ВОЛНОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WAVE ENERGY PLANT

Изобретение относится к области производства электроэнергии путем преобразования механической энергии, например энергии морских волн, в электрическую.
Известна «Поплавковая волновая электростанция» для преобразования механической энергии в электрическую (RU №2037642, опубл. 19.06.1995), состоящая из вертикально расположенного герметичного цилиндрического корпуса, верхняя часть которого ограничена полусферой с радиусом, равным радиусу цилиндрической части, а нижняя - сферой с радиусом большим, чем последний, преобразователя энергии, размещенного внутри корпуса и выполненного в виде линейного электрогенератора, статора, обмотки которого закреплены на внутренней стенке вдоль корпуса, индуктора, выполненного в виде инерционной массы с постоянными магнитами, объединенными в кольцевые секции и размещенными внутри обмотки статора с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения посредством упругих элементов таким образом, что частота собственных колебаний индуктора соизмерима с характерной частотой колебаний в воде, динамического инерционного накопителя энергии с электромеханическим приводом двустороннего действия, установленного в нижней сферической части корпуса.
Недостатком этой поплавковой волновой электростанции является сложность в изготовлении, что определяет ее низкую эффективность.
Известна «Поплавковая волновая электростанция» (RU заявка 2007130120, опубл. 20.02.2009), состоящая из герметичного плавучего корпуса, имеющего внутреннюю полость с размещенным в ней преобразователем энергии, представляющим собой линейный электрогенератор, включающий обмотки статора и индуктор, установленные концентрично с возможностью относительного вертикального возвратно-поступательного движения. При этом индуктор, снабженный сердечником, выполнен из нескольких кольцевых секций постоянных магнитов, состыкованных одноименными полюсами, обмотки статора выполнены отдельно для каждой секции и соединены между собой по одноименному направлению тока и неподвижно закреплены на стенке полости корпуса, а постоянные магниты индуктора выполнены в виде инерционной массы. Волновая электростанция снабжена вертикальной опорой, установленной на дне водоема и проходящей через полость герметичного плавучего корпуса, имеющего возможность перемещения вдоль этой опоры.
Недостатками являются низкий КПД и неравномерность процесса преобразования механической энергии волн в электрическую.
Известна «Волновая энергетическая установка» (патент на полезную модель RU №86252, опубл. 27.08.2009), принятая нами в качестве прототипа. Установка содержит двухсекционный каркас, вертикальные стойки которого, скрепленные верхним и нижним основаниями, являются направляющими размещенного в нижней секции каркаса поплавка, способного к возвратно-поступательному вертикальному перемещению, что обеспечивается посредством опорных роликов, находящихся на боковой поверхности поплавка. В верхней секции каркаса расположен преобразователь энергии, содержащий, как минимум, две или более пар симметрично расположенных длинноходовых вертикальных линейных электрических генераторов с генерирующими сердечниками на дисковых постоянных магнитах, оси которых выполнены из немагнитных материалов, и имеющих возможность возвратно-поступательного перемещения внутри статорных кольцевых индуктивных катушек в противоположных направлениях, связанными с поплавком через передаточный шток с гребенчатой зубчатой передачей, преобразующей возможность возвратно-поступательного движения передаточного штока во вращение, симметрично расположенных на одной оси с зубчатой шестеренкой барабанов и перекинутых через них гибких тросов, на концах которых закреплены генерирующие сердечники линейных электрических генераторов. Для предотвращения возможности жесткого касания поплавка с нижним основанием и промежуточной платформой при его крайних положениях сверху и снизу корпуса поплавка закреплены демпферы.
К недостаткам принятого прототипа относится сложность конструкции, обусловленная необходимостью применения механизма преобразования возвратно-поступательного движения передаточного штока во вращательное движение барабанов и перекинутых через них гибких тросов, натянутых через блоки, концы которых закреплены на оси генерирующих сердечников линейных электрических генераторов.
Техническим результатом является: повышение КПД, повышение надежности в эксплуатации, увеличение ресурса работы при упрощении конструкции.
Технический результат достигается тем, что волновая энергетическая установка, содержащая линейный электрогенератор тока, состоящий из статора и генерирующего сердечника, способного к вертикальному возвратно-поступательному движению внутри статора, полый поплавок, шток, кинематически связывающий генерирующий сердечник с поплавком, вертикальные направляющие балки с двигающимися по ним опорными роликами, демпферы, снабжена вертикальной стойкой, неподвижно установленной, например, в грунте водоема, и укрепленным на ней корпусом, выполненным в виде пустотелого короба 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.
Статор может быть выполнен в виде кольцевых индуктивных катушек, неподвижно закрепленных на внутренней стенке корпуса, а генерирующий сердечник может быть выполнен в виде дисковых постоянных магнитов.
Статор может быть выполнен в виде дисковых постоянных магнитов, неподвижно закрепленных на внутренней стенке корпуса, а генерирующий сердечник может быть выполнен в виде кольцевых индуктивных катушек.
Поплавок может быть выполнен герметичным из эластичного материала, например из резинотканного.
Профиль носовой части поплавка может быть выполнен в виде параболоиды.
