УСТРОЙСТВО, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЕ ЭНЕРГИЮ МОРСКИХ ВОЛН
DEVICE USING ENERGY OF SEA WAVES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение согласно первой особенности относится к устройству, использующему энергию (морских) волн для производства электроэнергии, содержащему плавающее (далее плавучее) тело, приспособленное для плавания на море, и электрический линейный генератор, содержащий статор и преобразователь, совершающий возвратно-поступательные движения (далее перемещения) вдоль центральной оси, статор, приспособленный для постановки на якорь на морском дне, и преобразователь, соединенный с плавучим телом посредством гибкого соединительного средства. Соединительное средство является гибким в плане возможности его изгибания. Это не обязательно означает, что оно является эластичным в его продольном направлении.
Вторая особенность изобретения касается эксплуатации такого устройства, использующего энергию (морских) волн.
Третья особенность изобретения заключается в способе производства электроэнергии посредством обеспечения плавучему телу возможности плавания на море, в предложении электрического линейного генератора, содержащего статор и преобразователь, совершающий возвратно-поступательные перемещения, в постановке статора на якорь на морском дне и соединения преобразователя с плавучим телом посредством гибкого соединительного средства.
В настоящей заявке на патент термины "радиальный" и "осевой" относятся к оси, образуемой при возвратно-поступательном перемещении центральной части преобразователя. Термины "верхний" и "нижний" имеют отношение к направлению по вертикали и относятся к местоположению рассматриваемых компонентов, когда устройство, использующее энергию (морских) волн, находится в эксплуатации.
Уровень техники изобретения
Движения волн на море и на крупных внутренних озерах представляют собой потенциальный источник энергии, который ранее почти не использовался. Однако делались различные предложения по использованию движений по вертикали в море для производства электроэнергии в генераторе. Так как точка на поверхности моря совершает возвратно-поступательное движение по вертикали, это является подходящим для использования линейного генератора для производства электроэнергии.
В публикации WO 03/058055 раскрывается такое устройство, использующее энергию (морских) волн, где подвижная часть генератора, то есть часть, которая соответствует ротору во вращающемся генераторе и в настоящей заявке названная преобразователем, совершает возвратно-поступательное движение (перемещение) относительно статора генератора. В данном описании статор устанавливают на якорь на морском дне. Преобразователь соединен с плавающим в море телом посредством кабеля или цепи.
В идеале, плавучее тело расположено по вертикали выше генератора на оси преобразователя, как проиллюстрировано на фиг. 1 данного описания. Однако плавучее тело также подвержено воздействию боковых сил со стороны волн и ветра. Поэтому плавучее тело может совершать боковые отклонения в сторону от такого идеального положения и располагаться от него обычно на некотором расстоянии. Как следствие, трос, соединяющий преобразователь и плавучее тело, не находится на одной оси с преобразователем. Это могло бы вызвать воздействие боковых сил на преобразователь, приводящее к тому, что он не будет находиться в центре, или/и он начнет отклоняться, что нарушит работу генератора.
В большинстве случаев этого можно избежать посредством установки преобразователя на одной оси в статоре. Однако когда трос расположен под углом, боковые силы в этом случае приведут к повышенной нагрузке на цапфы (оси) и нарушению функционирования.
Цель настоящего изобретения заключается в решении вышеупомянутой проблемы и, таким образом, в предложении устройства, использующего энергию (морских) волн, где генератор функционирует должным образом независимо от относительного бокового положения плавучего тела.
Сущность изобретения
Вышеупомянутая цель достигнута посредством изобретения, заключающегося в том, что устройство, использующее энергию (морских) волн, типа представленного конкретного варианта, имеет определенные особенности в том, что устройство, использующее энергию (морских) волн, включает в себя направляющее устройство, соединительное средство, приспособленное для прохождения через нижнее отверстие и верхнее отверстие направляющего устройства, причем часть соединительного средства, кратковременно находящаяся между упомянутыми отверстиями, определяется как направляемая часть, при этом нижнее отверстие расположено так, что направляемая часть рядом с нижним отверстием находится на одной прямой с упомянутой центральной осью, а верхнее отверстие, расположено так, что направляемая часть рядом с верхним отверстием имеет возможность образовывать угол с центральной осью.
