СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ ВОЛН, СОДЕРЖАЩЕЕ УДАРНЫЙ ПОРШЕНЬ
METHOD AND DEVICE FOR GENERATING WAVE ENERGY, COMPRISING IMPACT PISTON

Область техники
Изобретение относится к способу и устройству генерации энергии волн, содержащему ударный поршень.
Уровень техники
Постоянные волны бескрайнего океана скрывают огромное количество энергии. Один кубический метр поднимающейся и опускающейся морской волны на поверхности моря может производить мощность в 5 кВт при условии, что средняя высота волны составляет 1,5 метра, а период волны составляет 6 секунд. Мощность волны в 5 кВт может быть преобразована в электричество, в сутки из мощности, производимой одним кубическим метром волны могут быть получены 120 кВт/ч электроэнергии. При условии, что одна семья потребляет в день 6 кВт/ч электроэнергии, могут быть удовлетворены потребности в электричестве 20 семей. Таким образом, морские волны содержат в себе огромное количество доступных возобновляемых ресурсов, ценность которых постоянно вдохновляет людей на изучение всех методов и устройств генерации энергии волн.
К настоящему времени имеются тысячи опубликованных патентов и документов о методах и устройствах генерации энергии волн, а несколько десятков устройств генерации энергии волн внедрены в эксплуатацию. Организация Объединенных Наций включила океанографические источники энергии в список первоочередных задач по освоению морских возобновляемых ресурсов. Тем не менее, не существует удовлетворительных способов и устройств генерации энергии волн, которые могут широко использоваться в коммерческих целях. Таким образом, технология генерации энергии волн, удельная энергия которых намного больше удельной энергии ветра, в настоящее время значительно отстает от технологии производства энергии ветра.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для выработки электрической энергии из морских волн (Патент Франции №2535403, опубл. 04.05.1984 г.). Известное устройство оснащено балансиром, поворачивающимся в плавающем теле, таком как буй, и механическими средствами для преобразования колебательных движений во вращение ротора генератора; указанные механические средства содержат бесконечный передаточный элемент изменяемой формы, выполненный за одно целое с балансиром, зацепляемый с шестерней, соединенной с ротором генератора. Изобретение используется главным образом для подачи электроэнергии на суда и сигнальные и аварийные буи.
Краткое содержание изобретения
Технической задачей изобретения является создание простого и эффективного устройства и способа генерации энергии волн.
Техническая задача решается за счет устройства для генерации энергии волн, содержащего плавучий корпус (1), передаточный механизм и генератор (3), при этом устройство содержит трос (11), соединяющий плавучий корпус (1) с анкерной опорой (12), вращающийся вал (9), установленный посередине плавучего корпуса (1), подвижный шток (8), соединенный с вращающимся валом (9) и вращающийся вокруг него, ударный поршень (10), закрепленный на нижнем конце подвижного штока (8) и ускорительную передачу передаточного механизма для преобразования двунаправленного вращения в однонаправленное вращение (2).
Также задача решается за счет способа генерации энергии волны с использованием устройства описанного выше. Способ генерации энергии волны с помощью устройства по включает качание плавучего корпуса (1), соединенного с анкерной опорой с помощью троса (11) влево или вправо под действием силы волны, при этом элементы передаточного механизма поворачиваются влево или вправо посредством ускорительной передачи (2) для преобразования двунаправленного вращения в однонаправленное вращение, закрепленной на каркасе плавучего корпуса (1), так что вал генератора (3) с внешним ротором вращается в одном направлении для генерирования мощности генератором (3) и номинальную скорость генератора определяют числом ступеней каждой передачи.
При отсутствии волн на морской поверхности, плавучий корпус не раскачивается, под действием силы тяжести ударный поршень позволяет удерживать подвижный шток в вертикальном положении. При наличии волн на морской поверхности, если зубчатое колесо не соединено жестко с верхним концом подвижного штока и зацеплено с ведущими и ведомыми колесами, зубчатое колесо, ведущие и ведомые колеса, закрепленные на каркасе плавучего корпуса, качаются вверх, вниз, влево или вправо по сторонам плавучего корпуса, а подвижный шток находится в вертикальном положении под действием тяжести ударного поршня. Однако если зубчатое колесо жестко соединено с верхним концом подвижного штока, зубчатое колесо удерживается подвижным штоком, при обратном крутящем моменте под действием силы тяжести ударного поршня, зубчатое колесо не может качаться вдоль плавучего корпуса, ведущие и ведомые колеса поворачиваются влево или вправо относительно зубчатого колеса.
