ПРИБРЕЖНАЯ ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ (ВАРИАНТЫ)
COASTAL WAVE POWER PLANT (OPTIONS)

Изобретение относится к сфере гидроволновой энергетики, в частности - к генераторам, элементам их конструкций и элементам их магнитной цепи; к элементам конструкции обмоток, кожухов, корпусов и опор; к устройствам для регулирования механической энергии, конструктивно сопряженными с электрическими машинами; к асинхронным и синхронным генераторам; в т.ч. с постоянными магнитами; к коллекторным генераторам постоянного, или пульсирующего постоянного, или переменного тока с механической или бесконтактной коммутацией, к униполярным генераторам, к генераторам постоянного тока с барабанным или дисковым якорем и непрерывным токосъемом; с возвратно-поступательным, колебательным или вибрационным движением магнита, якоря или системы катушек или какого-либо иного элемента магнитной цепи.
Известны устройства для преобразования энергии поверхностных волн воды в электрическую энергию, основанные на использовании различных их физических свойств (эффектов), которые можно разделить на четыре группы. К первой относится прямое преобразование энергии волн в электрическую энергию. Устройства этой простейшей схемы состоят из одного генератора электрической энергии, которому волны непосредственно отдают свою энергию, такая схема - идеальный случай для преобразования. Ее реализация возможна, например, на основе пьезоэлектрического эффекта. (см. книгу: Вершинский Н.В. Энергия океана - М.: Наука, 1986. с. 28).
Однако энергетических установок, использующих пьезоэффект для выработки электрической энергии, не существует. Одна из главных причин - ничтожно малая мощность пьезоэлектрических источников, связанная с малым значением пьезоэлектрического модуля - размерного коэффициента, связывающего количество выделяемого электричества с силой давления на пьезокристалл. Если учесть очень низкую частоту колебания поверхностных волн, на этом пути пока не приходится рассчитывать на получение важных практически результатов. Немного электрической энергии будет выделяться в момент удара гребней волн о пьезопреобразователь, а в остальное время напряжения практически не будет (см. там же, стр. 29-30).
При двухэлементном способе использования энергии поверхностных волн, они вначале отдают свою энергию тому или иному механическому приемнику-преобразователю, своего рода антенне, принимающей энергию волнового поля. Однако функции приемника при этом не ограничиваются: одновременно происходит преобразование энергии волн в другой вид механической энергии, которая передается генератору электрической энергии. Такой приемник-преобразователь может иметь различную форму. Простейший случай - плита или пластина, совершающая колебания относительно горизонтальной оси. Поверхностные волны набегают на пластину и, отдавая ей энергию, заставляют совершать вынужденные колебания, преобразуемые в индукционный ток (см. там же, стр. 30).
Примером такого устройства является генератор электрического тока, его варианты и способы их установки (см. патент на изобретение Российской Федерации МПК H02K 19/00 №2396673 Генератор электрического тока, его варианты и способы их установки. Заявка №2009100832/09 от 12.01.09. Авт. изобр. Настасенко В.А. // БИ №22 от 10.08.10.) Генератор содержит ротор и статор с общей продольной осью, расположенной горизонтально, у которых сердечники с катушками и системой возбуждения обеспечивают выработку электрического тока, при этом центры масс ротора или статора выполнены эксцентрично смещенным относительно продольной оси их вращения, а для обеспечения возможности качания статически неуравновешенных роторов или статоров, они свободно установлены, а парный им ротор или статор жестко закреплен на плавающем средстве, имеющем возможность колебаний на угол ±α при движении волн на воде и возможность разворота по нормали к действию волн за счет формы своего корпуса или вертикального оперения. При этом генераторы могут быть установлены фронтальными рядами, или рядами друг за другом, а для восприятия колебаний плавающего средства во взаимно перпендикулярных направлениях, генераторы могут быть встроены перпендикулярно в полый трубчатый ротор внешнего генератора, у которого ротор или статор выполнены статически неуравновешенными и имеют возможность, за счет свободного подвеса в направлении к центру Земли, совершать относительно закрепленных на плавающем средстве парных им роторов и статоров, колебательные движения при воздействии на них волн. Для обеспечения возможности колебаний генераторов в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, роторы или статоры могут быть закреплены на горизонтальной поворотной платформе, в одни или несколько ярусов, установленной на плавающем средстве и имеющей возможность свободного поворота вокруг своей вертикальной оси, а на платформе и прилегающих к ней поверхностях плавающего средства могут быть установлены сердечники с катушками и системой возбуждения, которые обеспечивают выработку электрического тока. Роторы или статоры также могут быть подвешены к горизонтальной платформе, в т.ч. в несколько ярусов. При этом действие генераторов переменного тока основано на базе закона электромагнитной индукции, открытого Фарадеем, в котором индуктируемая электродвижущая сила пропорциональна скорости роста изменения магнитного потока (см. книгу: Вершинский Н.В. Энергия океана - М.: Наука, 1986. с. 31).
