УСТРОЙТВО ДЛЯ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ПОДВОДНОГО ЭНЕРГОАККУМУЛИРУЮЩЕГО ОБЪЕКТА
DEVICE FOR ENERGY SUPPLY OF AN UNDERWATER ENERGY STORAGE FACILITY

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроэнергетических системах донных причальных устройств и подводных гаражей - заглубителей и т.п., предназначенных для энергообеспечения подводных роботов.
Известно устройство энергообеспечения подводных объектов, реализованное в полезной модели «Система электроснабжения телеуправляемого подводного аппарата с судна-носителя» (патент РФ на полезную модель №46611, МПК H01Q 1/34; B60L 9/00, опубл. 10.07.2005 г., Б.И. №19) содержащее входной преобразователь, вход которого соединен с судовой электрической сетью, инверторное устройство, силовой трансформатор, кабель-трос, питающий конец которого соединен с согласующим трансформатором первого подводного блока системы, установленного на заглубителе. Второй подводный блок, установленный на подводном аппарате, включает второй согласующий трансформатор, первичными обмотками связанный с плавучим кабелем, передающим питание и сигналы телеуправления к аппаратуре подводного аппарата, а вторичными обмотками - с первым и вторым блоками управляемых выпрямителей, выходы которых подключены к клеммам питания аппаратуры подводного аппарата, второй выход одного из указанных блоков управляемых выпрямителей соединен с конвертором постоянного тока, выход которого также подключен к клеммам питания аппаратуры подводного аппарата.
Передача электрической энергии с судна - носителя на борт подводного объекта осуществляется по электрическому кабелю и имеет следующие недостатки: ограничены глубина погружения и автономность работы подводного объекта, ограничена также и величина электрической энергии, передаваемой на подводный объект по электрическому кабелю.
Известно устройство реализовано в изобретении «Устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект» (патент РФ на изобретение №2502170, МПК H02J 3/18, опубл. 20.12.2013 г., Б.И. №35), которое содержит однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты, блок управления этим инвертором, входной конденсатор и первичную обмотку трансформатора повышенной частоты, а также расположенные на подводном объекте в блоке выпрямителя вторичную обмотку трансформатора, однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель, сглаживающий реактор и выходной конденсатор, при этом обмотки трансформатора повышенной частоты снабжены в первом варианте плоскими магнитными экранами, а во втором - чашечными сердечниками и центральными стержнями.
Передача электрической энергии на борт подводного объекта осуществляется через немагнитный зазор ферромагнитного сердечника трансформатора при механическом контакте сопрягаемых частей стыковочного узла, одна часть которого размещена на судне - носителе, а другая - на подводном объекте. Бесконтактный способ энергообеспечения и устройство для его реализации имеют следующие недостатки:
- ухудшение энергетических характеристик и понижение надежности энергообеспечения подводных объектов в процессе работы из-за увеличения тока намагничивания трансформатора;
- увеличение потерь мощности, вызванных появлением на сопрягаемых поверхностях стыковочного узла посторонних объектов - ракушек, водорослей и т.п.
- недостатком является также ограничение автономности работы подводного объекта из-за необходимости нахождения судна - носителя в районе работы подводного объекта для периодического пополнения энергии подводного объекта.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству энергообеспечения подводного объекта для его реализации и принятый за прототип является «Способ энергообеспечения подводного аппарата и устройство для его реализации» (патент РФ на изобретение №2724197 С1, МПК B63G 8/00; H02J 7/14, опубл. 22.06.2020 г., Б.И. №18). Устройство, реализующее энергообеспечение подводного аппарата, содержит аккумуляторную батарею, полупроводниковый преобразователь, электромеханический преобразователь - синхронную машину с магнитоэлектрическим возбуждением, ротор которой механически соединен с винтом, а обмотка статора подключена к цепи переменного тока полупроводникового преобразователя, цепь постоянного тока которого подключена к аккумуляторной батареи. В состав устройства входят также устройство контроля положения продольной оси корпуса подводного аппарата и управления им и устройство для фиксации положения продольной оси корпуса подводного аппарата встречно направлению морского потока и неподвижно по отношению к морскому дну. В качестве источника энергии для заряда аккумуляторной батареи используется морское течение. Преобразование механической энергии морского течения в электрическую энергия, передаваемую для заряда аккумуляторной батареи, осуществляется синхронной машиной, ротор которой механически связан с лопастями гребного винта. При этом синхронная машина работает генератором, а обратимый полупроводниковый преобразователь работает в режиме активного выпрямителя.
Известное устройство, реализующее этот способ, содержит аккумуляторную батарею, полупроводниковый преобразователь, электромеханический преобразователь - синхронную машину с магнитоэлектрическим возбуждением, ротор которой механически соединен с винтом, а обмотка статора подключена к цепи переменного тока полупроводникового преобразователя, цепь постоянного тока которого подключена к аккумуляторной батареи. В состав устройства, реализующего заявляемый способ, входят также устройство контроля положения продольной оси корпуса подводного аппарата и управления им и устройство для фиксации положения продольной оси корпуса подводного аппарата встречно направлению потока воды и неподвижно по отношению к морскому дну. Преобразование механической энергии встречного морского потока в электрическую энергию, передаваемую для заряда аккумуляторной батареи, осуществляется синхронной машиной, ротор которой механически связан с лопастями гребного винта. При этом синхронная машина работает генератором, а обратимый полупроводниковый преобразователь работает в режиме активного выпрямителя.
