавка на верхней полусфере 2, тягой 31 и механизмом перемещения 32 тяги 31 дефлектора 29, установленными внутри корпуса поплавка. Механизм перемещения 32 снабжен рычагом 33, один из концов которого соединен с осью привода 10 редуктора 11. Кроме того ПВЭС снабжена стабилизатором вертикальной и азимутальной устойчивости, выполненным в виде двух жестких взаимно перпендикулярных плоских панелей 34, закрепленных на наружной поверхности сферической части 4 корпуса поплавка. Внутри капсулы расположен также блок автоматического управления 35, с помощью которого осуществляется управление работой всех блоков и узлов ПВЭС. В этом же блоке размещается электронный стабилизатор, позволяющий поддерживать в заданных пределах напряжение на выходе 36 электрогенератора при различных режимах работы ПВЭС. Поплавковая волновая электростанция работает следующим образом. Поплавковая волновая электростанция (ПВЭС) представляет собой устройство, с помощью которого энергия морских волн и потоков ветра над поверхностью моря преобразуется в электроэнергию. Под действием морской волны поплавок-ПВЭС выводится из состояния покоя. Поплавок 1 вместе со всем содержимым начинает совершать колебательные движения, находясь под действием силы притяжения Земли и Архимедовой силы. Частота колебаний поплавка определяется массой ПВЭС и площадью поперечного сечения цилиндрической части корпуса поплавка
_п= (1) где М – масса ПВЭС, _в – плотность морской воды, g – ускорение свободного падения, S – площадь поперечного сечения цилиндрической части корпуса поплавка. Упругий маятник, находящийся внутри поплавка одним из концов своей пружины прикреплен к корпусу поплавка. В силу этого, после перехода поплавка в колебательное движение, маятник также приходит в движение, совершая вместе с поплавком вертикальные периодические перемещения. Через некоторое время после начала движения в такой системе устанавливается режим вынужденных колебаний с частотой _п. Ввиду того, что конструктивно пружинный маятник изготавливается так, чтобы частота его собственных колебаний была примерно равна частоте колебаний поплавка в воде (_пм), колебания пружинного маятника в установившемся режиме могут рассматриваться как резонансные колебания в системе с произвольной зависимостью силы сопротивления от смещения и скорости осциллятора. В процессе движения груз маятника 7 большой массы, находясь посредством шариково-винтовой передачи в зацеплении с осью привода 10 редуктора 11 раскручивает последнюю. При движении груза маятника 7 вверх-вниз ось привода 10 вращается влево-вправо. Помимо вращательного движения ось привода 10 редуктора 11 совершает также возвратно-поступательные движения вверх-вниз, которое обеспечивается за счет действия силы сопротивления между элементами шарико-винтовой передачи (винтовой осью 9 и грузом маятника 7). В процессе движения оси привода 10 вверх-вниз ведущая шестерня 13 редуктора 11, жестко сидящая на этой оси, попеременно входит в зацепление с шестернями 37 и 38 редуктора 11. Такой принцип действия входного устройства, согласно кинематической схеме системы передачи движения, позволяет при двух противоположно направленных вращательных движениях оси привода 10 получать однонаправленное вращение выходного вала 14 редуктора 11. Выходной вал 14 редуктора 11 посредством управляемой муфты 15 сцепляется с осью ротора электрогенератора 6. В качестве электрогенератора может быть использован электромашинный генератор тока любого типа, в том числе и наиболее распространенный синхронный электрогенератор. Таким образом, с помощью механического маятника, привода и электрогенератора, находящихся внутри капсулы-поплавка энергия морских волн преобразуется в электроэнергию. Для повышения эффективности действия ПВЭС оснащена динамическим инерционным накопителем энергии (ИНЭ) 19. Использование ИНЭ 19 в качестве энергетического буфера позволяет создавать запас энергии в периоды неполной нагрузки электрогенератора, а в периоды максимальной нагрузки или морского затишья поддерживать его вращение. Начальная раскрутка маховика 23 ИНЭ производится от входного вала 39 электромеханического привода 20, входящего в зацепление с осью – винтом 9 с помощью управляемой муфты сцепления 28. Раскрутка на высоких оборотах производится с помощью электромеханического привода 20. С осью маховика ИНЭ также связан редуктор-коммутатор 21, с помощью которого, в зависимости от режима работы, производится либо раскрутка маховика от электромеханического привода 20, либо раскрутка электрогенератора от ИНЭ посредством передачи, включающей в себя вспомогательный редуктор 22, вал 24, шестерни 25 и 26, а также управляемую муфту сцепления 15. ИНЭ выполняет еще одну очень важную функцию. В связи с тем, что вращение маховика 23, выполненного в виде осесимметричного шарового сегмента большой массы, раскручиваемой до высоких угловых скоростей, характеризуется значительной