Поплавковая волновая электростанция

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при производстве электрической энергии путем преобразования механической энергии морских волн в электрическую энергию, передаваемую в системы электропитания метеобуев, буев связи, маяков и т.п. и применяться как составная часть группы электростанций, объединенных в одну сеть для питания систем освещения пирсов, набережных, других потребителей.
Известна «Поплавковая волновая электростанция» (Патент РФ №2513070 С1, МПК F03B 13/18 опубл. 20.04.2014 г., БИ №11) которая содержит обтекаемый герметичный поплавок и вертикально расположенный внутри поплавка цилиндрический корпус с размещенным в нем маятником. Маятник подвешен к концу троса, который переброшен через блок, установленный на вращающейся оси. Другой конец троса прикреплен к якорю, установленному на дне. К вращающейся оси блока присоединен ротор электрического генератора с постоянными магнитами. Статор генератора закреплен на корпусе. Обмотка статора генератора присоединена к входу зарядного устройства, а выход устройства присоединен к аккумулятору, который вместе с устройством находится в приборном отсеке в верхней части поплавка.
Недостатками устройства является низкая эффективность
преобразования механической энергии волн в электрическую энергию, вызванную малой величиной амплитуды и частоты ЭДС, наводимой в обмотке генератора, поскольку преобразование линейного перемещения поплавка во вращательное движение ротора электрического генератора осуществляется без редукции, необходимой для достижения требуемого уровня скорости вращения ротора генератора. Кроме этого, при появлении качки поплавка натяжение троса будет ослабляться и вследствие этого коэффициент сцепления троса с блоком будет снижаться вплоть до нулевого значения, в результате появится проскальзывание троса и прекращение передачи вращения на ротор генератора.
Известна «Волновая энергетическая установка» (Патент РФ 2440510 С1, МПК F03B 13/18, опубл. 20.01.2012 г., БИ №2), содержащая линейный электрогенератор тока, состоящий из статора и генерирующего сердечника, способного к вертикальному возвратно - поступательному движению внутри статора, полый поплавок, шток, кинематически связывающий сердечник с поплавком, вертикальные направляющие балки с двигающимися по ним опорными роликами, демпферами. Установка снабжена вертикальной стойкой и укрепленным на ней корпусом, выполненным в виде пустотелого корпуса из неметаллического материала с центральными отверстиями на своде и на днище, внутри которого размещены статор и генерирующий сердечник, при этом вертикальные направляющие балки жестко закреплены на своде и на днище корпуса, опорные ролики прикреплены к боковой поверхности генерирующего сердечника, а поплавок, имеющий днище, носовую часть, свод и вентиль, связан со штоком через шарнирное устройство, которое жестко присоединено к своду поплавка.
Недостатками устройства являются низкий КПД и неравномерность процесса преобразования механической энергии волн в электрическую, низкая надежность и недостаточная долговечность конструкции. Работу сложной многокомпонентной системы обеспечивают направляющие ролики, подшипники, сальники, шарниры, что усложняет изделие и влияет на надежность, особенно в условиях агрессивной среды морской воды.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является «Поплавковая волновая электростанция» (Патент РФ №199555 U1, F03B 13/18; Н02К 35/00, опубл. 07.09.2020 бюл. №25), которая содержит поплавок и три однофазных генератора, причем корпус каждого генератора выполнен из ферромагнитного материала, имеет цилиндрическую форму, верхнюю и нижнюю крышки, внутри корпуса генератора размещены статор с электрической обмоткой, выполненной в форме катушек, и индуктор с многополюсной магнитной системой, полюсное деление которой равно т, и две пружины, прикрепленные к верхней и нижней крышкам корпуса, причем катушки электрической обмотки генератора размещены между кольцевыми сердечниками магнитопровода статора каждого генератора и расположены в пространстве строго параллельно друг другу, индуктор каждого генератора размещен на штоке и выполнен в виде набора кольцевых магнитов с кольцевыми ферромагнитными вставками между ними, образуя три многополюсные магнитные системы с пространственным сдвигом между ними равным 2τ/3.
Недостатком полезной модели, принятой за прототип, является то, что статор вместе с обмоткой каждого генератора поплавковой волновой электростанции находится в агрессивной морской среде, которая, воздействуя на изоляцию обмотки, разрушает ее и уменьшает срок службы и надежность поплавковой волновой электростанции в целом.
