ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
WAVE POWER GENERATING STATION

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к электрогенерирующим установкам, использующим энергию морских волн. Система таких модулей, установленных с определенным шагом вдоль побережья, может служить не только источником электроэнергии, но и сооружением инженерной защиты берега от воздействия крупных волн.
Известны многие конструкции преобразователей энергии волн в электрическую энергию от экспериментальных моделей до промышленных установок. Среди них есть очень удачные по эффективности отбора волновой энергии (“Утка” Солтера, плот Коккерелла и др.). Однако практическая реализация подобных проектов связана с большими материальными затратами при невысокой эффективности передачи энергии от воспринимающего устройства до вала генератора. Кроме того, первая из упомянутых энергоустановок не адаптирована к ориентации фронта волны, вторая же - к длине последней. Эти недостатки сдерживают широкое применение данных энергоустановок (В.А. Коробков. Преобразование энергии океана. - Л.: “Судостроение”, 1986, с.140-142). Следует отметить, что сама идея использования системы связанных поплавков в виде контурного плота, предложенная еще в 1935 году К.Э. Циолковским, является наиболее перспективной и в волновой энергетике, и в инженерной защите побережий от волновой эрозии (см. там же, с.133).
6
6
Известны “точечные” преобразователи энергии волн в электроэнергию с использованием различных кинематических передач. К ним относятся “Волновая энергетическая машина” (пат. RU 2141057, кл. F03В 13/20), “Поплавковая волновая электростанция” (пат. RU 2037642, кл. F03В 13/16), а также энергоустановка, защищенная патентом RU 2221933, кл. F03В 13/18 на “Способ использования энергии морских волн и устройство для его осуществления”. К их общим недостаткам следует отнести низкий кпд при отборе волновой энергии, несовершенство механизма ее передачи к валу генератора, нестабильность частоты его вращения, а следовательно, и параметров получаемой электрической энергии. К тому же все они не способны заметно ослабить опасное для берегов волнение моря.
7
Наиболее близким к заявляемому изобретению техническим решением (наряду с контурным плотом К.Э.Циолковского) является “Волновая энергетическая установка”, разработанная в АО “Белгородский завод энергетического машиностроения” (пат. RU 2147077, кл. F03В 13/16), принятая за прототип.
В данном изобретении представлена волновая энергетическая установка, содержащая над водной поверхностью каркас с площадкой и поплавки, соединенные посредством блока конических и цилиндрических зубчатых колес и шестерен с валом отбора мощности, на котором установлены маховик и муфта для соединения с электрогенератором, отличающаяся тем, что она имеет поплавки, закрепленные на штангах не одинаковой длины с общей осью и имеющие форму трехгранной призмы с выступающими гранями, независимые в своих относительных движениях, а пространство между боковыми поплавками выполнено с обеспечением возможности свободного прохода волны на средний поплавок.
Здесь заложена ценная идея рассредоточения поплавков, воспринимающих как потенциальную, так и кинетическую энергию волн, в направлении их движения, а также независимой передачи усилия штанг на общий вал с маховиком.
Однако данная установка имеет целый ряд недостатков. Во-первых, она жестко связана с основанием, закрепленным на морском дне, следовательно, эффективность ее работы сильно зависит от направления движения волн. Этим же усложняется ее установка в глубоководных местах. Во-вторых, количество поплавков явно не достаточно для равномерного отбора энергии волн в течение их периода, при этом более слабая волна, приходящая вслед за сильной, не способна эффективно воздействовать на кинематическую систему установки из-за недостаточной скорости подъема поплавков. В-третьих, даже удовлетворительная в энергетическом отношении работа маховика не способна поддерживать частоту вращения ротора генераторов переменного тока в нормируемых пределах. В-четвертых, конструкция поплавков не гарантирует их четкую работу при сильном волнении моря, когда в прибрежной зоне (на мелководье) передний фронт волны круто встает и даже опрокидывается. В-пятых, установка, рассчитанная на использовании в прибрежных зонах, не способна обеспечить достаточно интенсивное гашение волн для защиты берега от волновой эрозии.
