ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к производству электроэнергии в частности без отрицательного воздействия на окружающую среду путем преобразования энергии волн.
Аналогом является, например, волновая электрическая установка (патент GB №2008686, опубликованный 06.06.1979). Волновая электрическая установка содержит поплавок цилиндрической формы, установленный на поплавке блок через который переброшена гибкая связь, один конец которой прикреплен к якорю, а другой к погружному противовесу. Вал блока через муфту свободного хода соединен с мультипликатором. К выходу мультипликатора присоединен маховик и вал электрического генератора.
Наиболее близка к предлагаемой волновой электрической установке волновая электрическая установка (патент РФ №1460394, опубликованный 23.02.1989). В прототипе волновая электрическая установка содержит герметичный поплавок (понтон) удлиненной формы, два расположенных по бортам понтона электрических генератора, валы которых соединены с двумя приводами, каждый из которых включает силовой горизонтальный вал с храповиком, редуктором, маховиком и шкивом, при этом шкивы охватывает гибкая связь, на концах которой закреплены грузы разной массы, и на поплавке установлен парус, выполненный в виде жалюзи с поворотными пластинами, имеющими механизм поворота.
В прототипе груз большей массы, прикрепленный к одному из концов гибкой связи, опускается под действием своего веса на дно водоема, а второй груз, прикрепленный к другому концу гибкой связи и имеющий меньшую массу, подвешен между дном и поверхностью воды. При волнении понтон, благодаря наличию стабилизаторов, располагается перпендикулярно движению волны. Колебания понтона на волнах вызывают смещение гибкой связи на шкивах приводов генераторов, при этом шкивы вращаются. Вращение шкивов при помощи храповиков и редукторов передается маховикам, приводящим во вращение роторы генераторов. Наличие в прототипе паруса позволяет увеличить амплитуду качания понтона и вращения шкивов. При вращении роторов генераторы вырабатывают электрическую энергию, которая передается потребителям по кабелю.
Основными недостатками прототипа является низкий ресурс, низкая надежность, плохая остойчивость и низкое качество электроэнергии. Низкий ресурс прототипа, обусловлен включением в состав волновой электрической установки двух приводов генераторов с храповиками и редукторами, имеющих ограниченный ресурс работы. Включение в приводы храповиков и редукторов снижает общую надежность волновой электрической установки. Плохая остойчивость прототипа обусловлена расположением понтона перпендикулярно направлению движения волны, то есть бортом. Расположение генераторов с приводами, имеющих большую массу, по бортам понтона и наличие паруса, смещенного от центральной оси к одному из бортов, также ухудшает остойчивость. Давление ветра на парус направлено в поперечном направлении (в сторону одного из бортов понтона) и будет усиливать бортовую качку. Плохая остойчивость прототипа могут привести к опрокидыванию понтона и потере волновой электрической установки. Низкое качество электроэнергии обусловлено нестабильностью частоты вращения электрического генератора, которую невозможно стабилизировать за счет храповика и маховика.
Предлагаемая полезная модель позволит создать поплавковую волновую электростанцию с более простой конструкцией, более надежную, с большей остойчивостью и с более высоким качеством электроэнергии.
Это достигается тем, что в волновой электрической установке, содержащей герметичный поплавок, удлиненной формы, парус, размещенный на поплавке электрический генератор, шкивы, через которые переброшена гибкая связь, один конец которой прикреплен к якорю, установленному на дне водоема, а второй конец прикреплен к маятнику, гибкая связь расположена вдоль продольной оси поплавка от носа к корме, якорь прикреплен к гибкой связи со стороны носа, а маятник прикреплен к гибкой связи со стороны кормы. Электрический генератор расположен в центральной части поплавка вблизи центра водоизмещения, парус располагается на корме. Выход электрического генератора соединен со входом выпрямителя, выход выпрямителя соединен с емкостью, к емкости подключен вход стабилизатора напряжения, выход стабилизатора напряжения подключен ко второй емкости, к которой подключен также вход инвертора, а с выхода инвертора электроэнергия подается потребителям.
На фиг. 1 показан вид предлагаемой волновой электрической установки со стороны носа. На фиг. 2 - сечение волновой электрической установки по линии А-А. На фиг. 3 показан вид сверху волновой электрической установки. На фиг. 4 показана работа волновой электрической установки при подъеме на гребень волны. На фиг. 5 показана работа волновой электрической установки при спуске с гребня волны. На фиг. 6 показана структура статического преобразователя напряжения волновой электрической установки. Изображенная на фиг.1, 2 и 3 волновая электрическая установка имеет обтекаемый герметичный поплавок 1 удлиненной формы, выполненной в виде катамарана. На днище каждого корпуса поплавка 1 установлен киль (стабилизатор) 2, повышающий остойчивость поплавка 1. Корпусы поплавка объединяет общая палуба 3. В кормовой части на каждом корпусе поплавка 1 закреплены паруса 4, которые, как и киль 2, обеспечивают ориентацию продольной оси поплавка 1 параллельно направлению ветра и перпендикулярно фронту волны. На палубе 3 установлены блоки 5, 6, 7, 8 и 9 через которые переброшена гибкая связь 10 (шнур, канат или цепь). Гибкая связь 10 проходит вдоль продольной оси поплавка 1 от носа к корме. Со стороны носа поплавка 1 конец гибкой связи 10 прикреплен к якорю 11, а со стороны кормы поплавка 1 ко второму концу гибкой связи 10 прикреплен маятник 12. Ось среднего блока 7 соединена с ротором электрического генератора 13. От электрического генератора 13 электроэнергия может быть передана по подводному электрическому кабелю 14 или воздушной линией электропередачи на берег, либо использоваться на борту поплавка 1 для питания опреснительной установки, зарядки аккумуляторов или для других устройств.
