УСТАНОВКА ДЛЯ ВОСПОЛНЕНИЯ ЭНЕРГИИ МОРСКИХ БУЕВ
INSTALLATION FOR RECOVERY OF ENERGY OF SEA BUOYS

Изобретение относится к области восполняемых источников энергии и может быть использовано для волноизмерительных и навигационных буев.
Известна волновая энергетическая установка для преобразования вертикальных колебаний волн (патент РФ №2078249). В корпусе данной установки расположена опора в виде рамы с вертикальными направляющими. Механическая система содержит инерционное тело в виде груза, контактирующего с вертикальными направляющими и имеющего закрепленную на раму упругую подвеску, и генератор переменного тока. Упругая подвеска снабжена установленными на верхней части рамы блоками и охватывающей их гибкой тягой, которая соединяет инерционное тело с упругим элементом подвески. Упругий элемент закреплен на основании рамы, установлен параллельно направляющим со стороны, обратной их контакту с телом. Вал генератора кинематически соединен с валом одного из блоков. Аккумулятор подключен к генератору через диодный выпрямитель и трансформатор с изменяющимся коэффициентом трансформации. Регулятор напряжения соединен с выходом генератора и аккумулятором. Нагрузочное устройство и устройство изменения коэффициента трансформации подключены к регулятору.
Данная установка выбрана за прототип предлагаемого изобретения.
Установка-прототип позволяет обеспечить бесперебойное питание электрооборудования буев, однако механическая система установки имеет фиксированную частоту собственных колебаний в связи с применением в качестве упругого элемента пружины с постоянной жесткостью. Это не позволяет производить настройку частоты собственных колебаний системы в зависимости от средней частоты вертикальных колебаний буя, соответствующих среднему периоду набегающих волн, для повышения эффективности энергоустановки. Кроме того, постоянное перемещение инерционного тела по направляющим, в том числе и при полной зарядке аккумулятора, снижает надежность и долговечность установки.
Задачей изобретения является совершенствование конструкции установки для восполнения энергии морских буев и достижение возможности перенастройки частоты собственных колебаний механической системы установки в зависимости от средней частоты вертикальных колебаний буя, соответствующих среднему периоду набегающих волн.
Технический результат: повышение коэффициента полезного действия установки для восполнения энергии морских буев за счет настройки частоты колебаний механической системы установки в резонанс частоте, соответствующей колебаниям буя, обусловленным средним периодом набегающих волн, путем управления коэффициентом демпфирования; повышение надежности и увеличение ресурса работы установки за счет снижения износа механических деталей и исключения перезаряда аккумулятора.
Технический результат достигается тем, что в устройство дополнительно вводится система воздушного демпфирования колебаний механической системы с изменяемым коэффициентом демпфирования, определяемым в зависимости от средней частоты вертикальных колебаний буя, соответствующих среднему периоду набегающих волн.
с
Как известно [Д.А. Браславский. Приборы и датчики летательных аппаратов // М.: Машиностроение, 1970, с. 76], выражение для частоты собственных колебаний механической системы ω имеет вид:
<mrow><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>с</mi><mi>ж</mi></msub></mrow><mi>m</mi></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
где
- частота свободных, недемпфированных колебаний системы,
ж
с - жесткость упругого элемента,
m - масса инерционного тела,
<mrow><mi>ξ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>K</mi><mi>Д</mi></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msqrt><mrow><mi>m</mi><msub><mi>с</mi><mi>ж</mi></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
- степень успокоения системы,
Д
K - коэффициент демпфирования.
Таким образом, изменение частоты собственных колебаний механической системы достигается за счет изменения коэффициента демпфирования.