Известный устройство энергообеспечения подводного аппарата в случае применения для энергообеспечения подводного энергоаккумулирующего объекта имеет следующий недостаток:
- подводные энергоаккумулирующие объекты должны устанавливаться на морском дне в зоне с низкими значениями скорости придонных течений. Выполнение этого требования необходимо для обеспечения надежного причаливания и стыковки подводного робота к энергоаккумулирующиму объекту для зарядки аккумуляторов подводного робота. Высокая скорость придонного течения существенно осложняет этот процесс, а иногда делает его не выполнимым. В то же время эффективность генерирования электрической энергии при использовании энергии морского течения пропорциональна скорости морского потока в третьей степени.
С учетом указанного выше, эффективность устройства, принятого за прототип, при использовании энергии морского течения, оказывается не достаточно высокой.
Задачей предлагаемого технического решения является создание устройства, обеспечивающего эффективное и надежное энергообеспечение подводного энергоаккумулирующего объекта.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение эффективности и надежности энергообеспечения подводного энергоаккумулирующего объекта при использовании механической энергии морских волн в качестве источника энергии.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для энергообеспечения подводного энергоаккумулирующего объекта, содержащем источник энергии, электромеханический преобразователь энергии, а также аккумуляторную батарею и систему управления подводного энергоаккумулирующего объекта, имеются следующие отличия: дополнительно введены в качестве электромеханического преобразователя поплавковая волновая электростанция, содержащая N поплавковых генераторов, опора с положительной плавучестью, блок контроля, управления и дистанционного мониторинга, N выпрямителей, кабель-трос, содержащий силовой и информационный кабели, лебедки с электромеханическим приводом и силовые тросы для фиксации положения опоры с положительной плавучестью в заданной точке акватории мирового океана, причем генераторы поплавковой волновой электростанции имеют общий поплавок, а их корпуса закреплены на верхней плоскости опоры с положительной плавучестью, обмотка каждого генератора подключена на вход выпрямителя, цепи постоянного тока всех выпрямителей соединены последовательно и подключены к входному концу силового кабеля кабель-троса, а выходной конец силового кабеля кабель-троса подключен к аккумуляторной батарее энергоаккумулирующего объекта, блок контроля, управления и дистанционного мониторинга размещен на верхней плоскости опоры с положительной плавучестью и через информационный кабель кабель-троса подключен к системе управления энергоаккумулирующего объекта, силовые тросы с одной стороны закреплены к четырем углам опоры с положительной плавучестью, а с другой стороны - к лебедкам с электромеханическим приводом, которые закреплены на фундаменте.
Существенные отличия, позволяющие реализовать технический результат:
- преобразование механической энергии морских волн в электрическую энергию переменного тока осуществляет поплавковая волновая электростанция, размещенная на опоре с положительной плавучестью и закрепленная с помощью силовых тросов к фундаменту, на котором размещен энергоаккумулирующий объект;
- электрическая энергия переменного тока поплавковой волновой электростанции преобразуется с помощью выпрямителей в электрическую энергию постоянного тока. Выходные напряжения выпрямителей суммируются и передаются силовым кабелем кабель-троса в аккумуляторную батарею подводного энергоаккумулирующего объекта. Повышение напряжения постоянного тока при передаче энергии на энергоаккумулирующий объект позволяет снизить величину тока в проводах силового кабеля кабель-троса, уменьшить потери мощности и повысить эффективность энергообеспечения подводного энергоаккумулирующего объекта;
- энергоаккумулирующий объект размещен на морском дне в акватории с наиболее благоприятными для причаливания и стыковки подводных роботов условиями окружающей морской среды;
- контроль параметров поплавковой волновой электростанции и состояния окружающей среду осуществляется блоком контроля, управления и дистанционного мониторинга, что обеспечивает надежную и безопасную работу всего устройства в целом.
Таким образом, энергообеспечение энергоаккумулирующего объекта осуществляется поплавковой волновой электростанцией, размещенной на опоре с положительной плавучестью, величина заглубления которой регулируется изменением длины силовых тросов с помощью лебедок с электромеханическим приводом. В случае необходимости поплавковая волновая электростанция и опора с положительной плавучестью могут быть заглублены на безопасную глубину. Команду на включение электромеханических приводов лебедок формирует блок контроля, управления и дистанционного мониторинга, который осуществляет контроль электрических параметров поплавковой волной электростанции, а также контроль и анализ состояния окружающей среды и осуществляет телекоммуникационную связь с источниками внешней информации, например, со спутниками. Благодаря этому обеспечивается повышение эффективности, автономности и надежности энергообеспечения подводного энергоаккумулирующего объекта.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена функциональная схема электроэнергетической системы и введены следующие обозначения:
1 - опора с положительной плавучестью;
2 - поплавковые генераторы;
3 - поплавок;
4 - выпрямители;
5 - силовые тросы;
6 - лебедки с электромеханическим приводом;
7 - блок контроля, управления и дистанционного мониторинга;
8 - кабель-трос;
9 - энергоаккумулирующий объект (подводный гараж или причальное устройство);
10 - фундамент.
