СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ
METHOD AND DEVICE FOR ENERGY GENERATION

Изобретение относится к области энергетики.
Известен способ получения энергии на основе преобразования кинетической энергии ветра в электроэнергию [Герман Хедер. Конструирование и расчеты. Москва: Госмашметиздат, 1934, (стр.499)]. Способ заключается в следующем. Воздушные массы, перемещаясь, вследствие своего давления на лопасти пропеллера, вращают их. Кинетическая энергия ветра преобразуется во вращательное движение пропеллера. Ось пропеллера соединена с электрогенератором, который преобразует вращательное движение в электроэнергию. Недостатками этого способа являются ограниченность мощности, зависимость получаемой энергии от природно-климатических условий, географических условий, непредсказуемость на длительный срок, необходимость занятия больших площадей.
Также известен способ получения энергии на основе преобразования кинетической энергии воды в водопадах в электроэнергию [Герман Хедер. Конструирование и расчеты. Москва: Госмашметиздат, 1934, (стр.485)]. Способ заключается в следующем. Вода падает с определенной высоты на лопасти турбины. Турбина преобразует кинетическую энергию падающей воды во вращательное движение оси турбины, которая соединена с электрогенератором. Электрогенератор вырабатывает электроэнергию. Недостатками этого способа являются необходимость привязки к определенному месту, где есть перепад воды по высоте, или необходимость постройки плотин со сложными и дорогостоящими гидротехническими сооружениями, занятие водохранилищами больших площадей, возможности непредвиденных экологических последствий, ограниченность энергопотенциала и мощностей, зависимость от природно-климатических условий, возможности катастрофических последствий при разрушении гидротехнических сооружений.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявляемому способу является способ получения энергии на основе использования энергии морских волн, заключающийся в том, что колебания поплавка посредством двуплечного рычага через механический привод приводят в движение ротор электрогенератора, вырабатывающего электрический ток и находящегося в герметично закрытом внутреннем пространстве основания, которое крепится на дне в прибрежной зоне [СА 2 503 607 Al, 11.10.2006, E 02 B9/08, 17c. Canadian intellectual property office, Chiasson, M.Mario, "Appareil de production d'energie electrique a partir de la force des vagues, apparatus for generating electric power using wave force"]. Существо способа заключается в следующем. В прибрежной зоне, на небольшой глубине, строится установка, состоящая из модулей. Единичный модуль установки представляет собой укрепленную в донном грунте стойку, на которой шарнирно закреплен двуплечный рычаг, на одном конце которого находится поплавок, а другой связан посредством привода с ротором электрогенератора, находящегося в герметично закрытом внутреннем пространстве основания, которое крепится на дне в прибрежной зоне. Колебания поплавка вызывают движение двуплечного рычага и через привод вращение ротора электрогенератора, вырабатывающего электроэнергию.
Недостатками этого способа являются:
- модули могут подвергаться разрушительному воздействию штормов;
- ограниченные принципиальные возможности по наращиванию мощностей;
- в процессе получения энергии не в полной мере используется потенциальная энергия.
Общим недостатком вышеприведенных способов является то, что данные способы предназначены исключительно только на получение энергии и организационно в них не используется комплексирование с другими, практически полезными и важными потребностями. Системно полно не используется потенциальная энергия за счет организованного сложения энергии кинетической и гравитационной рабочего тела - воды. Недостатком прототипа является также то, что хотя и используется энергия гравитации (вес поплавка), но используется эта потенциальная энергия гравитации только частично, так как вес воды волн не используется.
Таким образом, основными недостатками прототипа являются: отсутствие комплексирования разнородных положительных, практически полезных и важных эффектов и потребностей, отсутствие системно полного использования потенциальной энергии за счет организованного сложения энергии кинетической и гравитационной поплавка и воды волн, не достаточно полное использование потенциальной энергии для получения и концентрации электроэнергии.
Задачей изобретения является осуществление экологически чистого получения электроэнергии на основе использования энергии морских волн, в комплексном сочетании с защитой береговой линии от разрушительного действия штормов, а также более полное использование имеющейся потенциальной энергии и повышение мощности вырабатываемой энергии за счет сложения кинетической и гравитационной энергии воды волн.
