МОДУЛЬНАЯ УСТАНОВКА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВОЛН В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ
MODULAR UNIT FOR CONVERTING WAVE ENERGY INTO ELECTRIC ENERGY

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к волновым энергетическим установкам, использующим энергию морских волн. Идея использования системы связанных плотов для использования энергии волн была предложена К.Э. Циолковским еще в 1935 году. В настоящее время известны работающие конструкции преобразователей энергии волн в электроэнергию. Среди них выделяются такие, как осциллирующая водяная колонна с воздушной турбиной Уэллса. Огромный буй-генератор РВ 150 длинной 42 метра с одиннадцатиметровым поплавком удерживаемый якорной системой. "Утка Солтера" это большое количество поплавков, связанных кинематически в цепь на одном валу, плавающих на поверхности воды. У всех преобразователей энергии волн можно найти недостатки, но основным достоинством всех этих конструкций является производство электроэнергии за счет энергии волн, при этом они не изменяют и не загрязняют окружающую среду. Приведенные примером конструкции устанавливают недалеко от берега на мелководье и фиксируют якорем или стойками на дне, причина течения, приливы и отливы, ветер. Электроэнергия, произведенная на волновой электростанции передается на берег по электрическому кабелю.
Наиболее близкой к предлагаемой конструкции является разработанная в АО Белгородский завод энергетического машиностроения" Волновая энергетическая установка" (пат. RU 2147077 С1, кл. F03B 13/16), содержащая каркас с площадкой, блок шестерен и колес, вал отбора мощности соединенный через муфту с электрогенератором, поплавки на штангах. Представленная конструкция принята за прототип. К недостаткам данной установки следует отнести. Первое, отсутствие мобильности, данная установка крепится опорами к морскому дну. Второе, неравномерность вращения вала отбора мощности. Это происходит по причине того, что поплавки напрямую соединены посредством блока конических, цилиндрических зубчатых колес и шестерен с валом отбора мощности, а ускорение, передаваемое на поплавки потенциальной энергией волны, зависит от переменных величин: периода прохождения волн, а также от их длины и высоты. Третье, массивный маховик, предназначенный для стабилизации частоты вращения ротора электрогенератора и накопления энергии, при малой скорости вращения вала мощности, потерях от трения в подшипниках и об окружающий воздух не эффективен. Четвертое, установка имеет большую инерционность: поплавки, конические и цилиндрические зубчатые колеса, блок шестерен, вал отбора мощности, маховик все это испытывает разрушающие нагрузки при периодически возникающем ударе от кинетической энергии волны. Пятое, при большом волнении моря и крутой волне всю установку будет заливать водой, что приведет к коррозии металла и выходу из строя электрической части установки. Известное техническое решение не может обеспечить стабильное и эффективное преобразование энергии морских волн в энергию используемую потребителем на берегу или вдали от берега на больших глубинах.
Энергия, возникающая при волновом движении воды в морях и океанах огромна и по плотности на 1 кв. м превышает ветровую энергию в 10 раз. Техническим результатом изобретения является возможность наиболее эффективно использовать энергию морских волн с помощью модульных установок преобразования энергии волн, установленных стационарно или на плавающем средстве и способных генерировать электроэнергию, используя для этого потенциальную энергию морских волн в любом месте волновой активности моря или океана, а в отсутствие волн генерировать электроэнергию, расходуя механическую энергию, накопленную в упругих пружинах.