Недостатком данного генератора является малая сила, движущая его ротор или статор лишь за счет эксцентриситета их масс, малый сектор их качания волнами и связанная с ним частота колебаний ротора или статора, что снижает его мощность.
1
2
0
Устранение указанных недостатков возможно за счет увеличения скорости изменения магнитного потока, что может обеспечить увеличение радиуса ротора и увеличение собственной круговой частоты его колебаний, как двухплечевого маятника, имеющего две массы m и m, расположенные на одной прямой по разные стороны от оси вращения на расстояниях  и  (см. там же, с. 61-62), собственная круговая частота колебаний ω которого, с учетом величины ускорения свободного падения g, может быть найдена по формуле:
В предельном случае, когда  колебательное движение масс маятника превращается в апериодическое, т.е. система придет во вращение, а для исключения ее замедления использованы колеса с лопастной системой, с приводом их от продольного движения поверхностных волн воды.
В предлагаемой заявке на изобретение поставлена задача превращения энергии поступательного движения волн в колебательные или вращательные движения ротора и выработки при этом электрического тока при движении ротора относительно статора.
Поставленная задача решена путем выполнения прибрежной волновой электростанция в плавучем варианте, имеющей генератор или генераторы электрического тока, каждый из которых содержит статор и ротор с общей их продольной осью, расположенной горизонтально, вдоль корпуса плавающего средства, и имеют сердечники с катушками системы возбуждения электрического тока или с постоянными магнитами, которые обеспечивают выработку электрического тока при циклических поворотах-качаниях ротора на угол ±α, при этом оси роторов установлены в зоне ватерлинии плавающего средства, а ротор выполнен в виде двухплечевого маятника, с изолированной от действия воды системой возбуждения магнитного потока, установленной на дуговом секторе в верхней части маятника, и с грузом, установленным в его нижней части и имеет эксцентричное смещение центра масс относительно продольной оси его качания, а ротор введен в статор, который выполнен в виде сектора, адекватного ротору и углам его качания ±α, и закреплен в герметичной оболочке на потолке проема, который выполнен между бортами корпуса плавающего средства на высоту ротора, для обеспечения возможности его качания при продольном движении потока поверхностных волн, при этом плавающее средство развернуто бортом к фронту подхода волн и закреплено якорями или удерживается в таком положении стабилизационными или ходовым двигателем. Проемы на бортах корпуса снабжены подъемными или поворотными щитами, или вертикальными, или горизонтальными многостворчатыми заслонками или жалюзи, которые снабжены устройствами для регулировки угла поворота и размеров щелей, сформированных створками, в нижней части ротора генератора также установлена изолированная от воздействия воды система возбуждения магнитного потока, а на палубе проема закреплен в герметичной оболочке адекватный ротору и углам его качания сектор статора. Центр масс ротора смещен за счет разной длины его плеч при одинаковых массах, или за счет разных масс при их одинаковых плечах, или совместно за счет разных плеч и масс в его верхней и нижней частях, а в нижней и верхней частях ротора выполнены камеры для ввода и вывода балласта с автоматической системой его подвода-вывода или перекачивания между камерами. Сердечники с катушками установлены на секторах ротора более чем в один ряд, с возможностью возбуждения дополнительных рядов в зависимости от силы действия продольных волн воды. Боковые остовы ротора выполнены из вертикальных стоек, установленных на оси его качания и соединены между собой сверху и снизу продольными дуговыми секторами, с установленными на них магнитами или катушками с сердечниками и обмотками возбуждения магнитного потока, а в верхней части ротора между стойками выполнена поперечная перегородка для контакта с волнами воды, а расположенные в воде стойки и остовы секторов ротора с сердечниками и катушками возбуждения выполнены обтекаемой формы. Генераторы в проемах установлены друг за другом продольными рядами, а концы валов соседних роторов установлены на общих промежуточных стойках, закрепленных на палубе или потолке проема, а секторы качаний роторов и секторы статоров, а также расстояния между ними, выполнены согласованными с величиной затухания продольных волн воды, при прохождении их через генераторы от борта к борту проема. Кроме этого оси двухплечевых роторов, у которых величины плеч и масс выполнены равными, установлены в зоне ватерлинии в проеме плавающего средства и введены в статоры, которые выполнены круговыми с возможностью вращательного движения в них роторов, на осях которых, с одной или с двух сторон у их торцов, закреплены двух- или