ПЛАВУЧАЯ ПРИБРЕЖНАЯ ГИДРОВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
FLOATING COASTAL HYDRO WAVE POWER PLANT

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 только из 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 электроэнергии, пока 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 практических 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 затем 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 далее в индукционный ток (см. там же, стр.30).
Двухэлементным устройством является генератор электрического тока, его варианты и способы их установки (см. патент на изобретение Российской Федерации МПК Н02К 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 парные им роторы или статоры жестко закреплены в 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 плавающих средств во взаимно перпендикулярных направлениях генераторы могут быть встроены перпендикулярно в полый трубчатый ротор внешнего генератора, у которого ротор или статор выполнены статически неуравновешенными, и за счет их свободного подвеса в направлении к центру Земли они имеют возможность совершать колебания относительно закрепленных на плавающем средстве парных им роторов и статоров, при действии на него волн, в т.ч в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, для чего роторы или статоры могут быть закреплены, в один или более ярусов, на горизонтальной поворотной платформе, установленной на плавающем средстве и имеющей возможность свободного поворота вокруг своей вертикальной оси, а на самой поворотной 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. Действие генераторов переменного тока основано на базе закона электромагнитной индукции, открытого Фарадеем, в котором индуктируемая электродвижущая сила пропорциональна скорости изменения магнитного потока (см. книгу: Вершинский Н.В. Энергия океана. - М.: Наука, 1986, с.31).
Недостатком данных генераторов является малая сила, движущая его ротор или статор только за счет эксцентриситета их масс, и малая скорость колебаний ротора относительно статора, что снижает его мощность.
Устранение указанных недостатков является задачей данной заявки, решение которой возможно путем увеличения скорости движения магнитного потока и смещения центра масс ротора за счет изменения его конструкции.
В предлагаемой заявке на изобретение поставленная задача решена путем выполнения ротора в виде горизонтальной балки, плечи которой равны между собой, размещения на ее боковых секторах системы для возбуждения магнитного поля и установки балки в трюме корпуса плавающего средства на оси, со смещением общего центра масс ротора ниже этой оси, с возможностью его циклических качаний на угол α на этой оси и введения секторов роторов в адекватные им по форме, высоте и углам их качания секторы статоров, с их системами возбуждения электрического тока, и путем установки генераторов поперек или вдоль оси корпуса плавающего средства, с максимальным отводом секторов роторов и статоров к бортам корпуса, который развернут бортом к фронту подхода волн, или максимальным отводом секторов роторов и статоров к перегородкам трюма корпуса, который развернут носом или кормой к фронту подхода волн, а также путем выполнения ротора в виде общего дугового сектора, введенного в адекватные ему по форме, высоте и углам качания секторы статора, или выполнения ротора в виде гирлянды из отдельных секторов, с возможностью их качения на роликах по канавкам на дуговой формы щитах статора, при качании плавающего средства волнами.
Предлагаемые конструкции гидроволновых плавучих электростанций, генераторов и их варианты показаны на чертежах.
На фиг.1 показана плавучая прибрежная волновая электростанция 1 с генераторами 2 электрического тока, установленными на судне в трюмах 3 между бортами 4, поперек корпуса 5, днищевая секция 6, поперечные 7 и палубные перегородки 8 которого обеспечивают ему требуемую прочность и жесткость, а ходовой электродвигатель 9, с приводом 10 ходового винта - возможность увода плавающего средства в укрытие при сильном шторме. Отвод на берег выработанной электроэнергии обеспечивается кабелем 11 с катушкой 12 или иным способом, например преобразованием ее в луч СВЧ и его обратным преобразованием в электрический ток приемником на берегу.
