Морская волновая электростанция
MARINE WAVE POWER PLANT

1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к возобновляемым источникам электроэнергии, преобразующим механическую энергию колебания морских волн непосредственно в электрическую в магнитогидродинамическом (МГД) генераторе индукционного типа.
2. Уровень техники
Аналогом является морская волновая электростанция, содержащая магнитогидродинамический генератор, включающий реверсивный магнитогидродинамический канал прямоугольного сечения, оснащенного плоскими постоянными магнитами или электромагнитами и электродами, размещенный вертикально, с балластной полостью и состоящий из двух раструбов (US 5136173 А, 04.08.1992, F03B 13/12). Технической проблемой свойственной аналогу является то, что поплавковые генераторы должны быть достаточно массивными и объемными, так как источниками движения является подъемная сила поплавка и сила тяжести. Поплавок выполнен в виде длинного стержня, что требует создание устройств для его ориентации вдоль фронта волны. Магнитогидродинамический канал размещается на большой глубине в зоне спокойной воды, что затрудняет его обслуживание. Низкая эффективность электростанции, так как значительная часть выработанной электрической энергии расходуется на процесс электролиза с выделением водорода, который никак не используется, и его использование затруднено по причине размещения канала на большой глубине. Размещение нескольких таких генераторов вблизи друг друга, например, для увеличения мощности, затруднено, так как они постоянно движутся относительно друг друга и требуется их взаимное позиционирование относительно друг друга, что требует создания дополнительных устройств или затрат энергии. При работе аналога происходит электрический контакт морской воды и электродов в МГД-канале холловского типа, оснащенного постоянными магнитами. При подключении нагрузки протекает процесс электролиза, сопровождающийся выделением разных химических элементов, что является недостатком этой схемы. На электролиз затрачивается часть вырабатываемой энергии, кроме того электроды, из какого-бы материала они ни были созданы, находясь в агрессивной среде, быстро разрушаются и изнашиваются, что снижает ресурс генератора и требует периодической их замены.
Предлагаемая установка позволяет решить эту проблему, а так же позволяет расширить арсенал технических средств, предназначенных для преобразования энергии морских волн в электроэнергию.
3. Раскрытие сущности изобретения
Морская вода содержит большое количество ионов различных химических элементов и соединений, являясь электропроводящей средой, и поэтому преобразование механической энергии волн в электрическую может происходить непосредственно в МГД-генераторе, конструкция которого предлагается в данном изобретении.
Станция предназначена для применения в прибрежных районах с морской водой соленостью не ниже 30-35о/оо и проводимостью не ниже 3 См/м или для электроснабжения нефтяных или газовых буровых платформ. Применение генератора в сочетании с отражателями волн, создающими увеличение разности высот гребней и впадин волн в результате интерференции, позволяет использовать электростанцию в районах с нерегулярным волнением или небольшой высотой волн, например, в районе Черного, Средиземного или других морей.
Для решения указанной технической проблемы морская волновая электростанция, относящаяся к возобновляемым источникам энергии, содержащая магнитогидродинамический генератор с балластной полостью, расположенный вертикально ниже уровня воды, включающий реверсивный магнитогидродинамический канал, состоящий из двух раструбов и активной части канала прямоугольного сечения, согласно изобретению, снабжена дополнительными магнитогидродинамическими генераторами с реверсивными магнитогидродинамическими каналами, подводными и подземными кабельными линиями постоянного тока до аккумуляторной подстанции, расположенной на берегу преобразовательной подстанции, участком электрической сети, причем генераторы выполнены индукционного типа, закрепляемыми ко дну металлоконструкциями, тросовыми оттяжками и фундаментами, и включают цепи постоянного тока, кингстоны и воздушные клапаны, а магнитогидродинамические каналы соединены друг с другом с образованием между собой балластных полостей.
Кроме того, генератор снабжен преобразователем, связывающим между собой цепи постоянного тока и переменного тока варьируемой частоты с контроллером, формирующим переменное минимум трехфазное электрическое поле в цепи переменного тока, датчика скорости потока в одном из каналов, датчика проводимости воды и конденсаторов.
Кроме того, генератор включает симметричные статоры с витками обмотки, подключенными к шинам переменного тока через переключающее реле, управляемое реле направления и скорости потока воды, устанавливаемые в каждом канале.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Схема волновой электростанции. Главный вид. Поверхность воды, дно, берег, подводное оборудование и коммуникации, а также оборудование, размещаемое на берегу.