Ведущие зубчатые колеса поворачиваются влево или вправо с помощью ускорительной зубчатой передачи, закрепленной на каркасе плавучего корпуса, передаточный механизм преобразует двунаправленное вращение в однонаправленное вращение, так что вал генератора всегда вращается в одном направлении для генерации мощности, а номинальный крутящий момент, создаваемый на валу генератора, воздействует на зубчатый венец с помощью зубчатых колес, так что под действием силы тяжести ударный поршень на нижнем конце подвижного штока отклоняется на расстояние L с обратным направлением крутящего момента, чтобы уравновесить крутящий момент генератора и дать возможность генератору непрерывно вращаться в одном направлении при номинальной скорости вращения для выработки мощности. Гравитационный момент, создаваемый сдвигом центра тяжести ударного поршня, фактически уравновешивает крутящий момент, создаваемый силой волны, сдвиг на расстояние L образуется при повороте плавучего корпуса налево и направо, а значение расстояния L зависит от номинального крутящего момента генератора и размера ударного поршня, уменьшение расстояния L полезно для увеличения дистанции поворота ведущих зубчатых колес при одном повороте плавучего корпуса.
Крутящий момент, создаваемый силой волны, является динамическим крутящим моментом и способствует управлению генератором для генерирования мощности; величина крутящего момента, создаваемого волной, зависит от размера корпуса плавучего корпуса и высоты волны; крутящий момент, создаваемый волной, воздействует на вал генератора, чтобы преодолеть номинальный крутящий момент генератора, тем не менее, гравитационный момент ударного поршня и крутящий момент, создаваемый волной, должны возникать одновременно для поворота вала генератора. Крутящий момент, создаваемый волной, и гравитационный момент ударного поршня приводят генератор в многократное вращение влево или вправо, однако генератор не может нормально вырабатывать энергию без наличия ускорительной передачи передаточного механизма, который преобразовывает двунаправленное вращение в однонаправленное вращение.
Множество ведомых колес устанавливаются на зубчатом колесе внутри плавучего корпуса, с каждым валом ведомых колес соединяются одна ускорительная зубчатая коробка передач и генератор, в зависимости от требуемой величины генерируемой мощности, размера ударного поршня, веса плавучего корпуса и величины энергии, которую может вырабатывать плавучий корпус, определяется требуемое количество ведомых колес.
Существенные достоинства изобретения заключаются в следующем: во-первых, простой и удобный способ выработки энергии волн, большое количество вырабатываемой энергии волны и высокая эффективность преобразования энергии; во-вторых, простая конструкция и низкие затраты на производство; в-третьих, все устройства, связанные с выработкой электроэнергии, располагаются в герметичном плавучем корпусе и не контактируют с морской водой, что предотвращает возникновение коррозии и повреждений, смазывание движущихся элементов позволяет упростить техническое обслуживание, увеличить срок ремонта и службы, а также повысить износостойкость и прочность; в-четвертых, устройство для выработки электроэнергии плавает на поверхности моря, прочность троса больше, чем выталкивающая сила плавучего корпуса, трос может выдержать высокие волны, поэтому достигается устойчивость устройства к шторму и повышение безопасности; в-пятых, можно создать волновую станцию генерации энергии путем организации сети и получить больше электроэнергии.
На основе вышеупомянутых значительных достоинств, способ и устройство согласно настоящему изобретению имеют значительные экономические преимущества и мировую коммерческую ценность.
По сравнению с известными способом и устройством генерации энергии волн, способ генерации энергии волн в соответствии с настоящим изобретением проще и позволяет получить большое количество энергии, кроме того, изобретение характеризуется высокой эффективностью преобразования энергии, длительным сроком службы, высокой устойчивостью к штормам и безопасностью, простой структурой, легким способом производства, низкими производственными затратами, поэтому изобретение обладает значительными экономическими преимуществами и мировой коммерческой ценностью.
Краткое описание чертежей
Изобретение подробно поясняется чертежами и примерами.
Фиг. 1 и Фиг. 2 Диаграмма колебаний устройства волнами для генерирования мощности.
Фиг. 3 Вид устройства спереди в разрезе А-А.
Фиг. 4 Вид устройства сбоку в разрезе В-В.
Фиг. 5 Вид устройства сверху в разрезе С-С.