величиной момента импульса, ИНЭ является хорошим стабилизатором вертикальной устойчивости всего поплавка. А это свойство поплавка весьма существенно, если учесть всевозможные боковые воздействия со стороны волн и потоков ветра. Вертикальную устойчивость поплавку придают также жесткие панели стабилизатора 34, которые устанавливаются взаимно перпендикулярно на наружной поверхности сферической части 4 корпуса поплавка. В процессе работы ПВЭС энергия колебаний пружинного маятника расходуется на вращение оси 10 привода и работу против диссипативных сил. Это, естественно, влечет за собой уменьшение амплитуды маятника и частотное рассогласование колебаний маятника и вынуждающей силы. На параметры колебаний пружинного маятника могут также оказывать влияние амплитудные и фазовые изменения параметров колебаний поплавка 1 связанные со стохастическим характером процесса волнообразования в море. Для компенсации аритмии, предотвращения срыва колебаний и поддержания устойчивости колебательного движения маятника в ПВЭС предусмотрено дополнительное периодическое смещение точки закрепления пружины маятника с помощью параметрического осциллятора-синхронизатора 16. Смещение точки закрепления пружины производится с помощью кривошипа 18, фазы движения которого согласуются осциллятором-синхронизатором 16 с определенными фазами движения груза маятника 7, так чтобы в системе постоянно осуществлялся процесс подвозбуждения колебаний. Параметрическое воздействие на колебательное движение пружинного маятника может также осуществляться путем использования определенного режима срабатывания муфт сцепления 15 и 28. Особенность этого режима заключается в снятии нагрузки с выходного вала 14 редуктора 11 и с винтовой оси 9 при приближении груза маятника 7 к верхней и нижней точкам своего движения. Тем самым, из рабочего цикла исключаются “малоэффективные” участки движения груза маятника 7, т.к. в соответствующие промежутки времени скорость груза и сила его воздействия на эти оси минимальны. В то же время это позволяет маятнику, освобожденному от нагрузки, дополнительно приобрести некоторый запас потенциальной энергии. Развитие колебаний поплавка 1 может осуществляться и за счет использования энергии потоков ветра над поверхностью морей. С этой целью на наружной поверхности полусферы 2 установлен дефлектор 29 с флюгаркой 30. Направляющие элементы дефлектора 29 изменяют направление движения потоков ветра над поплавком, что приводит к появлению дополнительной вертикальной составляющей силы, действующий на капсулу. Тяга 31 через механизм перемещения 32 связана с осью привода 10 редуктора 11 и дважды за период, в зависимости от направления движения груза маятника 7, поворачивает направляющие элементы дефлектора 29, меняя, тем самым, направление движения отбрасываемых воздушных потоков. При этом действие воздушных масс всякий раз будет способствовать увеличению смещения капсулы от положения равновесия и, как следствие, увеличению энергии колебаний ПВЭС. Управление работой и взаимодействием всех блоков и узлов ПВЭС осуществляется с помощью блока автоматического управления 35. В этом же блоке размещается электронный стабилизатор, позволяющий поддерживать в заданных пределах напряжение на выходе электрогенератора 36 при различных режимах работы ПВЭС. Проведем оценку параметров ПВЭС используя обобщенные физические характеристики объектов природы и технических устройств. При оценке будем использовать произвольные, и в то же время реально достижимые (не экстремальные) значения параметров. Вместе с тем будем полагать, что при технической проработке конструкции ПВЭС значения параметров могут быть изменены в лучшую сторону. Для примера рассмотрим ПВЭС с выходной электрической мощностью Р=3 10³ Вт при суммарном КПД = 0,7 и периоде колебаний Т=8 с. Средняя энергия, которой должен располагать такой маятник равна
E= = = 3.4310⁴Дж. Приняв в качестве средней рабочей амплитуды колебаний маятника величину А=5,0 м, оценим соответствующую массу груза маятника
m_г= = = 4.4510³кг. Если груз маятника выполнен из стали и имеет форму цилиндра диаметром D_г=0,8 м, то его высота равна
h_г= = = =1.14 м. Масса ПВЭС складывается из массы груза маятника mг, массы маховика инерционного накопителя энергии m_н=18 10³ кг и массы всех агрегатов: электрогенератора, редуктор, механизмов и устройств, а также корпуса капсулы m_к= 2,55 10³ кг. М = m_г + m_н + m_к = (4,45 + 18,0 + 2,55) 10³ = =25 10³ кг
Теперь, используя формулу (1) можно оценить диаметр цилиндрической части капсулы, выступающей из воды
D_к= = 1.4 м. Объем подводной части капсулы должен быть порядка 25 м3. Приняв высоту цилиндрической части капсулы, находящейся в отсутствии колебаний под водой, равной h_цп=7,0 м определим ее объем
V_цп= h_цп= 7.0=10.77 м³. Объем сферической части корпуса, находящейся под водой
V_с = 25,0 – 10,77 = 14,23 м³. Отсюда определим радиус сферы