более лопастные водяные колеса, имеющее возможность вращения, при этом статор и ротор введены в установленный в проеме герметичный корпус в один или более ярусов, а плавающее средство развернуто бортом к фронту подхода волн и закреплено якорями, или удерживается в таком положении ходовым или стабилизационным двигателем. Статор и ротор со стержнями и обмотками выполнены круговыми и введены в установленный в проеме герметичный корпус, а с ним в паре выполнен такой же корпус со статорами и роторами, а между корпусами, через отверстия с уплотнениями, соосно выведены концы осей вращения парных роторов, связанных с водяным колесом, имеющим одну или диаметрально по кругу более одной прямоугольных рам, на периферийных поперечинах которых на навесах установлены горизонтальные поворотные лопасти, с возможностью их раскрытия продольным потоком воды в нижней части секторов поворота роторов, и с возможностью закрытия лопастей в верхней части секторов их поворота, с упором их концов на вертикальные стойки или поперечины своих рам, а на этих же стойках закреплены промежуточные поперечины, параллельные периферийным, а на этих поперечинах на навесах установлены горизонтальные поворотные лопасти, с возможностью их раскрытия продольным потоком воды в нижней части сектора поворота роторов, и с возможностью их закрытия, с упором концов лопастей на вертикальные стойки или на дополнительные поперечины своих рам, в верхней части сектора поворота роторов, а герметичные корпуса выполнены обтекаемыми в их поперечном сечении, а с ними в паре выполнены такие же корпуса со статорами и роторами, а между корпусами, через отверстия с уплотнениями, соосно выведены концы осей вращения парных роторов, связанных с водяным колесом, имеющим одну или более одной прямоугольных рам, на поперечинах которых установлены на навесах горизонтальные поворотные лопасти, имеющие возможность их раскрытия в нижней части сектора поворота роторов, и возможность их закрытия, с упором концов лопастей на вертикальные стойки или на дополнительные поперечины своих рам, в верхней части сектора поворота роторов, а на роторах или на их осях установлены маховики, на осях которых и на осях рам с лопастями установлены зубчатые передачи или многоступенчатые цилиндрические, или планетарные, или волновые редукторы с упругим зубчатым венцом. При этом генераторы и их рамы с лопастями установлены ниже ватерлинии, а над ними выполнен второй ярус из таких же генераторов и рам, на которых лопасти закреплены жестко, или установлены на навесах с возможностью их поворота и закрытия потоком воды в нижней части сектора поворота роторов, с упором концов лопастей на вертикальные стойки или на промежуточные поперечины своих рам, с возможностью их раскрытия под действием собственного веса и потока воды в верхней части сектора поворота роторов, при этом рамы нижнего и верхнего ярусов установлены с перекрытием секторов вращения их лопастей, а для исключения набегания их друг на друга, вращение осей рам согласовано установленной между ними цепной или зубчатой ременной передачей, при этом генератор и рамы с лопастями нижнего яруса выполнены меньших размеров, чем верхнего. Или прибрежная волновая электростанция выполнена стационарной и имеет генератор или генераторы электрического тока, каждый из которых содержит статор и ротор с общей их продольной осью, расположенной горизонтально и имеют сердечники с катушками системы возбуждения электрического тока или с постоянными магнитами, которые обеспечивают выработку электрического тока при циклических поворотах-качаниях ротора на угол ±α, при этом станция выполнена в проеме на выведенной к волнам дамбе, или на волнорезе, или на моле, выполненных для защиты портовых или прибрежных сооружений, а ротор выполнен в виде двухплечевого маятника, с изолированной от действия воды системой возбуждения магнитного потока, установленной на дуговом секторе маятника, и с грузом, установленным в его нижней части, и имеет эксцентричное смещение центра масс относительно продольной оси его качания, а ротор введен в адекватный ему и углам его качания ±α сектор статора, закрепленный в герметичной оболочке в проеме, а проемы оснащены подъемными или поворотными щитами, или вертикальными, или горизонтальными многостворчатыми заслонками или жалюзи, которые снабжены устройствами для регулировки угла поворота и размеров щелей, сформированных створками. Или на оси ротора с одной или с двух сторон у его торцов, закреплено двух- и более лопастное водяное колесо, имеющее возможность вращения от движения волн воды, при этом статор и ротор введены в герметичный корпус, установленный в проеме, который выполнен между его входной и выходной сторонами на высоту ротора, для создания возможности его качания при движении потока волн. При этом водяные колеса, имеют одну или диаметрально по кругу более одной прямоугольных