Предложенное изобретением техническое решение позволяет устранить вышеперечисленные недостатки известных прототипов и увеличить КПД установки, применив в качестве преобразователя и накопителя механической энергии упругую спиральную пружину.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой конструкции "Модульной установки преобразования энергии волн (МУПЭВ)" в электроэнергию, содержащей основание со стойками, поплавок на штанге, соединенный с валом отбора мощности, на котором установлена муфта для соединения с электрогенератором, согласно изобретению поплавок закрепленный стержнем на штанге, которая противоположным концом закреплена на вилке, внутри которой на общем валу с вилкой находится механический преобразователь и одновременно накопитель механической энергии, выполненный в виде корпуса барабана с закрепленными на нем двумя крышками с отверстиями в центре, в которые вставлен вал. Крышка, выполненная в виде храпового колеса, неподвижно закреплена на корпусе барабана. Храповое колесо и барабан представляют одно целое и эта деталь механизма называется храповой барабан. При необходимости храповой барабан можно изготовить, вырезая зубья храпового механизма непосредственно на корпусе барабана. Внутри храпового барабана упругая спиральная пружина наружным концом крепится к корпусу барабана, а внутренним концом к валу. Когда рабочее тело (вода) поднимает поплавок, стержень поднимает штангу и вилку. Закрепленная на вилке собачка входит в зацепление с храповым барабаном и вместе с ним поворачивает корпус барабана и верхний конец пружины, тем самым натягивает спиральную пружину внутри барабана. Собачка, закрепленная на основании, удерживает храповой барабан от возврата в исходное положение. Внутренний конец пружины упругой силой вращает вал, который опирается и свободно вращается внутри стоек, закрепленных на основании. Энергия колебания волн, пройдя через механический преобразователь и накопитель энергии, преобразуется в энергию вращения вала, который через муфту и повышающий обороты редуктор соединен с валом электрогенератора. Легкий и объемный поплавок обладает большой чувствительностью, малая полусфера реагирует на волны с невысоким гребнем волны, а большая полусфера поплавка не дает проваливаться в гребень волны, что позволяет передавать без потерь потенциальную энергию волны на штангу, которая легко поворачивает храповой барабан и через спиральную пружину внутри барабана, без кинетических толчков, плавно вращает вал отбора мощности. Стойки, закрепленные на основании, удерживают вал на определенной высоте и не позволяют валу, вилке и барабану смещаться в продольном направлении.
Упругая спиральная пружина, КПД которой равен 0,96, верхним концом закреплена к корпусу храпового барабана, а нижним к валу отбора мощности. Барабан поворачивается и тянет за собой упругую спиральную пружину, которая передает крутящий момент на вал отбора мощности или сжимаясь накапливает избыточную механическую энергию. Конструкция вала отбора мощности предусматривает подсоединение к нему агрегатов и устройств потребляющих энергию вращения. Если вал отбора мощности МУПЭВ соединить с редуктором и через коробку передач, с валом гребного винта судна, то судно сможет передвигаться по воде, используя только энергию волны. Концы вала отбора мощности обработаны так, что на концах вала образованы одинаковые по длине, равные диаметру вала по ширине, разнонаправленные площадки, расположенные вдоль оси вала с отверстиями под крепление болтами. В данной конструкции левая площадка вала мощности предназначена для соединения с другой модульной установкой преобразования энергии волн.
Установка модулей в ряд друг за другом на общий вал отбора мощности ограничено только размерами судна. Для большей устойчивости судна модули симметрично размещают по правому и по левому борту. Каждый добавленный модуль суммирует общую мощность установки. При необходимости, соединение производят с помощью карданной передачи.
Правая площадка вала отбора мощности предназначена для соединения с валом, на котором находится предохранительная муфта, далее расположен повышающий обороты редуктор, соединенный с ротором электрогенератора.
Предохранительная муфта предназначена для защиты от перегрузки предельной аккумулированной энергии пружин.
Повышающий обороты редуктор позволяет поддерживать обороты вала оптимальные для работы электрогенератора.
Размещение МУПЭВ в электроэнергию внутри судна или в закрытом боксе, позволяет использовать установку, не опасаясь угрозы повреждения водой. Штанга, стойка и поплавок вынесены за борт судна через овальное отверстие в борту и закрыто гибким, гидроизолирующим рукавом который крепится фланцем к борту, а к штанге хомутом.