Поставленная задача достигается тем, что способ получения энергии на основе использования энергии морских волн, заключающийся в том, что колебания поплавка посредством двуплечного рычага через механический привод приводят в движение ротор электрогенератора, вырабатывающего электрический ток и находящегося в герметично закрытом внутреннем пространстве основания, которое закрепляют на дне в прибрежной зоне, дополняют концентрацией фронта волны посредством направляющей платформы, закрепленной на бетонном основании, при этом начало платформы располагают на уровне поверхности воды для направления фронта волны на принимающую платформу, которая, отклоняясь под действием удара фронта волны и веса воды волны, через механический привод приводит во вращение ротор электрогенератора и по мере стекания с нее воды возвращается в исходное положение с помощью возвратно-демпфирующей пружины, которую одним концом связывают с приемной платформой, а другим концом закрепляют на бетонном основании.
Предлагаемый способ можно пояснить с помощью чертежа. На чертеже представлены составляющие элементы и их взаимосвязи для понимания существа предложенного. На чертеже обозначены: 1 - шарнирно закрепленный двуплечий рычаг; 2 - поплавок; 3 - второй шарнирно закрепленный рычаг; 4 - второй поплавок; 5 - направляющая платформа; 6 - принимающая платформа; 7 - гофрированный кожух; 8 - бетонное основание; 9 - рычаг принимающей платформы; 10 - возвратно-демпфирующая пружина; 11 - первый механический привод; 12 - коробка передач; 13 - второй механический привод; 14 - механический привод; 15 - электрогенератор с ротором; 16 -домкрат; 17 - платформа домкрата с грузом; 18 - часть механических приводов 13 и 14.
Исходя из обозначений на данном чертеже, позиции, связанные с совокупностью действий в предлагаемом способе, можно представить следующим образом.
Позиция 1 - колебания поплавка 2 под действием перемещения волны. Позиция 2 -движение двуплечного рычага 1. Позиция 3 - движение механического привода 14. Позиция 4 - вращение ротора электрогенератора 15. Новым является: Позиция 5 - концентрация фронта волны направляющей платформой 5 при перемещении волны. Позиция 6 - отклонение принимающей платформы 6. Позиция 7 - вращение ротора электрогенератора 15 через механический привод, который включает: 9 - рычаг принимающей платформы, 11 - первый механический привод, 12 - коробку передач, 13 - второй механический привод. Позиция 8 - возвращение принимающей платформы 6 в исходное положение с помощью возвратно-демпфирующей пружины 10.
Предлагаемый способ получения энергии состоит в следующем. В прибрежной зоне на морском дне закрепляется основание, внутри которого в герметично закрытой полости располагается электрогенератор с механическим приводом к ротору электрогенератора. К основанию шарнирно крепится двуплечный рычаг, переднее плечо которого вынесено на поверхность воды. Это плечо рычага связано с поплавком. Второе плечо рычага связано с механическим приводом к ротору электрогенератора. Поплавок, качаясь на волнах (Поз. 1), через двуплечный рычаг (Поз.2) и механический привод (Поз.3) приводит во вращение ротор электрогенератора (Поз.4), и электрогенератор вырабатывает электроэнергию. Основание жестко связано с наклонной, под определенным углом к горизонтальной плоскости, направляющей платформой, при этом начало платформы располагают на уровне поверхности воды для направления фронта волны на принимающую платформу. Волна, двигаясь по направлению к берегу, попадает на направляющую платформу. Вследствие подъема направляющей платформы осуществляется аккумуляция переднего фронта волны (Поз. 5), за счет чего возрастает ее высота, а следовательно, осуществляется концентрация энергии фронта волны, и возрастает мгновенная мощность ее воздействия на принимающую платформу, поверхность которой перпендикулярна движению фронта волны и которая шарнирно крепится к основанию в конце направляющей платформы. Расположение принимающей платформы относительно направляющей платформы выбирается таким, чтобы мощность воздействия фронта волны была максимальной, с учетом возможности создания максимального рычага, действующего на