рам, на периферийных поперечинах которых на навесах установлены горизонтальные поворотные лопасти, с возможностью их раскрытия продольным потоком воды в нижней части секторов поворота роторов, и с возможностью закрытия лопастей в верхней части секторов их поворота, с упором их концов на вертикальные стойки или поперечины своих рам, а герметичные корпуса выполнены обтекаемыми в их поперечном сечении, с осями роторов связаны маховики, а между их осями и осями рам с лопастями установлены зубчатые передачи или многоступенчатые цилиндрические, или планетарные, или волновые редукторы с упругим зубчатым венцом, эти генераторы и их рамы с лопастями установлены ниже линии хода волн, а над ними выполнен второй ярус из таких же генераторов и рам, на которых лопасти закреплены жестко, или установлены на навесах с возможностью их поворота и закрытия потоком воды в нижней части сектора поворота роторов, с упором концов лопастей на вертикальные стойки или на промежуточные поперечины своих рам, с их раскрытия под действием собственного веса и потока воды в верхней части сектора поворота роторов, при этом рамы нижнего и верхнего ярусов установлены с перекрытием секторов вращения их лопастей, а для исключения набегания их друг на друга, вращение осей рам согласовано установленной между ними цепной передачей. При этом все варианты исполнения прибрежных волновых электростанций, для синхронизации работы генераторов, снабжены системой аккумуляторов или конденсаторов, разрядка которых выполнена дополнительными полупроводниковыми устройствами в заданном частотном режиме.
Предлагаемые конструкции гидроволновых плавучих и стационарных электрических станций и их варианты показаны на чертежах.
На фиг. 1. показана плавучая прибрежная волновая электростанция 1 с генераторами 2 электрического тока, установленными на судне со сквозными проемами 3 между бортами 4 корпуса 5, днищевая секция 6, поперечные 7 и палубные переборки 8 которого обеспечивают ему необходимую плавучесть, прочность и жесткость, а маршевый электродвигатель 9 с приводом 10 - возможность увода судна в укрытие при сильном шторме. Отвод на берег выработанной электроэнергии обеспечивается кабелем 11 с катушкой 12, или иным способом, в т.ч. с применением систем СВЧ.
На фиг. 2 показаны генераторы 2 электрического тока, которые имеют статоры 13 и роторы 14 с общей продольной осью 15, расположенной горизонтально вдоль продольной оси судна в плоскости его ватерлинии 16. Ротор выполнен в виде двухплечевого маятника, в верхней части он имеет сектор с изолированной от воздействия воды системой 17 возбуждения магнитного потока, состоящей из нескольких рядов катушек с сердечниками, или из постоянных магнитов, и имеет груз 18 в нижней его части, а центр его масс смещен на величину е относительно продольной оси 15 его циклических поворотов-качаний на угол ±α. Расположенные на роторе рядами сердечники с катушками имеют системы раздельного возбуждения, с возможностью их включения, в зависимости от силы действия продольных волн воды.
Статор 13 выполнен адекватным ротору и секторам его качания на угол ±α и подвешен к потолку 20 проема 3. Он также имеет изолированную от воздействия воды систему 21, состоящую из нескольких рядов катушек и сердечников для выработки электрического тока при качаниях ротора, за счет созданных продольным движением потока поверхностных волн в проеме 3 между бортами 4, который имеет высоту h для размещения в нем генераторов на всей ширине b корпуса. При этом плавающее средство развернуто бортом к фронту волн и закреплено в таком положении якорями или удерживается иными средствами, например, ходовым или стабилизационными двигателями.
На фиг. 3 показана установка валов роторов в опорах 19 на палубе проема, или подвеска их к потолку проема.
На фиг. 4 показан новый вариант выполнения генератора увеличенной мощности, для чего в нижней части его маятникового ротора установлена изолированная от воздействия воды система 17 возбуждения магнитного потока, а на палубе 22 проема 3 закреплен в герметичной оболочке сектор статора 13 с системой 21 стержней и катушек, адекватный по размерам ротору и углу его поворота-качания ±α.
Генераторы в проемах могут быть установлены продольными рядами друг за другом, оси соседних роторов установлены на общих промежуточных стойках 19, закрепленных на палубе и/или потолке проема, а параметры секторов статоров и секторов качаний ротора, а также расстояния между ними выполнены согласованными с величиной снижения энергии продольных волн воды 23, при их прохождении через генераторы от борта к борту проема.
Регулировка смещения центра масс ротора возможна за счет разной длины его плеч при одинаковых массах в верхней и нижней его частях, или за счет различных масс в верхней и нижней его частях при их одинаковых плечах, или за счет различных плеч и масс в верхней и нижней его частях.
