Волновая электростанция
WAVE POWER STATION

Волновая электростанция относится к электроэнергетике и предназначена для выработки электроэнергии путем использования энергии волн.
Известны технические решения по созданию волновых электростанций, преобразующих энергию морских волн в электроэнергию.
Известна (RU, патент 2037642, опубл. от 19.06.1995) поплавковая волновая электростанция, представляющая собой преобразователь энергии, выполненный в виде линейного электрогенератора, расположенного в вертикальном герметичном цилиндрическом корпусе. При этом обмотки якоря расположены вдоль корпуса, а индуктор выполнен в виде инерционной массы с постоянными магнитами, установленными с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения посредством упругих элементов. Обмотки якоря закреплены на внутренней стенке корпуса. Магниты объединены в кольцевые секции и размещены внутри обмотки якоря. В нижней сферической части корпуса установлен динамический инерционный накопитель энергии с электромеханическим приводом двустороннего действия. Частота собственных колебаний индуктора соизмерима с характерной частотой колебаний в воде.
Недостатком данного изобретения является его низкая эффективность. Так по информации, приведенной в описании изобретения, поплавковая волновая электростанция с выходной мощностью 3 кВт будет иметь суммарную массу 24 т, высоту 21 м и диаметр цилиндрической части 1,4 м. Такие размеры электростанции приведут к очень большим затратам на единицу мощности вырабатываемой электроэнергии.
Известна также волновая электростанция (RU, патент 2152535, опубл. 10.07.2000). Известная волновая электростанция состоит из ряда плавающих секций, скрепленных между собой на шарнирах с горизонтальными осями. В свою очередь эти секции, установленные параллельно друг другу, соединяются по бортам между собой с помощью шатунов и ползунов, расположенных на заданном расстоянии друг от друга. Шатуны шарнирно соединены со штоками, которые на противоположной стороне выполнены в виде рейки. Сверху рейки установлены на своих осях шестерни, которые через обгонные муфты соединены с шестернями повышающего редуктора, который в свою очередь приводит во вращение входной вал электрогенератора. Механизм преобразования потенциальной энергии движущихся волн заключается в использовании вертикальных возвратно-поступательных движений качающихся на волнах плавающих секций.
Недостатками данного изобретения являются сложность его реализации и низкий КПД, так как возвратно-поступательное движение преобразуется во вращательное с помощью шарнирно-рычажного механизма, а его КПД не превышает 40%.
Наиболее близким аналогом разработанного технического решения можно признать (US, патент 4352023, опубл. 28.09.1982) волновую электростанцию, содержащую гироскопический преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное и источник возвратно-поступательного движения в виде поплавка, при этом гироскопический преобразователь включает наружную раму, установленную в подшипниках на неподвижном основании и имеющую подшипники, в которых установлена внутренняя рама, первая полуось которой механически связана с входным валом первого электрогенератора.
Основным недостатком данной волновой электростанции является ее низкая эффективность, так как оптимальная работа устройства будет осуществляться только при большой высоте волны, равной двум радиусам поплавка. Соответственно, это снижает область применения электростанции.
Техническая задача, на решение которой направлено разработанное устройство, состоит в усовершенствовании конструкции волновой электростанции.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанной конструкции, состоит в увеличении мощности, эффективности и КПД волновой электростанции при одновременном упрощении ее конструкции.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать волновую электростанцию разработанной конструкции. Волновая электростанция разработанной конструкции содержит гироскопический преобразователь возвратно поступательного движения во вращательное и источник возвратно-поступательного движения, при этом гироскопический преобразователь включает наружную раму, установленную в подшипниках на неподвижном основании и имеющую подшипники, в которых установлена внутренняя рама, первая полуось которой механически связана с входным валом первого электрогенератора, причем внутренняя рама механически связана со статором гиромотора, обмотка которого связана с токоподводящим узлом, установленным на второй полуоси внутренней рамы, и содержит подшипники, в которых установлен ротор гиромотора, причем в гироскопический преобразователь дополнительно введен второй гироскоп, идентичный первому, который установлен в своих подшипниках на наружной раме таким образом, что полуоси внутренней рамы второго гироскопа расположены параллельны полуосям внутренней рамы первого гироскопа, причем второй гироскоп развернут на 180° по отношению к первому гироскопу путем поворота вокруг оси вращения ротора гиромотора, а полуось его внутренней рамы механически связана с входным валом второго электрогенератора, на внутренней стороне наружной рамы установлены передние и задние упоры, ограничивающие вращение внутренних рам гироскопов в диапазоне менее 180°, причем в качестве источника возвратно-поступательного движения использованы, по меньшей мере, два поплавка, закрепленных симметрично на концах кронштейна, ось вращения которого представляет собой полуось наружной рамы гироскопов.