c
p
c
Генераторы 2 электрического тока (исполнение 1) имеют статоры 13 и роторы 14 с общей продольной осью 15, расположенной горизонтально вдоль оси плавающего средства в зоне его ватерлинии 16, и установлены поперек корпуса 5 между его бортами 4. Ротор выполнен в виде горизонтальной балки 17 с крайними секторами 18 симметричной формы, на боковых сторонах которых размещена система 19 возбуждения магнитного поля, имеющая несколько рядов катушек с проводниками и сердечниками и/или постоянных магнитов, а центр масс ротора, за счет подвешенного груза 20, смещен на величину е ниже продольной оси О его циклических поворотов-качаний на угол ± α на оси 15, при установке ее в опорах 21 на палубе 22 трюма и/или при подвешивании ее к его потолочным перекрытиям 23. Ряды сердечников с катушками, установленные на боковых секторах ротора, могут иметь системы раздельного возбуждения, с возможностью их включения в зависимости от силы действия волн воды. Боковые секторы ротора введены по дуге радиуса r с минимальным зазором в адекватные им по форме и размерам секторы 24 статора 13, высота h которых охватывает сектор ротора высотой h с углами ± α его циклических качаний. Боковые секторы 24 статора содержат катушки с проводниками и сердечниками системы 25 выработки электрического тока и закреплены на своих дуговых остовах 26, которые могут быть установлены с упором на борт и неподвижные клинья 27 на палубе трюма, и закреплены подвижными клиньями 28 со стороны перекрытия трюма. При этом секторы статоров и связанные с ними секторы роторов, разнесены к бортам трюма на максимально возможную величину радиуса r, который согласован с высотой h статора и шириной b трюма корпуса 5. Для ограничения сектора поворота ротора при сильном волнении на палубе и на верхних перекрытиях трюма могут быть установлены упругие упоры 29, а для защиты электрической части генератора на торцах остова статора могут быть закреплены щитки 30.
Вместо груза 20 могут быть применены стержни или ребра жесткости балки (исполнение 2), или дополнительный генератор 31 (исполнение 3), ось которого установлена параллельно оси 15 качания балок 17, к низу которых прикреплен статор 32 дополнительного генератора, а на концах оси его ротора могут быть закреплены перекладины 33, связанные с основанием трюма корпуса 5 плавающего средства, например, с помощью гибких пружин 34 или иных упругих элементов.
Для упрощения синхронизации работы генераторов они могут быть снабжены индивидуальной системой аккумуляторов или конденсаторов, разрядка которых выполнена дополнительными полупроводниковыми или иными устройствами подачи тока импульсами в заданном частотном режиме. Эти системы также могут служить дополнительным грузом для смещения центра масс ротора относительно оси его качания.
Принцип работы плавучей прибрежной волновой электростанции в исполнении 1 следующий.
При установке генераторов с осью качания 15 вдоль оси плавающего средства 1, оно развернуто бортом к фронту движения волн и закреплено в таком положении якорями и/или удерживается иными средствами, например, стабилизационными и/или подруливающими двигателями, и/или ходовым двигателями 9. Ротор 14, установленный с возможностью качания на оси 15, имеет балки 17 с секторами 18 и системой 19 для возбуждения магнитного поля на их концах. При смещении е центра масс ротора ниже оси О за счет груза 20 и сил тяготения он обретает горизонтальное положение и сохраняет строго эту ориентацию относительно поверхности Земли при любых углах ± α качания волнами корпуса 5, с которым жестко связаны остовы 26 секторов 24 статора 13, с системой 25 с катушками из проводников и сердечниками для выработки электрического тока. Таким образом, при активации системы 19 возбуждения магнитного поля неподвижно висящего ротора, относительно него, вместе с качаемым волнами корпусом плавающего средства, совершают циклические колебания на угол ± α секторы 24 с системой 25 возбуждения электрического тока статора 13, что ведет к выработке ими электрического тока. Расположение систем возбуждения статора и ротора на максимально возможном расстоянии r от оси О их качания, т.е. у бортов 4 плавающего средства, увеличивает линейную скорость их относительного движения, что адекватно повышает ЭДС системы, а размещение катушек с проводниками и их сердечниками на секторах ротора отдельными рядами с индивидуальным включением подводимого к ним электрического тока системы возбуждения магнитного поля обеспечивает возможность регулировки ЭДС и связанного с ней реактивного движения ротора, в зависимости от мощности волн.
