Устройство для преобразования энергии волн в электрическую энергию
DEVICE FOR CONVERTING WAVE ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям, в частности к устройству гидроагрегата с электрическим генератором, использующим энергию волн.
Известен гидрокомплекс, содержащий несущую железобетонную конструкцию в виде опорного сотового бона и плавательное средство в виде шарнирного дебаркадера с размещенным на нем генератором с турбинами, связанные между собой направляющей конструкцией из композитных материалов в металлическом каркасе в виде аппарели. Дебаркадер, являющийся энергопоглощающим рабочим органом волновой станции, выполнен в форме объемной конструкции из композитных материалов, например, в виде треугольной призмы, представляющей собой закрытый объем с расположенными в нем открытыми сообщающимися полостями, выполняющими функцию пневмогенераторов. Дебаркадер прикреплен к направляющей аппарели шарнирами, разведенными по вертикали, образующими треугольник жесткости. При этом аппарель соединена с несущей железобетонной конструкцией жесткой связью. Дебаркадер крепится к направляющей аппарели тремя шарнирами, причем первый - статически жесткий, находящийся на уровне ватерлинии по вертикальной оси дебаркадера, не позволяет ему смещаться по горизонтали, но не затрудняет перемещение по вертикали. Два других шарнира являются маятниковыми и расположены по отношению к центральному шарниру консоли на другом уровне в крайних точках дебаркадера. Они также не затрудняют движение по направляющей аппарели, но и не позволяют крайним точкам дебаркадера отходить от нее. Дебаркадер в зависимости от угла волн прибоя перемещается вдоль аппарели по вертикали и под углом, обозначенным направлением аппарели, а также вокруг оси шарнирной консоли. На верхней платформе дебаркадера размещены турбины генератора и сообщены с открытым контуром входными и выходными воздуховодами (RU 2306385, кл. Е02В 9/00, опубликовано 20.09.2007).
В известной конструкции отбор энергии происходит с помощью воздушных потоков, вращающих турбины. В тоже время, данный способ преобразования энергии имеет крайне низкий КПД так как добиться необходимой скорости и давления воздуха в турбинах в таких системах крайне сложно.
Кроме того, аппарель, как и дебаркадер, выполнена из композитных материалов с металлическим каркасом, то есть не проницаемая для воды, что создает отраженную волну, мешающую динамике перемещения дебаркадера что, также сказывается на эффективности преобразования энергии.
Более эффективными в плане преобразования энергии являются устройства для отбора энергии волн на основе гидравлических систем передачи мощности от энергопоглощающих рабочих органов волновых станций на преобразователи энергии генераторов, а также механические системы, описанные, например, в следующих патентах: RU 2150021; RU 2227844; RU 2136956; RU 2329396 и др.
В качестве наиболее близкого к изобретению аналога (прототипа) может быть взято решение волнового энергетического комплекса, состоящего из шарнирного дебаркадера со связанной с ним при помощи шарнира-консоли и маятникого шарнира аппарелью и линейного генератора, связанного с дебаркадером шарниром-консолью. К основанию шарнира-консоли, перемещающегося вдоль аппарели при волновом воздействии на дебаркадер, прикреплен шток, передающий механические колебания на магнитный сердечник линейного генератора, который расположен по оси движения штока, обозначенной углом наклона аппарели (RU 2410489, кл. Е02В 9/00, опубликовано 27.01.2011).
Однако большинство гидравлических систем экологически не безопасны из-за применения технических масел, дорогостоящи в производстве и эксплуатации в виду применения уплотнений, клапанных систем и гидромоторов и имеют ограничения в перемещении на волнении в связи с применением гидравлических поршней, а большинство механических систем используют в качестве привода трансмиссий цепные передачи и тросовые тяги которые быстро выходят из строя и подвержены влиянию агрессивной водной среды поэтому недолговечны.
Также механические системы в большинстве случаев используют энергию волнения только при подъеме от энергопоглощающих рабочих органов вверх на гребень волны и не имеют возможности менять крутящий момент и скорость на валу генератора при изменении мощности волнения.
