УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ МОРСКИХ ВОЛН

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к преобразованию энергии движения волн, возникающих на поверхности океанов, морей и крупных водоемов в электроэнергию.
Известен ряд способов преобразования энергии волн водной поверхности в электрическую энергию, (патенты РФ №2004842, МПК F 03 В 13/14, опубл. 15.12.1993 г., БИ №45-46, 1993 г., №2153443, МПК В 64 F 1/18, опубл. 27.07.2000 г, БИ №21, ч.II, 2000 г.,) в которых от воздействия каждой волны на поплавок, либо при каждом крене от качания маятникового механизма на волне, получают вращение шестерни, установленной на главном валу, только на один зубец. При таком прерывистом и медленном вращении выработка практически ощутимой энергии невозможна.
Другие способы, использующие, например, накачивание воздуха в корпус установки при качании установки на волнах и вращение этим воздухом турбинки (патент РФ №311040, МПК F 03 В 13/18, опубл. 01.01.1971 г.) или воздействие прибойной волны на лопасти колеса (патент РФ №2004841, МПК F 03 В 13/18, опубл. 15.12.1993 г., БИ №45-46, 1993 г.) также непригодны для практического использования вследствии очень низкого коэффициента полезного действия.
Известен способ использования энергии морских волн (патент Франции №2319784 А, МПК 7 F 03 В 13/18), включающий восприятие энергии волны посредством поплавка и передачу этой энергии на исполнительный орган с помощью зубчатого механизма, представляющего собой вертикальный шток с зубцами, закрепленный на поплавке вертикально, и шестерню. Недостатком этого способа является несовершенство передачи механической энергии на исполнительный механизм, так как зубцы штока находятся в постоянном зацеплении с шестерней, которая вращается в двух направлениях при подъеме и опускании поплавка с остановкой над вершиной и впадиной волны. Реверсивный характер вращения оси шестерни создает дополнительные трудности в использовании энергии вращения вала.
Известен также принятый за прототип способ (патент РФ №2221933, МПК F 03 В 13/18, опубл. 20.01.2004 г., БИ №2, ч.III, 2004 г.), в котором восприятие энергии морских волн осуществляют с помощью плавучестей, которые располагают в ажурных направляющих шахтах, передают энергию на исполнительный механизм с помощью зубчатых реек и храповых шестерен. Зубчатые рейки устанавливают в коробчатых штоках с возможностью перемещения в них. Храповые шестерни устанавливают на главный вал. При движении плавучестей вверх зубчатые рейки вводят в зацепление с храповыми шестернями, а при движении плавучестей вниз - выводят из зацепления. Механическую энергию аккумулируют на линии главного вала с помощью маховика и передают ее через редуктор на электрогенератор. Таким образом, рабочий ход плавучестей осуществляется только в одном направлении движения.
Недостатком способа является невысокая его эффективность из-за потерь энергии на преобразование поступательного движения плавучестей во вращательное движение вала с маховиком и использование редуктора.
Изобретение решает задачу повышения эффективности способа путем преобразования возвратно-поступательного движения плавучестей в электрическую энергию.
Для получения необходимого технического результата в известном способе, включающем восприятие энергии морских волн с помощью плавучих средств, расположенных в ажурных направляющих шахтах и передачу этой энергии на исполнительные механизмы с помощью вертикальных штоков, закрепленных на плавучих средствах, к штокам дополнительно прикрепляют ферромагнитные стержни с возможностью возвратно-поступательного перемещения вместе со штоками. Стержни размещают в соленоидах. Верхнюю часть штока изолируют, помещая в закрытый корпус. Соленоиды закрепляют на корпусе. Снимают электрический ток, возникающий в соленоидах и аккумулируют его. В пределах длины волны располагают не менее двух плавучих средств.
Известно устройство для использования энергии морских волн (патент РФ №2221933, МПК F 03 В 13/18, опубл. 20.01.2004 г., БИ №2, ч.III, 2004 г.), содержащее плавучести в ажурных шахтах с установленными на них коробчатыми штоками, зубчатые рейки, установленные в коробчатых штоках с возможностью перемещения их в штоках, главный вал с храповыми шестернями на нем и вспомогательные валы с
храповыми шестернями, маховиком на ободе которого выполнены зубцы, установленный на главном валу и являющийся частью редуктора, передающего механическую энергию от главного вала на электрогенератор. Все неподвижные элементы устройства жестко соединены между собой деталями несущей конструкции, которая установлена на стационарной или плавучей платформе.
Недостатком устройства является невысокий коэффициент полезного действия, а также сложность конструкции, что создает трудности при изготовлении и снижает ее надежность при эксплуатации.
Изобретение решает задачу повышения коэффициента полезного действия устройства и упрощение его конструкции.
Для получения необходимого технического результата в известном устройстве, включающем ажурную направляющую шахту, с размещенным в ней плавучим средством, на котором установлен шток, дополнительно на шахте жестко закреплен корпус. К верхней, расположенной в корпусе, части штока, жестко прикреплены ферромагнитные стержни, ориентированные параллельно. Ферромагнитные стержни размещены в соленоидах, которые жестко крепятся к корпусу. Направляющая шахта закреплена с помощью анкеров на дне водоема.