R_с= = 1.5 м. Пусть радиус сферообразного маховика инерционного накопителя энергии равен R_н= 1,4 м. Зная массу маховика определим высоту шарового сегмента, форму которого имеет маховик ИНЭ. Эта высота оказывается равной h_сегм=0,805 м. Таким образом параметры ПВЭС в рассмотренном примере оказались равными:
Мощность Р=3 кВт
Суммарная масса М=25 10³ кг
Суммарная высота Н=21,0 м
Диаметр цилиндрической части капсулы D_к=1,4 м
Диаметр сферической подводной части капсулы D_с=3,0 м. В зависимости от назначения возможно создание ПВЭС, как на меньшие, так и на большие, чем в приведенном примере выходные мощности. Маломощные ПВЭС могут найти применение в малотоннажных судах как вспомогательные источники тока. Мощные ПВЭС могут образовываться путем составления многомодульных связок из оптимальных по характеристикам ПВЭС. Суммарная электрическая выходная мощность таких связок может составлять десятки мегаватт. Многомодульные связки ПВЭС могут располагаться в акваториях мирового океана с высокой штормовой или волнообразующей активностью, в местах мало или совсем непригодных для обитания человека или мореплавания. Положение этих связок может фиксироваться как путем прикрепления к элементам морского дна или объектам на берегу, так и с помощью буксировочных судов, перемещающих связки ПВЭС в акватории океанов с высокой штормовой или волнообразующей активностью. Наведение таких комплексов судно-связка ПВЭС на штормовые акватории океанов может осуществляться с помощью метеорологических искусственных спутников Земли. Мощные многомодульные ПВЭС могут служить хорошей энергетической базой для создания экологически чистых объектов перерабатывающей промышленности морского и прибрежного базирования. На таких объектах можно было бы осуществлять переработку морепродуктов, опреснять морскую воду или производить ее гидролиз, получать из морской воды необходимые для промышленного использования вещества и т.д. Причем все это возможно осуществить не нанося вреда окружающей среде путем освоения пространств, не пригодных для жизни человека, и использования “бросовых” первичных источников энергии, неприменимых с точки зрения традиционного энергопроизводства. К современным электростанциям наряду с энерго-экономическими предъявляются требования по экологической чистоте. В этом отношении большое значение имеет создание источников и преобразователей энергии, не оказывающих отрицательного воздействия на окружающую среду. Перспективными с этой точки зрения являются волновые и ветровые электростанции океанского и морского базирования. Наряду с такими достоинствами, как использование возобновляемых источников энергии и экологическая чистота, эти электростанции позволили бы свести к нулю не только факторы тепло-газо-пылевого загрязнения, присущие тепловым электростанциям, но даже такие факторы загрязнения окружающей среды, создаваемые наземными ветроэлектростанциями, как шум и вибрация.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. ПОПЛАВКОВАЯ ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, содержащая плавучий корпус, расположенный в нем механический преобразователь, включающий инерционный маятник, имеющий пружинную подвеску, установленный с возможностью вертикального возвратно-поступательного движения и кинематически связанный с электрогенератором, отличающаяся тем, что корпус выполнен в виде герметичной капсулы цилиндрической формы, верхняя часть которой ограничена полусферой с радиусом, равным радиусу цилиндрической части, а нижняя – сферой с радиусом большим, чем последний, причем на внутренней поверхности цилиндрической части выполнены направляющие для движения маятника, кинематическая связь с электрогенератором выполнена в виде шариковинтовой передачи с редуктором, при этом в нижней части капсулы установлен динамический инерционный накопитель энергии с электромеханическим приводом двустороннего действия, соединенным с шариковинтовой передачей, редуктором-коммутатором и вспомогательным редуктором, выходной вал которого соединен с электрогенератором, а частота собственных колебаний маятника соизмерима с характерной частотой колебаний капсулы в воде. 2. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена установленным в капсуле параметрическим осцилятором, соединенным с маятником посредством тяги и кривошипно-шатунного механизма, кривошип которого одним концом прикреплен к внутренней поверхности капсулы, а другим – к пружине маятника. 3. Электростанция по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она снабжена размещенными на верхней части капсулы дефлектором с флюгаркой и внутри капсулы тягой дефлектора с механизмом перемещения, причем последний соединен посредством рычага с редуктором. 4. Электростанция по пп.1 – 3, отличающаяся тем, что она снабжена закрепленными на наружной поверхности нижней части капсулы двумя жесткими вертикальными взаимно перпендикулярными плоскими панелями.