Принцип работы плавучей прибрежной волновой электростанции в исполнении 2 отличается от предыдущего тем, что при качаниях корпуса 5 волнами на угол ± α статор 32 дополнительного генератора 31, подвешенный снизу к балкам 17 ротора основного генератора, обеспечивает им постоянное направление к центру Земли, а гибкие пружины 34 постоянно удерживают параллельно основанию корпуса 5 прикрепленную к ротору перекладину 33, что обеспечивает циклические повороты ротора дополнительного генератора относительно его статора, за счет чего в нем создается ЭДС и дополнительно вырабатывается электрический ток. Однако при этом возможно раскачивание ротора основного генератора, что может уменьшить его ЭДС.
При сильных волнах плавающее средство может быть уведено своим ходом (при отсутствии ходовых двигателей - буксиром) и укрыто в бухте.
На фиг.2 показаны новые конструктивные исполнения генераторов, у которых исключена потребность в дополнительном грузе, а эксцентриситет е центра масс ротора 14 обеспечен за счет закрепления на концах балок 17 (исполнение 1) боковых секторов 35 асимметричной формы. Для упрощения конструкции балки могут быть выполнены в виде цельной перекладины 36 (исполнение 2), закрепленной выше или ниже оси 15. Остальные параметры генератора и его установки идентичны исполнению 1, приведенному на фиг.1.
Принцип работы данного генератора аналогичен предыдущему.
На фиг.3 показано развитие способов установки генераторов за счет увеличения их количества и размещения в трюмах плавучих электростанций друг за другом рядами. При этом составляющие элементы 13…21 адекватны исполнениям, приведенным на фиг.1, а для уменьшения длины предлагаемых конструкций генераторов они могут быть собраны в модули с двумя или с большим количеством соосно установленных в корпусе плавающего средства статоров 13, связанных общим основанием 37, и роторов 14, у которых оси 15 с закрепленными на них балками 17 и грузами 20 установлены на основные 21 и промежуточные опоры 38, а концы осей 15 могут быть соединены друг с другом с помощью муфт или хомутов или могут быть введены во втулки 39, зафиксированные в опорах 38, например, винтами 40, а на торцах введенных в контакт осей могут быть выполнены адекватные друг другу уступы 41. При этом промежуточные генераторы возбуждения могут быть заменены одним общим 42, для чего в последующих осях 15 могут быть выполнены сквозные отверстия 43 для укладки в них электрических кабелей либо кабели могут быть уложены и закреплены снаружи осей 15.
c
p
p
c
На фиг.4 показано развитие конструкций генераторов, установленных между бортами 4 корпуса 5 плавающего средства, содержащих статоры 13 и роторы 14, у которых, для повышения мощности, концевые секторы в нижней части объединены в общий сектор 44 дуговой формы радиуса r, с остовом 45, что увеличивает общее количество катушек с проводниками и сердечниками системы 19 возбуждения электромагнитного поля, а статор 13 выполнен с адекватным сектору 44 по форме и по размерам h дуговым сектором 46, установленным на остове 47, и охватывающим высоту h ротора и углы ± α его циклических качаний, и также имеет увеличенное количество катушек с проводниками и сердечниками системы возбуждения электрического тока 25. Остальные конструктивные элементы, в т.ч. перекрытие 23 и клинья 27, 28 для крепления статора, адекватны предыдущему исполнению, показанному на фиг.1. При увеличении, по сравнению с предыдущими вариантами, высоты ротора h, радиус r, высота h статора и трюма должны быть заново увязаны с шириной b корпуса плавающего средства, что может увеличить высоту борта 4 корпуса 5, однако при этом обеспечивается существенное увеличение эксцентриситета е, что повышает мощность работы генератора. Кроме того, ось качания О в такой системе обеспечивается автоматически, что исключает потребность установки ротора на продольной оси с ее опорами, а для обеспечения качения ротора по дуговому статору на остове 45 ротора с двух его торцов выполнены полуоси 48 с роликами 49, имеющими конический, или трапецеидальный, или дуговой профиль, которые введены в адекватные им канавки 50, выполненные на опорных или на защитных щитах 51, закрепленных на торцах остова статора (исполнение 1).
