Поплавковая волновая электростанция

Полезная модель относится к области электротехники и может использоваться при производстве электрической энергии путем преобразования механической энергии волн в электрическую энергию, передаваемую в системы электропитания метеобуев, буев связи, маяков и т.п. и применяться как составная часть группы электростанций, объединенных в одну сеть для питания систем освещения пирсов, набережных, других потребителей.
Известна «Волновая энергетическая установка» (Патент РФ 2440510, МПК F03B 13/18, опубл. 20.01.2012 г., БИ №2), содержащая линейный электрогенератор тока, состоящий из статора и генерирующего сердечника, способного к вертикальному возвратно-поступательному движению внутри статора, полый поплавок, шток, кинематически связывающий сердечник с поплавком, вертикальные направляющие балки с двигающимися по ним опорными роликами, демпферами. Установка снабжена вертикальной стойкой и укрепленным на ней корпусом, выполненным в виде пустотелого корпуса из неметаллического материала с центральными отверстиями на своде и на днище, внутри которого размещены статор и генерирующий сердечник, при этом вертикальные направляющие балки жестко закреплены на своде и на днище корпуса, опорные ролики прикреплены к боковой поверхности генерирующего сердечника, а поплавок, имеющий днище, носовую часть, свод и вентиль, связан со штоком через шарнирное устройство, которое жестко присоединено к своду поплавка.
Недостатками устройства являются низкий КПД и неравномерность процесса преобразования механической энергии волн в электрическую, низкая надежность и недостаточная долговечность конструкции. Работу сложной многокомпонентной системы обеспечивают направляющие ролики, подшипники, сальники, шарниры, что усложняет изделие и влияет на надежность, особенно в условиях агрессивной среды морской воды.
Известна «Поплавковая волновая электростанция» (Патент РФ №2513070, МПК F03B 13/18, опубл. 20.04.2014 г., БИ №11), которая содержит обтекаемый герметичный поплавок и вертикально расположенный внутри поплавка цилиндрический корпус с размещенным в нем маятником. Маятник подвешен к концу троса, который переброшен через блок, установленный на вращающейся оси. Другой конец троса прикреплен к якорю, установленному на дне. К вращающейся оси блока присоединен ротор электрического генератора с постоянными магнитами. Статор генератора закреплен на корпусе. Обмотка статора генератора присоединена к входу зарядного устройства, а выход устройства присоединен к аккумулятору, который вместе с устройством находится в приборном отсеке в верхней части поплавка.
Недостатками устройства является низкая эффективность преобразования механической энергии волн в электрическую энергию, вызванная малой величиной амплитуды и частоты ЭДС, наводимой в обмотке генератора, поскольку преобразование линейного перемещения поплавка во вращательное движение ротора электрического генератора осуществляется без редукции, необходимой для достижения требуемого уровня скорости вращения ротора генератора. Кроме этого, при появлении качки поплавка натяжение троса будет ослабляться и, вследствие этого, коэффициент сцепления троса с блоком будет снижаться вплоть до нулевого значения, в результате появится проскальзывание троса и прекращение передачи вращения на ротор генератора.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является «Поплавковая волновая электростанция (варианты)» (Патент № RU 2567916, МПК F03B 13/18, опубл. 10.11.2015). Поплавковая волновая электростанция, принятая за прототип, содержит обтекаемый герметичный поплавок, а также блок, закрепленный на поплавке, через который переброшен трос. К концу этого троса прикреплен вертикальный маятник. Устройство содержит также электрический генератор и якорь, установленный на дне. На поплавке закреплен дополнительный блок, а между первым и дополнительным блоком на поплавке установлены два барабана на одном валу. На первый барабан намотан трос, к концу которого прикреплен маятник, а на второй барабан намотан трос, переброшенный через дополнительный блок и прикрепленный к якорю. При этом направление намотки тросов на первый и второй барабаны противоположное. Между общим валом барабанов и ротором электрического генератора установлен мультипликатор. Мультипликатор позволит при той же самой высоте волны и угле поворота барабанов повысить частоту вращения ротора электрического генератора. При подходе волны поплавок под действием