УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВОЛН
DEVICE FOR WAVE ENERGY CONVERSION

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к плавучим установкам, использующим энергию морских волн.
Известно устройство для преобразования энергии волн, содержащее герметичное плавучее основание, маятник, выполненный с возможностью качания в ограниченном диапазоне относительно плавучего основания вокруг горизонтальной оси (см. патент США №8134281, 2012 г.). Устройство также включает средство отбора мощности маятника, выполненное в виде вторичной высокочастотной вибрационной системы, возбуждаемой ударами маятника.
Недостатками данного устройства являются низкая мощность и низкая эффективность из-за невозможности настройки периода колебаний маятника в резонанс с морскими волнами.
Известно устройство для преобразования энергии волн, содержащее герметичное плавучее основание, маятник, выполненный с возможностью качания относительно плавучего основания вокруг горизонтальной оси, снабженный средствами настройки периода колебаний маятника в виде привода вертикального перемещения маятника (см. патент США №8026620, 2011 г.). Устройство также включает средство отбора мощности маятника, выполненное с возможностью взаимодействия с электрогенератором.
Недостатками данного устройства являются высокая материалоемкость герметичного плавучего основания из-за большого диапазона перемещения маятника для настройки собственной частоты колебаний маятника в резонанс с длинными морскими волнами, имеющими наибольшую энергия, а также необходимости синхронного перемещения средства отбора мощности маятника.
Известно устройство для преобразования энергии волн, содержащее плавучее основание, маятник, выполненный с возможностью качания относительно плавучего основания вокруг горизонтальной оси, снабженный средствами настройки периода колебаний маятника в виде привода вертикального перемещения груза маятника (см. патент США №8198745, 2012 г. ). Устройство также включает средство отбора мощности маятника, выполненное с возможностью взаимодействия с электрогенератором.
Данное устройство является наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и выбрано в качестве прототипа. Недостатком прототипа является высокая материалоемкость маятника из-за большого диапазона перемещения груза маятника для настройки собственной частоты колебаний маятника в резонанс с длинными морскими волнами, имеющими наибольшую энергия. Вторым недостатком прототипа является низкая надежность из-за наличия нежесткого длинноходового механизма перемещения груза маятника.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое решение, выражается в снижении стоимости и в повышении эффективности устройства для преобразования энергии волн.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в упрощении и снижении материалоемкости конструкции за счет исключения тяжеловесных элементов в средствах настройки периода колебаний маятника, расположенных на большой высоте, а также в повышении надежности средств настройки периода колебаний маятника.
Поставленная задача решается тем, что устройство для преобразования энергии волн, содержащее плавучее основание, маятник, выполненный с возможностью качания относительно плавучего основания вокруг горизонтальной оси, снабженный средствами настройки периода колебаний маятника, и средство отбора мощности маятника, выполненное с возможностью взаимодействия с электрогенератором, отличается тем, что средства настройки периода колебаний маятника выполнены в виде нескольких водонаполняемых танков, жестко закрепленных на маятнике на разном расстоянии от оси его качания, водяного насоса, расположенного на маятнике в нижней его части, и системы подачи воды в танки, включающей распределительные клапаны и трубопроводы, связывающие водяной насос с каждым из танков.
Кроме того, в средства настройки периода колебаний включен дополнительный водяной насос, расположенный на плавучем основании, и связанный напорным трубопроводом с одним из танков.
Кроме того, водонаполняемые танки выполнены одинакового объема.
При этом признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки "… средства настройки периода колебаний маятника выполнены в виде нескольких водонаполняемых танков, жестко закрепленных на маятнике на разном расстоянии от оси его качания, водяного насоса, расположенного на маятнике, предпочтительно в нижней его части, и системы подачи воды в танки, включающей распределительные клапаны и трубопроводы, связывающие водяной насос с каждым из танков" позволяют упростить средства настройки периода колебаний маятника, исключить из привода настройки все тяжеловесные элементы, расположенные на большой высоте, а также позволяют заменить малонадежный длинноходовой привод закрепленными на маятнике элементами, не требующими обслуживания.