Следует отметить, что при изменении скорости волны резко меняется ее мощность в связи с чем для эффективного снятия энергии необходимо чтобы каждому спектру волнения соответствовала каталожная скорость на валу генератора и крутящий момент, а также оптимальная электрическая нагрузка на обмотке.
Техническая проблема состоит в недостаточной эффективности известных устройств для отбора энергии морского волнения от рабочего органа волновой станции и преобразования ее в электроэнергию.
Технический результат изобретения направлен на существенное улучшение свойств рабочего органа на нерегулярном волнении, когда вершины волн могут иметь различные высоты вдоль профиля волны, а само распространение волнового фронта может подходить к волновой станции под углом.
Также предложенное устройство обеспечивает более надежную и долговечную работу несущих и опорных конструкций волновых энергетических комплексов благодаря предложенной кинематической схеме, наличию гибкого привода и оригинального механизма сматывания лент этого привода, что исключает критические нагрузки и заклинивание отдельных элементов устройства.
Названный технический результат достигнут в изобретении с помощью следующей совокупности признаков.
Устройство для преобразования энергии волн в электрическую энергию содержит проницаемую для волн аппарель с пятью направляющими, рабочий орган для отбора энергии волн и два преобразующих контура. Рабочий орган соединен шарнирно с пятью каретками, установленными на указанных направляющих, причем две каретки установлены на крайних направляющих и соединены с одними концами двух первых приводных лент, а две другие каретки установлены на направляющих, соседних с крайними направляющими, и соединены с одними концами двух вторых приводных лент. Пятая каретка установлена на средней направляющей.
Вторые приводные ленты направлены в противоположную сторону от первых приводных лент, а со стороны аппарели рабочий орган соединен с каждой из первых и вторых кареток посредством стержня, соединенного шарнирно одним концом с рабочим органом, а другим концом - с кареткой и соединен с пятой кареткой посредством шарнира.
Каждый преобразующий контур включает следующие элементы: приводной вал с установленными на нем двумя тяговыми барабанами, на одном из которых другим концом закреплена первая приводная лента, а на другом тяговом барабане закреплена другим концом вторая приводная лента, огибающая ролик; механизмы сматывания указанных приводных лент, связанные с приводным валом, устройство изменения крутящего момента, входной вал которого кинематически связан с приводным валом, а выходной вал - с генератором электроэнергии через накопитель механической энергии.
Генераторы электроэнергии обоих контуров соединены с преобразователем электрической мощности, который, в свою очередь, соединен с программно-аппаратным комплексом, осуществляющим регулирование устройством, с которым также соединены и устройства изменения крутящего момента обоих контуров.
В каждом преобразующем контуре предложенного устройства приводной вал связан с тяговым барабаном обгонной муфтой.
Механизм сматывания приводных лент предложенного устройства включает связанный с тяговым барабаном барабан большего диаметра и поворотный стержень с грузом, один конец которого соединен с первой неподвижной опорой, а другой - с натяжным роликом, взаимодействующим с дополнительной приводной лентой, одним концом жестко соединенной с барабаном большего диаметра, а другим - со второй неподвижной опорой.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 схематично изображено предложенное устройство; на фиг. 2 - кинематическая схема этого устройства; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 4 - механизм сматывания приводной ленты.
Изображенное на фиг. 1-3 устройство для преобразования энергии волн в электроэнергию состоит из аппарели 1, системы из пяти параллельных между собой направляющих 2 с шарнирными соединениями для крепления рабочего органа 3 (дебаркадера), преимущество выполненного в виде треугольной призмы, и предназначенного для отбора энергии волн, гибкого привода, состоящего из четырех приводных лент 4, преобразователя электрической мощности 5, программно-аппаратного комплекса 30, а также двух независимых друг от друга преобразующих контуров (левого и правого) 6, заключенных в общий корпус.
Каждый преобразующий контур включает в себя следующие элементы: механизм 7, трансформирующий поступательное движение приводных лент 4 гибкого привода во вращательное движение приводного вала 12 в одном направлении, в состав механизма 7 также входит механизм 8 сматывания приводных лент гибкого привода, а также устройство 9, позволяющее менять крутящий момент и скорость на валу генератора при изменении мощности волнения, и накопитель механической энергии 10, позволяющий накапливать энергию и сглаживать выдачу мощности на преобразователь в паузах между гребнями волн, а также генератор электроэнергии 11.