Посредством этого направляющего устройства обеспечиваетсянадлежащее положение преобразователя внутри генератора независимо от бокового положения плавучего тела. Если перемещение преобразователя направляется в статоре посредством одной и той же цапфенной части, то там отсутствуют какие-либо боковые силы, действующие на цапфовую опору. Определение размеров цапфенной части, таким образом, может быть выполнено намного меньше, чем в другом варианте, и исключительно с целью направления возвратно-поступательного перемещения преобразователя.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления направляющее устройство жестко соединено с корпусом генератора.
Таким образом, направляющее устройство достаточно легко устанавливают в заданное положениеотносительно статора и, таким образом, обеспечивают соответствующую синхронизацию с перемещениями преобразователя.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления направляющее устройство устанавливают для обеспечения образования упомянутого угла в произвольной радиальной плоскости по упомянутой центральной оси.
Хотя в определенных условиях и в определенных местах боковое смещение плавучего тела относительно генератора может быть задано в определенном направлении, зачастую это имеет место в случае, когда смещение может произойти в любом направлении. В этом варианте осуществления направляющее устройство имеет гибкость в этом отношении и в достаточной степени приспособлено для того, чтобы соответствовать перемещениям во всех направлениях.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления направляющее устройство содержит пустотелый корпус с упомянутыми нижним и верхним отверстиями, причем верхнее отверстие больше (по размерам), чем нижнее отверстие.
Это относится к простому и надежному способу выполнения направляющего устройства, посредством которого большее отверстие облегчает прием наклонного соединительного средства и направления его в соосном направлении при выходе из нижнего отверстия к преобразователю.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления внутренняя поверхность пустотелого корпуса является осесимметричной относительно центральной оси.
Осесимметричная поверхность обеспечивает соответствующую возможность для достижения того, чтобы направляющее устройство было приспособлено для наклона в любом направлении.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления в осевом сечении через ось пустотелого корпуса, по меньшей мере, верхняя часть профиля внутренней поверхности при этом имеет расстояние до оси, которое постоянно увеличивается при увеличивающемся расстоянии от нижнего отверстия.
Так как соединительное средство неоднократно совершает возвратно-поступательные движения через направляющее устройство, там происходит изнашивание между соединительным средством и направляющим устройством. Для обеспечения максимально длительного срока службы соединительного средства, предпочтительно в течение многих лет, очень важным является сведение изнашивания к минимуму. Постепенно увеличивающаяся площадь внутренней поверхности пустотелого корпуса обеспечивает низкий уровень изнашивания.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления верхняя часть профиля образует острый угол с осью, причем угол постоянно увеличивается при увеличении расстояния от нижнего отверстия и при этом равен нулю на нижнем конце верхней части.
При такой конфигурации внутренней поверхности, ориентирование соединительного средства в направлении на одной прямой с направлением преобразователя, от направления, которое находится под углом к нему, при этом выполняется с помощью поверхности, которая находится в контакте с направляющим устройством на ее значительной части, и причем при отсутствии каких-либо острых краев или резких переходов в направлении соединительного средства. Все это способствует дальнейшему уменьшению изнашивания соединительного средства.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, по меньшей мере, участок верхней части профиля имеет параболическую или тригонометрическую функциональную зависимость.
Таким образом, контактное усилие между соединительным средством и внутренней поверхностью является сравнительно равномерным на значительной части площади контакта. Это способствует, кроме того, снижению изнашивания.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления острый угол находится в пределах 10-30° на расстоянии от нижнего конца верхней части, причем это расстояние составляет, по меньшей мере, четыре диаметра внутренней поверхности на нижнем конце верхней части.
В пределах этих размеров изменение направления соединительного средства внутри направляющего устройства ограничивается и происходит на таком определенном расстоянии, что его изгиб является плавным. Вследствие этого дополнительно снижается изнашивание.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления острый угол находится в пределах 17°-24°, а расстояние находится в пределах 5-10 раз.