Признаки "в средства настройки периода колебаний включен дополнительный водяной насос, расположенный на плавучем основании, и связанный напорным трубопроводом с одним из танков" позволяют обеспечить непрерывность автоматической работы устройства путем эпизодической компенсации возникающих при работе утечек или испарения воды.
Признак "водонаполняемые танки выполнены одинакового объема" позволяет снизить потери энергии на регулирование периода колебаний маятника, а также минимизировать рассеяние энергии маятника из-за движения воды в танках.
Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен вид на устройство для преобразования энергии волн перпендикулярно к направлению перемещения волны. На фиг. 2 - вид на устройство вдоль направления перемещения волны (якорь условно не показан). На фиг. 3 - структурная схема управляющей части средств настройки периода колебаний маятника. На фиг. 4 - принципиальная гидравлическая схема устройства для преобразования энергии волн. На фиг. 5 - положение элементов устройства на склоне волны с большим периодом (заполненный водой танк затушеван, фронтальная опора маятника и средство отбора мощности условно не показаны). На фиг. 6 - положение элементов устройства на склоне волны с малым периодом. На чертежах обозначено: 1 - плавучее основание, 2 - водная поверхность, 3 - якорь, 4 - лопасть, 5 - маятник, 6 - ось качания маятника, 7, 8, 9 и 10 - водонаполняемые танки, 11 и 12 - вертикальные опоры, 13 и 14 - зубчатые рейки, 15 и 16 - зубчатые колеса, 17 и 18 - вертикальные валы, 19 и 20 - электрогенераторы, 21 и 23 - водяные насосы, 22 и 24 - электродвигатели, 25, 26, 27 и 28 - гидрораспределители с электромагнитным управлением (распределительные клапаны), 29, 30, 31, 32 и 33 - трубопроводы, 34 и 35 - предохранительные клапаны, 36 - измеритель характеристик волн, 37 - контроллер.
mах
прив
Устройство для преобразования энергии волн содержит плавучее основание 1, установленное на водной поверхности 2 и удерживаемое от дрейфа с помощью якоря 3. Плавучее основание 1 вытянуто вдоль направления распространения волн и имеет в своей нижней части продольную лопасть 4, препятствующую бортовой качке. Размеры и форма плавучего основания 1 выбираются по критерию максимума амплитуды килевой качки плавучего основания 1 на частоте, соответствующей среднегодовому максимуму спектральной плотности волнения для акватории базирования устройства. При этом, расположение и масса балласта (не показан) могут регулироваться по известным принципам для достижения резонанса килевой качки плавучего основания 1 на максимуме спектральной плотности мгновенного волнения. Конструктивно маятник 5 может быть выполнен в форме кругового сектора в виде легкой фермы, в центральной части которой на разном расстоянии от оси качания 6 жестко закреплены водонаполняемые танки 7, 8, 9 и 10. Причем водонаполняемые танки выполнены одинакового объема. Объем танков и размеры маятника рассчитываются таким образом, чтобы при заполнении водой нижнего танка 7 период колебаний маятника 5 соответствовал максимуму спектральной плотности наибольшего волнения, наблюдаемого в акватории базирования устройства. Например, если максимуму спектральной плотности соответствует период волны Т=10 сек, то приведенная длина маятника L должна составить 25 м. Ось качания 6 размещена на вертикальных опорах 11 и 12, которые закреплены на плавучем основании 1 так, что плоскость качания маятника совпадает с диаметральной плоскостью плавучего основания. Внизу маятника 5, на его дугообразной части, смонтированы зубчатые рейки 13 и 14. Средство отбора мощности маятника включает зубчатые колеса 15 и 16, установленные на вертикальных валах 17 и 18 по обеим сторонам от плоскости качания маятника в зацеплении с зубчатыми рейками 13 и 14 соответственно. Валы 17 и 18 связаны с электрогенераторами 19 и 20 соответственно. Водяной насос 21, приводимый во вращение электродвигателем 22, закреплен в нижней части маятника 5. Дополнительный насос 23, приводимый во вращение электродвигателем 24, установлен на плавучем основании 1. Насос 21 через гидрораспределители с электромагнитным управлением 25, 26 и 27 связан с танками 7, 8, 9, и 10 трубопроводами 29, 30, 31 и 32 соответственно. Насос 23 через гидрораспределитель с электромагнитным управлением 28 связан с танком 10 трубопроводом 33. Устройство также включает предохранительные клапаны 34 и 35, связанные с напорными трубопроводами насосов 21 и 23 соответственно. Измеритель характеристик волн 36 может быть выполнен в виде буя, установленного на водной поверхности вблизи от плавучего основания 1. Контроллер 37 подключен своим входом к выходу измерителя характеристик волн 36, а выходами - к электромагнитам, включающим электродвигатели 22 и 24, а также переключающими гидрораспределители 25, 26, 27 и 28.
