ВОЛНОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WAVE POWER PLANT

Изобретение в первом аспекте относится к волноэнергетической установке, т.е. установке, вырабатывающей энергию из волн, образующихся в воде, содержащей плавающее тело, выполненное с возможностью плавания по морю, и электрический линейный генератор, имеющий статор и транслятор (элемент, совершающий поступательные перемещения), совершающий возвратно-поступательные перемещения вдоль центральной оси, причем статор выполнен с возможностью быть заякоренным на дне моря, и транслятор присоединен к плавающему телу посредством соединительного средства, причем транслятор поддерживается множеством элементов качения так, что окружной зазор образован между статором и транслятором.
Во втором аспекте изобретение относится к применению такой волноэнергетической установки.
В настоящей заявке термины «осевой», «радиальный» и «окружной» относятся к осям, образованным возвратно-поступательным перемещением центра транслятора, если не изложено очевидно иначе. Термины «верхний» и «нижний» относятся к вертикальному направлению и относятся к ориентации обсуждаемых компонентов, когда волноэнергетическая установка работает.
Волновые перемещения моря и больших островных озер составляют потенциальный источник, который до сих пор почти не использовался. Тем не менее, были сделаны различные предложения использовать вертикальные перемещения моря для производства электрической энергии в генераторе. Поскольку точка на поверхности моря совершает возвратно-поступательное перемещение, для производства электрической энергии подходит использование линейного генератора.
В документе WO 2004/085842 описана такая волноэнергетическая установка, причем подвижная часть генератора, то есть часть, которая соответствует ротору во вращающемся генераторе, и в настоящей заявке названная транслятором, совершает возвратно-поступательные перемещения относительно статора генератора. В том описании статор заякорен на морском дне. Транслятор посредством проволоки, кабеля или цепи присоединен к телу, плавающему по морю.
Важным является то, что направление линейного перемещения транслятора относительно статора является точным и надежным, так что размер зазора между транслятором и статором остается постоянной величины. Зазор имеет размер 1-5 мм, предпочтительно около 2 мм. Поскольку генератор обсуждаемого типа может быть довольно большим, недостаточная точность направления ведет к риску существенного отклонения размера зазора от заданного. Это приводит к асимметрии возникающих магнитных сил, результатом чего является воздействие пагубных асимметричных сил на транслятор с риском нарушений работы, а также поломки. Электромагнитное преобразование энергии также подвергается отрицательному воздействию неправильного размера зазора.
Между транслятором и статором существуют очень сильные силы магнитного притяжения. Следовательно, для сведения к минимуму нагрузки на подшипники, генератор предпочтительно сделан симметричным, чтобы магнитные силы через зазор на одной стороне перевешивали магнитные силы через зазор на противоположной стороне. Таким образом, требуемая поддерживающая сила, в идеале, равна нулю.
Тем не менее, когда происходит небольшое отклонение от равновесия, магнитные силы на стороне, где зазор уменьшается, будут увеличиваться, и на противоположной стороне, где зазор увеличивается, магнитные силы будут уменьшаться. Посредством этого результирующая магнитная сила будет действовать для дальнейшего перемещения транслятора к стороне, на которой зазор уменьшается.
Задачей настоящего изобретения является выполнение поддерживания транслятора так, чтобы эффективно противодействовать описанному выше эффекту, который возникает, когда изменяется ширина зазора.
Задача изобретения достигается за счет того, что волноэнергетическая установка изначально описанного типа включает в себя конкретные признаки, заключающиеся в том, что каждый элемент качения имеет упругость, которая достаточно мала для соответствия условию, заключающемуся в том, что результатом изменения ширины зазора является изменение полной силы от элементов качения на трансляторе, которая превосходит полные магнитные силы на трансляторе, являющиеся результатом упомянутого изменения ширины.
Посредством этого, силы от элементов качения увеличиваются более быстро, чем магнитные силы, когда зазор уменьшается. Посредством этого, тенденция, заключающаяся в том, что уменьшение ширины зазора ускорится из-за увеличения магнитных сил, устраняется противодействующими силами от элементов качения.