Профиль носовой части поплавка может быть выполнен заостренным.
Шарнирное устройство может быть прикреплено вулканизацией по центру свода полого поплавка.
Волновая энергетическая установка показана на чертежах, где фиг.1 - продольный разрез волновой энергетической установки, фиг.2 - вид волновой энергетической установки сверху, фиг.3 - вариант конструкции полого поплавка.
Волновая энергетическая установка содержит (см. фиг.1) вертикальную стойку 1, неподвижно установленную, например, в грунте водоема 2, и укрепленный на ней корпус 7, в котором размещен линейный электрогенератор тока 3, состоящий из статора 12 и генерирующего сердечника 13, способного к вертикальному возвратно-поступательному движению внутри статора 12, полый поплавок (далее поплавок) 4, шток 5, кинематически связывающий генерирующий сердечник 13 с поплавком 4. Существенное упрощение конструкции. Корпус 7 выполнен в виде пустотелого короба из неметаллического материала с центральными отверстиями 10 и 11 на своде 8 и на днище 9. Пустотелый короб защищает линейный электрогенератор тока 3 от влаги (дождя, брызг волн), неметаллический корпус не подвержен коррозии.
Внутри корпуса 7 размещены статор 12 и установленный с зазорами в пределах 1-5 мм генерирующий сердечник 13. На фиг.1 и 2 статор 12 выполнен в виде кольцевых индуктивных катушек, неподвижно закрепленных на внутренней стенке корпуса 7, а генерирующий сердечник 13 выполнен в виде дисковых постоянных магнитов, изготовленных из электротехнической стали. Генерирующий сердечник 13 имеет возможность к вертикальному возвратно-поступательному движению внутри статора 12 благодаря опорным роликам 14, которые перемещаются по вертикальным направляющим балкам 6, жестко закрепленных на своде 8 и днище 9 корпуса 7. Опорные ролики 14 прикреплены к боковой поверхности генерирующего сердечника 13. Вертикальные направляющие балки 6 и опорные ролики 14 обеспечивают движение генерирующего сердечника 12 внутри статора 12 с сохранением зазора между ними. Для ограничения хода подвижной части конструкции, состоящей из поплавка 4 и жестко присоединенных друг к другу штока 5 и генерирующего сердечника 13, на концах вертикальных направляющих балок 6 размещены демпферы 15.
Поплавок 4, имеющий днище 24 (фиг.3), носовую часть 25, свод 18 и вентиль 26, связан со штоком 5 через шарнирное устройство 16. Такая конструкция поплавка 4 позволяет снизить величину изгибающего момента, образующегося при воздействии на поплавок механической энергии волны водоема, который принимает на себя шток. Поплавок 4 выполнен герметичным из эластичного материала, например из резинотканного. Профиль носовой части поплавка 4 может быть выполнен в виде параболоиды (фиг.1) или иметь заостренную форму (фиг.3), что позволяет улучшить ныряющие свойства поплавка и снизить нагрузку на шток 5, опорные ролики 14 и вертикальные направляющие балки 6.
Шарнирное устройство 16 (фиг.1) позволяет поплавку 4 отслеживать набегающие на него волны путем изменения угла наклона поплавка относительно штока 5, что позволяет в полном объеме передать механическую энергию волны непосредственно от поплавка 4 к линейному электрогенератору 3. Шарнирное устройство 16 включает в себя ось 17, жестко присоединенную по центру к своду 18 поплавка 4, например, посредством вулканизации. Также на своде имеется вентиль 26 для закачки под давлением воздуха в полость поплавка. Ось 17 закреплена на внутреннем кольце 19 болтовым соединением 20. При этом внутреннее кольцо 19 установлено в корпус 21, который соединен с фланцем 22, жестко присоединенным к штоку 5, который, в свою очередь, также жестко присоединен к генерирующему сердечнику 13.
Волновая энергетическая установка работает следующим образом. При набегании волны поплавок 4 поднимается вместе с волной вверх и поднимает шток 5 вместе с генерирующим сердечником 13, который перемещается вертикально вверх на опорных роликах 14 по вертикальным направляющим балкам 6 вверх относительно кольцевых индуктивных катушек статора 12. При прохождении пика волны ее уровень понижается, и вместе с ней опускается поплавок 4 под воздействием своего веса, веса штока 5 и генерирующего сердечника 13. При возвратно-поступательном движении генерирующего сердечника 13 внутри статора 12 непрерывно изменяется магнитное поле, проходящее через кольцевые индуктивные катушки статора 12, благодаря чему в обмотках кольцевых индуктивных катушек появляется ЭДС, которая передается в центральную сеть для преобразования. Ход генерирующего сердечника 13 по вертикальным направляющим балкам 6 рассчитан на максимальную высоту волны в данном районе водохранилища и обеспечивается установленными и закрепленными на вертикальных направляющих балках 6 демпферами 15.
Таким образом, волновая энергетическая установка позволяет получить электрическую энергию, обеспечивает повышение КПД, надежность в эксплуатации и увеличение ресурса работы и при упрощении своей конструкции.