На фиг. 5 показан вариант исполнения ротора, у которого для регулировки частоты качания при изменении частоты колебания продольных волн воды, в нижней и/или верхней его части выполнены камеры 24 и 25 для ввода и/или вывода балласта с автоматической системой его подвода-вывода, или перекачивания между камерами.
На фиг. 6 показан вариант облегчения ротора, для чего он выполнен из двух вертикальных боковых стоек 26, установленных на оси его качания 15 и соединенных сверху и снизу продольными секторами 27 и 28 с размещенными на них магнитами или катушками с сердечниками и обмотками возбуждения магнитного потока, а между стойками в верхней части ротора выполнена поперечная перегородка 29 для контакта с волнами воды. Для облегчения движения ротора в воде, стойки 26 и остовы секторов 27 и 28 выполнены обтекаемой формы.
Принцип работы этой плавучей прибрежной волновой электростанции следующий. При соответствующем выборе масс и размеров плеч ротора по зависимости (1), возможно достижение частоты его колебаний, одинаковое или кратное частоте колебаний волн воды. Повышение мощности генератора обеспечивается ростом скорости изменения магнитного потока, за счет увеличения радиуса ротора (например, до 3-5 м и более, что соизмеримо с размерами штормовых волн и размерами бортов судна). Таким образом, при активации системы возбуждения магнитного потока ротора, его колебания на угол ±α в статоре ведут к выработке электрического тока. Расположение обмоток ротора и статора с двух сторон маятника удваивает ЭДС системы, а размещение катушек и стержней рядами - ее регулировку от мощности волн.
На фиг. 7 показана плавучая прибрежная волновая электростанция, у которой для защиты генераторов 2 от действия опасных для них волн, проемы 3 на бортах 4 корпуса 5 снабжены подъемными щитами 30, движение которых могут выполнять гидроцилиндры 31 с рычагами 32, 33 и шарнирами 34 или иные механизмы, например цепные.
На фиг. 8 показана плавучая прибрежная волновая электростанция, у которой для защиты генераторов 2 от действия опасных для них волн, проемы 3 на бортах 4 корпуса снабжены поворотными щитами 35.
На фиг. 9 показана плавучая прибрежная волновая электростанция, у которой для защиты генераторов 2 от действия опасных для них волн, проемы 3 на бортах корпуса снабжены вертикальными или горизонтальными многостворчатыми боковыми заслонками 36, которые могут иметь устройства 37 для регулировки угла поворота и ширины сформированных створками щелей, или свернутыми в горизонтальный или вертикальный рулон жалюзи. Для повышения прочности и жесткости системы закрытых щитов и/или заслонок, у бортов корпуса в проеме установлены промежуточные опорные стержни. Увеличение ширины поворотных щитов 35 дополнительно способствует ориентации плавающего средства к фронту продвижения волн, однако, по условиям прочности и жесткости, предпочтительно их размеры уменьшать, сводя к заслонкам 36.
Принцип работы подъемных щитов, заслонок и жалюзи аналогичен известным исполнениям подобных устройств, отличие заключается лишь в их новом применении.
На фиг. 10 показаны роторы 14 плавучей прибрежной волновой электростанции, у которых обеспечена возможность кругового движения, для чего величины их плеч и масс верхней и нижней частей ротора-маятника выполнены равными, а для исключения замедления его вращения, на его оси 15, с одной или с двух сторон у торцов ротора (а), закреплено водяное колесо 38 с двумя или с большим количеством лопастей, имеющее возможность вращения от движения волн воды.
Для облегченного статора 14, от может иметь стойки 26 с поперечинам 27 и 28, показанным на рис. 6.
Принцип работы ротора с жестко закрепленными на его оси водяными колесами с лопастями, отличается от предыдущих исполнений обеспечением возможности вращения ротора, введенного в круговой статор.
На фиг. 11 показаны роторы 14 плавучей прибрежной волновой электростанции, у которых обеспечена возможность кругового движения, для чего величины их плеч и масс выполнены равными, а статор 39 со стержнями и обмотками выполнен круговым и вместе с ротором введен в герметичный корпус 40, установленный в проеме 3, а с ним в паре выполнен такой же корпус, с таким же генератором, между которыми, через отверстия 41 с уплотнениями, соосно выведены концы 42 осей вращения обоих роторов, с которыми связано водяное колесо, имеющее закрепленную или по кругу одну или большее количество прямоугольных, или трапецеидальных рам 43, на периферийных поперечинах 44 которых установлены горизонтальные поворотные лопасти 45 на навесах 46, с возможностью их раскрывания потоком воды в нижней части сектора поворота роторов, а в верхней части сектора поворота - с возможностью их закрывания под действием своего собственного веса и потока воды, с упором концов лопастей на вертикальные стойки или поперечины своих рам.