www.freepatent.ru

Поплавковая Волновая Электростанция – Marinet

Проект посвящен разработке и созданию Поплавковых Волновых Электростанций (ПВЭС) – высокоэффективных преобразователей энергии морских волн в электроэнергию, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками.

Модуль ПВЭС представляет собой продолговатую осесимметричную капсулу-поплавок, располагаемую на поверхности моря в направлении местной вертикали. Внутри капсулы размещены механический преобразователь энергии волн в виде колебательного привода, электрогенератор и вспомогательный накопитель энергии. Колебательный привод позволяет согласовывать работу устройства с внешним волновым полем, обеспечивая оптимальные условия для отбора энергии.

Основное достоинство ПВЭС это наличие в преобразователе колебательного привода, позволяющего согласовывать работу устройства с внешним волновым полем, обеспечивая, тем самым, наилучшие условия для отбора энергии, а также эффективная и надежная работа при любых длинах, скоростях, интенсивностях и направлениях распространения морских волн. Возможность подстройки параметров устройства под меняющиеся внешние условия.

В зависимости от назначения, возможно создание как одномодульных, рассчитанных на выходную электрическую мощность до 50 кВт, так и многомодульных установок в виде сетей, которые могут быть собраны из большого количества десяти – пятидесяти  киловаттных модулей с суммарной электрической мощностью до десятков мегаватт.

Одномодульные ПВЭС могут быть использованы в качестве источников питания для световых и радиомаяков; для энергообеспечения аппаратуры аварийного и индивидуального жизнеобеспечения, метеосистем, глобальных и региональных систем связи, навигации, телекоммуникации и др.

Многомодульные связки модулей ПВЭС могут служить хорошей энергетической базой для создания экологически чистых объектов перерабатывающей промышленности морского и прибрежного базирования.