выталкивающей силы всплывает на гребень волны и расстояние носовой части поплавка, на которой расположен дополнительный блок, от дна увеличивается. Натяжение троса, прикрепленного к якорю, возрастает, трос сматывается со второго барабана и вращает его вместе с первым барабаном. При вращении первого барабана трос, закрепленный к маятнику, наматывается на первый барабан и поднимает маятник. При вращении обоих барабанов будет вращаться также и ротор электрического генератора. Электрический генератор преобразует механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию. При спуске поплавка с гребня волны расстояние носовой части поплавка до дна уменьшается и уменьшается натяжение троса, закрепленного к якорю. Подвешенный в воде маятник создает постоянное натяжение троса, закрепленного к маятнику, и по мере опускания носовой части поплавка маятник будет опускаться и сматывать трос с первого барабана, вращая оба барабаны. При вращении второго барабана трос, закрепленный к якорю, будет наматываться на второй барабан. Вместе с обоими барабанами будет вращаться ротор электрического генератора. Наличие маятника в поплавковой волновой электростанции, принятой за прототип, является недостатком, наличие которого приводит к снижению эффективности преобразования механической энергии волн в электрическую энергию, к увеличению массы и габаритов электростанции и к снижению ее надежности. На интервале первого полупериода волны, определяемого временем передвижения поплавка от впадины волны до гребня волны,  выталкивающая сила поплавка затрачивается на преодоление момента сопротивления генератора, пропорционального величине вырабатываемой электрической энергии на этом интервале периода волны, на запас потенциальной энергии маятника и на преодоление сопротивления водной среды движению маятника вверх.  На интервале второго полупериода волны, определяемого временем перемещения поплавка от гребня волны до впадины волны, потенциальная энергия, запасенная маятником, затрачивается на преодоление момента сопротивления генератора, пропорционального величине вырабатываемой электрической энергии на этом интервале периода волны, на преодоление сопротивления водной среды движению маятника вниз и на преодоление подъемной силы поплавка, которая по сути ограничивает скорость перемещения маятника вниз. С учетом этого количество электрической энергии, вырабатываемой электростанцией на интервале второго полупериода волны, меньше, чем на интервале первого полупериода волны. Кроме этого, при колебаниях морской среды маятник совершает неконтролируемые колебания в морской среде, которые приводят к появлению как килевой, так и бортовой качки поплавка, что осложняет работу электростанции и понижает ее надежность.
Задачей является создание поплавковой волновой электростанции с улучшенными технико-экономическими, энергетическими и массагабаритными показателями.
Техническим результатом является повышение эффективности работы поплавковой волновой электростанции за счет обеспечения непрерывности процесса преобразования энергии морских волн в электрическую энергию.
Технический результат достигается тем, что поплавковая волновая электростанция, содержащая поплавок, электрический генератор, два блока, два барабана, закрепленные на общем валу с двумя свободными концами, на каждый барабан намотан трос, причем направление намотки тросов на первый и второй барабаны противоположное, а также мультипликатор, установленный между первым свободным концом общего вала барабанов и ротором электрического генератора, дополнительно снабжена вторым поплавком, стойкой с подшипником, двумя блоками, двумя направляющими втулками штоков, вертикальными стойками, горизонтальной опорой, двумя балками, причем на первой балке закреплены две направляющие втулки штоков, а на второй балке закреплены четыре блока, каждый поплавок закреплен на штоке, размещенном в направляющей втулке штока, причем направляющие втулки штоков закреплены на первой балке, таким образом, что линейное расстояние между ними равно половине длины волны, к концу каждого штока закреплен свободный конец троса, который проходит через два блока, обе балки закреплены на вертикальных стойках, один конец которых закреплен в фундаменте электростанции, а второй конец закреплен на горизонтальной опоре, на которой закреплены электрический генератор, барабаны, мультипликатор и стойка с подшипником, в котором установлен второй свободный конец общего вала барабанов.
