ВОЛНОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WAVE ENERGY PLANT

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к производству электроэнергии путем преобразования энергии вертикального волнения воды в электрическую.
Известна волновая энергетическая установка (патент на изобретение RU 2286476 С2, опубл. 20.02.2004 г.), содержащая опорную раму с вертикальными направляющими, установленный с возможностью возвратно-вертикального перемещения поплавок с размещенными внутри храповыми механизмами, имеющими соосными центральные отверстия, пропущенный через них вертикальный вал, неподвижно закрепленный в опорной раме, с пластинчатым винтовым участком, верхняя и нижняя часть которого имеют противоположную закрутку, контактируют с храповыми механизмами, размещенными в цилиндрическом корпусе, имеющем сквозные центральные отверстия, и электрогенератор. Поплавок установлен с возможностью перемещения вдоль вертикальных направляющих и снабжен размещенным внутри с возможностью вращения и совместного с ним перемещения инерциальным элементом, контактирующим посредством роликов с внутренней поверхностью корпуса поплавка, при этом цилиндрический корпус скреплен с инерциальным элементом. Кинематическая связь с генератором выполнена в виде раздвижного соединения инерционного элемента с барабаном, установленным с возможностью совместного с ним вращения, и зубчатой передачи.
Недостатком аналога является то, что угловая скорость вращения поплавка гасится водой, воздействующей на его поверхность.
Также известна волновая энергетическая установка (патент на ПМ RU 88774 U1, опубл. 20.11.2009 г.), которая содержит двухсекционный каркас, вертикальные стойки которого скреплены верхними и нижними основаниями, являющимися направляющими размещенного в нижней секции каркаса поплавка, способного к возвратно-поступательному перемещению, что обеспечивается посредством опорных роликов, находящихся на боковой поверхности поплавка. В верхней секции каркаса расположен преобразователь энергии, содержащий как минимум две или более пар симметрично расположенных длинноходовых вертикальных линейных электрических генераторов с генерирующими сердечниками на дисковых постоянных магнитах, оси которых выполнены из немагнитных материалов, имеющих возможность возвратно-поступательного перемещения внутри связанных между собой общим фланцем кольцевых индуктивных катушек, закрепленным на торце передаточного штока, жестко связанного с поплавком.
К недостаткам второго аналога относится неравномерность процесса преобразования механической энергии волн в электрическую, а также низкое качество генерируемого напряжения вследствие нестабильности его величины и частоты.
Известна волновая энергетическая установка (патент на изобретение RU 2440510 С1, опубл. 20.01.2012 г.), 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. Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Существенным недостатком прототипа является то, что при низкой скорости вертикального движения волн энергия вертикального волнения воды не преобразуется в электрическую энергию, так как при медленном прохождении магнита внутри обмотки не возникает электрического тока, что не обеспечивает достаточный уровень удельных энергетических показателей. Кроме этого вода, проходящая через вертикальный канал, теряет начальную вертикальную скорость, амплитуда волны в вертикальном канале уменьшается, что отрицательно сказывается на производительности генерации электроэнергии. Наличие в конструкции роликов и открытых направляющих предполагает их повышенный износ, что требует необходимости технического обслуживания устройства и повышает стоимость получаемой электроэнергии.
Задачами предлагаемого устройства являются реализация эффективной генерации электроэнергии на волнах любой амплитуды независимо от скорости вертикального движения волн, увеличение производительности узла преобразования энергии и снижения стоимости получаемой электроэнергии.
Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в волновой энергетической установке, содержащей каркас с выполненными в нем соосными центральными отверстиями, поплавок с закрепленным к нему штоком, имеющим продольный паз с установленным в нем фиксатором, исключающим возможность поворота штока вокруг его вертикальной оси, горизонтальную площадку с размещенными на ней плоскими магнитами, кинематически связанную с поплавком с возможностью возвратно-поступательного перемещения, корпус, в котором располагается ротор с закрепленным на нем фланцем, преобразующий возвратно-поступательное движение штока во вращательное, рамку с выполненной вокруг нее обмоткой, кронштейны, закрепленные к каркасу и выполненные совместно с направляющими предусмотрены следующие отличия: нижняя часть площадки, имеющая форму полого цилиндра с выполненными в нем фигурными элементами, образующими периодический профиль переменной кривизны, находится в постоянном контакте с обкатываемыми роликами, установленными на фланце, преобразуя вращательное движение ротора в возвратно-поступательное движение площадки с магнитами относительно обмотки независимо от скорости вертикального движения волн и их амплитуды.
Кроме того, предложенная волновая энергетическая установка отличается тем, что соосные центральные отверстия выполнены в опорных втулках, изготовленных из полиамида, что в 1,5-2 раза снижает износ пар трения вследствие его самосмазывающих свойств и неподверженности коррозии. Шток содержит цилиндрическую и винтовую части с углом наклона витков не менее 45°, что способствует повышению КПД винтовой передачи при преобразовании поступательного движения во вращательное. Цилиндрическая часть штока может быть выполнена полой, например из трубы, и иметь кольцевое поперечное сечение в горизонтальной плоскости, что снижает массу конструкции. Фигурные элементы могут иметь синусоидальный профиль, что обеспечивает более надежный контакт роликов с обкатываемой поверхностью, способствуя эффективному преобразованию вращательного движения роликов в возвратно поступательное перемещение площадки с магнитами относительно витков обмотки. Закрепленные на верхней части площадки магниты объединены в прямолинейные секции, расположенные параллельно друг другу, при этом достигается повышение единичной мощности установки. Массы штока, площадки с магнитами и поплавка должны быть выбраны достаточными для преодоления сил трения и сопротивления, возникающих при возвратно-поступательном движении поплавка вдоль вертикальной оси и прохождении магнитов между витками обмотки. Дополнительно к этому в верхней части кожуха установлена пружина, обеспечивающая прижим площадки к роликам. Пружина, расположенная внутри винтовой части штока, способствует созданию режима вынужденных колебаний поплавка, одновременно выполняя роль демпфера. Кожух, установленный в верхней части каркаса, защищает установку от атмосферных воздействий, продлевая тем самым срок службы.