На прилагаемых графических материалах изображено:
на фиг.1 - принципиальная схема устройства для преобразования возвратно-поступательного движения водной поверхности и плавучего средства в электрическую энергию;
i
на фиг.2 - график волнового движения водной поверхности, совмещенный с графиками ЭДС индукции ε.
На графических материалах приняты следующие обозначения:
1 - анкеры;
2 - дно водоема;
3 - ажурная направляющая шахта;
4 - водная поверхность при волнении;
5 - плавучее средство;
6 - шарнирное соединение;
7 - шток;
8 - защитный кожух штока;
9 - стержень из ферромагнетика;
10 - соленоид;
11 - корпус;
12 - график ЭДС индукции в витках соленоида первого устройства;
13 - график ЭДС индукции второго устройства, смещенного относительно первого на половину длины волны в направлении ее движения;
14 - график суммарной ЭДС индукции в витках соленоидов первого и второго устройств.
Устройство состоит из ажурной направляющей рамы 3 и корпуса 11, составляющих опорную конструкцию. Шахта 3 закреплена с помощью анкеров 1 на дне 2 водоема в прибрежной мелководной его части, где высота волны h достигает максимальных величин. В шахте 3 установлено плавучее средство в виде понтона 5, который с помощью шарнирного соединения 6 связан со штоком 7. На штоке 7, имеющем защитный кожух 8, закреплены стержни 9 из ферромагнетика, вставленные внутрь соленоидов 10, закрепленных по окружности внутри корпуса 11, жестко связанного с шахтой 3. Понтон 5 находится в притопленом состоянии над водной поверхностью 4 (на фиг.1 во впадине волны).
Более простая схема устройства (на схемах не показана) предусматривает выполнение верхней части штока из ферромагнетика и использование одного соленоида.
Устройство работает следующим образом.
При возвратно-поступательном движении водной поверхности 4 (фиг.1) при волнении понтон 5, совершает такое же движение и через шарнирное соединение 6 и шток 7, защищенный кожухом 8, передает движение стержням 9 из ферромагнетика, которые наводят в неподвижно закрепленных в корпусе 11 соленоидах 10 ЭДС индукции, в результате чего в них возникает электрический ток, который после преобразования посредством известных в электротехнике устройств и схем доводится до требуемых параметров и передается потребителю (на чертежах не показаны).
Возникающая от одного устройства ЭДС индукции 12 (фиг.2) синусоидально изменяет величину в зависимости от скорости движения понтона и соответственно стержней 9 из ферромагнетика. Максимальное значение ЭДС соответствует положению понтона на склоне волны, а минимальное, доходящее до нуля, на вершине и во
i max
впадине волны высотой h. Период изменения ЭДС индукции равен половине длины волны L/2. Для получения постоянной величины ЭДС индукции устанавливают второе устройство, смещая его на расстояние L/2 относительно первого и соединяют соленоиды двух устройств в одну цепь (на чертеже не показаны). Синусоидальное распределение ЭДС индукции от первого 12 и второго 13 при этом накладываются друг на друга, с совмещением максимума ЭДС индукции от первого устройства с минимумом от второго, в результате график ЭДС индукции от двух устройств имеет вид 14, близкий к прямой линии ±ε. Это позволяет получать электрическую энергию со стабильными параметрами. Для исключения влияния направления движения фронта волны на ЭДС индукции необходимо устанавливать не менее шести устройств по окружности радиуса R=L, распределяя их равномерно по длине окружности.
В отличие от известного способа, в котором возвратно-поступательное движение понтона трансформируется во вращательное движение с накоплением на маховике и с передачей вращения через редуктор с последующей выработкой электроэнергии в предложенном способе возвратно-поступательное движение понтона непосредственно используется для выработки электроэнергии. Это существенно сокращает потери энергии в механической части устройства. Предложенный способ позволяет максимально использовать энергию волнового движения водной поверхности, а также способствует упрощению устройства, что существенно при его реализации.
Водная поверхность 4 при ее волнении совершает возвратно-поступательное движение относительно неподвижной точки (рама 3), которое воспринимается понтоном 5 и через шток 7, защищенный кожухом 8 передается стержням 9 из ферромагнетика. Перемещение стержней 9 из ферромагнетика внутри соленоидов 10 наводит в их витках ЭДС индукции, т.е. возникает электрический ток, который после преобразований до нужных параметров передается потребителю.
Простота конструкции предлагаемого устройства, позволяющая преобразовывать энергию возвратно-поступательного движения водной поверхности непосредственно в электрическую энергию, отличает его от известных устройств. Устройство несложно в изготовлении и надежно в эксплуатации, так как в нем отсутствуют вращающиеся элементы.
Предлагаемый способ и устройство для его осуществления можно использовать для выработки электроэнергии в прибрежных районах, удаленных от линий электропередач, а также в качестве альтернативного источника электроэнергии на судах различного назначения в аварийных ситуациях (для радиосвязи и световой сигнализации).