Задачей является создание устройства, позволяющего разместить статор с обмоткой каждого генератора поплавковой волновой электростанции над морской поверхностью, без непосредственного контакта с агрессивной морской средой.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности и безотказности работы поплавковой волновой электростанции.
Технический результат достигается тем, что в поплавковой волновой электростанции, содержащей поплавок и три однофазных генератора, причем корпус каждого генератора выполнен из ферромагнитного материала, имеет цилиндрическую форму, верхнюю и нижнюю крышки, внутри корпуса генератора размещены статор с электрической обмоткой, выполненной в форме катушек, и индуктор с многополюсной магнитной системой, полюсное деление которой равно τ, и две пружины, прикрепленные к верхней и нижней крышкам корпуса, катушки электрической обмотки генератора размещены между кольцевыми сердечниками магнитопровода статора каждого генератора и расположены в пространстве строго параллельно друг другу, индуктор каждого генератора размещен на штоке и выполнен в виде набора кольцевых магнитов с кольцевыми ферромагнитными вставками между ними, образуя три многополюсные магнитные системы с пространственным сдвигом между ними равным 2τ/3, причем поплавок выполнен с тремя сквозными вертикальными отверстиями без нарушения герметичности остальной полости поплавка, корпуса генераторов закреплены сверху поплавка так, что их вертикальные оси симметрии совпадают с осями отверстий в корпусе поплавка, нижние концы штоков закреплены на фундаменте, а верхние концы штоков закреплены на единой балке.
Существенные отличия, позволяющие реализовать технический результат:
- корпуса генераторов с магнитопроводами статора и обмотками размещены сверху поплавка и всегда находятся в воздушной среде, что позволяет защитить обмотку генераторов от воздействия агрессивной морской среды;
- штоки, на котором размещены индукторы генераторов, неподвижны, т.к. закреплены нижними концами на фундаменте;
в
- возвратно-поступательные движения совершает поплавок вместе с корпусами генераторов, магнитопроводами статоров и обмотками с периодом равным периоду колебания волны Т.
Масса подвижной части генератора полезной модели больше, чем у генератора полезной модели, принятой за прототип, где подвижная часть состоит из поплавка, штока и индуктора, имеющего меньший диаметр по сравнению с диаметром корпуса генератора. При подъеме волны подвижная часть генератора запасает потенциальную энергию, а при спаде волны запасенная подвижной частью генератора потенциальная энергия преобразуется в электрическую энергию. Отсюда следует, что увеличение массы подвижной части генератора способствует повышению эффективности преобразования энергии морской волны в электрическую энергию на интервале спада волны.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена конструктивная схема одного генератора поплавковой волновой электростанции, а на фиг. 2 приведена конструктивная схема трехфазной поплавковой волновой электростанции и введены следующие обозначения:
1 - поплавок;
2 - корпус генератора;
3 - верхняя крышка;
4 - нижняя крышка;
5 - пружины;
6 - статор;
7 - индуктор;
8 - шток;
9 - балка;
10 - фундамент.
Устройство состоит из поплавка 1 с тремя сквозными вертикальными отверстиями в корпусе без нарушения герметичности остальной полости поплавка и трех генераторов, причем корпус каждого генератора 2, закреплен сверху поплавка 1 так, что вертикальная ось симметрии каждого генератора 2 совпадает с осью отверстия в корпусе поплавка 1. Корпус генератора 2 имеет верхнюю 3 и нижнюю 4 крышки, к которым прикреплены пружины 5, внутри корпуса генератора 2 размещен статор 6 с сердечником магнитопровода и обмоткой, а также индуктор 7, установленный на штоке 8. Верхний конец каждого штока 8 закреплен на балке 9, а нижний конец каждого штока 8 закреплен на фундаменте 10.
f
в
Устройство работает при наличии морских волн следующим образом. Поплавок 1, находясь в волне, вместе с корпусами генераторов 2, верхними 3 и нижними 4 крышками и пружинами 5 совершает возвратно-поступательные движения с частотой колебания волны . Магнитные силовые линии, созданные кольцевыми магнитами индукторов 7 трех генераторов, размещенных на штоках 8, верхние концы которых закреплены на балке 9, пересекают проводники обмоток статоров 6, размещенных в корпусах 2, и наводят в них трехфазную систему ЭДС переменного тока:
1
m
- на обмотке статора генератора 1 наводится ЭДС e=Esinωt;
2
m
- на обмотке статора генератора 2 наводится ЭДС e=Esin(ωt-2π/3);
3
m
- на обмотке статора генератора 3 наводится ЭДС e=Esin(ωt-4π/3),
m
э
ф
f
где E=4,44ФW;
ф
W- число витков одной фазы;
Ф - магнитный поток одного полюса индуктора;
f
э
- частота ЭДС, генерируемой в обмотке статора;
f
э
ω=2π - угловая частота ЭДС, генерируемая в обмотке статора.