Устройство 9 представляет собой коробку передач или вариатор, меняющий скорость вращения выходного вала, связанного с генератором электроэнергии 11. Это устройство может быть связано с механизмом 7 с помощью цепной передачи, муфты или редуктора. Устройство 9 предназначено для оптимальной работы генератора и, следовательно, для большей выработки устройством электроэнергии.
Аппарель 1 выполнена в виде фермы, имеющей сквозную (ажурную) конструкцию, проницаемую для волнения (фиг. 3). На ней жестко закреплены пять направляющих 2, одна из которых расположена в середине аппарели и по две направляющие разведены по краям аппарели. На направляющих 2 посредством пяти шарнирных соединений 13-15 закреплен энергопоглощающий рабочий орган 3, причем на направляющей, расположенной посередине аппарели, закреплен шарнир 13, расположенный по вертикальной оси рабочего органа 3 и являющийся статически жестким. Этот шарнир с одной стороны не позволяет рабочему органу 3 смещаться в горизонтальном направлении, а с другой - не затрудняет его перемещение по вертикали и вращение вокруг своей оси.
Четыре других шарнира 14 и 15 расположены по отношению к центральному шарниру 13 на другом уровне в крайних точках рабочего органа 3, причем по два боковых шарнира на крайних сторонах поверхности рабочего органа 3, расположенной со стороны аппарели 1. Боковые шарниры являются по отношению друг к другу один - верхним шарниром 14, другой - нижним 15.
Все шарниры связаны с роликовыми каретками 16, выполненными скользящими по направляющим вертикально вверх и вниз. К кареткам шарнирно присоединены поворотные стержни 17, каждый из которых вторым концом, также шарнирно прикреплен к стороне рабочего органа 3, обращенной к аппарели 1.
Эти шарниры также не затрудняют движение по направляющим аппарели, но и не позволяют крайним точкам рабочего органа отходить от нее. Верхние шарниры 14 выполнены развернутыми роликовой кареткой вверх, нижние 15 - соответственно вниз, в следствие чего при тяговом усилии, исключен изгиб и складывание стержней 17.
Боковые шарниры 14 и 15 находятся на соседних боковых направляющих, то есть, разведены по осям перемещения кареток.
Предложенная конструкция шарнирного соединения рабочего органа со сквозной проницаемой для волн несущей аппарелью позволяет перемещаться рабочему органу вдоль аппарели под углом обозначенным углом ее наклона, а также осуществлять продольную качку на волнении, что существенно улучшает свойства рабочего органа на нерегулярном волнении, когда вершины волн могут иметь различные высоты вдоль профиля волны, а само распространение волнового фронта может подходить к волновой станции под углом. Так, на фиг. 3 римской цифрой I обозначено начальное положение рабочего органа 3, а римской цифрой II - положение рабочего органа 3 при боковой качке.
В то же время особенностью предложенного устройства является нижеописанное соединение верхних и нижних кареток 16 с гибким приводом, состоящим из приводных лент 4, представляющих собой эластичные прочные ленты, имеющие заданные прочностные характеристики.
Гибкий привод состоит из четырех отдельных приводных лент 4: двух верхних и двух нижних. Каждая лента имеет с обоих концов металлические концевики, один - для крепления к каретке 16 шарнира, другой - для соединения с тяговыми барабанами 18,19 приводного вала 12.
Две верхние приводные ленты одним концом прикреплены к верхним кареткам шарниров 14 и через направляющие ролики приходят вторым концом на тяговые барабаны 18 приводных валов механизмов 7, трансформирующих поступательное движение ленты гибкого привода во вращение приводного вала правого и левого контуров в одном направлении. На каждом тяговом барабане 18 лента закреплена жестко (в зацеп) и имеет определенную намотку, позволяющую крутить барабан при любом перемещении рабочего органа по аппарели.
Две нижние приводные ленты 4 прикреплены к кареткам нижних шарниров 15 и через роликовый блок 21, расположенный в нижней части аппарели, приходят на тяговые барабаны 19 приводных валов механизмов 7, трансформирующих поступательное движение во вращательное заданного направления правого и левого контуров, обеспечивающие рабочий ход валов при движении сторон рабочего органа 3  вверх под воздействием волнения.
