УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВОЛН
DEVICE FOR TRANSFORMATION OF WAVE ENERGY

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к плавучим установкам, использующим энергию морских волн.
Известно устройство для преобразования энергии волн, содержащее плавучее основание, маятник, выполненный в виде подвижного блока, размещенного на одном из звеньев двухзвенного шарнирного механизма, выполненного с возможностью качения его конечной точки по криволинейным рельсам, жестко закрепленным на плавучем основании (см. патент США №8713928, 2014 г.). Устройство также включает средство отбора мощности, выполненное с возможностью взаимодействия с индукционным роторным электрогенератором.
Недостатками данного устройства являются высокая материалоемкость и низкая надежность из-за износа под действием больших боковых сил на звеньях шарнирного механизма и криволинейных направляющих, возникающих при пространственных перемещениях массивного (до 1000 тонн) подвижного блока, необходимого для достижения низкой собственной частоты колебаний маятника.
Известно устройство для преобразования энергии волн, содержащее маятник с эксцентрично подвешенным на его конце массивным блоком, выполненный с возможностью качания вокруг горизонтальной оси, и два балансировочных груза, соединенных со ступицей маятника штангами, перпендикулярными к маятнику (см. заявку на патент США №2012/0227485, 2012 г.). Устройство также включает средство отбора мощности, выполненное с возможностью взаимодействия с индукционным роторным электрогенератором.
Недостатком данного устройства является высокая материалоемкость из-за наличия многотонных балансировочных грузов, размещенных на консольных горизонтальных штангах.
Известно устройство для преобразования энергии волн, содержащее плавучее основание, маятник, выполненный с возможностью качания относительно плавучего основания вокруг горизонтальной оси, и средство отбора мощности, выполненное с возможностью взаимодействия с генератором электрической энергии (см. патент США №8198745, 2012 г.). При этом средство отбора мощности включает повышающие механические передачи от противоположных концов вала маятника к входному валу электрогенератора.
Недостатком данного устройства является высокая материалоемкость плавучего основания, несущего опоры вала маятника, механические передачи и генератор, которые в случае настройки собственной частоты колебаний маятника в резонанс с длинными морскими волнами в данном устройстве расположены на большой высоте. Вторым недостатком данного устройства является плохая остойчивость плавучего основания из-за верхнего расположения указанных элементов конструкции.
Известно устройство для преобразования энергии волн, содержащее герметичное плавучее основание, маятник, выполненный с возможностью качания относительно плавучего основания вокруг горизонтальной оси (см. патент США №8026620, 2011 г.). Устройство также включает средство отбора мощности маятника, которое в одном из исполнений выполнено с возможностью взаимодействия с индукционным электрогенератором посредством промежуточного гидравлического привода, шарнирно связанного своим входом с маятником.
Данное устройство является наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и выбрано в качестве прототипа. Недостатком прототипа является очень высокая материалоемкость при настройке собственной частоты колебаний маятника в резонанс с длинными морскими волнами, имеющими наибольшую энергию из-за расположения крупногабаритного маятника (десятки метров) внутри герметичного плавучего основания и необходимости размещать входные элементы промежуточного гидравлического привода вблизи оси качания маятника. Кроме того, недостатком прототипа являются повышенные потери мощности из-за наличия промежуточного гидравлического привода.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое решение, выражается в снижении стоимости, в повышении надежности и эффективности устройства для преобразования энергии волн.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в снижении материалоемкости конструкции за счет исключения тяжеловесных элементов, расположенных на большой высоте, в улучшении остойчивости плавучей установки на морском волнении за счет увеличения метацентрической высоты, а также в снижении потерь мощности при ее отборе с маятника.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для преобразования энергии волн, содержащем плавучее основание, маятник, выполненный с возможностью качания относительно плавучего основания вокруг горизонтальной оси, и средство отбора мощности, выполненное с возможностью взаимодействия с индукционным роторным электрогенератором, согласно изобретению ось качания маятника размещена на вертикальных опорах, маятник выполнен в плоскости качания в форме сектора, в вершине центрального угла которого помещена ось качания маятника, дуга сектора обращена вниз, а нижняя часть сектора с обоих его торцов снабжена одинаковыми зубчатыми рейками, при этом зубчатые рейки жестко закреплены вдоль дуги сектора, а плоскости, содержащие средние линии зубьев реек, расположены перпендикулярно оси качания маятника, средство отбора мощности установлено в корпусе и содержит первый и второй вертикальные валы, выполненные с возможностью вращения в подшипниках корпуса и снабженные соответственно первым и вторым одинаковыми зубчатыми колесами, выполненными с возможностью взаимодействия с зубчатыми рейками маятника, и соответственно третьим и четвертым одинаковыми зубчатыми колесами, выполненными с возможностью взаимодействия друг с другом, кроме того, установлены первая и вторая обгонные муфты, как входные валы которых использованы соответственно первый и второй вертикальные валы, при этом на выходных валах первой и второй обгонных муфт установлены в зацеплении друг с другом, одинаковые пятое и шестое зубчатые колеса, кроме того, как вал электрогенератора использован выходной вал одной из обгонных муфт, при этом первая и вторая обгонные муфты установлены с возможностью передачи вращения во встречных направлениях.
