СИСТЕМА ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И СПОСОБ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УКАЗАННОЙ СИСТЕМЫ
SYSTEM OF GENERATION OF ELECTRIC ENERGY AND METHOD WITH USAGE OF SPECIFIED SYSTEM

Изобретение относится к способу и устройству преобразования механической энергии давления в электроэнергию, и может быть использовано для создания дополнительного источника питания для системы электроснабжения подводного судна.
Во время продолжительного плавания в подводном положении подводное судно, например подводная лодка, постоянно испытывает внешнее давление забортной воды (фиг.1 и 2). Изменение глубины погружения вызывает деформацию корпуса и колебания общих линейных размеров. Демонстрацию данного явления можно наблюдать в фильме «Убрать перископ» («Down Periscope», 1996 г. США, 26-30 мин.).
В конструкции подводной лодки учтено указанное механическое воздействие, и крепление основных элементов внутренней архитектуры выполнено таким образом, чтобы исключить недопустимые напряжения.
Так, например, как показано на фиг.3, палубы лежат на поддерживающих кронштейнах и в силу отсутствия жесткой связи с корпусом подводной лодки палубы не испытывают давления со стороны корпуса. В результате происходит изменение взаимного положения палубы и корпуса. Эта особенность конструкции подводного судна может быть использована для создания источника электрической энергии на основе пьезоэлементов.
Использование пьезоэлектрических преобразователей для создания источников питания широко известно. Например, известны системы генерирования электроэнергии, в которых механическое нагружение пьезоэлектрических преобразователей осуществляется с использованием движущихся транспортных средств.
Известно устройство для генерирования энергии (патент США №7830071, публ. 09.11.2010), выбранное в качестве прототипа. Известное устройство содержит основание, пьезоэлектрические преобразователи, установленные на основании, и средства механического нагружения пьезоэлектрических преобразователей. При этом пьезоэлементы расположены под дорожным полотном, которое выполняет функцию средств механического нагружения, а выработка электрической энергии происходит при взаимодействии транспортных средств с дорожным полотном в местах расположения пьезоэлектрических преобразователей.
Однако, не известно устройство генерирования электроэнергии, содержащее пьезоэлектрические преобразователи, размещенные на элементах конструкции подводного судна, и подвергающиеся воздействию силы давления забортной воды при изменении глубины погружения подводного судна.
Также известен способ генерирования электроэнергии (патент США №7830071, публ. 09.11.2010), выбранный в качестве прототипа. Согласно известному способу размещают пьезоэлектрические преобразователи на основании, механически их нагружают и получают электроэнергию. При этом пьезоэлектрические преобразователи расположены под дорожным полотном, а электроэнергия генерируется при прохождении транспортом местоположения указанных пьезоэлектрических преобразователей.
Однако, не известен способ генерирования электроэнергии с помощью пьезоэлектрических преобразователей, установленных на элементах конструкции подводного судна и подвергающихся воздействию силы давления забортной воды при изменении глубины погружения подводного судна.
Задачей настоящего изобретения является создание системы и способа генерирования электроэнергии с использованием пьезоэлектрических преобразователей, устанавливаемых на элементах конструкции подводного судна и подвергающихся воздействию силы давления забортной воды при изменении глубины его погружения.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в повышении эффективности системы и способа генерирования энергии, а также в расширении области применения пьезоэлектрических преобразователей с обеспечением возможности их работы при размещении на элементах конструкциях подводного судна.
Указанный технический результат достигается благодаря созданию системы генерирования электрической энергии, содержащей основание, пьезоэлектрические преобразователи, установленные на основании, и средства механического нагружения пьезоэлектрических преобразователей, при этом пьезоэлектрические преобразователи установлены на элементах конструкции подводного судна, жестко не связанных с его корпусом, и имеют рабочее положение, в котором возможно взаимодействие с корпусом подводного судна таким образом, что на пьезоэлектрические преобразователи через корпус подводного судна передается давление забортной воды при изменении глубины его погружения.
Пьезоэлектрические преобразователи могут быть установлены на палубе суда или на элементах конструкций, жестко связанных с палубой.
Пьезоэлектрические преобразователи могут иметь нерабочее положение, в котором они отведены от корпуса подводного судна, а система дополнительно может быть оснащена средствами перевода пьезоэлектрических преобразователей из рабочего положения в нерабочее положение.
Каждый из пьезоэлектрических преобразователей может содержать по меньшей мере два пьезоэлемента, расположенных на одном основании и размещенных в одном корпусе, каждый из которых снабжен пружинным амортизатором, выполненным с возможностью взаимодействия с корпусом судна, причем амортизаторы имеют разную жесткость и длину.
Средства перевода пьезоэлектрических преобразователей из рабочего положения в нерабочее положение могут быть выполнены в виде направляющих, а пьезоэлектрические преобразователи могут быть выполнены с возможностью перемещения по этим направляющим.
Кроме того, технический результат достигается благодаря способу генерирования электрической энергии, заключающемуся в размещении пьезоэлектрических преобразователей на основании, их механическом нагружении и получении электрической энергии, в котором пьезоэлектрические преобразователи располагают на элементах конструкции подводного судна, жестко не связанных с его корпусом, фиксируют их в рабочем положении, в котором возможно взаимодействие пьезоэлектрических преобразователей с корпусом подводного судна, и передают на пьезоэлектрические преобразователи через корпус подводного судна давление забортной воды при изменении глубины его погружения.
Пьезоэлектрические преобразователи могут располагать на палубе подводного судна или на элементах конструкции подводного судна, жестко связанных с палубой.