Существенные отличия, позволяющие реализовать технический результат:
вместо массивного и объемного маятника установлен второй поплавок;
каждый поплавок при подъеме от впадины волны к гребню волны передает на общий вал барабанов максимальное количество механической энергии, определяемое выталкивающей силой поплавка;
поскольку поплавки размещены в пространстве с пространственным сдвигом, равным половине длины волны, то в момент времени, когда первый поплавок достигнет гребня первой волны, второй поплавок займет положение во впадине второй волны и под действием выталкивающей силы начнет движение вверх к гребню второй волны, передавая на общий вал барабанов максимальное количество механической энергии, определяемое этой выталкивающей силой.
Таким образом, на вал барабанов будет передаваться максимальное количество механической энергии без перерывов во времени. Благодаря этому повышается эффективность преобразования механической энергии морских волн в электрическую энергию при уменьшении веса и размеров электростанции.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена функциональная схема поплавковой волновой электростанции и введены следующие обозначения:
1 - первый поплавок;
2 - второй поплавок;
3 - шток первого поплавка;
4 - шток второго поплавка;
5 - трос первого барабана;
6 - первый барабан;
7 - трос второго барабана;
8 - второй барабан;
9, 10 - блоки троса первого барабана;
11, 12 - блоки троса второго барабана;
13 - вал;
14 - мультипликатор;
15 - стойка с подшипником;
16 - синхронный генератор;
17 - направляющая втулка штока первого поплавка;
18 - направляющая штока второго поплавка;
19 - балка для крепления направляющих втулок;
20 - балка для крепления направляющих блоков;
21, 22 - вертикальные стойки;
23 - горизонтальная опора.
Устройство содержит первый поплавок 1 и второй поплавок 2, каждый из которых жестко соединен со штоками 3 и 4, соответственно. Шток 3 поплавка 1 соединен с тросом 5 первого барабана 6, а шток 4 поплавка 2 соединен с тросом 7 второго барабана 8. Трос 5 соединен с первым барабаном 6 через блоки 9 и 10, а трос 7 соединен со вторым барабаном 8 через блоки 11 и 12. Барабаны 6 и 8 закреплены на общем валу 13, один конец которого соединен с входным валом мультипликатора 14, а второй конец общего вала 13 установлен в стойке с подшипником 15. Выходной вал мультипликатора 14 соединен с ротором синхронного генератора 16. Шток 3 первого поплавка 1 размещен в направляющей втулке первого штока 17, а шток 4 второго поплавка 2 размещен в направляющей втулке второго штока 18. Направляющие втулки 17 и 18 закреплены на балке 19 с пространственным сдвигом, равным половине длины волны. Блоки 9, 10, 11 и 12 закреплены на балке 20. Балки 19 и 20 закреплены на вертикальных стойках 21 и 22, верхние концы которых закреплены на горизонтальной опоре 23, а нижние концы закреплены в фундаменте электростанции.
Устройство работает следующим образом. Размещение поплавков с пространственным сдвигом, равным половине длины волны, обеспечивает временной сдвиг движения поплавков 1 и 2, равный половине периода волны. С учетом этого, при движении одного поплавка от впадины волны к гребню волны под действием выталкивающей силы, второй поплавок перемещается от гребня волны к впадине очередной волны и т.д.
м
м
м
При движении первого поплавка 1 вверх, от впадины волны к гребню волны, шток 3 перемещается вверх, увлекая за собой трос 5 первого барабана 6. Трос 5 первого барабана 6 разматывается и приводит во вращение барабаны 6 и 8, закрепленные на общем валу 13. Барабаны при движении одного поплавка вверх совершат N оборотов, причем N=2А/L, где А - амплитуда волны, а L - длина окружности поверхности барабана, на которую наматывается трос. Вращение барабанов приводит во вращение входной и выходной валы мультипликатора 14, а также ротор синхронного генератора 16. При этом скорость вращения выходного вала мультипликатора 14 и ротора синхронного генератора 16 больше скорости вращения барабанов в i раз, где i - коэффициент редукции мультипликатора. Таким образом, при подъеме поплавка 1 от впадины волны к гребню волны ротор синхронного генератора совершит N·i оборотов. При подъеме поплавка 1 поплавок 2 вместе со штоком 4 опускается вниз от гребня волны к впадине волны, трос 7 наматывается на барабан 8, т.к. направление намотки тросов 5 и 7 на барабаны 6 и 8 - противоположные.