Следует понимать, что упругость элемента качения представляет собой полную поддерживающую упругость, установленную во взаимодействии между элементом качения и дорожками, по которым он катится. Если, например, одна или обе дорожки, по которым катится элемент качения, имеют покрытие, упругость этого покрытия включается в упругость элемента качения. Таким же образом включается эластичность в креплении элемента качения.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изменение упомянутой полной силы от элементов качения находится в диапазоне от 2 до 5 раз больше изменения упомянутой полной магнитной силы.
Посредством этого увеличение сил от элементов качения, по меньшей мере, в два раза превосходит увеличение магнитных сил, что обеспечивает большую надежность в обеспечении достаточной противодействующей силы. Верхний предел диапазона означает, что элементы качения будут иметь конкретную минимальную упругость. Если бы эти элементы были полностью жесткими, могли бы возникнуть другие проблемы из-за высокой точности допусков, которая бы потребовалась для исключения неоднородного давления на различных элементах качения.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления каждый элемент качения имеет вал, установленный на генераторе.
Это является устройством, преимущественным с точки зрения механики, которое обеспечивает хорошо управляемую работу между элементами качения и относительно подвижными частями.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления валы установлены на трансляторе.
Это облегчает достижение адекватной установки элементов качения. Если в отношении поддерживания должны быть выполнены ремонтные работы, например, замена элементов качения или регулировка их установки, будет более удобно, если они установлены на трансляторе.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления каждый элемент качения предварительно нагружен.
Это способствует получению правильного поддерживания транслятора в нейтральном положении и обеспечивает преимущественные силовые условия, когда происходит изменение зазора.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления сила предварительного нагружения на каждом элементе качения находится в диапазоне от 1 до 5 кН.
Для большинства применений сила предварительного нагружения в этом диапазоне будет адекватным балансом между необходимостью в достаточном предварительном нагружении и исключением слишком сильного сдавливания элементов качения в нейтральном положении.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления каждый элемент качения представляет собой колесо со ступицей, выполненной из металла, и слоем качения, выполненным из пластика.
Посредством этого упругость элемента качения заключается в самом элементе благодаря пластиковому слою качения. Таким образом, элемент качения не должен быть упруго установлен, что привело бы к большим затратам на ремонт в случае отказа подшипника. Предпочтительно металл является железом или сталью.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления элементы качения включают в себя множество элементов качения, которые распределены в окружном направлении так, что транслятор поддерживается в двух перпендикулярных направлениях.
Это позволяет иметь магнитные полюсы, распределенные в окружном направлении, у более чем двух сторон транслятора, посредством этого получая большее количество элементов, передающих электромагнитную энергию.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления транслятор имеет основной поперечный контур, перпендикулярный оси, который является многоугольником, предпочтительно правильным многоугольником, посредством чего магниты предусмотрены на каждой стороне многоугольника.
Посредством этого может быть предусмотрено большое количество магнитов, и перевешивание магнитных сил в нейтральном положении транслятора является легкодостижимым. Многоугольный профиль также обеспечивает хорошо образованное поддерживание во всех направлениях. Предпочтительно многоугольник является правильным многоугольником, что обеспечивает большую степень симметрии, приводящую к равномерной эффективности.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления многоугольник является четырехугольником.
С многих точек зрения это ведет к простой и надежной конструкции генератора. Предпочтительно четырехугольник является квадратом.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления транслятор выполнен с возможностью совершать возвратно-поступательные перемещения внутри статора, причем элементы качения расположены снаружи транслятора и установлены у углов многоугольника.
Внутреннее расположение транслятора является преимущественным во многих отношениях, таких как защита от окружающей среды, поддерживание и электрические соединения со статором. Посредством расположения элементов качения снаружи транслятора они могут непосредственно взаимодействовать со статором, что обеспечивает точное поддерживание. Результатом установки элементов качения у углов многоугольника является наиболее стабильное поддерживание, и стороны многоугольника не должны быть частично заняты элементами качения, но будут полностью свободны от магнитов.
Согласно альтернативному предпочтительному варианту осуществления транслятор имеет осевое сквозное отверстие, причем жесткий элемент простирается через сквозное отверстие, а элементы качения расположены в упомянутом сквозном отверстии.
В некоторых применениях такое внутреннее поддерживание ведет к более высокой точности и менее сложной конструкции, в частности, когда профиль поперечного сечения транслятора отличается от четырехугольника. Сквозное отверстие предпочтительно расположено в центре транслятора, и жесткий элемент предпочтительно расположен симметрично относительно сквозного отверстия. Жесткий элемент может составлять статор или быть стержнем, жестко присоединенным к расположенному снаружи статору.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления элементы качения включают в себя множество элементов качения, расположенных в общей плоскости, перпендикулярной оси.