Пьезоэлектрические преобразователи могут переводить в нерабочее положение, отведением их от корпуса подводного судна и фиксацией в этом положении.
Далее предложенное изобретение описано подробно со ссылками на чертежи, на которых:
на фиг.1 схематически изображена зависимость давления забортной воды на корпус подводного судна от глубины его погружения;
на фиг.2 изображена схема воздействия давления забортной воды на корпус подводного судна на разных глубинах;
на фиг.3 схематически изображено поперечное сечение подводного судна;
на фиг.4 схематически изображен пьезоэлектрический преобразователь и его размещение относительно элементов конструкции подводного судна.
Предложенная система генерирования электроэнергии содержит основание 3, пьезоэлектрические преобразователи 1 (фиг.4), установленные на основании 3 и средства механического нагружения преобразователей 1. В качестве основания используют элементы конструкции подводного судна, жестко не связанные с корпусом 2.
Таким элементом конструкции может быть палуба 3 подводного судна, которая лежит на кронштейнах 4 и жестко не связана с корпусом 2 (фиг.3 и 4). Кроме того, преобразователи 1 могут быть установлены на элементах конструкции судна, жестко связанных с палубой 3 (на чертежах не показано).
Преобразователи 1 имеют рабочее положение, в котором возможно их взаимодействие с корпусом 2 таким образом, что на них через корпус 2 передается давление забортной воды при изменении глубины погружения подводного судна. В этом случае корпус 2 выполняет роль средств механического нагружения преобразователей 1.
В предложенной системе могут быть предусмотрены средства перевода преобразователей 1 из рабочего положения в нерабочее, в котором они отведены от корпуса 2 и исключено их взаимодействие. Данные средства могут быть выполнены, например, в виде направляющих (на чертежах не показаны). При этом преобразователи 1 выполнены с возможностью перемещения, например, вручную, по этим направляющим.
Каждый из преобразователей 1 может содержать несколько пьезоэлементов 5 (фиг.4), расположенных на общем основании 6. Оптимальным количеством пьезоэлементов 5 с точки зрения ремонтопригодности является два - три пьезоэлемента. Кроме того, каждый преобразователь 1 может содержать пружинные амортизаторы 7, 8 и 9, взаимодействующие с пьезоэлементами 5 и с корпусом 2 судна, и передающие на пьезоэлементы 5 давление забортной воды через корпус 2 судна при изменении глубины его погружения. Каждый из амортизаторов 7, 8 и 9 может иметь на одном конце толкатель 10 для взаимодействия с корпусом 2, например, толкатель шарообразной формы, позволяющий оптимально снимать горизонтальную составляющую силы давления на корпус 2 судна. На другом конце каждого из амортизаторов 7, 8 и 9 может быть выполнена пластина 11, прилегающая к пьезоэлементу 5 и обеспечивающая передачу давления от корпуса 2 судна.
Амортизаторы 7, 8 и 9 предпочтительно имеют разную длину и жесткость. При этом амортизатор 9, имеющий наибольшую длину (фиг.4), имеет наименьшую жесткость, а амортизатор 7, имеющий наименьшую длину, имеет наибольшую жесткость. Длина амортизаторов 7, 8 и 9 определяет положение их толкателей относительно корпуса 2 судна. Так, например, толкатель амортизатора 9, расположен ближе всего к корпусу 2, а толкатель амортизатора 7, расположен дальше всего от корпуса 2. Такое выполнение преобразователей 1 предусматривает поэтапное включение пьезоэлементов 5 в работу по мере погружения судна и увеличения давления забортной воды.
Выбор соотношения длины амортизаторов и их жесткости может быть определен опытным путем. Давление на пьезоэлементы регулируют изменением глубины погружения подводного судна.
Благодаря такому выполнению преобразователей 1 исключается преждевременное разрушение пьезоэлементов 5.
Преобразователи 1 могут быть распределены по периметру палубы и размещены в местах допускающих их установку.
Электрические заряды, получаемые на электродах пьезоэлементов каждого из преобразователей 1 в дальнейшем подаются в накопители электроэнергии, которые могут быть выполнены независимыми или могут быть включены в состав общей корабельной энергетической системы. Могут быть также предусмотрены преобразователи электроэнергии, обеспечивающие управление накопленной энергией, например, в виде постоянного тока.
Предложенный способ генерирования электрической энергии реализуется следующим образом. Преобразователи 1 располагают на элементах конструкции судна, жестко не связанных с корпусом 2 судна и фиксируют их в рабочем положении, в котором возможно взаимодействие с корпусом 2 подводного судна. При изменении глубины погружения подводного судна на корпус 2 начинает действовать давление забортной воды, показанное стрелками на фиг.4, приводящее к деформации корпуса 2. При этом корпус 2 начинает оказывать давление на преобразователи 1, на электродах которых образуются электрические заряды, которые в дальнейшем передаются потребителю электроэнергии.
Преобразователи 1 могут располагать как на палубе 3 судна, так и на элементах конструкции, жестко связанных с палубой.
В случае необходимости отключить преобразователи 1, их переводят в нерабочее положение.
Использование предложенной системы позволяет получить дополнительный источник электроэнергии, для работы которого не требуется всплытия подводного судна в надводное положение.
Кроме того, предлагаемая система может быть использована по усмотрению персонала, задающего частоту необходимого изменения глубины погружения подводного судна.
Размеры и стоимость изготовления элементов системы позволяют производить замену вышедших из строя в повседневных условиях.