mах
прив
Устройство для преобразования энергии волн работает следующим образом. Ветровые волны на водной поверхности 2 воздействуют на плавучее основание 1 и на находящийся вблизи него измеритель характеристик волн 36. Данные о возвышении водной поверхности передаются в реальном времени в виде электрического сигнала в контроллер 37. В контроллере 37 сигнал подвергается преобразованию Фурье, вычисляется период волны Т, при котором наблюдается максимум спектральной плотности волнения и производится расчет приведенной длины маятника L по формуле
2
где g=9,81 м/с - ускорение свободного падения.
прив.
mах
Затем по сохраняемым в памяти контроллера 37 табличным данным определяется номер танка 7, 8, 9 или 10, заполнение которого водой необходимо для достижения рассчитанного значения L При включении электродвигателя 22 и одного из гидрораспределителей 25, 26, 27 вода насосом 21 по трубопроводам 29, 30, 31, 32 подается в соответствующий танк и заполняет его полностью. После этого электродвигатель и гидрораспределители отключаются. В результате маятник 5 настраивается на значение периода собственных колебаний, максимально приближенное к Τ.
Путем периодического включения электродвигателя 24 и гидрораспределителя 28 вода насосом 23 по трубопроводу 33 восполняет возможные утечки воды из гидросистемы, расположенной на маятнике 5. Предохранительные клапаны 34 и 35 обеспечивают защиту гидросистем от перегрузки по давлению. Заполнение одного из танков предупреждает появление нежелательных колебаний жидкости внутри танка при качании маятника.
Под действием ветровых волн плавучее основание 1, удерживаемое якорем 3, испытывает вертикальную и килевую качку, а продольная лопасть 4 препятствует бортовой качке. Возникающие при этом периодические отклонения опор 11 и 12 от вертикали возбуждают вращательные колебания маятника 5 вокруг оси 6 с собственной частотой, соответствующей максимуму спектральной плотности волнения. Тем самым, энергия волн передается маятнику с максимальной эффективностью. Зубчатые рейки 13 и 14, поворачивающиеся вместе с маятником 5, взаимодействуют своими зубьями с зубчатыми колесами 15 и 16, и, тем самым, приводят во вращение вертикальные валы 17 и 18, посредством которых получают вращение роторы электрогенераторов 19 и 20. Полученная на электрогенераторах 19 и 20 электроэнергия далее преобразовывается и передается потребителям на берег любым известным способом, например, посредством подводного кабеля (условно не показан).
прив
прив
mах
По мере изменения характеристик волнения постепенно изменяется рассчитываемое по формуле (1) значение длины маятника L. Когда расчетное изменение L превысит установленное пороговое значение, в контроллере 37 сформируется новый номер заполняемого танка 7, 8, 9 или 10. По сигналам контроллера вновь происходит включение электродвигателя 22 и одного из гидрораспределителей 25, 26, 27. Вода перекачивается в указанный танк, находящийся ближе или дальше от оси качания маятника 6, и, тем самым, маятник 5 настраивается на значение периода собственных колебаний, максимально приближенное к Т. Настройка маятника в резонанс с волнением восстанавливается.
В результате реализации предлагаемого изобретения появляется возможность наиболее эффективным резонансным способом получать энергию ветровых волн на мелко- и глубоководных участках океана, преобразовывая энергию в широком диапазоне частот волн.