Посредством этого оптимизируется уравновешивание механических и магнитных сил.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления элементы качения расположены в множестве таких плоскостей, причем множество элементов качения расположено в каждой плоскости.
Наличие более одной такой плоскости дополнительно обеспечивает уравновешивание силы, поскольку поддерживание происходит во множестве осевых положений. Посредством этого склонности к качанию транслятора исключаются простым способом.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления элементы качения включают в себя множество элементов качения, распределенных в осевом направлении.
Также в этом варианте осуществления поддерживание происходит в разных осевых положениях, обеспечивая осевую ориентацию транслятора относительно статора.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления распределенные в осевом направлении элементы качения включают в себя множество осевых рядов элементов качения, причем каждый ряд включает в себя множество элементов качения.
Посредством этого достигается особенно хорошо образованное поддерживание, которое простым способом обеспечивает отношение между транслятором и статором во всех направлениях.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления количество рядов равно восьми, каждый ряд включает в себя от 4 до 16 элементов качения, и элементы качения расположены в группах по восемь в соответствующей плоскости, перпендикулярной оси.
Это означает, что элементы качения будут расположены в матрице в осевом и окружном направлениях. Большое количество элементов качения в каждом ряду и в каждой плоскости обеспечивает большое распространение механических сил так, что каждый элемент качения несет только малую часть полной нагрузки. Это способствует равномерной и надежной эффективности. Обычно правильным является количество элементов качения от 6 до 10.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления количество элементов качения является большим, чем количество полюсов в генераторе.
Также в этом варианте осуществления достигается большое распространение механических сил.
Изобретение также относится к электрической сети, присоединенной, по меньшей мере, к одной волноэнергетической установке согласно настоящему изобретению.
Согласно второй особенности изобретения волноэнергетическая установка согласно изобретению и, в частности, любому из предпочтительных вариантов его осуществления, используется для вырабатывания электрической энергии для подачи в электрическую сеть.
Изобретенное применение имеет преимущества, соответствующие преимуществам изобретенной волноэнергетической установки и предпочтительных вариантов ее осуществления, эти преимущества были описаны выше.
Далее изобретение будет описано посредством последующего подробного описания его примеров со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
Фиг.1 представляет собой схематичный разрез волноэнергетической установки согласно изобретению.
Фиг.2 представляет собой разрез по линии II-II на фиг.1.
Фиг.3 представляет собой упрощенный вид в перспективе одного угла транслятора на фиг.2.
Фиг.4 представляет собой упрощенный разрез одного из элементов качения транслятора на фиг.3.
Фиг.5 представляет собой диаграмму, показывающую результирующую магнитную силу от одного полюса как функцию изменения ширины зазора.
Фиг.6 представляет собой диаграмму, показывающую силу колеса как функцию изменения ширины зазора.
Фиг.7 представляет собой диаграмму, показывающую различные силы, действующие на транслятор, как функцию изменения ширины зазора.
Фиг.8 представляет собой разрез, подобный разрезу на фиг.2, но на котором изображен альтернативный вариант осуществления.
Фиг.1 представляет собой схематичный вид сбоку волноэнергетической установки согласно изобретению при работе в море. Плавающее тело 1 плавает на поверхности моря и присоединено соединительными средствами 3, 7 к линейному генератору 2, заякоренному у морского дна. Соединительное средство 3 состоит из верхней части, которая представляет собой проволоку, веревку, цепь или подобное. Соединительное средство 7 состоит из нижней части, которая представляет собой жесткий стержень. Проволока  присоединена к стержню  соединением 13. На чертеже генератор присоединен у морского дна. Тем не менее, следует понимать, что генератор может быть расположен над морским дном и заякорен каким-то другим способом.
Линейный генератор 2 имеет статор 5 с обмотками и транслятор 6 с магнитами. Транслятор 6 обладает возможностью совершать возвратно-поступательные перемещения вверх и вниз внутри статора 5, таким образом, вырабатывая ток в обмотках статора, причем этот ток передается по электрическому кабелю 11 к электросети.