Задачей предлагаемой волновой электростанции (ВЭС) является устранение выше указанных недостатков известных аналогов при минимальном усложнении ее конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой конструкции волновой электростанции, содержащей систему поплавков, кинематическую систему с муфтами свободного хода и маховиком, связанным с электрогенератором, согласно изобретению система поплавков выполнена в виде контурного плота с динамическим якорем, при этом поплавки соединены с динамическим якорем предварительно напряженными упругими связями, кинематическая система имеет общий многозвенный карданный вал, связанный с корпусом каждого поплавка кинематической парой с возрастающим от звена к звену в направлении от машинного отсека передаточным отношением и соединенный жестко либо через муфту предельного момента с маховиком, к валу которого непосредственно либо через мультипликатор присоединен стабилизатор частоты вращения, выполненный в виде, например, динамической муфты, с которой связан ротор электрогенератора.
Оснащение системы поплавков в виде контурного плота динамическим якорем позволяет использовать предлагаемую ВЭС при любой глубине моря и любом направлении его волн.
Упругие связи в виде, например, предварительно напряженных пружин растяжения, соединяющие поплавки с легким динамическим якорем, устраняют необходимость использования веса поплавков для их возврата в нижнее положение, сопряженного (как и при подъеме) с отбором энергии, что позволяет максимально облегчить их, снизив тем самым нежелательные инерционные нагрузки. При этом нежесткая связь динамического якоря с анкером на дне моря обеспечивает возможность плоту самоустанавливаться в оптимальном направлении - по ходу волн.
Использование в кинематической системе ВЭС общего многозвенного карданного вала, связанного корпусом каждого поплавка кинематической парой, например, зубчатой передачей, с возрастающим от звена к звену в направлении от машинного отсека передаточным отношением, обеспечивает оптимальный отбор энергии у волны любой амплитуды на пути ее прохождения под плотом с затуханием, обусловленным отбором ее энергии.
Установка перед маховиком муфты предельного момента предохраняет элементы кинематической системы от запредельных динамических нагрузок при “нештатных” режимах.
Подключение электрогенератора через стабилизатор частоты вращения (при минимальных потерях энергии в самом стабилизаторе) позволяет поддерживать параметры электрического тока на выходе генератора в допустимых по действующим стандартам пределах, обеспечив возможность параллельной работы с другими ВЭС и внешней сетью.
На фиг.1 показан общий вид волновой электростанции, на фиг.2 - продольный разрез в плоскости симметрии плота, на фиг.3 - его сечение “Б-Б”, на фиг.4 - сечение “А-А”.
Электростанция состоит из системы поплавков, головного 1 и секционных 2, а также машинного отсека 3, связанных шарнирными соединениями, геометрические оси которых проходят через точки перегиба установленного по продольной оси секционных поплавков 2 карданного вала 4. Каждый поплавок кинематически связан с секцией карданного вала, установленной в соседнем поплавке, например, конической зубчатой передачей, состоящей из пары зубчатых колес 5 и шестерни 6 (либо фрикционной передачей), при этом передаточное отношение для каждой секции вала возрастает в направлении от машинного отсека 3, а каждое колесо 5, свободно установленное на своей полуоси 7, оснащено муфтой свободного хода 8 с обеспечением возможности свободного вращения вала 4 в одну определенную сторону. На конце последней секции вала 4 установлена муфта предельного момента 9, связанная с главной передачей 10 привода маховика 11, к валу которого (непосредственно либо через мультипликатор) присоединен стабилизатор частоты вращения в виде, например, известной динамической муфты (муфты скольжения) 12, с которой связан ротор генератора 13. Вместо мультипликатора и стабилизатора может быть установлен один из известных вариаторов с автоматическим регулированием частоты вращения ведомого вала.
Секции карданного вала 4 соединены между собой, например, шлицевыми муфтами 14.
Места соединения поплавков между собой и с машинным отсеком 3 герметически закрыты эластичными вставками 15, а торцы корпусов оснащены буферами 16, в носовой части головного поплавка 1 имеется массивный бампер 17. Боковые стенки поплавков усилены вертикальными пластинами 18, проушины которых посредством упругих связей 19 соединены с динамическим якорем 20, подвижно связанным с анкерной опорой. От машинного отсека 3 до анкерной опоры и далее до места подключения проложен электрический кабель 21.
ВЭС также оснащена известными подшипниковыми узлами, сальниковыми устройствами, бандажами, а - при необходимости - известной системой притапливания плота в экстремальных штормовых условиях.