Одна верхняя приводная лента приходит на тяговый барабан 18, обеспечивающий рабочий ход правого контура, когда первая сторона рабочего органа 3, образующая одно основание треугольной призмы, и соединенная с помощью вышеописанного шарнира, опускается вниз под воздействием волн.
Вторая верхняя приводная лента приходит соответственно на тяговый барабан 19 левого контура, который обеспечивает также рабочий ход при опускании вниз второй стороны рабочего органа, образующей другое основание треугольной призмы. При движении названных сторон рабочего органа вверх на указанных барабанах осуществляется холостой ход. Вращение барабанов на валу с рабочим и холостым ходом с отбором мощности при вращении в одну сторону достигнуто тем, что приводной вал 12 и тяговый барабан 19 связаны между собой обгонной муфтой 20.
При движении первой стороны рабочего органа 3 вниз соответствующая верхняя приводная лента 4, соединенная с соответствующим барабаном одним концом, а другим - с кареткой 16 шарнира и имеющая заданное число намоток на барабан, обеспечивающий перемещение рабочего органа 3 на всю длину аппарели, раскручивает этот барабан и приводной вал, обеспечивая отбор мощности волнения, поскольку, имея рабочий зацеп на барабане, приводит в движение приводной вал 12.
При движении указанной стороны рабочего органа вверх с учетом того, что на обгонной муфте 20 рабочий зацеп отсутствует и поэтому она теряет связь с приводным валом 12, тяговый барабан с верхней приводной лентой 4 посредством устройства 9 вращается в обратную сторону, наматывая указанную ленту обратно на барабан.
Кроме того, когда указанная сторона рабочего органа движется вверх, нижняя приводная лента вращает тяговый барабан 19, находящийся на этом же приводном валу, а указанная лента, имея рабочий зацеп с барабаном, обеспечивает передачу мощности приводному валу и его вращение в нужную сторону. При движении вверх тяговый барабан работает в режиме сматывания указанной ленты.
Также особенностью предложенной конструкции является то, что приводные валы 12 правого и левого преобразующих контуров не связаны между собой и работают каждый со своим генератором. Это обеспечивает следующие преимущества. Рабочий орган 3 может осуществлять боковую (продольную) качку под воздействием волнения, при этом вышеназванные первая и вторая стороны рабочего органа 3 на волнении могут работать разнонаправленно, а именно: одна сторона - опускаться, а другая - подниматься, но вне зависимости от этого приводные валы 12 правого и левого преобразующих контуров будут осуществлять рабочий ход, передавая крутящий момент на вал генератора.
В тоже время кинематическая схема устройства организована таким образом, что результирующее рабочее усилие при передаче механической энергии на несущие конструкции от рабочего органа через гибкий привод и механизм, трансформирующий поступательное движение приводных лент гибкого привода во вращательное движение приводного вала к генератору всегда направлено вниз, не вызывая при этом эффект опрокидывания конструкции, поскольку тяговое усилие как верхней, так и нижней приводных лент гибкого привода при рабочем ходе направленно вниз.
Указанное способствует обеспечению более надежной и долговечной работы несущих и опорных конструкций волновых энергетических комплексов. А наличие самого гибкого привода и оригинального механизма сматывания тяговых лент исключает критические нагрузки и заклинивание отдельных элементов.
Тяговое усилие, передающее мощность на механизм, трансформирующий поступательное движение приводных лент гибкого привода во вращательное движение приводного вала через гибкий привод имеет рабочий ход на шарнирах, когда стержень тянет каретку в направлении кинетического усилия рабочего органа, то есть верхние каретки с усилием тянут приводную ленту, когда рабочий орган (одна из его сторон) движется вниз, нижние наоборот - вверх. При этом исключен изгиб и складывание стержня шарнира под воздействием механического усилия, что происходило бы в том случае, если рабочее усилие толкало шарнир, а не тянуло его за каретку.
В условиях волнения рабочий орган (его стороны) перемещаются вверх и вниз перемещая каретки шарниров.