Когда плавающее тело 1 благодаря волновым перемещениям поверхности моря вынуждено двигаться вверх, плавающее тело тянет транслятор 6 вверх. Когда плавающее тело затем перемещается вниз, транслятор 6 опускается вниз посредством гравитации.
Необязательно, но предпочтительно пружина (не изображена) или что-то подобное, действующая на транслятор 6, обеспечивает дополнительную силу в направлении вниз.
Фиг.2 представляет собой разрез по линии II-II на фиг.1 и на ней изображено поддерживание транслятора 6 в статоре 5. В изображенном примере транслятор 6 имеет квадратное поперечное сечение. Магниты предусмотрены на всех четырех сторонах квадрата. Каждая сторона транслятора 6 образует зазор 14 со статором. В нейтральном положении ширина d зазора одинакова на двух противоположных сторонах и предпочтительно одинакова на всех четырех сторонах. Для сохранения нейтрального положения, насколько это возможно, транслятор 6 поддерживается некоторым количеством элементов 15 качения, в описанном примере представляющих собой колеса. Восемь таких колес предусмотрены в одной поперечной плоскости. Два колеса 15 расположены у каждого угла транслятора.
Два колеса 15 у каждого угла установлены с возможностью вращения на соответствующем валу 16, поддерживаемом транслятором, и валы перпендикулярны друг другу. Каждое колесо 15 катится по дорожке 17 на трансляторе 6 и по дорожке 18 на статоре. Каждое колесо имеет конкретную упругость и сжато до некоторой степени для получения силы предварительного нагружения в нейтральном положении транслятора.
На фиг.3 изображено расположение колес при виде в перспективе в направлении левого нижнего угла транслятора на фиг.2. В продольном направлении колеса 15 расположены в восемь рядов (два у каждого угла). В изображенном примере количество колес в каждом ряду равно девяти, что в сумме дает 64 колеса.
W1
M1
На фиг.4 изображено одно из колес 15, расположенное между дорожкой 18 статора 5 и дорожкой 17 транслятора. F обозначает сумму всех сил от колес на этой стороне транслятора, и F обозначает сумму всех магнитных сил через зазор на этой стороне.
Когда транслятор находится в своем нейтральном положении, магнитные силы на одной стороне перевешиваются магнитными силами на противоположной стороне так, что результирующая магнитная сила на трансляторе равна нулю. В этом положении также силы предварительного нагружения от колес перевешивают друг друга.
Если положение транслятора меняется из нейтрального положения так, что зазор увеличивается на одной стороне и уменьшается на другой стороне, результирующая магнитная сила больше не будет равна нулю. В ограниченном диапазоне, то есть менее чем 1 мм, изменения ширины зазора магнитная сила увеличивается, примерно, линейно с уменьшением ширины зазора.
Перечень обозначений, используемых далее
X = уменьшение зазора из нейтрального положения
M
F = результирующая всех магнитных сил через противоположные зазоры
M1
F = сумма всех магнитных сил через зазор на первой стороне
M2
F = сумма всех магнитных сил через зазор на противоположной стороне
M3
F = сумма всех магнитных сил через зазор в нейтральном положении
M
K = постоянная, относящаяся к общей магнитной силе
W
F = результирующая всех сил колес с двух противоположных сторон
W1
F = сумма всех сил колес на первой стороне
W2
F = сумма всех сил колес на противоположной стороне
S
F = сумма всех сил предварительного нагружения от колес на одной стороне
W
K = пружинная постоянная всех колес на одной стороне
m
f = результирующая магнитная сила от одной пары противоположных полюсов
m1
f = магнитная сила от одного полюса через зазор на первой стороне
m2
f = магнитная сила от одного полюса через зазор на противоположной стороне
m3
f = магнитная сила от одного полюса через зазор в нейтральном положении
m
k = постоянная, относящаяся к магнитной силе одного полюса
w
f = результирующая сила от двух противоположных колес
w1
f = сила от одного колеса на первой стороне
w2
f = сила от одного колеса на противоположной стороне
s
f = сила предварительного нагружения от одного колеса
w
k = пружинная постоянная одного колеса
m = количество колес на одной стороне
n = количество полюсов на одной стороне
M0
M1
M0
M
M2
M0
M
M
M1
M2
M0
M
Если полная магнитная сила через зазор в нейтральном положении является F, то сила через зазор, который уменьшился на X мм от нейтрального положения, будет F=F(1+KX), и на противоположной стороне магнитная сила будет F=F(1-KX). Результирующая магнитная сила будет F=F-F=F2KX, которая действует в направлении уменьшенного зазора.