На чертеже показан общий вид установки для восполнения энергии морских буев, где приняты следующие обозначения:
1 - опора в виде рамы, расположенная в плавучем корпусе;
2 - вертикальные направляющие;
3 - инерционное тело в виде груза;
4 - блоки;
5 - гибкая тяга;
6 - упругий элемент подвески;
7 - основание рамы;
8 - подвижный блок;
9 - дополнительные упругие элементы для ограничения хода инерционного тела;
10 - корпус системы воздушного демпфирования;
11 - поршень;
12 - выходное отверстие системы воздушного демпфирования с изменяющимся диаметром;
13 - генератор переменного тока;
14 - трансформатор с изменяющимся коэффициентом трансформации;
15 - диодный выпрямитель;
16 - аккумулятор;
17 - вычислитель;
18 - шаговый двигатель;
19 - устройство изменения диаметра выходного отверстия системы воздушного демпфирования;
20 - устройство изменения коэффициента трансформации.
Установка для восполнения энергии морских буев содержит плавучий корпус (на чертеже не показан), в котором расположена опора в виде рамы 1 с вертикальными направляющими 2, по которым при вертикальных колебаниях плавучего корпуса на волнении передвигается инерционное тело 3 в виде груза, имеющее упругую подвеску. Упругая подвеска снабжена установленными в верхней части рамы 1 двумя блоками 4, охваченными гибкой тягой 5, посредством которой инерционное тело соединено с упругим элементом подвески 6. Упругий элемент 6 установлен на основании 7 и имеет со стороны гибкой тяги установленный подвижный блок 8, закрепленный в верхней части рамы 1. Для ограничения хода инерционного тела 3 в верхней части рамы с внутренней стороны закреплены дополнительные упругие элементы 9. В нижней части рамы 1 установлена система воздушного демпфирования, имеющая корпус 10, закрепленный на раме 1, поршень 11, закрепленный на нижней части инерционного тела 3, и выходное отверстие 12 системы воздушного демпфирования с изменяемым диаметром. Один из блоков 4 кинематически соединен с генератором переменного тока 13. Аккумулятор 16 соединен с генератором 13 через трансформатор 14 с изменяющимся коэффициентом трансформации и диодный выпрямитель 15. Вычислитель 17 соединен с выходом генератора 13 и аккумулятором 16. Шаговый двигатель 18 соединен с вычислителем 17 и устройством изменения диаметра отверстия системы воздушного демпфирования 19.
Установка работает следующим образом. При движении плавучего корпуса на волнении инерционное тело 3, имеющее упругую подвеску, совершает движение по вертикальным направляющим 2. При этом движение блока 4 при помощи кинематической связи передается на ротор генератора переменного тока 13. Регулирование напряжения, поступающего на вход аккумулятора 16, осуществляется с помощью вычислителя 17 и устройства изменения коэффициента трансформации 20. Вычислитель 17, соединенный с выходом генератора 13, осуществляет расчет средней частоты вертикальных колебаний буя на волнении, соответствующей частоте переменного тока в генераторе 13, и формирует сигналы управления шаговым двигателем 18. Шаговый двигатель 18, в свою очередь, кинематически соединен с устройством изменения диаметра отверстия системы воздушного демпфирования 19 для получения требуемого значения коэффициента демпфирования. Устройство 19 представляет собой два диска с отверстием, размещенных соосно, один из которых жестко закреплен на корпусе системы воздушного демпфирования, а второй соединен с шаговым двигателем 18, разворачивающим диск вокруг его оси по сигналам с вычислителя 17. После полного заряда аккумулятора 16 вычислитель формирует сигнал для двигателя 18 о полном закрытии выходного отверстия системы воздушного демпфирования, что позволяет исключить перезаряд аккумулятора.
Работа установки проверена с помощью компьютерного моделирования. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что указанные существенные признаки позволяют производить настройку частоты колебаний механической системы волновой энергетической установки для ее работы в резонансном режиме со средней частотой вертикальных колебаний буя, соответствующих среднему периоду набегающих волн, что в зависимости от ширины спектра набегающих волн не менее чем на 20% увеличивает коэффициент полезного действия подобных установок. Полное закрытие выходного отверстия системы воздушного демпфирования снижает износ подвижных элементов установки, исключает перезаряд аккумулятора, что повышает надежность и увеличивает ресурс работы установки. Кроме того, применение шагового двигателя не требует больших затрат энергии, что позволяет применять разработку в автономных буйковых устройствах. Таким образом, заявленный технический результат считается достигнутым.