Для исключения вылета ротора, при сильной качке корпуса, из канавок они могут иметь замкнутый профиль (исполнение 2), созданный на щитах 51 дуговыми полками 52 с опорными элементами 53, боковыми стенками 54 и съемными верхними 55 дуговыми крышками, а роликами могут быть один или пара радиально-упорных шариковых 56 или роликовых подшипников.
Принцип работы этого генератора аналогичен предыдущему, отличия есть лишь в качении дугового ротора по канавкам 50 опорных щитов статора.
На фиг.5 показано развитие конструкций генераторов, установленных между бортами 4 корпуса 5 плавающего средства (исполнение 1), у которых, для повышения мощности, в дуговое пространство остова 45 ротора 14 дополнительно введен генератор с адекватным остову по размерам и форме сектором статора 57, жестко подвешенным своим остовом 58 к перекрытию 23 на стержнях 59, а в него введен, с возможностью свободного качания при наклонах корпуса 5 на угол ± α, дуговой ротор 60 с остовом 61 и введенными в него полуосями 48 с роликами 49, которыми он установлен на щите 62, закрепленном на остове 58 статора. Ход второго ротора ограничивают упоры 63. В дуговое пространство остова ротора второго генератора аналогично может быть введен статор третьего и т.д. Все остальные конструктивные элементы, в т.ч. клинья 27 и 28 для крепления остова 47 статора 13 и опорные щиты 51, адекватны предыдущему исполнению, показанному на фиг.4.
Для уменьшения количества движущихся частей генератора в дуговое пространство остова 45 ротора 14 (исполнение 2) дополнительно введен ротор 64 второго генератора, остов 65 которого адекватен по размерам и форме остову 45, которые жестко скреплены между собой и имеют возможность свободного качания при наклонах корпуса 5 на угол ± α, на введенных между остовами полуосях 48 с роликами 49, которыми они размещены на щите 51, закрепленном на остове 47 статора 13. В дуговое пространство сектора ротора 64 введен статор 66 второго генератора, остов 67 которого жестко связан с перекрытием 23 стержнями 68 и закрыт щитом 69. Внутрь остова второго статора может быть введен статор третьего подобного генератора и т.д., а в центральной части вложенных друг в друга генераторов в остове статора может быть установлен обычный (типовой) генератор 70, у которого ротор 71 также имеет эксцентриситет центра масс относительно оси его вращения, например, за счет уменьшения количества катушек со стержнями или за счет изменения иных элементов его конструкции. Все остальные конструктивные элементы, в т.ч. клинья 27 и 28 для закрепления остова 47 статора 13, аналогичны предыдущему исполнению, показанному на фиг.4.
Принцип работы данных генераторов при выработке электрического тока аналогичен предыдущему, отличия имеются лишь за счет выполнения качаний статоров дополнительных генераторов относительно их роторов.
На фиг.6 показано развитие конструкций генераторов, установленных между бортами 4 корпуса 5 плавающего средства, у которых, для упрощения производства и монтажа роторов с постоянным зазором относительно статора 13, при неточностях изготовления их размеров и формы и при деформациях их вместе с корпусом плавающего средства волнами, ротор 14 выполнен из отдельных сегментов 72 с катушками с проводниками и введенными в них стержнями системы 19 возбуждения электромагнитного поля, а их остовы соединены звеньями 73 цепных передач (исполнение 1), установленными своими отверстиями на полуосях 48, введенных с противоположных торцов в каждый сегмент 72, и собирающих их в гирлянды, а для обеспечения качения ротора по статору дуговой или иной формы на полуосях 48 установлены ролики 49, имеющие дуговой, или конический, или трапецеидальный, или иной выпуклой формы профиль, которые введены в адекватные ему канавки 50 с открытыми или закрытыми профилями, выполненными на защитных щитах 51, по аналогии с исполнениями, показанными на фиг.4.
