Поплавковая волновая электростанция

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при производстве электрической энергии путем преобразования энергии волн в электрическую энергию, передаваемую в системы электропитания метеобуев, буев связи, маяков и применяться как составная часть группы электростанций, объединенных в одну сеть для питания систем освещения пирсов, набережных и других потребителей.
Известна «Волновая энергетическая установка» (Патент РФ 2440510, МПК: F03B 13/18, опубл. 20.01.2012 г., БИ №2), содержащая линейный электрогенератор тока, состоящий из статора и генерирующего сердечника, способного к вертикальному возвратно - поступательному движению внутри статора, полый поплавок, шток, кинематически связывающий сердечник с поплавком, вертикальные направляющие балки с двигающимися по ним опорными роликами, демпферами. Установка снабжена вертикальной стойкой и укрепленным на ней корпусом, выполненным в виде пустотелого корпуса 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.
Недостатками устройства являются низкий КПД и неравномерность процесса преобразования механической энергии волн в электрическую, низкая надежность и недостаточная долговечность конструкции. Работу сложной многокомпонентной системы обеспечивают направляющие ролики, подшипники, сальники, шарниры, что усложняет изделие и влияет на надежность, особенно в условиях агрессивной среды морской воды.
Известна «Поплавковая волновая электростанция» (Патент РФ №2513070, МПК: F03B 13/18, опубл. 20.04.2014 г., БИ №11), которая содержит обтекаемый герметичный поплавок и вертикально расположенный внутри поплавка цилиндрический корпус с размещенным в нем маятником. Маятник подвешен к концу троса, который переброшен через блок, установленный на вращающейся оси. Другой конец троса прикреплен к якорю, установленному на дне. К вращающейся оси блока присоединен ротор электрического генератора с постоянными магнитами. Статор генератора закреплен на корпусе. Обмотка статора генератора присоединена к входу зарядного устройства, а выход устройства присоединен к аккумулятору, который вместе с устройством находится в приборном отсеке в верхней части поплавка.
Недостатками устройства является низкая эффективность преобразования энергии волн в электрическую энергию, вызванная малой величиной амплитуды и частоты ЭДС, наводимой в обмотке генератора, поскольку преобразование линейного перемещения поплавка во вращательное движение ротора электрического генератора осуществляется без редукции, необходимой для достижения требуемой величины скорости вращения ротора генератора. При изменении направления вращения генератор прекращает вырабатывать электрическую энергию и передавать ее в нагрузку. Кроме этого, при появлении качки поплавка натяжение троса будет ослабляться и вследствие этого коэффициент сцепления троса с блоком будет снижаться вплоть до нулевого значения, в результате появится проскальзывание троса, вращение ротора генератора и передача энергии в нагрузку прекращается.
в
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является «Поплавковая волновая электростанция» (Патент РФ №194378, МПК: F03B 13/16, опубл. 09.12. 2019 г., БИ №34). Поплавковая волновая электростанция, принятая за прототип, содержит три однофазных генератора, корпуса которых выполнены из ферромагнитного материала, жестко связаны друг с другом, закреплены на опоре, имеют цилиндрическую форму, внутри корпуса каждого генератора размещен статор с электрической обмоткой и индуктор с многополюсной магнитной системой, полюсное деление которой равно τ, две пружины, размещенные сверху и снизу индуктора, поплавок и шток, соединенный с индуктором и поплавком, общим для трех генераторов, с возможностью совершать возвратно-поступательное движение с периодом равным периоду колебания волны Т, электрические обмотки, имеющие форму катушек и размещенные между кольцевыми сердечниками магнитопровода статора каждого генератора, расположены в пространстве строго параллельно друг другу, суммарная высота каждой катушки и кольцевого сердечника равна полюсному делению τ, индукторы трех однофазных генераторов выполнены в виде набора кольцевых магнитов с кольцевыми ферромагнитными вставками между ними, образуя три многополюсные магнитные системы с пространственным сдвигом между ними равным 2τ/3, причем линейные размеры всех трех генераторов выбраны таким образом, что генерирование электрической энергии возможно только на участках волны с наибольшей скоростью перемещения.