Фиг. 2. Схема волновой электростанции. Вид сбоку (со стороны моря). Поверхность воды, дно, берег, подводное оборудование.
Фиг. 3. Схема размещения и крепежа отражателя с основными элементами конструкции.
Фиг. 4. Схематичный план участка волновой электростанции вдоль береговой линии. Показано положение отражателей в рабочем положении и во время шторма.
Фиг. 5. Конструкция МГД-генератора, основной вид, часть повторяющихся элементов - МГД-каналов, векторы скорости слоев воды под поверхностью воды. Размещение шин, кабелей, датчиков и контроллера.
Фиг. 6. Конструкция МГД-генератора, вид сверху, часть повторяющихся элементов - МГД-каналов, размещение шин, кабелей, реле и контроллера.
Фиг. 7. Схема конструкции МГД-канала.
Фиг. 8. Конструкция МГД-канала, разрез, показывающий размещение статоров с обмотками, переключающего реле, реле потока и их соединения, а также вектор скорости воды, магнитное поле статора.
Фиг. 9. Конструкция двух смежных МГД-каналов, вид сбоку, показывающий вихревые токи в канале и векторы скорости воды, а также элементы силовой рамы.
Фиг. 10. Конструкция двух смежных МГД-каналов, вид сверху, показывающий размещение статоров с обмотками, переключающего реле, реле потока и их соединения, а также элементы силовой рамы.
Фиг. 11. Схема коммутации секций статора МГД-канала индукционного МГД-генератора на примере трехфазной двухслойной обмотки, показывающая соединения обмоток генератора и их подключение к береговому оборудованию, иллюстрирующие принцип действия.
Волновая электростанция (Фиг. 1, 2, 3, 4) состоит из следующих основных элементов: МГД-генераторов индукционного типа 1, закрепляемых ко дну металлоконструкциями 2, тросовыми оттяжками 3 и фундаментами 4, подводных и подземных кабельных линий 6 постоянного тока от генераторов до аккумуляторной подстанции 7; преобразовательной подстанции 8, участка электрической сети 9, отражателей 10, закрепленных через лебедки 11, тросами (стальными в оболочке или полипропиленовыми) 12 и фундаментами 13 ко дну.
МГД-генератор (магнитогидродинамический) индукционного типа (Фиг. 5, 6) состоит из множества МГД-каналов 21, соединенных друг с другом, и размещаемых вертикально. Их целесообразно размещать в составе электростанции вдоль береговой линии на расстоянии 0,3-0,8 км от берега (Фиг. 1, Фиг. 4), тогда фронт волны будет иметь преимущественное направление - к берегу и часть оборудования можно разместить на берегу. Если глубина дна будет менее 50 м целесообразно закрепить генератор жестко непосредственно ко дну на фундаменты с возможностью перемещения вертикально вдоль опор при существенном изменении уровня воды и фиксацией на необходимом уровне. Если глубина больше 50 м, то под генератором на глубине 20 м горизонтально располагаются тормозные пластины 14 (Фиг. 1), жестко связанные с генератором. Тогда связь с дном может быть на оттяжках 3. На глубине 20 м колебания воды незначительны, поэтому генератор может опираться через тормозные пластины на низлежащие слои воды при передаче колебаний от волн к генератору.
Если длина генератора будет больше длины волны, механическое воздействие на генератор восходящих потоков воды будет компенсироваться нисходящими потоками. Результирующее воздействие будет значительно меньше энергии колебаний и будет гаситься либо низлежащими слоями воды, либо дном.
Каждый МГД-канал (Фиг. 7) состоит из двух раструбов из токонепроводящих полимеров 22, служащих для ускорения потока воды и направления его в канал, и, закрепленных на нем сверху и снизу, и активной части. Канал имеет прямоугольное сечение 30 (Фиг. 6, 10) и образован по коротким сторонам полимерными стенками 23 (Фиг. 8). По длинным сторонам канал образован симметричными статорами 24, заключенными в магнитопроницаемую, электро- и гидроизолирующую оболочку (например из ПВХ-пленки, винилита, бутил-каучука или винил-каучука). Магнитопроводы статоров выполняются из тонколистового материала с высокой магнитной проницаемостью электрически изолированными слоями, например из электротехнической стали, мюметалла, пермаллоя, наноперма или метгласа. Листы укладываются вдоль потока воды, но поперек витков обмотки 25 (Фиг. 10), которые вмонтированы между зубцами магнитопроводов, и крепятся стяжными элементами 26 к конструкциям каркаса 27 генератора, выполненным из коррозионностойкого материала или защищенным таким материалом (Фиг. 9, 10). Мощность МГД-установки имеет квадратичную зависимость от скорости ионов, поэтому увеличение скорости воды в канале, дополнительно увеличивает мощность установки, но одновременно увеличивает механическую нагрузку на генератор.