Достижение указанного технического результата обусловлено установкой на наружную раму второго гироскопа, идентичного первому. При этом второй гироскоп механически связан со своим электрогенератором, что позволяет в два раза увеличить мощность волновой электростанции. Кроме того, достижение технического результата обусловлено и тем, что в устройство введен источник возвратно-поступательного движения в виде двух поплавков, закрепленных симметрично на концах кронштейна, ось вращения которого является полуосью наружной рамы гироскопов. Увеличение длины кронштейна позволяет увеличить величину возмущающего момента, действующего на гироскопы. Это, в свою очередь, позволяет использовать энергию движения даже маленьких волн и увеличить эффективность и КПД волновой электростанции.
Существенно также и то, что в гироскопический преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное на наружной раме с внутренней стороны установлены передние и задние упоры, которые ограничивают вращение внутренних рам гироскопов в диапазоне менее 180°.
Сущность заявленного изобретения поясняется на Фиг. 1, на котором представлен вариант реализации гироскопического преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное, и на Фиг. 2, на котором представлен разрез указанного гироскопического преобразователя, и фиг. 3, на котором представлена кинематическая схема волновой электростанции в целом.
Предлагаемый гироскопический преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное имеет вал 1 статора гиромотора, подшипники 2 ротора гиромотора, статор 3 гиромотора с магнитопроводом и обмоткой, ротор гиромотора, состоящий из маховика 4 и обмотки 28, например, короткозамкнутого типа, внутреннюю раму 5, полуоси 6 внутренней рамы, подшипники 7 внутренней рамы, наружную раму 8, контактные кольца 9, щетки 10 со щеткодержателями и пружинами, гибкие токоподводы 11, изоляционную втулку 12, маховик 13 второго гироскопа, обмотки короткозамкнутого типа второго гироскопа (на рисунке не показаны),внутреннюю раму 14 второго гироскопа, полуоси 15 внутренней рамы второго гироскопа, подшипники 16 внутренней рамы второго гироскопа, контактные кольца 17 второго гироскопа, щетки со щеткодержателями и пружинами второго гироскопа (на рисунке не показаны), гибкие токоподводы второго гироскопа (на рисунке не показаны), изоляционную втулку 18 второго гироскопа, упоры передние 19, упоры задние 20, полуоси 21 наружной рамы, подшипники 22 наружной рамы, основание 23, кронштейн 24, поплавки 25, первый электрогенератор 26, второй электрогенератор 27.
На валу 1 статора установлены подшипники 2 ротора и статор 3 с магнитопроводом и обмоткой. Ротор 4 опирается на подшипники 2 и отделен от статора 3 малым рабочим зазором. Вал 1 статора установлен во внутренней раме 5, механически связанной с полуосями 6 внутренней рамы. Они опираются на подшипники 7, установленные на наружной раме 8. С наружной рамой 8 механически связаны полуоси 21 наружной рамы, опирающиеся на подшипники 22 наружной рамы. Они установлены в основании 23. На полуоси 6 внутренней рамы расположена изоляционная втулка 12, на которой укреплены контактные кольца 9. К ним пружинами прижаты щетки 10 со щеткодержателями. Со щетками соединены гибкие токоподводы 11, подключенные к источнику электроэнергии. Вал 1 статора перпендикулярен полуосям 6 внутренней рамы, которые перпендикулярны полуосям 21 наружной рамы. Вал 1 статора и правая полуось 6 внутренней рамы выполнены полыми для проводников, соединяющих контактные кольца 9 с зажимами обмотки статора 3. Контактные кольца 9 и изоляционная втулка 12, конструктивно принадлежащие внутренней раме 5, а также щетки 10 со щеткодержателями и пружинами и гибкие токоподводы 11, конструктивно расположенные на наружной раме 8, образуют токоподводящий узел для питания гиромотора. Вторая полуось внутренней рамы механически связана с входным валом электрогенератора 26.
Устройство второго гироскопа полностью идентично устройству первого гироскопа. Однако он развернут на 180° вокруг оси вращения ротора гиромотора, так что его полуоси 15 внутренней рамы параллельны полуосям 6 первого гироскопа, и одна из полуосей механически связана с входным валом своего электрогенератора 27. Таким образом, первый и второй электрогенераторы находятся по разные стороны наружной рамы.
На полуоси 21 наружной рамы жестко закреплен кронштейн 24 источника возвратно-поступательного движения. На концах кронштейна, симметрично друг другу закреплены поплавки 25, которые при работе волновой электростанции опущены в воду.
Волновая электростанция работает следующим образом.
На гибкие токоподводы 11 первого гироскопа подают трехфазное напряжение, которое через щетки 10, контактные кольца 9 и проводники внутри правой полуоси 6 внутренней рамы поступают на зажимы обмотки статора 3. Создается вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с током ротора 28 гиродвигателя, раскручивает ротор 4 до заданной угловой скорости w.