На фиг. 12 показан новый вариант исполнения водяных колес, у которых для удобства вращения ротора, на рамах установлены промежуточные поперечины 47, параллельные периферийным 44, а на них, на навесах 46, установлены горизонтальные поворотные лопасти 48, с возможностью их раскрывания потоком воды в нижней части сектора поворота роторов, и возможностью их закрывания, под действием собственного веса и потока воды, с упором концов лопастей на вертикальные стойки своих рам, и/или на дополнительные поперечины, в верхней части сектора поворота роторов.
Перечни этих действий полностью поясняют принципы работы ротора с поворотными лопастями. Во втором варианте отличия имеются лишь в количестве лопастей.
На фиг. 13 показана плавучая прибрежная волновая электростанция, у которой генераторы 2 встроены в установленные в проемах 3 вертикальные герметичные корпуса 40, между ними введены горизонтальные поворотные рамы 43 с лопастями 45 на навесах 46, с возможностью их раскрывания потоком воды в нижней части сектора поворота роторов, и закрывания в верхней части сектора поворота роторов, с упором концов лопастей на вертикальные стойки своих рам, а для улучшения движения потоков воды в проеме, концы 49 вертикальных герметичных корпусов 40 в плане выполнены обтекаемыми. При этом возникает дополнительный эффект - увеличение скорости потока воды в зауженной части между вертикальными корпусами и, соответственно, скорости вращения рам с лопастями и связанных с ними роторов генераторов, что по закону Фарадея увеличивает величину ЭДС.
Для улучшения динамики вращения роторов генераторов и связанных с ними рам с лопастями, на них или на их осях установлены маховики 50, а для повышения частоты вращения роторов, между их осями и осями рам с лопастями соосно установлены зубчатые передачи или редукторы 51, например, цилиндрические двух и/или многоступенчатые, или планетарные, и/или волновые с упругим зубчатым венцом.
Кроме этого, круговая система установки статоров в герметичных корпусах позволяет применять роторы с тремя и большим количеством плеч и секторов с системами стержней и катушек возбуждения, в зависимости от созданной движением волн и редукторами частоты вращения ротора.
Принцип работы таких устройств отличается от известных лишь их новым применением.
На фиг. 14. показана плавучая прибрежная волновая электростанция, у которой, для увеличения ее общей мощности, генераторы 2 установлены в герметичных корпусах 40 в два яруса, выше и ниже ватерлинии 16, навстречу друг другу. При этом роторы нижнего яруса соосно соединены с общими прямоугольными поворотными рамами, на поперечинах 44 которых свободно установлены на навесах горизонтальные поворотные лопасти 48, имеющие возможность раскрывания потоком воды в нижней части сектора поворота роторов, и возможность их закрывания потоком воды в верхней части сектора поворота роторов, с упором концов лопастей на вертикальные стойки своих рам. Роторы второго яруса соосно соединены с общими поворотными рамами 52, которые могут иметь на горизонтальных поперечинах свободно установленные на навесах поворотные лопасти 53, имеющие возможность их закрытия потоком воды в нижней части сектора поворота роторов, с упором концов лопастей на вертикальные стойки или дополнительные поперечины своих рам, и возможность их раскрывания в верхней части сектора поворота роторов, под действием собственного веса. Однако при радиусе поворота рам, большем или равном высоте набегающих на них волн, нет необходимости выполнять лопасти 53 поворотными, они могут быть жестко закреплены на рамах от периферийных поперечин и по боковым стойкам к центральной оси.
Для повышения прочности и жесткости диаметрально расположенных рам, их периферии могут быть соединены ободками или стержнями.
Принцип работы таких генераторов не отличается от предыдущих.
На фиг. 15 показана плавучая прибрежная волновая электростанция, которая отличается от предыдущего исполнения, показанного на фиг. 14 тем, что для увеличения отбора энергии волн, рамы 43 нижнего и 52 верхнего ярусов установлены с перекрытием секторов вращения лопастей 48 и 53, для чего их диаметры несколько увеличены, а диаметры генераторов уменьшены, либо увеличена высота проема. Для исключения набегания лопастей верхних и нижних рам друг на друга, вращение осей 15 согласовано установленной между ними цепной передачей 54 со звездочками 55, или зубчатой ременной передачей, которые могут быть выполнены внутри корпуса 40, при этом звездочки или зубчатые колеса больших размеров и массы могут частично выполнять функции маховиков.