Эти измерения представляют упомянутую выше оптимальную особенность при одновременным ограничении длины направляющего устройства до приемлемой.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления нижняя часть профиляпараллельна центральной оси, нижняя часть которого соединена с верхней частью.
Таким образом, соединительное средство весьма точно ориентировано в направлении перемещения преобразователя, так как принудительно перемещается на определенное расстояние в том же направлении в пределах направляющего устройства.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления наименьший диаметр внутренней поверхности находится в пределах 100-120% от ширины соединительного средства.
Часть, имеющая наименьший диаметр, предназначена для принудительного перемещения соединительного средства для синхронизации с перемещением преобразователя. Поэтому с геометрической точки зрения зазор фактически должен быть нулевым. Однако требуется определенный зазор для того, чтобы не защемлять соединительное средство и увеличивать трение. Это привело бы к потерям на трение, а также к повышенному изнашиванию. В пределах указанного диапазона достигнут приемлемый компромисс между этими двумя особенностями. С диапазоном от 101 до 105% этот компромисс может быть оптимизирован.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления направляющее устройство содержит полую закладную (далее вставную) деталь, концентрически расположенную внутри пустотелого корпуса и являющуюся упруго смонтированной с пустотелым корпусом так, что, по меньшей мере, верхняя часть вставной детали является подвижной перпендикулярно к оси.
Вследствие этого вставная деталь может быть расположена с наклоном относительно пустотелого корпуса и изменять свою ориентацию в соответствии с наклоном соединительного средства. Это лучше обеспечивает плавный изгиб соединительного средства и уменьшает изнашивание от трения. Это особенно предпочтительно, когда изменяется наклон соединительного средства.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления пустотелый корпус изготовлен из нержавеющей стали.
Таким образом, направляющее устройство выполняется крепким, прочным и подходящим для агрессивной (коррозионной) окружающей среды в море.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления внутреннюю поверхность полируют.
Это ограничивает изнашивание соединительного средства.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления внутренняя поверхность имеет покрытие.
При использовании подходящего материала для покрытия этот вариант осуществления предлагает альтернативный способ уменьшения изнашивания соединительного средства.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления пустотелый корпус выполнен с радиально проходящими выступами на его внешней поверхности.
Это усиливает пустотелый корпус относительно радиальных сил с действием со стороны соединительного средства, а благодаря выступам толщина стенки пустотелого корпуса может быть более тонкой, и, таким образом, обеспечивает экономию материала и снижение веса.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления на внешней поверхности пустотелого корпуса выполнен радиально проходящий дискообразный элемент, который содержит крепежное приспособление для прикрепления направляющего устройства к кожуху генератора.
Таким образом, направляющее устройство может быть прикреплено к кожуху простым способом.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления дискообразный элемент, расположенный осесимметрично приблизительно в середине длины пустотелого корпуса.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления соединительное средство выполнено с покрытием.
Таким образом, поверхность соединительного средства может быть оптимизирована относительно низкого трения и высокой износостойкости.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления соединительное средство является тросом, а покрытие выполнено на основе полимера из углеродного материала.
Трос обычно является самым используемым видом соединительного средства из-за его гибкости в сочетании с характеристиками прочности. Покрытие упомянутого типа должным образом соответствует требованиям относительно низкого трения и высокой износостойкости. Покрытие предпочтительно выполняют на тросе посредством экструдирования.
Динамические усилия от соединительного средства в соединении между направляющим устройством и кожухом вследствие этого в целом являются уравновешенными, что в результате приводит к надежному соединению. Подразумевается, что расстояние от середины составляет приблизительно в пределах ±15% от длины пустотелого корпуса.
Вышеописанные предпочтительные варианты осуществления изобретенного устройства, использующего энергию (морских) волн определены в зависимых пунктах многозвенной формулы изобретения.
Изобретение также относится к энергетической установке, использующей энергию (морских) волн, которая содержит множество устройств, использующих энергию (морских) волн согласно настоящему изобретению.
Согласно второй особенности изобретения устройство, использующее энергию (морских) волн, применяют для производства электроэнергии.