Поплавковая волновая электростанция работает следующим образом - в исходном состоянии, при отсутствии волны маятник 12 своим весом создает силу натяжения гибкой связи 10, которая заставляет поплавковую волновую электростанцию расположиться над якорем 11. Положение элементов электростанции при отсутствии волн не изменяется, и электроэнергия не вырабатывается.
При наличии волн давление волн на киль 2 и давление ветра на парус 4 заставит поплавок 1 расположиться носом против направления движения волн, при этом продольная ось поплавка 1 будет перпендикулярна к фронту волны. При подходе волны поплавок 1 под действием силы Архимеда всплывает на гребень волны (фиг. 4), длина части гибкой связи 10 от якоря 11 до блока 9 увеличивается, а длина части гибкой связи 10 от блока 5 до маятника 12 уменьшается. При смещении гибкой связи 10 блоки 5, 6, 7, 8 и 9 вращаются. Вместе с блоком 7 вращается ротор генератора 13 с постоянными магнитами. Вращение ротора с постоянными магнитами генератор 13 преобразует в электрическую энергию, которую можно снять с обмотки статора генератора 13.
При спуске поплавка 1 с гребня волны (фиг. 3) длина части гибкой связи 10 от якоря 11 до блока 9 уменьшается, а длина части гибкой связи 10 от блока 5 до маятника 12 увеличивается. При смещении гибкой связи 10 блок 7 поворачивается вместе с ротором генератора 13 в другую сторону, и генератор 13 вновь преобразует механическую энергию, которую он получает от блока 7, в электрическую энергию.
При колебаниях волновой электрической установки на волнах примерно по синусоидальному закону частота вращения шкивов и ротора генератора 13 изменяется. Вследствие этого выходное напряжение генератора 13 имеет переменную амплитуду и частоту. Для некоторых устройств такая нестабильная электроэнергия подходит, например, для систем отопления.
Для получения стабильного переменного напряжения со стандартной амплитудой и частотой выходное напряжение генератора 13 по кабелю 14 подается на вход преобразователя напряжения 15, который может находиться на борту поплавка 1 или на берегу (фиг. 6). Преобразователь напряжения 15 имеет выпрямитель 16, емкость 17, стабилизатор 18 напряжения, емкость 19 и инвертор 20.
Выпрямитель 16 выпрямляет выходное напряжение генератора 13, и выпрямленное напряжение с выхода выпрямителя 16 поступает на емкость 17. Емкость 17 является накопителем электроэнергии, но постоянное напряжение на емкости 17 изменяется из-за колебаний напряжения на выходе генератора 13. Стабилизатор 18 напряжения преобразует нестабильное постоянное напряжение на емкости 17 в стабилизированное постоянное напряжение и обеспечивает заряд емкости 19 при постоянном напряжении. Инвертор 20 преобразует постоянное напряжение на емкости 19 в стандартное переменное со стабильной амплитудой и частотой.
В отличие от прототипа в предлагаемой волновой электрической установке нет храповиков и редукторов или других компонентов, имеющих низкий ресурс и надежность. Ротор генератора соединен непосредственно с одним из шкивов без промежуточных элементов. Повышение частоты выходного напряжения в предлагаемой волновой электрической установке обеспечивается не за счет применения редуктора, а за счет применения генератора с постоянными магнитами на роторе, у которого можно выполнить большое число пар полюсов ротора, то есть за счет электрической редукции. Изменение направления вращения ротора генератора с постоянными магнитами не нарушает работоспособности генератора, поэтому храповик также не нужен. Вследствие этого ресурс и надежность предлагаемой волновой электрической установке будет выше, чем у прототипа.
Остойчивость предлагаемой волновой электрической установки будет выше, чем у прототипа, поскольку гибкая связь расположена вдоль поплавка удлиненной формы от носа к корме, поплавок выполнен обтекаемым и располагается носовой частью к фронту движущейся волны, а не бортом, как прототип. Наиболее тяжелый компонент - электрический генератор на предлагаемой волновой электрической установке установлен только один, расположенный в центральной части поплавка, около центра водоизмещения, а не два, расположенные по бортам, как у прототипа. Плоскость паруса в рабочем состоянии предлагаемой волновой электрической установке расположена параллельно направлению движения ветра, поэтому парус не усиливает бортовую качку, как в прототипе.
Стандартное качество электроэнергии переменного тока в предлагаемой волновой электрической установке обеспечивается преобразователем напряжения, присоединенным между выходом электрического генератора и потребителями.