Дом на воде с электростанцией
HOUSE ON THE WATER WITH A POWER PLANT

Изобретение относится к области морской энергетики и может быть использовано для автономного дома на воде, способного вырабатывать электрическую энергию, поддерживать необходимое энергообеспечение.
Известна волновая электростанция RU 2128781 C1, предназначенная для выработки электроэнергии путем использования энергии волн, содержащая плавучий корпус, выполненный в виде соединенных не менее, чем двух узких понтонов, разнесенных по ширине и снабженных поперечно расположенными параллельно друг другу эстакадами, вдоль которых установлены кронштейны и поплавки, а на выходном валу установлено зубчатое колесо, связанное с валом редуктора. К недостаткам аналога относится сложность конструкции механизма, преобразующего возвратно-поступательное движение понтонов во вращательное движение зубчатого колеса.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является преобразование волновой энергии моря патент RU 2758213 С1, в котором с помощью верхнего поплавка, плавающего на поверхности водоема и нижнего поплавка, неподвижного относительно дна водоема, а также насосов двухстороннего действия, совершающих возвратно-поступательные движения жидкости, создается избыточное давление жидкости, используемое для выработки энергии. Основным недостатком прототипа является необходимость механической связи штока и поршня насоса со дном водоема через нижний поплавок и трос, что усложняет конструкцию и его эксплуатацию.
Техническим результатом настоящего изобретения является преобразование бортовой качки понтона в повышенное давление жидкости в гидроцилиндрах, подачу жидкости на рабочее колесо ковшевой гидротурбины, вращения вала гидротурбины, а также якоря генератора постоянного тока. При этом понтон, и успокоители качки не имеют механической связи со дном водоема.
Технический результат достигается за счет того, что в процессе бортовой качки, создаются усиленные по амплитуде колебания понтона за счет его взаимодействия с трубой, установленной поперек понтона, внутри которой имеется тяжелый поршень, способный катиться по наклонной поверхности. К концам трубы присоединены гидроцилиндры, поршневая система которых раскачивает коромысло с двумя бочками, наполовину залитых водой и создающих на концах коромысла противоположный по направлению момент пары от архимедовой силы и силы тяжести. Силы момента качки и силы момента коромысла направлены в гидроцилиндрах навстречу друг другу, создавая избыточное давление жидкости в рабочих полостях, которая направляется к рабочему колесу ковшевой гидротурбины, выходная мощность которой пропорциональна давлению жидкости. Гидротурбина вращает якорь генератора постоянного тока, вырабатывая электроэнергию для потребителей.
На Фиг.1 представлена схема электрогенератора, использующей энергию бортовой качки понтона, оборудованной ковшевой гидротурбиной и генератором постоянного тока.
К палубе понтона 1, болтами 5 прикреплен корпус 2, к которому крепится стальная труба 3, внутри которой катится на роликах поршень 4. На краях трубы установлены крышки 6 с клапанами выпуска воздуха 5. Цилиндры 8 соединены с трубой 3 креплением 7. Штоки поршней 9 соединены шарнирами 11 с коромыслом 12. Бочки 10,наполовину заполненные водой, установлены по краям коромысла 12, которое крепится к корпусу 2 в узлах 14. Жидкость под давлением из цилиндров 8 с помощью клапанов 15 и трубопроводов 16 подается к соплам 18 ковшевой гидротурбины 17, вал которой соединен с якорем генератора постоянного тока 19.
Перед началом эксплуатации при отсутствии бортовой качки производится выравнивание уровней воды в бочках 10 по отношению к уровню водоема за счет регулировки длин штоков 9, а также подбора оси крепления 14 в отверстиях корпуса. При этом поршни должны находиться в среднем положении своего хода.
Электрогенератор работает следующим образом:
Под действием волн понтон испытывает бортовую качку, наклоняется в наветренную сторону до угла крена, равного амплитуде качки вместе с корпусом 2 и трубой 3. В трубе 3 установлен тяжелый поршень 4, способный катиться под уклон на роликах с ускорением и тормозиться крышками 6 с клапанами 5. С помощью клапанов 5 достигается согласование частот бортовой качки и собственных частот колебаний трубы 3 с поршнем 4, варьируя расходом воздуха через клапана, что изменяет сопротивление воздуха движущемуся поршню. Увеличение амплитуды качки воспринимается цилиндрами 8, скрепленными штангами 7 с концами трубы 3, внутри которой размещены поршни со штоками 9 гидроцилиндров двойного действия. Преобразование моментов бортовой качки в энергию давления жидкости в полостях гидроцилиндров производится с помощью успокоителя качки, который состоит из коромысла 12, способного поворачиваться относительно опор 14, и бочек 10, расположенных по краям коромысла, наполовину заполненных водой, при этом штоки с поршнями 9 соединены с коромыслом 12 в шарнирах 11. Равновесное состояние бочек 10 с коромыслом 12 достигается в случае, когда уровни воды в них и в водоеме совпадают ,а коромысло 12 находится в горизонтальном положении. В случае нарушения их равновесного состояния, когда одна из бочек будет погружена в воду, а другая приподнята над водой, возникает момент пары сил: одна Архимеда, другая сила тяжести на плече коромысла. Этот момент противоположен по направлению моменту, нарушающему это равновесие. В этом случае успокоитель качки выполняет две задачи, из которых одна направлена на снижение бортовой качки, а другая на повышение в напорных полостях гидроцилиндров давление жидкости, которая попадает по трубопроводам на рабочее колесо ковшевой гидротурбины, вращает его и соединенный с ним якорь генератора постоянного тока.
2
В качестве примера рассмотрен дом на воде с углом бортовой качки, который раскачивается трубой с тяжелым поршнем, момент которого Мтр.=Р*L/2=m*g*L/2; при m=400кг, g=9,81м/с, L =6м, Мтр.=11772 Н*м;
По мере раскачивания понтона увеличивается угол бортовой качки и увеличивается скорость V поршня, которые создают момент, добавляемый к моменту Мтр. ,равный Мтр.=m*g*v/t *h; Здесь m*g*v/t-импульс силы, возникающий от соударения поршня с крышкой трубы за время t, h- плечо момента силы. При значениях угла бортовой качки в пределах 4 градусов, t= 1,0 с, h=1м, скорость качения груза по трубе составит v=2 м/с, а момент от импульса силы составит 8000 Н*м. Суммарный момент достигает значения 20000 Н*м.
1
1=
2
3
Момент успокоителя качки, противоположный суммарному моменту, равен Мус= m* g*L, при значении m300кг, ( вес заполненной водой части бочек, либо архимедова сила), L=6м, момент успокоителя качки достигнет Мус=300*9,81*6=18000 Н*м., а усилия сжатия жидкости в полостях гидроцилиндров на плече 5м составят 3600Н. При площади поршня равной 100см давление жидкости повысится до 3,6 атм. Давление подается к соплам ковшевой гидротурбины, из которых с высокой скоростью струй до 80 м/с попадает на лопасти рабочего колеса, развивая мощность P=9,81*Q*H; Здесь Q-расход воды равный 0,01 м/с, Н-напор воды ,равный 36м .Мощность, развиваемая гидротурбиной, достигнет 2.0 кВт. Экспериментально установлено, что мощность ковшевой гидротурбины пропорциональна напору жидкости, подводимому к соплам, что согласуется с экспериментальной оценкой на полномасштабном макете.
В случае установки на понтоне 3х электрогенераторов, суммарная мощность достигнет 6 кВт.