ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
WAVE ELECTRIC POWER STATION

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к электрогенерирующим установкам, преобразующим энергию морских волн. Ряд таких электростанций, установленных с определенным шагом вдоль побережья, наряду с производством электроэнергии стандартных параметров надежно защитит берег от самых разрушительных волн.
Известен целый ряд преобразователей энергии волн в электрическую энергию. Среди них по эффективности отбора волновой энергии считаются лучшими "Утка" Солтера и плот Коккерелла. Однако первая из упомянутых энергоустановок не адаптирована к ориентации фронта волны, вторая же - к длине последней. Главный же недостаток указанных преобразователей состоит в том, что практическая их реализация связана с неокупающимися капитальными и эксплуатационными затратами при недопустимо больших потерях энергии на ее передаче от воспринимающего устройства до вала генератора.
Эти недостатки сдерживают широкое применение данных энергоустановок (В.А.Коробков. Преобразование энергии океана, Л. "Судостроение", 1986, с.140-142). Хотя сама идея использования системы связанных поплавков в виде контурного плота Циолковского является наиболее перспективной и в волновой энергетике, и в инженерной защите побережий от волновой эрозии (см. там же, с.133).
Известны "точечные" преобразователи энергии волн в электроэнергию с использованием различных кинематических передач, среди которых "Волновая энергетическая машина" (пат. RU 2141057, кл. 6 F03В 13/20), "Поплавковая волновая электростанция" (пат. RU 2037642, кл. 6 F03В 13/16), а также энергоустановка, защищенная патентом RU 2221933, кл. F03В 13/18 на "Способ использования энергии морских волн и устройство для его осуществления". К общим недостаткам этих устройств следует отнести низкий кпд при отборе волновой энергии, несовершенство механизма ее передачи к валу генератора, нестабильность частоты его вращения, а следовательно, и параметров получаемой электрической энергии. К тому же все они неспособны заметно ослабить опасное для берегов волнение моря.
Известна "Волновая энергетическая установка", разработанная в АО "Белгородский завод энергетического машиностроения" (пат. RU 2147077, кл. 7 F03В 13/16), содержащая каркас с площадкой и поплавки, соединенные посредством блока конических и цилиндрических зубчатых колес и шестерен с валом отбора мощности, на котором установлены маховик и муфта для соединения с электрогенератором. Она имеет поплавки, закрепленные на штангах неодинаковой длины с общей осью и имеющие форму трехгранной призмы с выступающими гранями, независимые в своих относительных движениях, а пространство между боковыми поплавками выполнено с обеспечением возможности свободного прохода волны на средний поплавок.
При наличии ценной идеи рассредоточения поплавков, воспринимающих как потенциальную, так и кинетическую энергию волн, в направлении их движения, а также независимой передачи усилия штанг на общий вал с маховиком данная установка имеет целый ряд недостатков: она жестко связана с основанием, закрепленным на морском дне, следовательно, эффективность ее работы сильно зависит от направления движения волн. Этим же усложняется ее установка в глубоководных местах; количество поплавков явно недостаточно для равномерного отбора энергии волн в течение их периода, при этом более слабая волна, приходящая вслед за сильной, не способна эффективно воздействовать на кинематическую систему установки из-за недостаточной скорости подъема поплавков; даже удовлетворительная в энергетическом отношении работа маховика не способна поддерживать частоту вращения ротора генераторов переменного тока в нормируемых пределах; конструкция поплавков не гарантирует их четкую работу при сильном волнении моря, когда в прибрежной зоне (на мелководье) передний фронт волны круто встает и даже опрокидывается, и, наконец, установка, рассчитанная на использование в прибрежных зонах, не способна защищать берег от волновой эрозии.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства (прототипом) является волновая электростанция (ВЭС) по патенту RU 2313690 F03В 13/20, которая содержит шарнирно соединенные поплавки контурного плота с динамическим якорем, муфты свободного хода и муфты предельного момента, кинематическую систему с общим многозвенным карданным валом, связанным силовой передачей с каждым поплавком, а также с электрогенератором - через маховик и устройство стабилизации частоты вращения.
Недостатком данной ВЭС является отсутствие эффективной защиты ее от самых опасных волн, что требует ее оснащения автоматической системой притапливания, сопровождаемого ослаблением берегозащитной функции, а также слабая защита силовой трансмиссии от запредельных и ударных динамических нагрузок - даже при наличии муфты предельного момента в конце карданного вала. К тому же буферные ограничители взаимного поворота поплавков не исключают ударных воздействий на их шарнирные соединения.
Задачей заявляемого изобретения является создание волновой элекстростанции, способной устойчиво работать в любых реальных условиях эксплуатации.
Поставленная задача достигается тем, что волновая электростанция, содержащая шарнирно соединенные поплавки контурного плота с динамическим якорем, муфты свободного хода и муфты предельного момента, согласно изобретению оснащена самонастраивающимся пневматическим волноломом, включающим пневмонагнетатели с приводом от первых, считая с головного, поплавков контурного плота, воздуховод и воздухораспределительную трубу, размещенную на консолях динамического якоря в водном пространстве перед головным поплавком, и устройство автоматического управления сбросом воздуха, например, в виде запорной арматуры с приводом от буев, при этом шарнирные соединения первых поплавков снабжены пневмоамортизаторами, например, совмещенными с пневмонагнетателями, а приводные колеса этих поплавков связаны с последними через комбинированные муфты, включающие муфту свободного хода и муфту предельного момента.