Принцип работы таких генераторов отличается от предыдущих только перекрытием секторов вращения лопастей, и механизмом синхронизации их вращения, в виде цепной или зубчатой ременной передач, что пояснено приведенным выше перечнем действий.
На фиг. 16. показана плавучая прибрежная волновая электростанция, которая отличается от предыдущего исполнения, показанного на фиг. 14 тем, что для увеличения чувствительности к слабым волнам, генератор 56 и рамы 57 с лопастями нижнего яруса выполнены меньших размеров, чем верхнего.
Принцип работы таких генераторов не отличается от предыдущих.
Для усиления вращающего момента от действия потока воды, рамы с лопастями могут быть установлены с двух сторон генератора консольно, или на валах с дополнительными опорами на их концах.
Для синхронизации частоты электрического тока, вырабатываемого несколькими генераторами, они могут быть снабжены системой, содержащей аккумуляторы или конденсаторы, разрядка которых выполнена в заданном частотном режиме дополнительными полупроводниковыми приборами.
На фиг. 17 показана стационарная прибрежная волновая электростанция, которая может быть выполнена по любому из рассмотренных выше вариантов исполнений генераторов и роторов, отличием которой является размещение их на выведенной к волнам дамбах 59 в проемах 60, или волнорезах, или на молах, выполненных для защиты портов или иных прибрежных и береговых сооружений, в специальных корпусах со сквозными нишами. Возможна также двухъярусная установки генераторов парами с общими поворотными рамами 61 с поворотными лопастями и уменьшенными генераторами нижнего яруса, размещенными в обтекаемых 1 корпусах 62.
Принцип работы стационарных прибрежных электрических станций адекватен работе рассмотренных выше плавучих электростанций.
Для удешевления электростанций, количество генераторов верхнего яруса может быть меньше количества генераторов нижнего яруса.
Отличительной особенностью предлагаемых электростанций и генераторов на плавающем средстве, является наличие сквозных проемов в его корпусе для движения поверхностных волн от борта к борту, связь оси установки генераторов с продольной осью плавающего средства и его ватерлинией, в конструкциях роторов, статоров и водяных колес, а также установка систем в несколько ярусов, в т.ч. с разными размерами. Для стационарной электростанции - их установке в проеме на дамбе, а также в конструкциях роторов и статоров, в т.ч. для разных ярусов, которые обусловлены скоростью и плоскостью движения продольных волн.
Совокупность всех перечисленных признаков у приведенных на фиг. 1…17 исполнений генераторов и вариантов их установки на плавающем средстве или в прибрежном сооружении, позволяет характеризовать их, как неизвестные ранее новые технические решения, неочевидные из базового уровня развития техники. Реализация их возможна в условиях реального промышленного производства, поскольку конструкции роторов, генераторов и систем их установки аналогичны известным, они лишь приспособлены к новым условиям работы. При этом все исполнения роторов, генераторов и систем их установки, являются развитием предыдущих вариантов, логически вытекающих друг из друга, что обеспечивает единство замысла предлагаемой заявки на изобретение.
Таким образом, возможна характеристика всех предложенных в данной заявке технических решений, как изобретений, отвечающих всем требуемым для этого признакам.
Все предлагаемые исполнения генераторов и варианты их установки на плавающем средстве или в прибрежных сооружениях, позволяют обеспечить стабильное качание ротора с требуемой частотой и высокой мощностью, обеспечиваемой высокой скоростью движения ротора относительно статора, а вращение ротора - с постоянным направлением, что улучшает показатели работы генератора, при высокой надежности всей системы, что обеспечивает положительный эффект от их применения.
Реальные варианты исполнения предлагаемых волновых электрических станций и их генераторов возможны при любом виде и типоразмерах базовых конструкций, что облегчает их выбор, проектирование и изготовление. Отличия имеются лишь в параметрах ротора и статора, которые вытекают из реальной частоты, амплитуды и количества колебаний прибрежных волн.
в
в
Пример конкретного исполнения предложенной прибрежной волновой электрической станции, ее генераторов и водяных колес рассмотрен на базе варианта, показанного на фиг. 16. При радиусе водяных колес для нижнего яруса 0,5 м, имеющих по 8 горизонтальных лопастей, они эффективно будут воспринимать волнение, с высотой волн h от 0,3 до 1 м, а при радиусе водяных колес для верхнего яруса 3 м, они эффективно будут воспринимать волнение, с высотой волн h от 1 до 5 м, что охватывает практически весь диапазон волн, кроме ураганных, при которых плавучую электростанцию следует укрыть в бухте, а водяные проемы стационарной станции - защитить подъемными или поворотными щитами или заслонками.