Волновая электростанция работает так. При отсутствии волнения осадка поплавков 1 и 2 минимальна из-за предельно малой массы их и связанного с ними динамического якоря 20. В силу этого резерв подъемной силы поплавков максимальный. Начальное усилие упругих связей 19 определяется не весом динамического якоря 20, а их предварительно напряженным известным способом состоянием с обеспечением суммарного усилия, равного половине подъемной силы плота (с равномерным распределением между всеми связями).
При наличии волн время нахождения поплавков на гребне намного меньше, чем в ложбине, поэтому динамический якорь 20 самоустанавливается на уровне, соответствующем нахождению поплавков вблизи средней отметки впадин, обеспечивая максимальную амплитуду колебания поплавков 1 и 2. Благодаря предельно малой массе последних подъемная сила волн, обусловленная их как потенциальной, так и отчасти кинетической энергией, а также противоположно направленное усилие упругих связей 19 с максимально достижимой эффективностью передается на вал 4 при наименьших затратах на преодоление инерционных сил, связанных с переменным движением (линейным и угловым) шарнирно соединенных элементов плота.
Передача принятой от волн энергии на электрический генератор осуществляется при изменении взаимного положения в каждой паре шарнирно связанных элементов плота: поворот одного элемента относительно другого в любую сторону приводит во вращение соответствующее колесо 5, установленное на полуоси 7, жестко связанной с “приводным” поплавком, с передачей момента на сопряженную шестерню 6, при этом второе колесо, также находящееся в зацеплении с этой шестерней, муфтой свободного хода 8 освобождается от кинематической связи с “приводным” поплавком и вращается вхолостую.
Передаточное отношение в кинематических парах не одинаково: оно снижается от звена к звену в направлении хода волны - от носовой части плота к его “корме”, соответственно в любой рассматриваемый момент при работе электростанции снижается и мгновенная угловая скорость их приводных колес, поскольку ведомый вал у них общий. Следовательно, волна практически любой амплитуды начинает свою “работу” с того поплавка, скорость поворота которого относительно соседнего окажется больше угловой скорости соответствующего колеса 5 непосредственно перед проходом данной волны под этим поплавком.
Шарнирное соединение последней пары элементов плота, состоящей из секционного поплавка 2 и машинного отсека 3, отбирает часть остаточной энергии волны, хотя последний не меняет своей ориентации относительно горизонта, удерживаемый гироскопическими силами вращающегося маховика 11, его вертикальные колебания также незначительны (т.к. масса его большая, а волна уже ослабленная), что снижает механические нагрузки на кабель 21.
При ударе по плоту опасной (крутой) волны либо тяжелого плавающего предмета по бамперу 17 головного поплавка 1 установленная на карданном валу 4 муфта предельного момента 9 защитит вал 4 с соединительными муфтами 14, главную передачу 10 и другие элементы кинематики от запредельных и ударных нагрузок. В нормальном же режиме вес бампера 17 обеспечивает достаточный вращающий момент для работы этого поплавка на заднем склоне волны.
Предельный угол сгиба в шарнирном соединении пары поплавков ограничен буферами 16.
Необходимый запас энергии, аккумулированный маховиком 11, необходим не столько для выравнивания частоты вращения его вала, сколько для покрытия кратковременного недостатка в энергии, связанного с превышением реальных интервалов времени между приходом достаточно мощных волн. Хотя длина плота принимается примерно равной наибольшей расчетной длине γ волн, характерных для данного места установки ВЭС, всегда вероятны нарушения их ритмичности, связанные как с их интерференцией, так и с другими случайными процессами. Оптимальный режим отбора мощности электрогенератором 13 осуществляется с помощью динамической муфты 12 либо других известных устройств с автоматическим поддержанием частоты вращения и достаточно высоким кпд.
Эластичные вставки 15 изолируют элементы кинематики, расположенные между поплавками, от внешней среды, увеличивают плавучесть и улучшают обтекаемость плота.
Боковые пластины 18 препятствуют поперечному перемещению воды под плотом, что повышает кпд отбора энергии, а также положительно влияют на процесс самопроизвольной установки плота по направлению движения волн.
Рассмотренная ВЭС способна снабжать электроэнергией как стационарных потребителей (на берегу или на морских промысловых платформах), так и мобильных (морская геология, плавучие средства добычи и переработки морепродуктов и др.). Система прибрежных ВЭС надежно защитит берег и находящиеся в прибойной зоне сооружения от разрушения волнами, сохраняя в то же время необходимое для экосистемы мелководья малое волнение моря.