УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВОЛН
DEVICE FOR WAVE ENERGY CONVERSION

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к плавучим установкам, использующим энергию морских волн.
Известно устройство для преобразования энергии волн, содержащее плавучее основание, маятник, выполненный в виде подвижного блока, размещенного на одном из звеньев двухзвенного шарнирного механизма, выполненного с возможностью качения его конечной точки по криволинейным рельсам, жестко закрепленным на плавучем основании (см. патент США №8713928, 2014 г.). Устройство также включает средство отбора мощности, выполненное с возможностью взаимодействия с генератором электрической энергии.
Недостатками данного устройства являются высокая материалоемкость и низкая надежность из-за износа под действием больших боковых сил на звеньях шарнирного механизма и криволинейных направляющих, возникающих при пространственных перемещениях массивного (до 1000 т) подвижного блока, необходимого для достижения низкой собственной частоты колебаний маятника.
Известно устройство для преобразования энергии волн, содержащее маятник с эксцентрично подвешенным на его конце массивным блоком, выполненный с возможностью качания вокруг горизонтальной оси, и два балансировочных груза, соединенных со ступицей маятника штангами, перпендикулярными к маятнику (см. заявку на патент США №2012/0227485, 2012 г.). Устройство также включает средство отбора мощности, выполненное с возможностью взаимодействия с генератором электрической энергии.
Недостатком данного устройства является высокая материалоемкость из-за наличия многотонных балансировочных грузов, размещенных на консольных горизонтальных штангах.
Известно устройство для преобразования энергии волн, содержащее герметичное плавучее основание, маятник, выполненный с возможностью качания относительно плавучего основания вокруг горизонтальной оси (см. патент США №8026620, 2011 г.). Устройство также включает средство отбора мощности с генератором электрической энергии, выполненным в виде электромагнитной системы с переменной индуктивностью, где магнит закреплен на маятнике или шарнирно с них связан.
Недостатками данного устройства являются высокая материалоемкость герметичного плавучего основания при настройке собственной частоты колебаний маятника в резонанс с длинными морскими волнами, имеющими наибольшую энергию, а также недостаточная мощность генератора из-за малой относительной скорости элементов электромагнитной системы.
Известно устройство для преобразования энергии волн, содержащее плавучее основание, маятник, выполненный с возможностью качания относительно плавучего основания вокруг горизонтальной оси, и средство отбора мощности, выполненное с возможностью взаимодействия с генератором электрической энергии (см. патент США №8198745, 2012 г.). При этом средство отбора мощности включает повышающие механические передачи от противоположных концов вала маятника к входному валу электрогенератора.
Данное устройство является наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и выбрано в качестве прототипа. Недостатком прототипа является высокая материалоемкость плавучего основания, несущего опоры вала маятника, механические передачи и генератор, которые в случае настройки собственной частоты колебаний маятника в резонанс с длинными морскими волнами в устройстве - прототипе расположены на большой высоте. Вторым недостатком прототипа является плохая остойчивость плавучего основания из-за верхнего расположения указанных элементов конструкции.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое решение, выражается в снижении стоимости, в повышении надежности и в упрощении устройства для преобразования энергии волн.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в снижении материалоемкости конструкции за счет исключения тяжеловесных элементов, расположенных на большой высоте, исключения мультипликаторов, оптимизации нагружения маятника, а также в улучшении остойчивости плавучей установки на морском волнении за счет увеличения метацентрической высоты.
Поставленная задача решается тем, что устройство для преобразования энергии волн, содержащее плавучее основание, маятник, выполненный с возможностью качания относительно плавучего основания вокруг горизонтальной оси, и средство отбора мощности, выполненное с возможностью взаимодействия с генератором электрической энергии, отличается тем, что ось качания маятника размещена на вертикальных опорах, маятник выполнен в плоскости качания в форме сектора, в вершине центрального угла которого помещена ось качания маятника, дуга сектора обращена вниз, а нижняя часть сектора с обоих его торцов снабжена одинаковыми зубчатыми рейками, при этом зубчатые рейки жестко закреплены вдоль дуги сектора, а плоскости, содержащие средние линии зубьев реек, расположены перпендикулярно оси качания маятника, в средстве отбора мощности использованы валы, установленные с возможностью вращения по обеим сторонам от плоскости качания маятника напротив друг друга и снабженные одинаковыми зубчатыми колесами, выполненными с возможностью взаимодействия с зубчатыми рейками.
При этом признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки "… ось качания маятника размещена на вертикальных опорах", "… маятник выполнен в плоскости качания в форме сектора, в вершине центрального угла которого помещена ось качания маятника, дуга сектора обращена вниз" и "… нижняя часть сектора с обоих его торцов снабжена одинаковыми зубчатыми рейками" позволяют разместить все элементы средства отбора мощности в максимально нижней части устройства и, кроме того, позволяют уменьшить массу опор маятника.
Признаки "… нижняя часть сектора с обоих его торцов снабжена одинаковыми зубчатыми рейками", "… зубчатые рейки жестко закреплены вдоль дуги сектора, а плоскости, содержащие средние линии зубьев реек, расположены перпендикулярно оси качания маятника" и "… в средстве отбора мощности использованы валы, установленные с возможностью вращения по обеим сторонам от плоскости качания маятника напротив друг друга и снабженные одинаковыми зубчатыми колесами, выполненными с возможностью взаимодействия с зубчатыми рейками" позволяют осуществить надежный отбор мощности колебаний крупногабаритного маятника без потери механического зацепления из-за тепловых или упругих деформаций маятника, и повысить частоту вращения выходного вала без применения мультипликаторов.
Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен вид на устройство для преобразования энергии волн перпендикулярно к направлению перемещения волны. На фиг. 2 - вид на устройство вдоль направления перемещения волны (якорь условно не показан). На фиг. 3 - крайнее положение элементов устройства на склоне волны при ее подходе. На фиг. 4 - крайнее положение элементов устройства на противоположном склоне волны. На чертежах обозначено: 1 - плавучее основание, 2 - водная поверхность, 3 - якорь, 4 - лопасть, 5 - маятник, 6 - груз, 7 - ось качания маятника, 8 и 9 - вертикальные опоры, 10 и 11 - торцы сектора маятника, 12 и 13 - зубчатые рейки, 14 и 15 - валы отбора мощности маятника, 16 и 17 - зубчатые колеса, 18 и 19 - электрогенераторы. Линией А обозначена плоскость качания маятника 5, линией В - плоскость, содержащая средние линии зубьев рейки 12, линией С - плоскость, содержащая средние линии зубьев рейки 13.
Устройство для преобразования энергии волн содержит плавучее основание 1, установленное на водной поверхности 2 и удерживаемое от дрейфа с помощью якоря 3. Плавучее основание 1 вытянуто вдоль направления распространения волн и имеет в своей нижней части продольную лопасть 4, препятствующую бортовой качке. Расположение балласта (не показан), а также размеры и форма плавучего основания 1 выбираются по критерию максимума амплитуды килевой качки плавучего основания 1 на частоте волнения, соответствующей его максимальной спектральной плотности для акватории базирования устройства. Маятник 5 имеет в плоскости качания А форму сектора, в вершине центрального угла которого помещена ось качания, а дуга сектора обращена вниз. При этом конструктивно маятник 5 может быть выполнен в виде легкой фермы, в нижней части которой закреплен массивный груз 6. Радиус сектора и другие конструктивные параметры фермы, а также масса груза 6 рассчитываются таким образом, чтобы частота собственных колебаний маятника 5 совпадала с вышеуказанной частотой волнения, соответствующей его максимальной спектральной плотности для акватории базирования устройства.
Ось качания маятника 7 размещена на вертикальных опорах 8 и 9, которые закреплены на плавучем основании 1 так, что плоскость качания маятника А содержит наибольшую по длине ось плавучего основания 1 (совпадает с его диаметральной плоскостью). В нижней части сектора на торцах 10 и 11 смонтированы соответственно одинаковые зубчатые рейки 12 и 13. При этом зубчатые рейки 12 и 13 жестко закреплены вдоль дуги сектора, а плоскости В и С, содержащие средние линии зубьев реек, расположены перпендикулярно оси качания маятника 7. Валы отбора мощности маятника 14 и 15 установлены с возможностью вращения по обеим сторонам от плоскости качания маятника А напротив друг друга и снабжены одинаковыми зубчатыми колесами 16 и 17 соответственно. При этом валы отбора мощности маятника 14 и 15 связаны с электрогенераторами 18 и 19 соответственно.
Устройство для преобразования энергии волн работает следующим образом. Под действием ветровых волн на водной поверхности 2 плавучее основание 1 испытывает вертикальную и килевую качку, а продольная лопасть 4 препятствует бортовой качке. Возникающие при этом периодические отклонения опор 8 и 9 от вертикали возбуждают вращательные колебания маятника вокруг оси 7 с собственной частотой, соответствующей максимуму спектральной плотности волнения. Зубчатые рейки 12 и 13, поворачивающиеся вместе с маятником 5, взаимодействуют своими зубьями с зубчатыми колесами 16 и 17, и, тем самым, приводят во вращение валы отбора мощности маятника 14 и 15, посредством которых получают вращение роторы электрогенераторов 18 и 19. Поскольку делительные диаметры зубчатых колес 16 и 17 многократно меньше, чем удвоенный радиус дуги, на котором находятся зубчатые рейки 12 и 13, то угловая скорость вращения валов отбора мощности 14 и 15 возрастает обратно пропорционально до величин, требуемых для эффективной работы электрогенераторов. Отпадает необходимость в установке крупногабаритных и дорогостоящих мультипликаторов. Полученная на электрогенераторах 18 и 19 электроэнергия далее преобразовывается и передается потребителям на берег любым известным способом, например посредством подводного кабеля (условно не показан).
При этом несмотря на большую длину маятника (свыше 10 м) обеспечивается надежная работа зубчатых зацеплений. Так, поскольку плоскости В и С перпендикулярны оси качания маятника, то при тепловом расширении маятника зубья реек 12 и 13 смещаются параллельно осям зубчатых колес 16 и 17, и, таким образом, не выходят из зацепления. Поскольку зубчатые рейки 12 и 13, зубчатые колеса 16 и 17, а также электрогенераторы 18 и 19 имеют попарно одинаковые параметры, а расположены по разные стороны от плоскости А, то составляющие сил в зацеплениях, направленные перпендикулярно торцам сектора маятника 10 и 11, компенсируют друг друга и не приводят к изгибу маятника 5.
В результате реализации предлагаемого изобретения появляется возможность наиболее эффективным резонансным способом получать энергию ветровых волн на мелко- и глубоководных участках океана, преобразовывая энергию даже длиннопериодических волн.