Устройство для энергообеспечения подводного энергоаккумулирующего объекта содержит опору с положительной плавучестью 1, на которой размещены поплавковые генераторы 2 с общим поплавком 3, выпрямители 4, силовые тросы 5, лебедки с электромеханическим приводом 6, блок контроля, управления и дистанционного мониторинга 7, кабель-трос 8, содержащий силовой и информационный кабели, энергоаккумулирующий объект 9, содержащий аккумуляторную батарею и систему управления энергоаккумулирующего объекта (на чертеже не показаны), размещенный на фундаменте 10. Поплавковые генераторы 2, размещенные на опоре 1, и поплавок 3 образуют поплавковую волновую электростанцию. Положение опоры 1 и поплавковых генераторов 2 в заданной точке акватории мирового океана зафиксировано с помощью силовых тросов 5.
Устройство работает следующим образом. Преобразование механической энергии морских волн осуществляется поплавковой волновой электростанцией, в состав которой входит N поплавковых генераторов 2, имеющих общий поплавок 3, и размещенных на верхней плоскости опоры с положительной плавучестью 1, закрепленной с помощью силовых тросов 5 к фундаменту 10, на котором размещен подводный энергоаккумулирующий объект 9. При движении морской волны поплавок 3 вместе с индукторами (на чертеже не показано) поплавковых генераторов 2 совершает возвратно-поступательные движения (Мартынов А.А., Самсыгин В.К. Волногенератор поплавкового типа. Труды Крыловского государственного научного центра. 2014. №81 (365). С.132-142.) при этом в обмотках статора (на чертеже не показано) поплавковых генераторов 2 наводятся ЭДС:
m
где Е - максимальное (амплитудное) значение ЭДС;
ω - угловая частота ЭДС, генерируемой в обмотке статора;
t - время;
ф
W - число витков одной фазы генератора;
Ф - магнитный поток одного полюса индуктора генератора;
э
ƒ - частота ЭДС, генерируемой в обмотке статора;
э
В результате этого механическая энергия морских волн преобразуется поплавковой волной электростанцией в электрическую энергию переменного тока с частотой ƒ.
э
Частоту ƒ можно определить из соотношения:
где: А - амплитуда волны,
в
Т - период волны;
τ - полюсное деление магнитной системы генератора;
в
ƒ - частота волны.
р
Коэффициент электрической редукции генератора k можно определить по формуле:
э
в
р
Частота ƒ больше частоты колебания морской волны ƒ в k раз.
Электрическая энергия переменного тока поплавковой волновой электростанции с помощью выпрямителей 4 преобразуется в электрическую энергию постоянного тока. Выходные цепи выпрямителей 4 соединены последовательно благодаря этому выходные напряжения выпрямителей 4 суммируются. Электрическая энергия, вырабатываемая поплавковой волновой электростанцией, передается в аккумуляторную батарею (на чертеже не показано) подводного энергоаккумулирующего объекта 9 с помощью силового кабеля кабель-троса 8. Суммирование выходных напряжений выпрямителей 4 позволяет повысить величину постоянного напряжения, уменьшить величину тока, передаваемого по силовому кабелю кабель-троса 8, снизить потери мощности в силовом кабеле кабель-троса 8 и повысить эффективность энергообеспечения подводного энергоаккумулирующего объекта 9. Контроль электрических параметров поплавковой волной электростанции, контроль и анализ состояния окружающей среды, а также телекоммуникационную связь с источниками внешней информации, например, со спутниками, осуществляет блок контроля, управления и дистанционного мониторинга 7, оснащенный датчиками внутренней и внешней информации (на чертеже не показаны). Собранная и обработанная блоком 7 информация передается по информационному кабелю кабель-троса 8 в систему управления (на чертеже не показана) энергоаккумулирующего объекта 9. По командам блока 7, в частности, производится включение и отключение электромеханических приводов лебедок с электромеханическим приводом 6 для регулирования при помощи силовых тросов 5 величины заглубления поплавковой волновой электростанции и опоры с положительной плавучестью 1.
Таким образом, за счет того, что в предложенном устройстве для энергообеспечения подводного энергоаккумулирующего объекта дополнительно введены поплавковая волновая электростанция, содержащая N поплавковых генераторов, опора с положительной плавучестью, блок контроля, управления и дистанционного мониторинга, N выпрямителей, кабель-трос, содержащий силовой и информационный кабели, лебедки с электромеханическим приводом и силовые тросы для фиксации положения опоры в заданной точке акватории мирового океана, достигается повышение эффективности, автономности и надежности энергообеспечения подводного энергоаккумулирующего объекта, что выгодно отличает предложенное изобретение от прототипа.