механический привод к ротору электрогенератора. Аккумулированная, направляющей платформой, волна, ударно воздействует на принимающую платформу, которая отклоняется в вертикальной плоскости, к поверхности воды (Поз.6). При этом принимающая платформа, через механический привод, приводит во вращение ротор электрогенератора (Поз.7). Отклоняясь, принимающая платформа также растягивает возвратно-демпфирующую пружину. Принимающая платформа, отклонившись от удара волны, далее отклоняется под действием веса воды волны. Энергия этого воздействия также, посредством механического привода, передается ротору электрогенератора. Отклонение принимающей платформы на конечном этапе демпфируется возвратно-демпфирующей пружиной, которая по мере стекания воды, сжимаясь, возвращает принимающую платформу в исходное состояние (Поз. 8). В данном случае более полно и эффективно, по отношению к прототипу, используется потенциальная энергия гравитации, так как используется энергия гравитации не только поплавка, но и энергия гравитации воды волн. В данном случае, вследствие повышения мощности действия, ротор электрогенератора может быть массивным, вследствие чего имеется возможность инерционной аккумуляции энергии. Таким образом, для получения электрической энергии и повышения мощности используется комбинирование выталкивающей силы воды на поплавок, кинетической энергии движения волн и гравитационной энергии веса воды волны и поплавка. Направляющая и принимающая платформы выполняют также роль «гасителя» волны, так как кинетическая энергия волны за принимающей платформой существенно ослаблена. Если данные комплексы располагать вдоль берега, то также, вследствие отражения волн от них, за ними образуется зона взаимной компенсации волн, вследствие их рассинхронизации и создания разных векторов движения, то есть их дезорганизации.
Вышеприведенный предлагаемый «Способ получения энергии» рассчитан на непосредственно трансформацию энергии волн в электроэнергию. Если также требуется долговременная аккумуляция и высокая концентрация трансформации или передачи энергии, повышение эффективности трансформации энергии волн в электроэнергию, то предлагается «Способ получения энергии», отличающийся от вышеприведенного тем, что механическим приводом вращают домкрат, поднимают платформу домкрата с грузом вверх, опускают под действием веса груза вниз и через механический привод вращают ротор электрогенератора.
Исходя из обозначений на вышеприведенном чертеже, позиции, связанные с совокупностью действий в данном предлагаемом способе, можно представить следующим образом.
Позиция 1 - движение механического привода 13. Позиция 2 - вращение домкрата 16. Позиция 3 - подъем платформы домкрата с грузом 17. Позиция 4 - опускание платформы домкрата с грузом 17 под действием своего веса. Позиция 5 - вращение ротора электрогенератора 15 через механический привод 18 (13; 14).
Предлагаемый способ получения энергии состоит в следующем. Движение механического привода 13; 14 (Поз.1) под действием колебаний поплавка и отклонения принимающей платформы не вращает непосредственно ротор электрогенератора 15, а вращает домкрат 16 (Поз.2). Вследствие этого домкрат осуществляет подъем платформы домкрата с грузом 17 (Поз.3) и тем самым осуществляется аккумуляция потенциальной гравитационной энергии. Накопив определенную, заранее заданную потенциальную гравитационную энергию, осуществляется опускание платформы домкрата с грузом 17 под действием своего веса (Поз.4). Опускаясь, платформа домкрата с грузом 17 трансформирует потенциальную гравитационную энергию в энергию вращения ротора электрогенератора 15 через механический привод 18 (13; 14) (Поз. 5), вследствие чего электрогенератор 15 вырабатывает электроэнергию. В то время, когда платформа домкрата с грузом 17 опускается под действием груза вниз, колебания поплавка 2 и отклонения принимающей платформы 6 через механические приводы 13 и 14 вращают непосредственно ротор электрогенератора 15. Вследствие предварительной аккумуляции энергии гравитации уменьшаются переходные процессы, связанные с выходом на оптимальный режим электрогенератора, и повышается эффективность трансформации энергии.