После завершения движения каретки 16 гибкого привода, осуществляющей рабочий тяговый ход, происходит движение рабочего органа 3 в противоположном направлении, которое принуждает двигаться каретку 16 в противоположную рабочему ходу сторону, при этом необходимо, чтобы приводная лента 4 наматывалась на барабан. С этой целью для каждого тягового барабана 18, 19 предусмотрен механизм сматывания (фиг. 4).
Указанный механизм состоит из барабана 22, обеспечивающего обратную намотку приводной ленты 4, который связан цепной передачей 23 с тяговым барабаном 18 или 19, на который наматывается приводная лента 4, дополнительной приводной ленты 24, поворотного стержня 26, груза 27 и натяжного ролика 29, который расположен на конце поворотного стержня 26, при этом второй конец указанного стержня закреплен на неподвижной опоре 28.
Барабан 22 имеет больший диаметр, чем диаметр барабанов 18, 19. Дополнительная приводная лента 24 прикреплена одним концом к поверхности барабана 22, а другим концом - к неподвижной опоре 25, при этом ролик сверху давит на ленту 24, заставляя поворачиваться барабан 22 при холостом ходе обгонной муфты тягового барабана 18, 19. Последний заставляет поворачиваться барабан 22, который в свою очередь через цепную передачу 23 вращает указанный тяговый барабан, обеспечивая намотку приводной ленты 4. Данное устройство обеспечивает обратную намотку приводной ленты с необходимой скоростью, превышающей скорость перемещения кареток при холостом ходе, что обеспечивает постоянное натяжение лент.
Расположение грузов 27 по обеим сторонам стержня 26 (противовес) позволяет существенно сократить вес самого груза, обеспечивая необходимую скорость намотки. Существенным преимуществом предложенной конструкции является то, что при полной размотке лент (самый опасный момент при отборе энергии волн), достигается максимальное их натяжение.
Устройство работает следующим образом.
При волновом воздействии на рабочий орган 3 последний перемещается по направляющим 2 вверх и вниз под углом, определенным уклоном аппарели 1, при этом, имея свободу для продольного качки, когда первая и вторая стороны рабочего органа качаются разнонаправлено.
В то же время, как бы не раскачивался на волнении рабочий орган 3, каретки 16 шарниров 14, 15 обеспечивают натяжение приводных лент 4 и рабочий ход для передачи мощности усилия на приводные валы 12 двух контуров, которые преобразовывают линейное перемещение рабочего органа 3 в постоянное по направлению вращение валов приводов каждого контура 6. Приводные валы 12 передают крутящий момент на устройства 9, которые позволяют менять крутящий момент и скорость на валу генератора при изменении мощности волнения. Устройства 9 управляются программно-аппаратным комплексом 30.
Для оптимизации КПД мощность от устройств 9 передается на накопитель механической энергии 10 в виде инерционного маховика, который позволяет также сглаживать выдачу мощности на преобразователь электрической мощности 5 в паузах между гребнями волн. Накопитель механической энергии 10 находится на одном выходном валу с генератором 11 и вращает его в оптимальном режиме.
Вырабатываемая энергия передается в преобразователь электрической мощности 5, который обеспечивает преобразование переменного напряжения и тока от генераторов 11 устройства для преобразования энергии волн в электрическую энергию стандартизированной сети 400/230 В 50 Гц.
Преобразователь электрической мощности 5 обладает функцией оптимального регулирования нагрузки генераторов энергоустановки по критерию максимизации КПД.
Регулирование устройством осуществляется программно-аппаратным комплексом 30, который в реальном времени оценивает выработку электроэнергии генераторов, параметры волны, перемещение рабочего органа 3 и, соответственно, непрерывно подстраивает (повышает или понижает) текущую электрическую нагрузку на генераторы.
Предложенное двухконтурное устройство для преобразования энергии волн в электроэнергию может быть размещено на основании сотового бона, как это имеет место в конструкции гидрокомплекса по одному из аналогов изобретения (RU 2306385), или быть смонтировано на несущей ферме (балке) волновой установки для защиты побережья от штормов с одновременным производством электроэнергии по патенту RU 2665623. Кроме того, предложенное устройство может использоваться на существующих пирсах и причалах, а также на волноотбойных сооружениях плавучих и стационарных морских платформ.