Оснащение ВЭС самонастраивающимся пневматическим волноломом, избирательно воздействующим на приближающиеся к ней волны разной высоты, позволяет частично гасить их до безопасного уровня с последующим преобразованием оставшейся энергии электрогенератором и пневмонагнетателями.
Установка пневмоамортизаторов на шарнирных соединениях поплавков не только исключит ударные нагрузки при предельных углах их взаимного поворота, но и позволит использовать энергию амортизаторов при его реверсе.
Оснащение приводных колес поплавков муфтами предельного момента устранит опасные нагрузки на трансмиссию ВЭС.
Для пояснения сущности изобретения представлены следующие чертежи: на фиг.1 показан общий вид ВЭС; на фиг.2 - продольное сечение головного поплавка по осям пневмоцилиндров, расположенных вблизи его боковых стенок; на фиг.3 - вид "А" на комбинированную муфту (по чертежу на фиг.2); на фиг.4 - сечение "Б-Б" муфты, показанной на фиг.3.
Заявляемая ВЭС состоит из поплавков 1 (фиг.1), объединенных в контурный плот, оснащенный известными (из описания ВЭС - прототипа по пат. RU 2313690) трансмиссией с маховиком и электрогенератором, а также динамическим якорем. Первые (считая с головного) поплавки 1 снабжены пневмонагнетателями 2 (фиг.2), например поршневыми, с воздузозаборными трубами 3 и клапанами: впускными 4 и выпускными 5, воздуховодами 6, подключенными к ресиверу, представленному в данном случае головным поплавком, а также расположенной на установленных консолях 7 динамического якоря поперечной перфорированной воздухораспределительной трубой 8 с запорной арматурой 9, связанной с датчиками высоты волны в виде, например, буев 70 с регулировочными противовесами 11; кроме того, упомянутые первые поплавки 7 оснащены муфтами предельного момента, содержащими ведущий диск 72 (фиг.3 и 4), ведомый диск 13, поджатый, например, тарельчатой пружиной 74, фрикционную вставку 15, и конструктивно объединенными с муфтами свободного хода в комбинированную муфту, через которую корпус поплавка кинематически связан с каждым своим приводным колесом.
Заявляемая волновая электростанция работает так. В нормальных условиях, когда высота волн не превышает расчетное значение, работа ВЭС практически не отличается от работы ее прототипа: продольный контур плота, состоящего из поплавков 7, повторяет профиль движущейся волны, затухающей по мере отбора ее энергии, из-за чего скорость относительного поворота смежных поплавков 7 в направлении от головного к машинному снижается, что компенсируется изменяющимся передаточным отношением в звеньях трансмиссии. Этим обеспечивается отбор энергии всеми поплавками, скорость поворота которых отстает от скорости изменения профиля проходящей под ними волны. При такой интенсивности волнения упоры буферов у поплавков 1 даже первой пары, включающей головной, не доходят до штоков пневмонагнетателей 2, а усилия в трансмиссии остаются в расчетных пределах.
С усилением волнения упоры буферов у первых пар поплавков 1 начинают воздействовать на подпружиненные штоки пневмонагнетателей 2, и атмосферный воздух через заборные трубы 3 и клапаны 4 и 5 подается во внутреннее пространство головного поплавка-ресивера, соединенного воздуховодами 6 с установленной на консолях 7 воздухораспределительной трубой 8. При этом датчики высоты волны - буи 10, настроенные с помощью противовесов 77, отслеживают высоту приходящей волны и в соответствии с ней подают через запорную арматуру 9 необходимый объем воздуха (мелкими струями) в водное пространство перед плотом электростанции. Образующаяся водовоздушная смесь благодаря малой плотности и хорошей сжимаемости эффективно гасит волну до безопасного уровня (Новый политехнический словарь, М. 2003, ст."Волнолом" на стр.83, ил. на стр.84). При этом если плоты установлены с определенным шагом, необходимым для их маневра, связанного с изменением направления волн, воздухораспределительные трубы с длиной, превосходящей в данном случае ширину плота, способны - и даже в большей мере - гасить волну между плотами, т.е. на пути к защищаемому побережью, посредством соответствующего распределения воздушного потока.
В случае особо резких воздействий на головной поплавок крутой волны или тяжелых плавающих предметов остаточная энергия при его повороте аккумулируется в пневмоамортизаторах, представляющих собой выше рассмотренные поршневые устройства, сжимающие воздух в замкнутом пространстве (при уже перекрытых выпускных клапанах 5). Такие амортизаторы исключают ударные нагрузки на шарнирные соединения поплавков и возвращают запасенную ими энергию при реверсе поворота последних.
Всякие перегрузки, связанные с резким ускорением поворота поплавков, снимаются муфтами предельного момента в самом начале силовой трансмиссии, чем обеспечивается ее защита от поломок и интенсивного изнашивания. Величина предельного момента определяется усилием пружины 14 и коэффициентом трения рабочих поверхностей дисков 12 и 13 в парах с фрикционным материалом вставки 15.
Оснащение волновых электростанций описанными устройствами полностью решат проблему защиты самих ВЭС и расположенного за ними побережья практически в любых экстремальных ситуациях. Кроме того, рассмотренная здесь идея использования поплавковых пневмонагнетателей для воздухоснабжения пневматических волноломов найдет широкое применение в инженерной защите береговых и морских сооружений.