Недостатками полезной модели, принятой за прототип, являются:
- амплитуда напряжения, генерируемого поплавковой волновой электростанцией, не постоянна, а промодулирована с частотой двукратной частоте колебания морской волны, глубина модуляции равна амплитуде морской волны;
- эффективное преобразование энергии морской волны в электрическую энергию возможно только на двух участках периода морской волны, где скорость перемещения морской волны наибольшая:
в
в
- на ниспадающем участке периода волны от 3Т/8 до 5Т/8;
в
в
- на восходящем участке периода волны от 7Т/8 до 9Т/8.
в
в
Суммарная длительностью этих участков составляет (1/2)Т. На оставшихся двух участках периода волны, суммарная длительность которых также равна (1/2)Т, амплитуда генерируемого напряжения уменьшается вплоть до нулевого значения, при этом появляется пауза в процессе генерирования электрической энергии. Наличие этой паузы приводит к понижению эффективности преобразования энергии морской волны в электрическую энергию.
Задачей является создание поплавковой волновой электростанции с непрерывным генерированием электрической энергии в течение всего периода морской волны, без пауз.
Техническим результатом является повышение эффективности преобразования энергии морской волны в электрическую энергию.
в
Технический результат достигается тем, что поплавковая волновая электростанция, содержащая N генераторов, корпуса которых выполнены из ферромагнитного материала, имеют цилиндрическую форму и закреплены на опоре, внутри корпуса каждого генератора размещены статор с электрической обмоткой, индуктор с многополюсной магнитной системой, полюсное деление которой равно τ, две пружины, поплавок и шток, на котором закреплены поплавок и индуктор, с возможностью совершать возвратно-поступательное движение с периодом, равным периоду колебания волны Т, электрические обмотки генераторов имеют форму катушек и размещены между кольцевыми сердечниками магнитопровода статора каждого генератора, суммарная высота каждой катушки и кольцевого сердечника равна полюсному делению τ, индукторы генераторов выполнены в виде набора кольцевых магнитов с кольцевыми ферромагнитными вставками между ними, сверху и снизу индукторов размещены пружины, при этом линейные размеры генераторов выбраны таким образом, что генерирование электрической энергии возможно только на участках волны с наибольшей скоростью перемещения, дополнительно снабжена n поплавками, закрепленными на штоке каждого генератора, а корпуса N генераторов закреплены вдоль продольной оси опоры, ориентированной по направлению передвижения морской волны, и смещены относительно друг друга на расстояние, равное 1/(2N) длины морской волны λ.
Существенные отличия, позволяющие реализовать технический результат:
2
- N генераторов с поплавками размещены вдоль продольной оси опоры, ориентированной по направлению перемещения морской волны, с пространственным сдвигом относительно друг друга Δ, равным 1/(2N) длины морской волны λ, т.е. Δ=[1/(2N)]λ. Благодаря этому частота модуляции напряжение поплавковой волновой электростанции возрастает в N раз по сравнению с однофазным генератором, а амплитуда модуляции, уменьшается в [(2N)-1]/3 раз. Например, при N=2 амплитуда модуляции уменьшится в [16-1]/3=5 раз;
- поплавковая волновая электростанция генерирует электрическую энергию на интервале всего периода морской волны непрерывно, без пауз, при этом каждый генератор генерирует электрическую энергию только на участках волны с наибольшей скоростью перемещения в той точке пространства, где установлен генератор, что обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии морской волны в электрическую энергию.