Витки обмотки 25 каждого МГД-канала через переключающее бесконтактное реле 28 соединяются с шинами переменного тока 29 с водостойкой изоляцией, как показано на схеме (Фиг. 11). Шины проходят между активными частями каналов (Фиг. 5, 6, 8, 10) и обеспечивают присоединение всех реле 28 статоров 24 каждого МГД-канала 21. Начало и конец каждой фазной обмотки (С1 и С4, С2 и С5, С3 и С6) (Фиг. 11) соединены через пару симисторов 31 переключающего реле 28 с соответствующими выводами 29 шин переменного тока. Симисторы 31 переключающего реле 28 управляются сигналами от реле направления и скорости потока 33 (реле потока), устанавливаемом в проточной части 30 каждого МГД-канала, и связанном с переключающим реле 28 этого канала при помощи проводников 34 (Фиг. 10). Статоры 24 располагаются вдоль всей длины активной части канала 21, витки фазных обмоток которых подключены к выводам переключающего реле 28 при помощи проводников 41, проложенным также вдоль всей длины канала с обоих сторон-статоров канала.
Реле направления и скорости потока 33 и датчик скорости потока 49 могут быть механическими лепесткового типа или электромагнитными: холловского (контактного) типа или индукционного (бесконтактного типа). При измерении скорости воды в канале электромагнитными датчиками, контроллер 44 должен еще получать информацию о проводимости воды от датчика проводимости 48.
МГД-генератор содержит преобразователь, связывающий цепи постоянного тока и переменного тока варьируемой частоты 42 (Фиг. 11), состоящий из силовых симисторов 32, состоянием которых управляет контроллер 44. Преобразователь 42 подключен со стороны каналов цепями переменного тока 29, а со стороны аккумуляторной подстанции 7 кабелями постоянного тока 6. МГД-генератор содержит конденсаторы 47, подключенные с противоположных фазным выводам сторон к обмоткам статоров проводниками переменного тока АВС. Преобразователь 42 и конденсаторы 47 заключены в герметичную гидро и электроизолирующую пленку, как и статоры 24.
Контроллер, содержащий встроенные АЦП, получает информацию о проводимости воды от датчика проводимости 48 и о скорости потока в одном из близлежащих каналов от датчика скорости потока 49, установленном в этом канале, а также о вырабатываемой мощности от ваттметра N.
Полости 35 между каналами (Фиг. 5) выполняются герметичными, используются в качестве балластных полостей и служат для выравнивания положения генератора под поверхностью воды и изменения плавучести путем закачки или вытеснения воды в определенные полости через кингстоны 37, размещенные в боковой части генераторов, которые закрыты герметично панелями, и воздушные клапаны 38.
Для удобства монтажа и обслуживания генератор целесообразно располагать на месте жесткими секциями 100*30 м - 100*20 м, а в жесткие секции собирать на месте из узлов 20*30 м - 20*20 м, которые собирать на берегу.
Генераторы сверху и снизу должны иметь сеть с крупной ячеей из прочных, полимерных, токонепроводящих, гибких и упругих материалов для предотвращения попадания посторонних предметов в каналы, которые могут привести к их разрушению, засорению или повреждению пленки.
Над генераторами в надводном положении должны быть маяки, сигнализирующие о наличии подводных преград, подающие звуковой сигнал при приближении судна или пловца и световой сигнал - постоянно.
Высота волн Черного моря в районе г. Сочи составляет более 5-7 м с обеспеченностью менее 5%. То есть большую часть времени волнение характеризуется высотой 0-3 м. Высота генератора, определяемая длиной активной части МГД-канала и длиной раструбов, не может быть больше этой величины. Для увеличения мощности генератора предлагается расположить его в зоне интерференции прямой волны и волны, отраженной от специальных отражателей 10, имеющих высоту активной части не менее 10 м, и направленной на генератор (фиг. 1, 2, 3, 4). Варианты конструкции таких отражателей известны и публикации встречаются в источниках. В данном изобретении предлагается конструкция отражателей, наиболее подходящая предлагаемому МГД-генератору, кроме того позволяющая поворачивать отражатель вдоль набегающей волны, для предотвращения повреждения оборудования во время шторма.