С энергетической установкой, согласно изобретению, использующей энергию (морских) волн, и с применением изобретения достигнуты соответствующие преимущества, например, такие, какие отличают устройство, использующее энергию (морских) волн согласно изобретению, и такие, какие отличают его предпочтительные варианты осуществления, которые описаны выше.
Согласно третьей особенности изобретения способ согласно изобретению содержит конкретные средства для направления соединительного средства для его прохождения через нижнее и верхнее отверстия направляющего устройства так, что часть соединительного средства, кратковременно располагаемая между упомянутыми отверстиями, определяется как направляемая часть, в соответствии с чем направляемую часть рядом с нижним отверстием направляют для установления на одной прямой с центральной осью, а направляемая часть рядом с верхним отверстием получает возможность образовывать угол с центральной осью.
В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления способа согласно изобретению, его осуществляют с устройством, использующим энергию (морских) волн, согласно изобретению, в частности, в соответствии с любым из предпочтительных вариантов его осуществления.
Посредством способа согласно изобретению и предпочтительных вариантов его осуществления достигнуты соответствующие преимущества, такие как преимущества устройства, использующего энергию (морских) волн согласно изобретению, и которые описаны выше.
Изобретение объяснено в нижеследующем подробном описании его примера и со ссылкой на приложенные чертежи.
Внутренняя поверхность подразумевается как внутренняя поверхность пустотелого корпуса, или в варианте, если предусмотрена полая вставная деталь, подразумевается внутренняя поверхность закладной (вставной) детали.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схематический профиль устройства, использующего энергию (морских) волн, согласно изобретению.
Фиг. 2 - увеличенное изображение деталей согласно фиг. 1.
Фиг. 3 иллюстрирует альтернативный пример в разрезе, в соответствии с изображением согласно фиг. 2.
Фиг. 4 схематично иллюстрирует энергетическую установку, использующую энергию (морских) волн, в соответствии с изобретением.
Описание примера
,
На фиг. 1 схематично представлен вид сбоку устройства, использующего энергию (морских) волн согласно изобретению для функционирования на море. Плавучее тело 1 плавает на поверхности моря и посредством соединительного средства 3, такого, например, как кабель, трос, канат, цепь или что-то подобное, соединено с линейным генератором 2поставленным на якорь на морском дне. На данной фигуре генератор прикреплен к морскому дну. Это, однако, следует понимать, что генератор может быть расположен выше морского дна и может быть поставлен на якорь каким-либо другим способом.
Линейный генератор 2 содержит статор 5 с обмоткой и преобразователем 6 с магнитами. Преобразователь 6 способен совершать возвратно-поступательные перемещения вверх и вниз в пределах статора 5, тем самым вырабатывая электрический ток в витках обмотки статора, такой электрический ток подается в электросеть посредством электрического кабеля 11.
Преобразователь 6 содержит стержень 7, к которому прикреплен трос 3. Когда плавучее тело 1 из-за движений волн на морской поверхности вынуждено перемещаться вверх, плавучее тело при этом тянет преобразователь 6 снизу вверх. Когда плавучее тело после того перемещается вниз, преобразователь 6 при этом перемещается вниз посредством силы тяжести.
По выбору, но предпочтительно, пружина (не показана), или что-то подобное, при воздействии на преобразователь 6 создает дополнительное усилие вниз.
Так как генератор 2 поставлен на якорь на морском дне, а плавучее тело 1 свободно плавает на поверхности воды, плавучее тело при этом имеет свободу для перемещения в сторону относительно генератора 2. Таким образом, соединительное средство 3 устанавливается под углом.
На входе соединительного средства 3 в кожух 4 генератора 2 установлено направляющее устройство 9, которое направляет соединительное средство для перемещения по вертикали ниже направляющего устройства 9, обеспечивая для части соединительного средства 3, которое находится выше направляющего устройства, возможность для перемещения под углом в наклонном положении. Направляющее устройство 9 прикреплено к раме 8 конической конструкции, жестко связанной с кожухом 4 генератора.
Направляющее устройство 9 обеспечивает соединительному средству 3 возможность постепенно изменять свое направление при прохождении через направляющее устройство 9, так что изнашивание соединительного средства уменьшается.