Для упрощения соединения отдельных сегментов 72 звенья цепи могут быть заменены стальными или иными канатами 74, введенными в отверстия 75, выполненные на полуосях 48 с роликами 49, и закрепленными внутри, или на полуосях крайних сегментов крепежными элементами 76, или деформацией отверстий 75, например сжатием. Для обеспечения постоянства шага между сегментами 72, деформация отверстий 75, для зажима канатов, может быть выполнена в каждой полуоси 48. Все остальные элементы конструкции генератора аналогичны предыдущим вариантам исполнений.
Предложенные гибкие исполнения роторов при жестких статорах возможны в многоярусных компоновках генераторов, показанных на фиг.5.
Принцип работы данных генераторов при выработке электрического тока аналогичен предыдущему, отличия имеются лишь в гибкой связи между сегментами 72 ротора 14, за счет соединения остовов отдельных сегментов звеньями 73 цепной передачи или за счет соединения сегментов 72 гибкими канатами 74, что позволяет им повторять форму статора 13.
На фиг.7 показана плавучая прибрежная волновая электростанция 1 с генераторами 2 электрического тока, установленными фронтально на судне в трюмах 3 между бортами 4 вдоль оси корпуса 5, у которого днищевая секция 6, поперечные 7 и палубные перегородки 8 обеспечивают ему требуемую прочность и жесткость, а ходовой электродвигатель 9 с приводом 10 ходового винта - возможность увода плавающего средства в укрытие при сильном шторме. Отвод на берег выработанной электрической энергии обеспечивается кабелем 11 с катушкой 12 или иным способом, например преобразованием ее в луч СВЧ и затем обратным его преобразованием в электрический ток приемником на берегу.
c
Для улучшения остойчивости плавающего средства при сильной волне генераторы 2 электрического тока установлены в корпусе 5 фронтальными рядами друг за другом вдоль его оси между бортами и перегородками 7 его трюмов (исполнение 1) и имеют статоры 13 и роторы 14 с общей продольной осью 15, расположенной горизонтально поперек оси плавающего средства в зоне его ватерлинии 16. При этом секторы 24 статоров и связанные с ними секторы 18 роторов разведены к перегородкам 7 трюмов на максимально возможную величину радиуса r, который согласован с углами качания ± α и высотой h статора, и с длиной l и высотой трюма, с учетом заполнения всей высоты межпалубного пространства корпуса 5. Остальные конструктивные элементы 17…26 генератора и элементы 27…30 его установки и закрепления аналогичны элементам, приведенным на фиг.1.
Установка статоров 13 и роторов 14 генераторов в исполнении 2 также отличается от аналогичного исполнения, показанного на фиг.2, лишь их фронтальной ориентацией относительно оси корпуса плавающего средства и привязкой боковых сторон к перегородкам 7 трюма корпуса 5.
Принцип работы плавучей прибрежной волновой электростанции и ее генераторов аналогичен предыдущему варианту, рассмотренному на фиг.1, а отличия возникают лишь за счет установки генераторов с осью качания 15, поперек оси плавающего средства 1, в результате чего оно всегда развернуто носом к фронту движения волн за счет своей формы, при закреплении одним якорем, и/или удерживается в таком положении иными средствами, например, стабилизационными и/или подруливающими двигателями, и/или ходовым двигателем 9. Роторы 14, установленные с возможностью качания на осях 15 и имеющие постоянную ориентацию к центру Земли за счет смещения центра их масс, и статоры 13, закрепленные на корпусе плавающего средства, при качании последнего волнами, получают движение друг относительно друга и вырабатывают электрический ток, аналогично предыдущим вариантам.
На фиг.8 показаны новые конструктивные исполнения генераторов, установленных в корпусе 5 фронтальными рядами друг за другом вдоль его оси между бортами и перегородками 7 его трюмов (исполнение 1), у которых, в отличие от предыдущих вариантов, показанных на фиг.7, статор 13 имеет общий дуговой сектор 46 с системой возбуждения электрического тока 25, закрепленный на остове 47, а ротор 14 имеет общий дуговой сектор 44 с системой возбуждения электромагнитного поля 19, закрепленный на остове 45. Остальные конструктивные элементы генераторов аналогичны элементам, приведенным на фиг.4.