За дополнительной информацией обращайтесь в ООО “Компания “Прикладные Технологии”:

Сергей Темеев

e-⁠mail: [email protected]
Mob.: +7-⁠916-⁠1597793

117292, Россия, Москва
Профсоюзная ул. 16/⁠10-⁠301
Tel./⁠Fax: +7-⁠499-⁠1252225

home

marinet.org

Поплавковая волновая электростанция

Изобретение может быть использовано для производства электроэнергии путем преобразования энергии волн. Электростанция содержит обтекаемый герметичный поплавок 1 и вертикально расположенный внутри поплавка цилиндрический корпус 3 с размещенным в нем маятником 4. Маятник 4 подвешен к концу троса 5, который переброшен через блок 6, установленный на вращающейся оси 7. Другой конец троса 5 прикреплен к якорю 9, установленному на дне. К вращающейся оси 7 блока присоединен ротор электрического генератора 10 с постоянными магнитами. Статор генератора 10 закреплен на корпусе 3. Обмотка статора генератора 10 присоединена к входу зарядного устройства 11, а выход устройства 11 присоединен к аккумулятору 13, который вместе с устройством 11 находится в приборном отсеке в верхней части поплавка 1. Изобретение направлено на увеличение мощности, уменьшение габаритов и массы поплавковой волновой электростанции. 3 ил.

 

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 №2016227, опубликованный 16.07.1994). Установка содержит плавучий корпус и расположенный в корпусе механический преобразователь, включающий инерционный маятник, имеющий пружинную подвеску и установленный с возможностью вертикального возвратно-поступательного движения, который имеет кинематическую связь в виде шариковинтовой передачи с электрогенератором.

Наиболее близкой к предлагаемой поплавковой волновой электростанции является поплавковая волновая электростанция (патент РФ №2037642, опубликованный 19.06.1995). Поплавковая волновая электростанция содержит вертикально расположенный герметичный корпус (поплавок) с размещенным в нем преобразователем энергии, выполненным в виде линейного электрогенератора. Обмотка якоря электрогенератора закреплена на внутренней стенке корпуса, а индуктор выполнен в виде инерционной массы с постоянными магнитами, установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения посредством упругих элементов, при этом частота собственных колебаний индуктора соизмерима с частотой колебаний корпуса в воде при воздействии волны.

В прототипе при воздействии на поплавковую волновую электростанцию волны возникают вертикальные колебания герметичного корпуса, вызывающие вынужденные колебания индуктора с постоянными магнитами, установленного на упругих элементах, которые преобразуются статором генератора в электрическую энергию.

Основными недостатками прототипа являются малая выходная мощность, которую может обеспечить поплавковая волновая электростанция, большая масса и габариты электростанции.

Выходная электрическая мощность поплавковой волновой электростанции зависит от механической мощности, которую развивает колебательная система электростанции. Методика расчета механической мощности поплавковой волновой электростанции приведена в патенте РФ №2037642. Определим по этой методике механическую энергию колеблющегося маятника, роль которого в прототипе выполняет индуктор. Принимаем массу маятника m=100 кг, амплитуду колебаний А=0,2 м и период колебаний, равный периоду следования волн, T=3 с. Частота колебаний составит ω=2·π/Т=2,1 1/с, и механическая энергия, которой обладает маятник при заданных параметрах колебаний, будет равна

E=m⋅A2⋅ω22=17,6Дж

За период колебаний Т такую энергию маятник накапливает дважды, когда проходит положение равновесия, отсюда механическая мощность, которую можно преобразовать в электрическую, будет равна

P=2⋅ET=11,7Вт

Следует учесть, что при преобразовании механической энергии в электрическую часть мощности будет потеряна. Очевидно, что механическая мощность колеблющегося маятника очень мала и такая поплавковая волновая электростанция не выгодна.

Предлагаемое изобретение позволит создать поплавковую волновую электростанцию при той же массе маятника и параметрах колебаний со значительно более мощной энергетической установкой или уменьшить ее габариты и массу при равной с прототипом мощности.

Это достигается тем, что в поплавковой волновой электростанции, содержащей 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, другой конец этого троса прикреплен к якорю, установленному на дне, а к оси блока присоединен ротор электрического генератора с постоянными магнитами, статор которого закреплен на корпусе, при этом обмотка статора электрического генератора присоединена к зарядному устройству, а выход зарядного устройства присоединен к аккумулятору, который вместе с зарядным устройством находится в приборном отсеке в верхней части поплавка.