Фиг. 6 и Фиг. 7 Схема устройства при жестком соединении подвижного штока с зубчатым колесом.
Фиг. 8 Схема ускорительной передачи для преобразования двунаправленного вращения в однонаправленное вращение.
Фиг. 9 Схема приводного механизма зубчатой передачи, приводной механизм зубчатой передачи может быть заменен большой и малой шестерней.
Фиг. 1 Диаграмма поворота плавучего корпуса против часовой стрелки под действием волны; и Фиг. 2 Диаграмма поворота плавучего корпуса по часовой стрелке под действием волны.
Фиг. 3, Фиг. 4 и Фиг. 5 Детальные структурные схемы устройства генерации энергии волны ударного типа, содержащего плавучий корпус (1), ускорительную передачу для преобразования двунаправленного вращения в однонаправленное вращение (2), генератор (3), ведущие зубчатые колеса (4), ведомые зубчатые колеса (5), зубчатый венец (6), крепежное седло (7), передвижной шток (8), вращающийся вал (9), ударный поршень (10), трос (11) и анкерную опору (12).
Фиг. 6 и 7 Зубчатый венец (6) жестко соединен с подвижным штоком (8), удерживающим зубчатый венец (6), крепежное седло (7), цепную прижимную пластину (13) и болт (14).
Фиг. 8 Схема ускорительной передачи для преобразования двунаправленного вращения в однонаправленное вращение, содержащая ведущие зубчатые колеса (4), храповый механизм, вращающийся против часовой стрелки (15), промежуточную шестерню (16), ускорительную зубчатую передачу (17), храповый механизм, вращающийся по часовой стрелке (18), ускорительную зубчатую передачу (19), ускорительную зубчатую передачу (20), вал генератора (21), маховик для аккумулирования энергии (22), вал ведущего зубчатого колеса, вал ускорительной зубчатой передачи (II), промежуточный приводной вал (III) и вал генератора (IV).
Детальное описание изобретения
Предпочтительные варианты осуществления изобретения показаны на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5, основной расчет устройства заключается в том, что скорость поворота плавучего корпуса вычисляется на основе значений средней скорости волны, площади основания плавучего корпуса, размера ударного поршня и размера конструкции, в зависимости от параметров волны и требуемой генерируемой мощности. Все параметры и размеры, связанные с конструкцией, могут быть определены и спроектированы на основе современных знаний о математике, физике и конструкции.
На фиг. 1 и фиг. 2 показано, что плавающий на поверхности моря корпус (1), соединенный с анкерной опорой (12) с помощью троса (11), под действием колебаний волны, качается вверх, вниз, влево или вправо в пределах угла α (угол между двумя морскими волнами), и вся энергия волны на дне плавучего корпуса (1) преобразуется в кинетическую энергию колебаний плавучего корпуса (1), величина кинетической энергии колебаний плавучего корпуса зависит от площади основания плавучего корпуса и высоты волны, указанный способ является самым простым, самым удобным и наиболее эффективным методом выработки энергии волн.
На фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 вращающийся вал (9) расположен в середине плавучего корпуса (1), подвижный шток (8) соединен с вращающимся валом (9), подвижный шток (8) может вращаться вокруг вращающегося вала (9), ударный поршень (10) прикреплен к нижнему концу подвижного штока (8), зубчатый венец (6), сцепленный с множеством ведущих зубчатых колес (4) и ведомых зубчатых колес (5), жестко соединен с верхним концом подвижного штока с помощью крепежного седла (7); под действием силы волны, когда плавучий корпус (1) качается влево или вправо, зубчатый венец (6) сдерживается ударным поршнем (10) на нижнем конце подвижного штока (8) и не может поворачиваться вместе с плавучим корпусом (1), ведущие зубчатые колеса (4) и ведомые зубчатые колеса (5) поворачиваются влево или вправо вдоль зубчатого венца (6); ведущие зубчатые колеса (4) поворачиваются влево или вправо с помощью ускорительной передачи, закрепленной на каркасе плавучего корпуса (1) для преобразования двунаправленного вращения в однонаправленное вращение (2), так что вал генератора (3) всегда вращается в одном направлении для генерирования энергии; с целью повышения эффективности выработки электроэнергии используется генератор (3) с внешним ротором; когда маховик для аккумулирования энергии (22), жестко связанный с внешним ротором, позволяет плавучему корпусу (1) поворачиваться влево или вправо, энергия привода, приводящая в движение вал генератора (3), остается постоянной, так что форма кривой напряжения генератора (3) остается постоянной.