Отражатель имеет активную часть 10 (Фиг. 3), которая обеспечивает плавучесть конструкции так, чтобы надводная часть выступала над поверхностью воды на минимальную величину для уменьшения воздействия ветра. Активная часть отражателей имеет каркасную конструкцию, обшитую корабельной сталью герметично, окрашенной коррозионностойкими составами. Толщина отражателя и конструкция каркаса должна обеспечить необходимую жесткость и плавучесть отражателя. Снизу к отражателю крепятся металлоконструкции стоек 52, уходящих на глубину до 20 м, где располагаются опорные пластины 53. Тросовые оттяжки 51, натянутые между активной частью отражателя 10 и опорными пластинами 53 придают конструкции необходимую жесткость и прочность. Снизу активной части отражателя и на опорных пластинах устанавливаются, по меньшей мере, 8 лебедок с электроприводом 11, которые при помощи тросов 12, закрепленных к фундаментам 13, установленным на дне, позиционируют весь отражатель относительно генератора и набегающей волны. Осадка отражателя и его выравнивание может регулироваться закачкой воды внутрь активной части отражателей 10 в разные герметичные отсеки, образованными внутренними переборками.
4. Осуществление изобретения
Фронт волны в прибрежных районах движется преимущественно из открытого моря к берегу. Вода совершает колебания в горизонтальной и вертикальной плоскости (Фиг. 4, 5). При высоте волн до 3-5 м отражатели 10 ориентируются при помощи лебедок 11 и тросов 12 под углом к набегающей волне так, чтобы отраженная волна двигалась в направлении генератора 1. Так как генератор размещается в зоне интерференции отраженных и набегающей волн, амплитуда колебания слоев воды будет превышать высоту генератора 1 и каналов 21.
Возможен вариант выполнения генераторов небольшой высоты (длины каналов) до 1 м. Это позволит разместить генераторы на небольшом расстоянии друг от друга вдоль береговой линии без применения отражателей. В этом случае эффективность каждого генератора будет незначительной, но при использовании их большого количества можно получить необходимую мощность.
Волны в зоне генераторов создают вертикальные потоки воды вверх и вниз в разных каналах, то есть, в половине каналов вода движется вниз, в другой половине - вверх. При изменении направления движения в части каналов скорость близка к нулю. Вода, попадая на генератор 1 устремляется через раструбы 22 с ускорением в МГД-каналы 21, при этом горизонтальная составляющая вектора скорости преобразуется в вертикальную. Неподвижность в вертикальной плоскости генератора обеспечивается опорными пластинами 14, неподвижность каналов в горизонтальной плоскости обеспечивается оттяжками 3, закрепленными ко дну на фундаментах 4. Аналогично обеспечивается неподвижность отражателей 10.
Положение генераторов и отражателей относительно уровня воды обеспечивается закачкой воды в балластные полости 35 и активную часть отражателей 10 периодически при эксплуатации. Отражатели ориентируются относительно генератора при помощи лебедок с электроприводом 11. Во время шторма, при высоте волн более 5 м отражатели разворачиваются вдоль направления распространения фронта волны, при этом интерференция прекращается и уменьшается физическое воздействие волн на генератор.
Оператор электростанции, находясь на берегу, наблюдает за положением оборудования при помощи видеокамер, устанавливаемых на надводной части отражателей или на периодически запускаемом беспилотном летательном аппарате (квадрокоптере).
Контроллер 44 (Фиг. 5, 6, 11), устанавливаемый в каждом генераторе, при помощи информации, получаемой от датчика скорости воды 49 в канале и от датчика проводимости воды 48, задает скорость бегущего магнитного поля (частоту переменного электрического тока) и формирует импульсы, управляющие состоянием симисторов 32, которые подключают начало обмотки данной фазы к положительной шине, а конец - к отрицательной в момент времени и с продолжительностью, определяемой контроллером 44. Таким образом, в цепях переменного тока 29 на входе переключающего реле 28 данной фазы формируется положительная полуволна. Аналогично, но открытием другой пары симисторов 32, в другой момент времени, в цепях переменного тока 29 на входе переключающего реле 28 другой фазы формируется отрицательная полуволна. В результате в цепях переменного тока 29 на входе переключающего реле 28 в каждой фазе поочередно формируется импульс напряжения задаваемой контроллером полярности, частоты и скважности. Аналогично функционируют асинхронные машины с частотным управляемым преобразователем. Напряжение на секции в этот момент времени определяется количеством аккумуляторов, включенных последовательно на аккумуляторной подстанции 7.