На Фиг. 1 показан общий вид модульной установки преобразования энергии волн в электроэнергию, разрез А-А, Фиг. 2 - вид сбоку, Фиг. 3 - вид сверху разрез Б-Б (см. Фиг. 1)
Установка содержит основание 1, стойки 2 закреплены на основании 1, на стойках 2 лежит вал отбора мощности 3 закрепленный сверху крышкой 4 и 5. На валу проточены канавки, на которые надеты пружинные кольца 6 для фиксации вала 3 от продольного перемещения. Концы вала обработаны так, что на концах вала образованны одинаковые по размеру разнонаправленные площадки, расположенные вдоль оси вала, с местами под крепление болтами. Левая площадка с отверстиями предназначена для соединения с другим модулем волновой энергетической установки, что повышает суммарную мощность установки. Правая с резьбой под болты 7, для соединения с валом отбора мощности, на котором находится предохранительная муфта 8, далее расположен повышающий обороты редуктор 9 соединенный с валом электрогенератора 10. Вилка 11 (шатун) закрепленная крышками 12 и 13 на валу 3 свободно качается вверх вниз. Внутри вилки 11 на валу 3 установлен барабан, состоящий из корпуса 14 и крышки 15. Крышка барабана 15 выполнена в виде храпового колеса 16, которое закреплено болтами к корпусу 14. Внутри барабана 14 находиться лента спиральной пружины 17, верхний конец пружины закреплен на корпусе барабана 14 болтами 18, а другой конец пружины закреплен на валу 3 болтами 19. Под барабаном установлена стойка 20 закрепленная на основании 1. Внутри стойки 20 на оси 21 закреплена подпружиненная пружиной 22 собачка 23. Контактируя с храповым колесом 16, собачка 23 препятствует вращению корпуса барабана 14 в исходное состояние. Подпружиненная пружиной 24 собачка 25 установлена внутри вилки 11 на оси 26, контактируя с храповым колесом 16, вращает корпус барабана 14, поднятием вилки 11. На вилке 11 болтом 27 закреплена штанга 28. На конце штанги 28 в прорези на оси 29 установлен стержень 30, на который насажены поплавки 31 в виде полусфер разного размера. Место выхода штанги через борт судна выполнено в виде овального отверстия, с двух сторон герметично закрыто водонепроницаемыми эластичными рукавами, прикрепленными к борту фланцами, а на штанге закреплены хомутами.
Модульная установка преобразования энергии волн в электроэнергию работает следующим образом.
Данная установка размещается внутри судна, МУПЭВ с правым расположением штанги вдоль правого борта, МУПЭВ с левым расположением штанги вдоль левого борта и закрепляется на основании 1. Через овальное отверстие в борту штанга 28 выводиться за пределы судна, таким образом, чтобы поплавок 31 в отсутствии волн лежал на поверхности воды, а штанга 28 занимала горизонтальное положение. Когда к борту судна подходит гребень волны, вода поднимает поплавок 31 вверх, вместе с ним поднимается конец штанги 28, при этом другой конец штанги 28 вместе с вилкой 11, свободно поворачиваются на валу 3, поднимая вверх собачку 25. Собачка 25 входит в зацепление с храповым колесом 16, поворачивает храповой барабан 14, который натягивает пружину 17 и аккумулирует механическую энергию. Через упругую спиральную пружину 17 потенциальная энергия передается на вал 3, затем на муфту 8, через повышающий обороты редуктор 9 на электрогенератор 10. Гребень волны отошел от поплавка 31, образовалась впадина. Штанга 28 и поплавок 31 под собственной тяжестью падают вниз, при этом собачка 25 свободно скользит по храповому колесу, а собачка 22 наоборот, входит в зацепление с храповым колесом 16, не давая храповому барабану 14 вернуться в исходное положение. Следующая волна поднимает поплавок и весь процесс повторяется.