Направляющее устройство более подробно изображено на фиг. 2, которая является изображением в разрезе по его оси. Направляющее устройство 9 в этом примере состоит из пустотелого корпуса 12, который выполнен в виде цельной части. Внутренняя поверхность пустотелого корпуса 12 является осесимметричной относительно оси C, который является одной и той же осью в качестве оси возвратно-поступательного перемещения центра преобразователя 6. Пустотелый корпус 12 содержит нижнее отверстие 17 и верхнее отверстие 18, через эти отверстия проходит соединительное средство 3.
Профиль внутренней поверхности в сечении по оси является видимым на фиг. 2. Нижняя часть 13 этой поверхности является цилиндрической и, таким образом, имеет свой профиль, параллельный центральной оси C. Верхняя часть 14 внутренней поверхности содержит постепенно увеличивающийся диаметр, такой как у профиля этой части от острого угла с центральной осью. Острый угол увеличивается постепенно от нижнего конца 15 верхней части 14, это означает, что профиль выполнен по кривой. Главная часть этой кривой предпочтительно имеет параболическую или тригонометрическую функциональную зависимость.
.
Небольшой участок 16 верхней части 14 рядом с верхним отверстием имеет профиль, где острый угол возрастает более сильно, чем на остальной верхней части, причем так, что угол достигает 90° на верхнем конце
На нижнем конце 15 верхней части 14, где эта часть соединяется с нижней частью 13, угол профиля равен нулю.
В примере, проиллюстрированном на фигуре, соединительное средство 3 является канатом из полимерного материала, имеющим таким образом, по существу, круглую форму. Нижняя часть 13 внутренней поверхности имеет диаметр, который немного больше, чем диаметр каната.
Канат вэксплуатации перемещается вверх и вниз через пустотелый корпус 12. Как упоминалось, канат обычно находится под углом между направляющим устройством 9 и плавучим телом, как отображено на фигуре. Благодаря дискообразной внутренней поверхности пустотелого корпуса 12 канат изменяет свое направление при прохождении через него таким образом, чтобы он находился вертикально при прохождении через нижнее отверстие 17. Канат сверху входит в контакт по касательной с внутренней поверхностью где-то в ее верхней части 14. Местоположение по оси этой поверхности контакта зависит от того, под каким углом наклона находится канат. От точки контакта канат находится в контакте с внутренней поверхностью по ее полной длине и постепенно изменяет свой угол от точки контакта вниз к местоположению 15, где нижняя часть 13 и верхняя часть 14 соединяются одна с другой.
Пустотелый корпус 12 изготавливают из нержавеющей стали, а ее внутреннюю поверхность полируют или выполняют с покрытием.
С внешней стороны пустотелый корпус 12 содержит радиальный выступ 19 у нижнего отверстия 17, соответствующий выступ 20 находится у верхнего отверстия 18, выступ у которого фактически выполнен благодаря профилю внутренней поверхности в этом конце. Другие внешние радиальные выступы 21, 22 расположены по пустотелому корпусу 12. Выступы упрочняют пустотелый корпус.
На среднем участке по оси пустотелого корпуса 12 установлен дискообразный элемент 23, содержащий болтовые отверстия 24 для прикрепления элемента 23 к фланцу 25 на верхнем конце рамной конструкции 8.
Фигура 3 иллюстрирует альтернативный пример, где полая вставная деталь 26 расположена в пределах пустотелого корпуса 12. Вставная деталь 26 имеет форму, которая, по существу, соответствует форме пустотелого корпуса 12. Вставная деталь упруго установлена в пустотелом теле, например, посредством двух резиновых колец 27. Конечно, с этой целью могут быть использованы другие виды пружин. Дополнительно или альтернативно упругость может быть получена посредством изготовления упругой самой вставной детали, например, из эластичного материала и/или посредством выполнения продольных пазов в верхней и/или нижней части вставной детали.
Фигура 4 на виде сверху схематично отображает энергетическую установку, использующую энергию (морских) волн, причем в составе множества устройств, использующих энергию (морских) волн, типа показанных на фиг. 1 и 2. Генераторы 2 этих устройств, причем каждый, соединены с находящимся в подводном положении коммутационным оборудованием 30, соединенным с электрической сетью.