На входе переключающего реле 28 в цепях переменного тока 29 формируется минимум трехфазное переменное электрическое поле. При достижении скорости потока воды в канале определенной минимальной величины реле потока 33 по одному из проводников 34 подает управляющий импульс, открывающий симисторы 31 переключающего реле 28. При этом замыкается цепь и протекающий через витки обмотки 25 статора 24 переменный ток создает меняющееся магнитное поле. В сочетании с меняющимся магнитным полем, создаваемым переменным током в витках обмоток других фаз, оно становится движущимся вдоль канала в направлении потока воды. Если поток движется вверх, открываются симисторы 31, обеспечивающие движение бегущего магнитного поля вверх, если поток движется вниз, то реле потока 33 по другому проводнику 34 подает управляющий импульс, открывающий другие симисторы 31 переключающего реле 28, обеспечивающие перекрестное соединение фаз В и С ко входу переключающего реле 28 (к шинам переменного тока 29), благодаря чему бегущее магнитное поле в канале меняет направление движения.
Таким образом, реле направления и скорости потока 33 обеспечивает включение магнитного поля в том канале, где скорость воды достигнет определенной задаваемой величины. При этом магнитное поле движется в том направлении, в котором движется поток воды в данном канале. В моменты времени, когда скорость воды в данном канале не значительна, реле потока 33 не формирует управляющие импульсы и магнитное поле в статоре данного канала не создается.
Секции обмоток 25 статора 24 формируют бегущее магнитное поле в канале, как показано на Фиг. 8, при этом в потоке воды благодаря его движению и наличию проводимости морской воды формируются замкнутые вихревые токи, как показано на Фиг. 9, искажающие магнитное поле. Если скорость магнитного поля будет меньше скорости потока воды в канале, в обмотке статора будет возникать переменная ЭДС, которая, выпрямляясь на симисторах 32, будет увеличивать напряжение в цепи постоянного тока 5 и обеспечит движение постоянного электрического тока в обратном направлении, что приведет к началу зарядки аккумуляторных батарей 7, и выдачи мощности в сеть 9 через преобразовательную подстанцию 8.
Реле потока 33 через переключающее реле 28 включает только те каналы, в которых в этот момент времени движется установившийся поток воды. Контроллер 44 анализирует вырабатываемую мощность и корректирует скорость формируемого бегущего вдоль статора магнитного поля для получения максимальной мощности, которая будет зависеть от количества включенных последовательно аккумуляторных элементов, то есть напряжения и, следовательно, индуктивности магнитного поля, проводимости воды, длины активной части канала, его площади сечения, скорости воды, скольжения.
Управление частотой подключения витков статора позволяет изменять скорость магнитного поля. Фактически в витках статора благодаря частотному модулированию (бесконтактной коммутации) возникает переменное электрическое поле. Со стороны статора, противоположной выводам фаз, подключаются фазные фидеры АВС, которые связаны с конденсаторной батареей 47. Включение конденсаторов необходимо для обеспечения генератора реактивной мощностью, которую обычно из сети потребляют асинхронные генераторы.
Регулирование подводного положения генератора по тангажу и крену (в варианте большой глубины) и снижение нагрузок на опоры (в варианте жесткого крепления ко дну) происходит периодически при обслуживании путем открытия кингстонных клапанов 37 (Фиг. 5, 6) и воздушных клапанов 38 и (или) подачи сжатого воздуха в балластные полости 35, при этом в них поступает, либо вытесняется морская вода.
В МГД-генераторе происходит выработка электрической энергии при волнении на море.
Размещение генераторов вдоль береговой линии ослабляет волнение и разрушающее берег действие ветровых волн, создает благоприятные условия для прибрежного судоходства. Обеспечивает потребителей на берегу электроэнергией, без ухудшения экологической ситуации в прибрежных, как правило, густонаселенных районах.
Аналогично описанному осуществлению изобретения для электроснабжения прибрежных районов, данная электростанция может использоваться для электроснабжения нефтяных или газовых буровых платформ, при этом МГД-генераторы размещаются вокруг платформы и помимо выработки электроэнергии, они будут снижать негативное воздействие волн на опоры платформы, но при этом эффективность генераторов будет ниже, так как одна часть из них будет находиться в тени другой части.