Движение троса 5 направляется блоками троса первого барабана 9 и 10, а движение штока 3 направляется  направляющей втулкой 17. Движение троса 7 направляется блоками троса  второго барабана 11 и 12, а движение штока 4 направляется направляющей втулкой 18. После завершения движения поплавка 1 от впадины волны к ее гребню выталкивающая сила поплавка 1 исчезнет и процесс преобразования механической энергии волны в электрическую энергию с помощью поплавка 1 на этом интервале времени прекратится, в это же время поплавок 2 достигнет впадины очередной волны и под действием выталкивающей силы, действующей на поплавок 2, начинает движение вверх от впадины второй волны к ее гребню, разматывая трос 7 и тем самым приводя во вращение барабаны 6 и 8. Процесс преобразования механической энергии волны в электрическую энергию продолжится, но уже с помощью поплавка 2. На интервале времени подъема поплавка 2 поплавок 1 вместе со штоком 3 перемещается вниз от гребня волны 1 к впадине волны 2, трос 5 наматывается на барабан 6, затрачивает лишь небольшую часть энергии поплавка 2 и практически не оказывает существенного влияния на эффективность преобразования энергии морской волны в электрическую энергию. Мощность, вырабатываемая поплавком 2 при подъеме от впадины второй волны к ее гребню и передаваемая на вал синхронного генератора, равна мощности, вырабатываемой поплавком 1 при подъеме от впадины первой волны до ее гребня и передаваемой на вал синхронного генератора.
Мощность, создаваемая выталкивающей силой поплавка 1 на интервале первого полупериода волны, Вт:
попл.
попл
в
в
Р=Fʋ=mg4А/Т,
попл
где F = mg - выталкивающая сила поплавка 1, Н;
m - масса воды, объем которой равен объему поплавка, кг;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
в
ʋ - скорость перемещения волны, м/с;
в
в
в
ʋ=2А/(0,5Т)=4А/Т.
в
Т - период волны, с.
А - амплитуда волны, м.
п
3
Масса m, выраженная в кг, числено равна объему поплавка V, выраженному в дм.
г
Электрическая мощность, вырабатываемая синхронным генератором на интервале первого полупериода волны, Р, Вт.
г.
попл
п.в.э.
Р=Рη
п.в.э
где η - КПД поплавковой волновой электростанции в целом.
п.в.э
г
м
б
η= ηηη,
г
г
где η - КПД синхронного генератора, η≈0,8÷0,9;
м
м
η - КПД мультипликатора, η≈0,9÷0,95;
б
б
η - КПД барабана, η≈0,9÷0,95.
п.в.э
Нетрудно установить, что η≈0,65÷0,81.
п
г
Используя приведенные выше расчетные соотношения можно определить объем поплавка V, необходимый для генерирования синхронным генератором требуемого значения электрической мощности Р:
п
г
в
п.в.э
V=РТ /(4Аgη).
г
в
п.в.э
Пример: необходимо определить объем поплавка при следующих исходных данных: Р=10000 Вт; Т=5с; А=2,5 м; η=0,75.
п
г
в
п.в.э
3
V=РТ/(4Аgη)=10000·5/(4·2,5·9,8·0,75)=680 дм.
3
Объем 680 дм имеет, например, поплавок, диаметр которого равен 12 дм, а высота равна 6 дм. Напомним, что заявляемая полезная модель имеет два поплавка с одинаковыми размерами.
Из рассмотренного выше следует, что заявляемая поплавковая волновая электростанция  преобразует энергию морских волн в электрическую энергию с постоянным уровнем эффективности, без перерывов во времени и обладает лучшими масса-габаритными характеристиками по сравнению с поплавковой волновой электростанцией, принятой за прототип, благодаря отсутствию маятника.