Увеличение выходной мощности поплавковой волновой электростанции достигается за счет того, что в предлагаемой поплавковой волновой электростанции в электрическую энергию преобразуется не механическая энергия, накопленная инерционным маятником, подвешенным на упругих элементах, как это происходит в прототипе. При подъеме навигационного буя на гребень волны в электрическую энергию преобразуется механическая энергия движения герметичного корпуса под действием сила Архимеда вместе со статором электрического генератора относительно стабилизирующего балласта и присоединенного к балласту ротора линейного электрического генератора. При спуске поплавковой волновой электростанции с гребня волны в электрическую энергию преобразуется механическая энергия движения стабилизирующего балласта и присоединенного к балласту ротора относительно герметичного корпуса и статора генератора под действием силы тяжести балласта и ротора. Как будет показано ниже, механическая энергия, которую можно преобразовать в электрическую при той же массе маятника и тех же параметрах колебаний, в предлагаемой поплавковой волновой электростанции значительно больше, чем в прототипе. А если мощности предлагаемой поплавковой волновой электростанции и прототипа одинаковы, то масса и габариты предлагаемой поплавковой волновой электростанции будут намного меньше.

На фиг.1 показано осевое сечение поплавковой волновой электростанции. На фиг.2 – схема поплавковой волновой электростанции без поплавка и якоря, на фиг.3 – второй вариант закрепления троса на корпусе.

Изображенная на фиг.1 поплавковая волновая электростанция имеет герметичный поплавок 1 в форме тора, разделенный водонепроницаемыми переборками 2 на отсеки. Во внутренней полости к тороидальному поплавку 1 прикреплен вертикально расположенный цилиндрический корпус 3 с размещенным в нем маятником 4. Маятник 4 подвешен к концу троса 5, переброшенного через блок 6, закрепленный на вращающейся оси 7. Трос 5 с другой стороны блока 6 проходит через направляющую, которая может быть выполнена в виде трубы 8, присоединенной к цилиндрическому корпусу 3 с внешней стороны, и прикреплен к якорю 9, который неподвижно установлен на дне водоема. К вращающейся оси 7 присоединен ротор электрического генератора 10 с постоянными магнитами. Обмотка статора электрического генератора 10 (фиг.2) соединена проводниками со входом зарядного устройства 11, размещенного в герметичном отсеке 12 в верхней части поплавка. Выход зарядного устройства 11 соединен с аккумулятором 13, также находящимся в герметичном отсеке 12.

Схема на фиг.2 показывает элементы поплавковой волновой электростанции без тороидального поплавка 1 и якоря 9.

Поплавковая волновая электростанция работает следующим образом. В исходном состоянии при отсутствии волны маятник 4 своим весом создает силу натяжения троса 5. Эта сила натяжения троса 5 заставляет поплавковую волновую электростанцию расположиться над якорем. При подходе волны поплавок 1 под действием силы Архимеда всплывает на гребень волны, длина части троса 5 от якоря 9 до блока 6 увеличивается, а длина части троса 5 от блока 6 до маятника 4 уменьшается. При этом маятник 4 поднимается, а блок 6 при смещении троса 5 поворачивается вместе с осью 7. Ось 7 при повороте блока 6 вращает ротор с постоянными магнитами электрического генератора 10. На обмотке статора электрического генератора 10 появляется переменное электрическое напряжение, которое поступает на вход зарядного устройства 11, выпрямляется и подается с выхода зарядного устройства 11 на аккумулятор 13, обеспечивая зарядку аккумулятора 13. К аккумулятору 13 подключаются потребители электроэнергии, которые могут находиться на судне или на берегу.

При спуске с гребня волны поплавковой волновой электростанции расстояние от блока 6 до якоря 9 уменьшается, в результате маятник 4 опускается, расстояние от маятника 4 до блока 6 увеличивается, при этом трос 5 вращает блок 6 с осью 7 и ротором электрического генератора 10. Электрический генератор 10 через зарядное устройство 11 снова обеспечивает зарядку аккумулятора 13.