Одновременно с первым гироскопом на гибкие токоподводы второго гироскопа подают такое же трехфазное напряжение. Оно через щетки, контактные кольца 17 и проводники внутри левой полуоси 15 внутренней рамы 14 поступает на обмотки статора и раскручивает ротор 13 второго гироскопа до той же угловой скорости w. Надо отметить, что гиромоторы работают вхолостую, преодолевая лишь моменты трения в подшипниках и аэродинамический момент, и потребляют минимальное количество электроэнергии.
При этом гироскопы приобретают кинетический момент (Д.С. Пельпор "Гироскопические системы. Теория гироскопов и гиростабилизаторов", "Высшая школа", Москва, 1986):
1
H - кинетический момент ротора первого гироскопа в [н⋅м⋅с];
1
2
J - осевой момент инерции ротора первого гироскопа в [н⋅м⋅с];
w - угловая скорость вращения роторов гироскопов в [1/с].
2
Н - кинетический момент ротора второго гироскопа в [н⋅м⋅с];
2
2
J - осевой момент инерции ротора второго гироскопа в [н⋅м⋅с];
w - угловая скорость вращения роторов гироскопов в [1/с].
Волновую электростанцию располагают таким образом, чтобы кронштейн 24 был перпендикулярен фронту волны.
При образовании волн, набегающих поочередно на поплавки, возникает выталкивающая сила, равная весу воды, в объеме погруженного в воду поплавка. Соответственно, выталкивающая сила от переднего поплавка создает крутящий момент одного направления, а от заднего поплавка - крутящий момент противоположного направления. Таким образом, на гироскопы будет действовать возмущающий момент переменного знака, величина которого определяется выражением:
F - выталкивающая сила от поплавка в [н];
L - длина кронштейна в [м];
ф - угол между полуосью наружной рамы и осью вращения ротора гироскопа в [рад].
Под воздействием возмущающего момента происходит прецессия роторов гироскопов таким образом, чтобы ось вращения ротора по кратчайшему пути совместилась с осью, вокруг которой действует возмущающий момент.
Прецессия происходит с угловой скоростью (Д.С. Пельпор "Гироскопические системы. Теория гироскопов и гиростабилизаторов", "Высшая школа", Москва, 1986):
М(ф) - возмущающий момент в [н⋅м];
Н - кинетический момент ротора гироскопа в [н⋅м⋅с];
ф - угол между полуосью наружной рамы и осью вращения ротора гироскопа в [рад].
Пусть в исходном положении внутренние рамы гироскопов лежат на задних упорах 20. Тогда при набегании волны на передний поплавок, внутренняя рама каждого из гироскопов совершит вращение на угол ф:
u - малый угол, равный нескольким градусам, величина которого определяется размерами упоров. Обычно он лежит в диапазоне от 5° до 10°.
При этом внутренние рамы гироскопов лягут на передние упоры 19. Таким образом, передние и задние упоры ограничивают движение внутренних рам в диапазоне менее 180° и не дают совместиться осям вращения роторов гироскопов с полуосью наружной рамы. Тем самым предотвращается потеря работоспособности гироскопов.
При набегании волны на задний поплавок внутренние рамы гироскопов будут совершать обратное вращение от передних упоров к задним. В итоге, при набегании волн, внутренние рамы гироскопов будут совершать колебательные движения в диапазоне около 180°.
Так как входные валы электрогенераторов механически связаны с полуосями внутренних рам гироскопов, то они вырабатывают электрический ток разной полярности. При вращении внутренних рам гироскопов в обратную сторону, полярность вырабатываемого электрического тока у электрогенераторов будет меняться на противоположную.
Максимальное количество энергии, которую можно выработать с использованием волновой электростанции, определяется выражением для потенциальной энергии волны (Ю.М. Шамраев и др. "Океанология", "Гидрометеоиздат", Ленинград, 1980):
3
q - плотность воды в [кг/м];
2
g - ускорение свободного падения в [м/с];
h - высота волны в [м];
l - длина волны в [м];
b - ширина участка волны в [м].
Волновая электростанция может располагаться на стационарном фундаменте в прибрежных зонах или на понтоне в открытом море.
Она проста в реализации. Так как требования к классу точности гироскопов минимальны, то они просты в изготовлении. Для волновой электростанции можно использовать гироскопы, которые широко применяются в успокоителях качки для морских судов.
Электрогенераторы нужной мощности можно использовать как синхронные, так и асинхронные, с редукторами и безредукторные.
В качестве поплавков можно использовать как полые коробчатые конструкции, так и поплавки, сделанные из легких материалов.
Предлагаемая волновая электростанция может вырабатывать электроэнергию в широком диапазоне мощностей и составить конкуренцию офшорным ветроэлектростанциям.