W1
S
S
Этой силе противодействуют силы от колес. Полные силы F от колес на одной стороне транслятора в нейтральном положении являются F, где F представляет собой полную силу предварительного нагружения на этой стороне. Соответствующая сила предварительного нагружения действует на противоположную сторону так, что результирующая сила от колес в нейтральном положении равна нулю.
W1
S
W
W2
S
W
W
W
S
W
S
W
S
W
Если положение транслятора меняется из нейтрального положения, сила от колес на одной стороне увеличивается, и сила от другой стороны уменьшается. Изменение полной силы от колес на одной стороне транслятора также представляет собой линейную функцию изменения ширины зазора в ограниченном диапазоне. Сила от колес на стороне, где зазор уменьшается, будет F=F+KX, и на противоположной стороне будет F=F-KX. Таким образом, результирующая сила от колес на трансляторе будет F=2KX. Это действительно, только когда F>KX. Если F меньше этого, то результирующая сила от колес будет F=F+KX.
W
M
W
M0
M
W
M0
M
Условие, предписанное согласно настоящему изобретению, означает, что F>F. Таким образом, 2KX>2FKX или K>FK.
W
M0
M
Для того чтобы иметь надежный запас против того, что магнитные силы превысят силы колес, будет предпочтительно, если K>2FK.
Условия сил изображены на фиг.5-7 для конкретного примера.
m
m
m0
m
m0
m
m
На фиг.5 результирующая магнитная сила f для двух противоположных сторон одного полюса дана как функция отклонения от нейтрального положения f = 2fkX, где 2fk=1,64 кН/мм: f рассчитана в кН, и Х в мм.
M
В этом примере, таким образом, полная магнитная сила от n полюсов будет F=1,64nX кН.
На фиг.6 изображена упругость колеса, где пружинная сила от колеса дана как функция отклонения от нейтрального положения.
w1
s
w
s
w
w2
s
w
w
w
W
f=f+kX, где f=0,66 кН и k=7,8 кН/мм. Колесо на противоположной стороне действует в противоположном направлении пружинной силой, которая f=f-kX, так что сумма всех сил от двух противоположных колес будет f=2kX=15,6X кН. С m колес полная сила от колес будет: F=15,6mX кН.
W
m
Результатом применения условия, что F должна быть 2F, по меньшей мере, будет 15,6mX=2·1,64nX, что означает, что количество колес на одной стороне равно:
В этом примере транслятор имеет 33 полюса, что ведет к требованию 0,21·33=7 колес на каждой стороне. По причинам симметрии колеса расположены парами на каждой стороне, что означает, что в этом примере требуются четыре пары колес на каждой стороне, в результате чего в трансляторе должно быть всего 32 колеса.
Пример дополнительно изображен на фиг.7, где силы в кН даны как функция изменения ширины зазора, где А является силой от пары колес на одной стороне, В является силой от противоположной пары колес, С является суммой А и В, D является результирующей силой от одного полюса, и Е является суммой С и D.
8
Колеса, использованные в приведенном выше примере, имеют диаметр 150 мм и толщину 30 мм. Они выполнены из литого железа и имеют слой качения, выполненный из полиуретана. Каждое колесо должно обладать возможностью сохранять качение с допуском ±0,25 мм без перегрузки подшипника колеса и должно быть выполнено для 10 циклов транслятора.
Колесо, используемое в примере, работает с силой 5 кН для 130 млн оборотов со скоростью 1 м/с с 90% надежностью и для 48 млн оборотов с 99% надежностью.
На фиг.8 в разрезе, перпендикулярном осевому направлению, схематично изображен альтернативный пример, где транслятор 6 поддерживается внутренне. Транслятор 6 имеет осевое сквозное отверстие 20, в котором простирается жесткий элемент 19. Элементы 15 качения работают между транслятором 6 и жестким элементом 19 для сохранения постоянной ширины зазора между транслятором 6 и статором 5, как описано выше. Жесткий элемент 19 жестко присоединен к статору 5. Следует понимать, что форма сквозного отверстия 20 не должна обязательно соответствовать наружной форме транслятора 6, как в случае, изображенном на чертеже.