Для повышения общей мощности электростанции, ее дуговой формы генераторы могут быть выполнены многоярусной компоновки из вложенных в дуговое пространство друг друга пар роторов и статоров (исполнение 2), у которых в остов 45 ротора 14 введен адекватный им по размерам и форме статор 57, с жестко подвешенным к перекрытию 23 остовом 58, в который введен подвижный ротор 60, по аналогии с вариантом, показанным на фиг.5, исполнение 1. Отличием от него является только установка генераторов в корпусе 5 плавающего средства фронтальными рядами друг за другом вдоль его оси между бортами и перегородками 7 его трюмов.
Принцип работы данных генераторов при выработке электрического тока аналогичен предыдущему варианту, показанному на фиг.7. Отличия имеются лишь в выполнении дополнительных генераторов, введенных один за другим в дуговое пространство предыдущих генераторов, статоры которых жестко связаны своими остовами с корпусом плавающего средства и вместе с ним, под действием на него морских волн, совершают качания на угол ± α относительно роторов, свободно введенных в пространство между статорами и имеющих постоянную ориентацию к центру Земли за счет эксцентриситета их масс.
На фиг.9 показаны новые конструктивные исполнения генераторов, установленных в корпусе 5 плавающего средства фронтальными рядами друг за другом вдоль его оси, между бортами и перегородками 7 его трюмов, у которых (исполнение 1), в отличие от предыдущего варианта многоярусной компоновки, показанного на фиг.8, для уменьшения количества движущихся частей генераторов, их роторы 14 и 64 соединены своими остовами 45 и 65, с разворотом спаренного ротора 64 внутрь дополнительного генератора, а его статора 66 - внутрь ротора 64, и так далее для последующих пар роторов и статоров, по аналоги с вариантом, показанным на фиг.5, исполнение 2.
Принцип работы данных генераторов при выработке электрического тока аналогичен предыдущему, показанному на фиг.8, отличия имеются лишь в выполнении роторов, спаренных с роторами дополнительных генераторов.
Развитие предыдущих конструкций генераторов показано в исполнении 2, у которых, для упрощения изготовления и монтажа ротора с постоянным зазором относительно статора 13, при неточностях их размеров и формы, и при их деформациях вместе с корпусом плавающего средства волнами, по аналогии с вариантом, показанным на фиг.6, ротор выполнен из отдельных сегментов 72, соединенных звеньями 73 цепных передач, установленных на полуосях 48, введенных с противоположных сторон в каждый сегмент 72, и собирающих их в гирлянды. Для лучшего заполнения объема трюма корпуса 5 плавающего средства в средней части дуги статора может быть выполнен прямолинейный участок 77. Для исключения резкого изменения направления движения и появления центробежных сил при переходе сегментов 72 ротора с прямолинейного участка статора на дуговые радиуса r средние и/или крайние участки статора могут быть заменены криволинейными участками с плавным уменьшением их кривизны от ∞ до r. Остальные конструктивные элементы генераторов, в т.ч. гибкое соединение сегментов 72 ротора канатами, а также процесс их качания и работы при выработке электрического тока, аналогичны исполнениям, показанным на фиг.6. Отличия имеются лишь во фронтальной установке генераторов в трюмах плавающего средства вдоль оси корпуса 5, с заполнением пространства трюмов между его бортами и перегородками 7.
Возможна также многоярусная компоновка генераторов с гибкими исполнениями сегментных роторов по вариантам, рассмотренным на фиг.5.
Совокупность всех перечисленных признаков у приведенных на фиг.1…9 исполнений генераторов и вариантов их установки в электростанциях позволяет характеризовать их, как неизвестные ранее технические решения, неочевидные из базового уровня развития техники. Реализация их возможна в условиях реального промышленного производства, поскольку конструкции секторов роторов, генераторов и систем их установки аналогичны известным, они лишь имеют иные размеры и приспособлены к новым условиям их установки и работы. При этом все исполнения роторов, генераторов и их размещение в трюмах корпуса плавающего средства являются развитиями предыдущих вариантов исполнений, логически вытекающими друг из друга, что обеспечивает единство замысла предлагаемой заявки на изобретение. Таким образом, возможна классификация всех предложенных в данной заявке технических решений, как изобретений, отвечающих всем требуемым для этого требованиям.