Техническое решение позволяет повысить эффективность генерации электроэнергии независимо от скорости вертикального движения волн и их амплитуды, увеличить производительность узла преобразования энергии и ресурс работы, повысить надежность в эксплуатации, снизить расходы на техническое обслуживание.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежом, на котором:
Фиг.1 - общий вид волновой энергетической установки.
Фиг.2 - поперечный разрез волновой энергетической установки по А-А.
Волновая энергетическая установка содержит каркас 1, шток 2, поплавок 3, площадку 4 с магнитами 5, рамку 6, кожух 7, обмотку 8, корпус 9, ротор 10, фланец 11, ролики 12, фиксатор 13, пружину 14, демпфирующую пружину 15, крышку 16, подшипники 17.
Перечисленные выше конструктивные элементы выполнены следующим образом. Верхняя часть каркаса содержит стойки 18, выполненные совместно с призматическими направляющими 19. На стойках 18 неподвижно закреплена рамка 6 с выполненной вокруг нее обмоткой 8. В верхней и нижней частях каркаса 1 установлены втулки 20 с выполненными в них соосными центральными отверстиями 21, в которые устанавливается шток 2, имеющий цилиндрическую и винтовую с углом наклона витков не менее 45° части, способный к вертикальному перемещению. В цилиндрической части штока выполнен продольный паз 22, в который устанавливается фиксатор 13, представляющий собой цилиндрический штифт, исключающий возможность поворота штока 2 вокруг вертикальной оси. Площадка 4 представляет собой прямоугольную пластину с выполненными в ней пазами 23, в верхней части которой предусмотрена возможность для закрепления плоских магнитов 5, объединенных в прямолинейные секции. Нижняя часть площадки 4 имеет форму полого цилиндра, в стенке которого выполнены фигурные элементы, образующие периодический криволинейный профиль 24 переменной кривизны. К верхней части каркаса 1 крепится корпус 9 с установленным в нем ротором 10, опирающимся на подшипники 17, закрепленные крышкой 16. Внутренняя полость ротора 10 имеет внутреннюю винтовую поверхность, контактирующую с наружной винтовой поверхностью штока 2, представляя собой винтовую пару, преобразующую возвратно-поступательной движение штока 2 во вращательное движение ротора 10 вместе с установленным на нем фланцем 11, на котором закреплены ролики 12 с возможностью их свободного вращения.
Устройство работает следующим образом. При наличии волн поплавок 3 совершает вертикальные движения вдоль собственной оси. При этом закрепленный к поплавку вертикальный шток 2 совершает возвратно-поступательное перемещение относительно каркаса 1. Винтовая часть штока при вертикальном перемещении вверх с осевой силой, развиваемой поплавком 3, создает крутящий момент, передаваемый ротору 10, тем самым преобразуя поступательное движение штока 2 во вращательное движение закрепленного в корпусе 9 ротора 10, на котором крепится фланец 11 с расположенными на нем роликами 12. Ролики 12 находятся в постоянном контакте с периодическим криволинейным профилем 24 площадки 4, с установленными на ней в несколько рядов магнитами 5. Пружина 14, установленная в верхней части кожуха 7, обеспечивает прижим площадки к роликам. Демпфирующая пружина 15, расположенная внутри винтовой части штока 2, способствует созданию режима вынужденных колебаний поплавка 3, одновременно выполняя роль демпфера. При движении вниз шток 2 опускается под действием демпфирующей пружины 15, собственной силы тяжести и сил тяжести площадки 4 с магнитами 5 и поплавка 3. В результате перемещения штока 2 вниз создается крутящий момент, передаваемый ротору 10, который вращается в противоположную сторону. При этом масса поплавка 3 должна быть выбрана таким образом, чтобы обеспечивался постоянный контакт роликов 12 с обкатываемой поверхностью площадки 4. При вращении ротора 10, в результате обкатывания роликами 12 поверхности, имеющей периодический профиль переменной кривизны, площадка 4 вместе с установленными на ней магнитами 5 совершает возвратно-поступательные движения относительно обмотки 8, выполненной вокруг рамки 6, в результате чего в обмотке возникает электрический ток, который подается на объект преобразования, потребления или аккумулирования электрической энергии. Для исключения возможности вращения штока предусмотрен фиксатор 13. Для исключения повреждений от атмосферных воздействий конструкция закрыта кожухом 7.
По сравнению с известными техническими решениями эффект заключается в следующем. Использование в конструкции роликов, находящихся в постоянном контакте с поверхностью, имеющей периодический профиль переменной кривизны, позволяет увеличить частоту вертикальных перемещений магнитов независимо от величины амплитуды волны.
В отличие от прототипа предлагаемое устройство имеет ряд преимуществ. Достигается эффективная генерация электроэнергии на волнах любой амплитуды независимо от скорости вертикального движения волн за счет увеличения частоты возвратно-поступательных перемещений магнитов по сравнению с вертикальным движением поплавка. Вследствие использования нескольких рядов магнитов достигается повышение эффективности их работы. Применение неметаллических материалов снижает металлоемкость конструкции и ее массу. Предлагаемое устройство позволяет обеспечить электроэнергией объекты промышленного производства морского и прибрежного базирования.