Суть полезной модели поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 приведена конструктивная схема поплавковой волновой электростанции с N генераторами (для примера N принято равным 2) и пространственным сдвигом установки генераторов, равным Δ=1/2N)λ (для примера N=2 Δ=(1/4)λ), и введены следующие обозначения:
1 - первый поплавковый генератор;
2 - второй поплавковый генератор;
3 - корпус генератора;
4 -пружина;
5 - поплавок;
6 - шток;
7 - индуктор;
8 - магнитопровод статора с обмоткой,
- на фиг. 2 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы поплавковой волновой электростанции, и введены следующие обозначения:
9 - график изменения амплитуды волны в точке установки генератора;
10 - график изменения скорости волны в точке установки генератора;
- на фиг. 3 представлены временная диаграмма формы напряжения одного генератора на интервале одного периода морской волны:
11 - напряжение генератора 1;
12 - модулирующая кривая напряжения генератора 1;
- на фиг. 4 представлена временная диаграмма формы напряжения двух генераторов, размещенных на опоре с пространственным сдвигом равным Δ=[1/(2N)]λ=[1/4]λ:
13 - модулирующая кривая напряжения генератора 1;
14 - модулирующая кривая напряжения генератора 2.
в
Устройство содержит N генераторов (например, два генератора, 1 и 2), корпуса 3 которых, выполненные из ферромагнитного материала, имеют цилиндрическую форму и закреплены на опоре, в каждый генератор введено по две пружины 4, поплавок 5 и шток 6, на котором закреплены поплавок 5 и индуктор 7, с возможностью возвратно-поступательного движения с периодом, равным периоду колебания волны Т, электрические обмотки генераторов, имеют форму катушек и размещены между кольцевыми сердечниками магнитопровода статора 8 каждого генератора, индукторы 7 генераторов выполнены в виде набора кольцевых магнитов с кольцевыми ферромагнитными вставками между ними, сверху и снизу индукторов 7 размещены пружины 4, устройство дополнительно снабжено n поплавками 5, закрепленными на штоке 6 каждого генератора, а корпуса N генераторов размещены вдоль продольной оси опоры, ориентированной по направлению передвижения морской волны, и смещены относительно друг друга на расстояние, равное 1/(2N) длины морской волны 9.
Устройство работает следующим образом.
При перемещении морской волны 9 поплавок 5, шток 6 и индуктор 7 каждого генератора (например, 1 или 2) совершают возвратно-поступательные движения. При этом магнитные силовые линии индуктора 7 пересекают проводники обмотки статора 8 и наводят в них напряжение 11. Скорость перемещения индуктора 7 равна скорости перемещения поплавка 5, поэтому амплитуда напряжения генератора 11 на интервале одного периода морской волны промодулирована огибающей кривой 12, форма которой повторяет форму кривой скорости морской волны 10. Пружины 4 амортизируют силу удара при движении индуктора внутри корпуса 3.
в
в
2
При размещении N (например, двух) генераторов вдоль продольной оси опоры, ориентированной по направлению передвижения морской волны, и смещении их относительно друг друга на расстоянии, равном 1/(2N) длины морской волны 9, модулирующие кривые напряжений этих генераторов 13 и 14 смещены по фазе на интервал, равный [1/(2N)Т. При N=2 смещение модулирующих кривых 13 и 14 составит (1/4)Т, частота модуляции увеличивается в 2 раза, а амплитуда модуляции уменьшается в [(2*2)-1]/3=5 раз по сравнению с одноименными параметрами одного генератора.
в
2
При размещении трех генераторов вдоль продольной оси опоры, ориентированной по направлению передвижения морской волны, и смещении их относительно друг друга на расстоянии, равном 1/(6) длины морской волны 9, модулирующие кривые напряжений этих генераторов смещены по фазе на интервал, равный [1/(6)]Т, частота модуляции увеличивается в 3 раза, а амплитуда модуляции уменьшается в [(2*3)-1]/3=11,66 раз по сравнению с одноименными параметрами одного генератора.
Благодаря этому генерирование электрической энергии в заявляемом устройстве реализуется в течение всего периода морской волны непрерывно, без пауз.
Приведенные результаты расчетов показывают, что заявляемая поплавковая волновая электростанция преобразует энергию морской волны в электрическую энергию без перерывов, пауз на интервале периода морской волны, что существенно повышает эффективность преобразования энергии морской волны в электрическую энергию.