Все предлагаемые исполнения генераторов и варианты их установки на плавающем средстве позволяют обеспечить стабильное качание статоров с частотой колебания волн относительно свободно подвешенных с постоянной ориентацией к центру Земли роторов, за счет эксцентриситета их масс. При этом обеспечивается высокая мощность каждого генератора за счет высокой линейной скорости движения статора относительно ротора, обусловленная их большими размерами и за счет большого количества воспроизводящих электрический ток элементов, что улучшает показатели работы генератора при высокой надежности всей системы и обеспечивает положительный эффект от их применения.
Реальные варианты исполнения предлагаемых волновых электрических станций и генераторов возможны при любом виде и размерах из элементов базовых конструкций судов, роторов и статоров, что облегчает их выбор, проектирование и изготовление. Отличия имеются в размерах элементов роторов и статоров, которые вытекают из реальных размеров используемых для электрических станций плавающих средств, и их соединении.
в
Пример конкретного исполнения предложенной прибрежной волновой электрической станции и ее генераторов, размещенных поперек корпуса в трюме плавающего средства, рассмотрен на базе вариантов, показанных на фиг.9 и фиг.6. Для плавучей электростанции длиной 70 м, шириной 24 м высотой 12 м и осадкой 6 и (большие размеры нецелесообразны, т.к. снижают чувствительность корпуса к качке волнами), радиусный участок поверхности движения роторов генераторов составит r=5 м, а переходный участок между дугами l=12 м, Тогда общий ход движения ротора составит 27,7 м. Считаем, что при установке плавающего средства бортом к фронту движения волн оно будет эффективно воспринимать волнение высотой волн h от 1 до 5 м, что охватывает практически весь их диапазон, кроме ураганных, при которых плавающее средство следует укрыть в бухте.
<mrow><msub><mi>λ</mi><mi>в</mi></msub><mo>=</mo><mroot><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>h</mi><mi>в</mi></msub></mrow><mrow><mn>0,17</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>4</mn></msup></mrow><mn>3</mn></mroot><mtext> </mtext><mi>м</mi></mrow>
в
в
в
в
в
Такие волны имеют длину между их гребнями
, или от 10,6 до 91 м, и период колебаний τ=0,8√τ, или от 2,6 до 7,6 с. Считаем, что волны между гребнями имеют дуговую форму впадин с пересечением их на гребнях. Тогда угол наклона волны будет максимальным у ее вершины и составит величину α≈arctg(2h/(λ/2)), или от 20,7° до 12,4°.
в
к
к
в
к
к
в
к
к
2
<mrow><msub><mi>t</mi><mi>в</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>h</mi><mi>в</mi></msub></mrow><mi>g</mi></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
Принимаем периоды качки корпуса одинаковыми с волновыми τ, при этом угол α наклона его относительно метацентра на малых волнах составит величину: α≈arctg(h/b), или 2,38°, а на больших - α≈α≈12,4°. Тогда относительный подъем и спуск ротора по поверхности движения статора у борта составит величину h=(2r+l)sin α, или от 0,91 до 4,7 м. Такой спуск ротора эквивалентен свободному падению с ускорением g=9,8 м/с, которое происходит за
, или за 0,3 и 0,69 с, что создает следующие средние скорости изменения магнитного потока:
min
υ=0,91/03=3 (м/с),
max
υ=4,7/0,69=6,8 (м/с).