Фазовый сдвиг во времени ЭДС, наводимых в обмотках трех генераторов при возвратно-поступательном движении подвижной части равен 2π/3 благодаря пространственному сдвигу многополюсных магнитных систем индукторов 7, равному 2τ/3. Причем многополюсные магнитные системы индукторов 7 неподвижны в пространстве, т.к. нижний конец каждого штока 8, на котором размещен индуктор 7, закреплен на фундаменте 10.
Для оценки эффективности полезной модели установим зависимость мощности, генерируемой поплавковой волновой электростанцией, от массы ее подвижной части.
На интервале одного периода волны следует выделить два полупериода.
На интервале первого полупериода (восходящий участок волны) поплавок 1 вместе с подвижной частью поплавковой волновой электростанции поднимается от дна волны до ее гребня. На интервале второго полупериода (ниспадающий участок волны) поплавок 1 вместе с подвижной частью опускается с гребня волны до ее дна.
попл.
э
э
п
э
c.с
На интервале первого полупериода энергия, определяемая выталкивающей силой поплавка W, затрачивается на создании электрической энергию W., снимаемой с обмоток статоров генераторов, на повышение потенциальной энергии подвижной части генераторов W.и на преодоление сил сопротивления движению поплавка вверх W, создаваемых морской водой.
э.э
c.c
.
В первом приближении можно принять равенство энергий W= W. Величину электрической энергии можно определить как отношение:
г
где Р - мощность, вырабатываемая генераторами на интервале полупериода волны, на котором поплавок 1 перемещается вверх;
волн
υ - линейная скорость перемещения волны.
Приведем расчетные соотношения для определения перечисленных выше параметров:
nonл
где F- выталкивающая сила поплавка 1;
А - амплитуда волны;
g - ускорение свободного падения;
в
Т - период волны.
в
попл
п
n
попл
При равенстве амплитуды перемещения поплавка 1 амплитуде волны время перемещения поплавка 1 вверх от дна волны до гребня волны составляет половину периода волны T/2. Учитывая, что выталкивающая сила поплавка 1 F равна произведению расчетного значения объема поплавка 1 V на ускорение свободного падения g, а расчетное значение объема поплавка 1 равно массе подвижной части генераторов, т.е. V=m, получим F≥mg;
или
зап
где k - коэффициент запаса, величина которого может быть принята в пределах от 1,5 до 2,0.
Из соотношения (5) можно установить зависимость массы подвижной части генераторов от его мощности.
п.э
э.э
c.
с
На интервале второго полупериода подвижная часть поплавковой волновой электростанции перемещается вниз, преобразуя запасенную на первом полупериоде потенциальную энергию W в электрическую энергию W, и энергию на преодолении сил сопротивления воды W.:
п.э
э.э
c
W=W+W.с;
r
волн
г
в
*
mg2A=2P/υ=PT/2A;
Сравнивая выражения (6) и (7), устанавливающие требования к величине массы подвижной части поплавковой волновой электростанции при подъеме и спаде волны, соответственно, нетрудно установить, что, если масса подвижной части поплавковой волновой электростанции выбрана, исходя из требований при подъеме волны, генерирование электрической энергии при спаде волны будет не менее эффективно, чем при подъеме, поскольку требуемое значение массы подвижной части поплавковой волновой электростанции, рассчитанное по формуле (6), больше, чем рассчитанное по формуле (7).
Закрепление верхних концов штоков 8 на единой балке 9 обеспечивает большую устойчивость поплавковой волновой электростанции к воздействию поперечной силы волны, а значит и большую надежностью работы.
На основании вышеизложенного очевидно, что введение новых отличительных признаков полезной модели позволяет повысить надежность и безотказность работы поплавковой волновой электростанции, увеличить ее срок службы, а также повысить эффективность преобразования механической энергии морских волн в электрическую энергию как при подъеме, так и при спаде волны.