При перемещении троса 5 в направляющей, выполненной в виде трубы 8, могут возникать значительные силы трения, которые уменьшают мощность поплавковой волновой электростанции и приводят к износу троса 5. Для уменьшения сил трения направляющие троса 5 можно выполнить в виде вращающихся роликов 14 (фиг.3), прикрепленных в опорах качения к цилиндрическому корпусу 3. При смещении троса 5 ролики 14 поворачиваются, скольжения троса 5 относительно направляющих роликов 14 нет, и износ троса 5 уменьшается.

Оценим механическую мощность колебаний в предлагаемой поплавковой волновой электростанции, которую можно преобразовать в электрическую мощность электрическим генератором при тех же параметрах маятника и колебаний, как и у рассмотренного выше прототипа: масса маятника m=100 кг, амплитуда колебаний А=0,2 м, период колебаний Т=3 с. Максимальная скорость смещения маятника будет равна Vm=А·ω=0,42 м/с. При подъеме на гребень волны поплавковой волновой электростанции смещение герметичного поплавка 1 относительно якоря 9 происходит под действием силы Fп, максимальное значение Fпmax примерно равно

Fпmax=Fa-Fэ,

где Fa=γв·V·g- сила Архимеда, действующая на герметичный поплавок 1;

Fэ – вес поплавковой волновой электростанции с маятником 4 и тросом 5;

γв – плотность воды;

V- объем герметичного поплавка 1;

g – ускорение свободного падения.

При подъеме на гребень волны поплавковой волновой электростанции сила натяжения Fнп троса 5, создающая момент, вращающий блок 6 и ротор электрического генератора 10, равна Fп

Fнп=Fп.

При спуске поплавковой волновой электростанции с гребня волны сила натяжения Fнс троса 5, создающая момент, вращающий блок 6 и ротор электрического генератора 10, примерно равна весу маятника 5

Fнс=m·g.

Отсюда механическая энергия вращения блока 6 и ротора электрического генератора 10 при подъеме поплавковой волновой электростанции на гребень волны равна

Wмп=Fнп·Vm.

Механическая энергия вращения блока 6 и ротора электрического генератора 10 при спуске поплавковой волновой электростанции с гребня волны равна

Wмс=Fнс·Vm.

Поскольку период колебаний буя принят T=3 с, можно найти среднюю механическую мощность вращения блока 6 и ротора электрического генератора 10

Рм=(Wмп+Wмс)/T.

Определим Рм при весе поплавковой волновой электростанции с маятником 4 и тросом 5 Fэ=200 кг, силе Архимеда Fa=300 кг и тех же параметрах колебаний, что и для прототипа. По этим параметрам получим

Fпmax=Fa-Fэ=100 кг=980 Н;

Wмпmах=Fпmax·Vm=411 Дж;

Wмс=m·g·Vm=205 Дж;

Рмmах=(Wмп+Wмс)/T=205 Вт.

Если принять, что при подъеме на гребень волны используется только часть механической мощности Wмпmах, равная Wмс, то получим Рм=137 Вт.

Как видно, механическая мощность предлагаемой поплавковой волновой электростанции при одинаковой массе маятника и параметрах колебаний многократно увеличена по сравнению с прототипом. Значит, многократно увеличивается и электрическая мощность, которую вырабатывает электрический генератор. Если мощность предлагаемой поплавковой волновой электростанции и прототипа одинакова, то масса и габариты маятника и, значит, всех остальных элементов электростанции, у предлагаемой поплавковой волновой электростанции будут намного меньше, чем у прототипа.

Поплавковая волновая электростанция, содержащая обтекаемый герметичный поплавок и вертикально расположенный внутри поплавка цилиндрический корпус с размещенным в нем маятником, отличающаяся тем, что маятник подвешен к концу троса, который переброшен через блок, установленный на вращающейся оси, другой конец этого троса прикреплен к якорю, установленному на дне, а к вращающейся оси блока присоединен ротор электрического генератора с постоянными магнитами, статор которого закреплен на цилиндрическом корпусе, при этом обмотка статора электрического генератора присоединена ко входу зарядного устройства, а выход зарядного устройства присоединен к аккумулятору, который вместе с зарядным устройством находится в приборном отсеке в верхней части поплавка.

findpatent.ru