В данном случае появляется возможность в любое время сохранять без потерь аккумулированную энергию, а в требуемый момент получать электроэнергию необходимой повышенной мощности, при этом мощность энергии, вырабатываемой электрогенератором, не уменьшается по мере опускания груза домкрата. Также в данном случае, как указывалось, уменьшаются переходные процессы, связанные с неравномерной скоростью вращения ротора электрогенератора относительно оптимального режима работы электрогенератора, обусловленные прерывистой, неравномерной работой привода ротора электрогенератора. Уменьшение переходных процессов примерно в 1,5-2 раза повышает коэффициент полезного действия преобразования энергии.
Для реализации способа получения энергии предлагается «Устройство для получения энергии», которое отличается от устройства, используемого в «Способе получения энергии» - прототипе [СА 2 503 607 A1, 11.10.2006, E02B 9/08, 17c. Canadian intellectual property office, Chiasson, M.Mario, "Appareil de production d'energie electrique a partir de la force des vagues, apparatus for generating electric power using wave force"]. Устройство прототипа, содержащее шарнирно закрепленный двуплечный рычаг, один конец которого механически связан с поплавком, а второй конец связан с механическим приводом, выход которого связан с ротором электрогенератора, основание, внутри которого в герметичном закрытом объеме расположены механический привод и электрогенератор, не позволяет получать организованно интегрированную энергию, связанную с кинетической энергией движения волны, а также энергию, связанную с гравитационной энергией веса волны. Кроме этого устройство-прототип не может выполнять функцию защиты береговых коммуникаций во время штормов.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и реализация предлагаемого способа получения энергии. Поставленная задача достигается тем, что в устройство, содержащее поплавок, механический привод, электрогенератор с ротором, шарнирно закрепленный двуплечий рычаг, один конец которого механически связан с поплавком, а второй конец - с механическим приводом, второй конец которого связан с ротором электрогенератора, и основание, внутри которого в герметичном закрытом объеме расположены механический привод и электрогенератор, дополнительно введены второй шарнирно закрепленный рычаг, второй поплавок, направляющая платформа, принимающая платформа, гофрированный кожух, а также находящиеся в герметично закрытом объеме бетонного основания рычаг принимающей платформы, возвратно-демпфирующая пружина, первый механический привод, коробка передач, второй механический привод, при этом двуплечий рычаг и второй рычаг шарнирно закреплены к бетонному основанию, первый конец второго рычага соединен со вторым поплавком, а второй конец его механически связан с первым концом механического привода, к бетонному основанию закреплена направляющая платформа, в конце которой через закрытый гофрированный кожух шарнирно к бетонному основанию закреплена принимающая платформа, нижний конец которой связан с первым концом рычага приемной платформы, второй конец которого механически связан с первым концом первого механического привода, а также соединен с возвратно-демпфирующей пружиной, второй конец которой закреплен на бетонном основании, второй конец первого механического привода механически связан с входом коробки передач, выход которой связан с первым концом второго механического привода, второй конец которого связан с ротором электрогенератора.
Исходя из  представленного чертежа предлагаемое устройство для получения энергии содержит: поплавок 2, шарнирно закрепленный двуплечный рычаг 1, механический привод 14, электрогенератор с ротором 15, основание 8, второй 4 поплавок, второй 3 шарнирно закрепленный рычаг, направляющую платформу 5, принимающую платформу 6, гофрированный кожух 7, рычаг 9 принимающей платформы, возвратно-демпфирующую пружину 10, первый 11 механический привод, коробку передач 12, второй 13 механический привод.