Как показано на фиг. 8, функция преобразования двунаправленного вращения в однонаправленное вращение ведущих зубчатых колес (4) реализуется посредством использования структуры согласно варианту осуществления, представленного на фиг. 1 и фиг. 2 китайского патента ZL01202356.6A автора ПИАО Чэнхао под названием «Передаточный механизм для преобразования поворота приводного вала в однонаправленное вращение приводного вала». В настоящем изобретении принят вариант осуществления, показанный на фиг. 2 китайского патента, вал (I) ведущих зубчатых колес (4) на фиг. 8 соответствует приводному валу (I) на фиг. 2 вышеупомянутого патента, вал ускорительной передачи (II) соответствует ведомому валу (II), храповые механизмы (15, 18) с собачкой закрепляются на валу (I); внешнее кольцо храпового механизма (15) вращается против часовой стрелки, а внешнее кольцо храпового механизма (18) вращается по часовой стрелке; ускорительная зубчатая передача (17), закрепляемая на валу ускорительной передачи (II), зацепляется с храповым механизмом (15) на валу (I) с помощью промежуточной шестерни (16) промежуточного приводного вала (III), ускорительная зубчатая передача (19), закрепляемая на валу ускорительной передачи (II), зацепляется с храповым механизмом (18) на валу (I); когда вал (I) ведущих зубчатых колес (4) вращается против часовой стрелки, внешнее кольцо храпового механизма (15) вращается и не может передавать крутящий момент на промежуточную шестерню (16) и ускорительную зубчатую передачу (17), а внешнее кольцо храпового механизма (18) поворачивается против часовой стрелки и не может передавать крутящий момент на ускорительную зубчатую передачу (19), так что вал ускорительной передачи (II) вращается по часовой стрелке; когда вал (I) ведущих зубчатых колес (4) вращается по часовой стрелке, внешнее кольцо храпового механизма (18) вращается и не может передавать крутящий момент на ускорительную зубчатую передачу (19), а внешнее кольцо храпового механизма (15) передает крутящий момент на промежуточную шестерню (16) и ускорительную зубчатую передачу (17), так что вал ускорительной передачи (II) вращается по часовой стрелке; поэтому независимо от того, что вал (I) ведущих зубчатых колес поворачивается против часовой стрелки или по часовой стрелке, вал ускорительной передачи (II) всегда поворачивается по часовой стрелке, так что третья ускорительная зубчатая передача (20) вала ускорительной передачи (II) позволяет валу генератора (21) ускорительной передачи (II) вращаться в одном направлении для преобразования двунаправленного вращения в однонаправленное вращение для выработки нормальной мощности генератором (3); номинальная скорость генератора (3) определяется числом передач каждой передачи.
На фиг. 6 и фиг. 7 показано, что зубчатый венец (6) жестко соединен с верхним концом подвижного штока (8) с помощью крепежного седла (7), прижимной пластины (13) и болта (14).
Предел прочности на разрыв троса (11), показанного на рис. 3, рис. 4 и рис. 5, больше, чем интегральная подъемная сила плавучего корпуса или разъединительной конструкции при проектировании перегрузки, безопасность устройства при любых высоких волнах может быть гарантирована.
Устройство согласно настоящему изобретению может иметь структуру, показанную на фиг. 9, множество ведущих зубчатых колес (4), множество ведомых зубчатых колес (5) и зубчатый венец (6) в конструкции одного варианта осуществления изобретения, показанного на фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 заменяются одним зубчатым колесом большого диаметра (23) и множеством малых ведущих колес (24), так что цепная передача становится зубчатой передачей, которая облегчает сборку и регулировку, а также повышает коэффициент полезного действия трансмиссии. Что касается современных технологий, то возможно изготовление зубчатого колеса с диаметром в несколько метров, однако для этого требуются большие производственные затраты.
В конструкции устройства, показанного на фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5, генерируемая мощность вырабатывается множеством одинаковых устройств, содержащих ударный поршень с небольшим увеличенным объемом.
Промышленное применение:
Исходя из конструкции устройства, способ изобретения является инновационной технологией, и позволяет получить большое количество энергии, кроме того, изобретение характеризуется высокой эффективностью преобразования энергии, безопасностью, длительным сроком службы, низкими производственными затратами, поэтому изобретение обладает значительными преимуществами промышленного применения для коммерческих целей.