г
г
мин
об
По сравнению с исходным судовым синхронным генератором СГ-200, имеющим радиус ротора r=0,4 м и развивающим мощность N=200 кВт/ч при частоте вращения т=500 /, его линейная скорость составит величину:
г
г
υ=2πкn/60=2·3,14·0,4·500/60≈21 (м/с),
Тогда при одинаковых параметрах системы получения электрического тока можно определить эквивалентную мощность предлагаемого генератора:
э mшт
г
min
г
N=N·υ/υ=200·3/21≈28,5 (кВт)
э max
г
max
г
N=N·υ/υ =200·6,8/21≈76,2 (кВт)
г
Учитывая, что в исходном генераторе с радиусом ротора r=0,4 м источники возбуждения электрического тока расположены на длине ≈ 2,5 м и на ширине 0,8 м, то в предлагаемом генераторе они могут быть увеличены до 27 м, т.е. в 10,8 раз, что адекватно увеличит мощность до 308 и до 823 кВт.
э
в
Для достижения такой мощности необходим энергетический потенциал Е=Nτ, который можно обеспечить при следующих массах ротора:
<mrow><msub><mi>m</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><msub><mi>N</mi><mi>э</mi></msub><msub><mi>τ</mi><mi>в</mi></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>υ</mi><mi>в</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mi>т</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
э mшт
min
ьшт
min
э max
max
max
max
При N=308 кВт, υ=3 м/с, τ=2,6 с, требуемая масса составит m=178 т, при N=823 кВт, υ=6,8 м/с, τ=7,6 с, эта масса составит m=271 т.
3
э mшт
э max
Однако реально достижимая масса ротора при размерах 27×0,8×0,5 м и средней плотности системы ≈ 7 т/м составит 75,6 т, что адекватно уменьшит мощность до N=307×75,6/178=130 кВт, N=823×75,6/271=230 кВт.
Если учесть, что на плавучей электростанции длиной 70 м может быть размещено 42 таких генератора в одном ярусе, общая ее мощность составит 5460 кВт при минимальной высоте волн в 1 м и 9643 кВт при максимальной их высоте в 5 м. Это свидетельствует о высоком энергетическом потенциале предлагаемой системы, который при двухъярусной компоновке генераторов, допустимой для корпуса судна такого водоизмещения, может быть увеличен в 1,7 раза. Тогда, при размещении предлагаемых электростанций в районах стабильного волнения моря со среднегодовой высотой волн около 3 м их часовую мощность можно оценить величиной ≈ 10 МВт/ч.
Полученные расчетные мощности подтверждают целесообразность реализации предлагаемого варианта исполнения электростанций.
Приведенные данные являются основой для изготовления подобных электростанций, дальнейший процесс их создания составляет инженерную задачу, доступную для специалистов со средним уровнем подготовки.
Расчет экономических показателей предлагаемой электростанции показал, что при 24 часах их работы в сутки, в течение года (или за 365 суток), она позволяет выработать около 87600 МВт/ч электроэнергии. При средней стоимости 1 кВт/ч электроэнергии 0,1 $, это обеспечит доход около 87,6 млн. $, что при стоимости такой электростанции около 100 млн $ позволяет получить прибыль уже во второй год ее эксплуатации.
Предлагаемые гидроволновые электростанции и новые электрические генераторы позволяют полностью вытеснить все имеющиеся атомные и тепловые электростанции для выработки электрической энергии во всем мире, что при нынешнем ее среднегодовом потреблении ≈ 3500 млрд кВт/ч обеспечит годовой экономический эффект до 350 млрд $, который может быть полностью получен через 10 лет, при производстве по 400 штук таких электростанций в год. С учетом роста мировой потребности в электрической энергии, далее годовой эффект увеличится до 700 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 с большим количеством дорогостоящих систем (котлов, парогенераторов, турбин и т.д.), требуемых для выработки электроэнергии, и на утилизацию их отходов, что дополнительно снижает экологическое давление на окружающую среду и фактически удваивает сумму получаемого экономического эффекта.
Совокупность приведенных данных подтверждает целесообразность широкого применения предлагаемых электрических станций.
В настоящее время ведется подготовка к изготовлению подобного экспериментального генератора на АО "Новокаховский электромашзавод", а плавающих средств на АО "Херсонский судостроительный завод", Украина.