в
в
в
в
в
Такие волны имеют: длину между их гребнями , или от 2,13 до 91 м, и период колебаний τ=0,8√λ, или от 1,17 до 7,6 с. Считаем, что волны между гребнями имеют дуговую форму впадин с пересечением их на гребнях. Тогда угол склона волны будет максимальным у ее вершины и составит величину α≈arctg(2h/(λ/2)), или от 29,4° до 12,4°.
Удельный потенциал кинетической энергии 1 м длины волны может быть найден по зависимости:
в
в
в
2
Е=mυ/2 (Дж),
в
где m - масса воды в волне, кг,
в
υ - скорость движения волны, м.
3
в
в
в
Масса m воды в 1 м длины волны может быть приближенно найдена через ее плотность ρ≈1000 кг/м и дуговую форму волны в поперечном сечении радиуса r=λ/(2sinα), по зависимости:
вmin
вmin
Ее величина составит: m≈0,24 т, m≈157 т
в
в
Скорость движения волны также может быть приблизительно найдена через длину λ и период τ колебаний волн, по зависимости:
в
в
в
υ≈λ/τ (м/с).
вmax
вmin
Ее величина составит: υ≈1,82 м/с, υ≈1,2 м/с
у
к
у
к
у
Кинетическая энергия волны, при ее прохождении в узости шириной l между защитными корпусами шириной l с установленными в них генераторами, увеличится в (l+l)/l раз.
к
Приняв l=2 м, получим:
в min
2
E=(2+2)/2×0,24×2×(1,82)/2=1,86 кДж,
в max
2
Е=(2+2)/2×157×2×(1,2)/2=452 кДж.
При этом мощность волн составит:
в min
в min
вmin
W=E⋅/τ=1,86/1,17=1,6 кВт,
в max
в max
mах
W=Е⋅/τ=452/7,6=59,5 кВт,
-1
-1
-1
-1
Учитывая, что 8 лопастей водяных колес обеспечивают до 90% отбора мощности волн, для пар генераторов с общими водяными колесами и общим кпд 40%, каждый из них может выработать ≈(0,64…23,8) кВт электроэнергии. При этом нижними генераторами могут быть ЕСС-52-4, с частотой вращения 1500 об/мин или 25 с, а верхними - ЕСС-81-6, с частотой вращения 1000 об/мин или 16,7 с. Поскольку частота вращения данных водяных колес при скорости волн 1,82 и 1,2 м/с, составит соответственно 0,58 с и 0,064 с, следует применять мультипликаторы с передаточными отношениями от 48 для нижнего яруса и 262 для верхнего.
При размещении на плавающем средстве размерами 75×20 м в один ряд 32 генераторов в 16 корпусах в нижнем и верхнем ярусах, общая мощность такой электростанции составит от 32×0,64≈20,5, до 32(0,64+23,8)≈782 кВт
Установка таких электростанций наиболее целесообразна в местах, где высота волн превышает 1 м. Тогда при работе 24 ч в сутки, в год за 365 суток будет выработано от 1200 до 6850 МВт электрической энергии. При средней стоимости 1 кВт/ч электроэнергии 0,1 $, это обеспечит доход от 120 тыс. $, до 685 тыс. $, что при стоимости такой электростанции около 1 млн. $, обеспечит ее окупаемость и получение прибыли на 3-й 4-й годы ее эксплуатации.
Предлагаемые генераторы позволяют полностью вытеснить имеющиеся атомные и тепловые электростанции для выработки электрической энергии во всем мире, что при нынешнем ее годовом потреблении ≈3500 млрд. кВт/ч, обеспечит годовой экономический эффект до 500 млрд. $, который может быть полностью получен через 20 лет, при производстве по 3000 штук таких электростанций в год. Далее годовой эффект увеличится (в т.ч. с учетом постоянного роста мировых потребностей в электрической энергии) до 1000 и более млрд. $ в год.
Кроме этого обеспечивается экономический эффект за счет сокращения затрат на добычу и транспортировку нефти и газа, а также на производство ядерного топлива, строительство и эксплуатацию электростанций, требуемых для выработки электроэнергии, и утилизацию их отходов, что дополнительно снижает давление на окружающую среду и фактически удваивает сумму экономического эффекта.
Совокупность приведенных данных подтверждает целесообразность широкого применения предлагаемых волновых электрических станций.
В настоящее время ведется подготовка к выпуску предлагаемых плавучих электростанций на АО "Херсонский судостроительный завод", Украина.