Устройство работает следующим образом. Можно, как в прототипе, использовать один поплавок, но в данном случае исходя из задачи защиты береговой линии и повышения мощности рационально использовать два поплавка. Основание 8 предполагается выполнить прочным и массивным, например бетонным или железобетонным. По бокам основания шарнирно к нему крепятся два двуплечных рычага 1 и 3, передние плечи которых вынесены вперед основания 8, навстречу морским волнам. Каждое переднее плечо этих рычагов механически связано со своим поплавком 2 и 4. Вторые плечи двуплечных рычагов 1 и 3 механически связаны с механическим приводом 14 к ротору электрогенератора 15. Основание 8 закрепляется на морском дне в прибрежной зоне таким образом, чтобы начало направляющей платформы 5 находилось на уровне поверхности воды. Поплавки 2 и 4 вынесены вперед основания 8 навстречу морским волнам. Они поднимаются и опускаются под действием морских волн вследствие комбинирования сил гравитации и выталкивающей силы воды. Кроме этого волны, частично отражаясь от боковых поверхностей поплавков 2 и 4, сходятся к направляющей платформе 5. Поплавки 2 и 4 через шарнирно закрепленный двуплечный рычаг 1 и второй, шарнирно закрепленный рычаг 3, связанный с ними механический привод 14, передают энергию своего движения ротору электрогенератора 15. Прямая волна и частично отраженные от боковых поверхностей поплавков 2 и 4 волны сходятся к основанию направляющей платформы 5. На направляющей платформе 5 волны сливаются в одну и, вследствие наклона платформы, осуществляется концентрация переднего фронта волны и соответственно возрастает ее высота. Это увеличивает мгновенную мощность действия волны на принимающую платформу 6. Под действием фронта волны принимающая платформа 6 отклоняется назад в горизонтальное положение и далее принимающая платформа 6 отклоняется уже под действием веса воды волны. При этом через рычаг 9 принимающей платформы 6, первый 11 механический привод, коробку передач 12, второй 13 механический привод энергия действия волны передается ротору электрогенератора 15, трансформируясь в его вращение. Отклоняясь, принимающая платформа 6 через рычаг 9 принимающей платформы также растягивает возвратно-демпфирующую пружину 10. По мере ухода воды с принимающей платформы 6 принимающая платформа 6 возвращается в исходное состояние возвратно-демпфирующей пружиной 10 вследствие ее сжимания под действием энергии и сил упругости. Гофрированный кожух 7 обеспечивает герметичность закрытого внутреннего объема основания 8. Таким образом, энергия волн используется комплексно в максимально возможной степени, при этом также решается задача устранения разрушительного действия волн во время штормов.
Примерный расчет трансформации кинетической энергии волны устройством на основе предлагаемого способа следующий.
2
2
2
2
Пусть высота аккумулированной, направляющей платформой, волны равна 3 м, а средняя ширина фронта волны равна 2 м. Тогда при размахе (протяженности) принимающей платформы 6 м, высоте 3 м (площадь 18 м), кинетическая энергия набегающей со скоростью 2,8 м/с (10 км/час) волны будет равна (3600 кг * (2,8) м/с)/2=14112 Дж. Если в электроэнергию трансформируется примерно 70% кинетической энергии фронта волны, то получаемая энергия составит 9878 Дж. Если волны воздействуют в среднем 1 раз в 4 секунды, то средняя мощность одного устройства примерно равна 2,5 кВт. Эта мощность определена без учета энергии, передаваемой поплавками, и гравитационной энергии действия веса воды (фронта волны). Исходя из этого, в зависимости от конструктивных параметров устройства, данная мощность может быть больше. Как указывалось выше, в данном случае суммарная мощность волны позволяет использовать массивный ротор электрогенератора, вследствие чего имеется возможность инерционной аккумуляции энергии. С целью обозначения береговой линии в ночное время или во время штормов вертикальное окончание принимающей платформы может быть оснащено герметичной лампой вспышкой, получающей энергию от электрогенератора или аккумулятора. Устройство может иметь конструктивные вариации, в зависимости от конкретного места применения. Например, вместо электрогенератора, энергию можно получать на основе пьезоэффекта, а также, как приведено выше, дополнять комплекс приводом гравитационно-динамической трансформации энергии и осуществлять комплексирование с системой гравитационно-динамической аккумуляции и концентрации энергии непосредственно на морском дне, что позволит сохранять без потерь аккумулированную энергию, увеличить генерируемую мощность электроэнергии, повысить коэффициент полезного действия электрогенератора. Электроэнергия ряда устройств может интегрироваться и с помощью кабеля выводиться на берег.