Кроме того, корпус средства отбора мощности выполнен подвижным в направлении, параллельном оси качания маятника.
Кроме того, корпус средства отбора мощности снабжен П-образным кронштейном, кронштейн жестко закреплен сверху на корпусе в двух точках, верхние подшипниковые опоры первого и второго вертикальных валов установлены на кронштейне, при этом нижняя часть сектора маятника размещена в пространстве между кронштейном и корпусом с возможностью свободного качания.
При этом признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки "…ось качания маятника размещена на вертикальных опорах", "…маятник выполнен в плоскости качания в форме сектора, в вершине центрального угла которого помещена ось качания маятника, дуга сектора обращена вниз" и "…нижняя часть сектора с обоих его торцов снабжена одинаковыми зубчатыми рейками" позволяют разместить все элементы средства отбора мощности в максимально нижней части устройства и, кроме того, позволяют уменьшить массу опор маятника.
Признаки "…нижняя часть сектора с обоих его торцов снабжена одинаковыми зубчатыми рейками", "…зубчатые рейки жестко закреплены вдоль дуги сектора, а плоскости, содержащие средние линии зубьев реек, расположены перпендикулярно оси качания маятника…" и "… средство отбора мощности … содержит первый и второй вертикальные валы, выполненные с возможностью вращения в подшипниках корпуса и снабженные соответственно первым и вторым одинаковыми зубчатыми колесами, выполненными с возможностью взаимодействия с зубчатыми рейками маятника и соответственно третьим и четвертым одинаковыми зубчатыми колесами, выполненными с возможностью взаимодействия друг с другом, кроме того, установлены первая и вторая обгонные муфты, как входные валы которых использованы соответственно первый и второй вертикальные валы, при этом на выходных валах первой и второй обгонных муфт установлены в зацеплении друг с другом одинаковые пятое и шестое зубчатые колеса, кроме того, как вал электрогенератора использован выходной вал одной из обгонных муфт, при этом первая и вторая обгонные муфты установлены с возможностью передачи вращения во встречных направлениях" позволяют осуществить надежный отбор мощности в течение всего цикла колебания крупногабаритного маятника без потери механического зацепления из-за тепловых или упругих деформаций маятника и повысить частоту вращения вала электрогенератора без существенной потери мощности в мультипликаторе или промежуточном гидроприводе.
Признаки "… средство отбора мощности установлено в корпусе…" и "корпус средства отбора мощности выполнен подвижным в направлении, параллельном оси качания маятника" позволяют осуществить надежный отбор мощности даже в случае образования существенных упругих деформаций маятника и его опор из-за боковой качки.
Признаки "…корпус средства отбора мощности снабжен П-образным кронштейном, кронштейн жестко закреплен сверху на корпусе в двух точках, верхние подшипниковые опоры первого и второго вертикальных валов установлены на кронштейне, при этом нижняя часть сектора маятника размещена в пространстве между кронштейном и корпусом с возможностью свободного качания" позволяют повысить надежность отбора мощности маятника за счет исключения изгибных деформаций вертикальных валов.
Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен вид на устройство для преобразования энергии волн перпендикулярно к направлению перемещения волны. На фиг. 2 - вид на устройство вдоль направления перемещения волны с кинематической схемой средства отбора мощности. На фиг. 3 - крайнее положение элементов устройства на склоне волны при ее подходе. На фиг. 4 - крайнее положение элементов устройства на противоположном склоне волны.
На чертежах обозначено: 1 - плавучее основание, 2 - водная поверхность, 3 - якорь, 4 - лопасть, 5 - маятник, 6 - груз, 7 - ось качания маятника, 8 и 9 - вертикальные опоры, 10 и 11 - торцы сектора маятника, 12 и 13 - зубчатые рейки, 14 - корпус средства отбора мощности маятника, 15 - опора качения, 16 - направляющая, 17 - первый вертикальный вал, 18 - второй вертикальный вал, 19 - верхняя подшипниковая опора первого вертикального вала, 20 - верхняя подшипниковая опора второго вертикального вала, 21 - П-образный кронштейн, 22, 23, 24 и 25 - первое, второе, третье и четвертое зубчатые колеса соответственно, 26 и 27 - обгонные муфты, 28 и 29 - выходные валы обгонных муфт, 30 и 31 - пятое и шестое зубчатые колеса соответственно, 32 - электрогенератор.
Устройство для преобразования энергии волн содержит плавучее основание 1, установленное на водной поверхности 2 и удерживаемое от дрейфа с помощью якоря 3. Плавучее основание 1 вытянуто вдоль направления распространения волн и имеет в своей нижней части продольную лопасть 4, препятствующую бортовой качке. Расположение балласта (не показан), а также размеры и форма плавучего основания 1 выбираются по критерию максимума амплитуды килевой качки плавучего основания 1 на частоте волнения, соответствующей его максимальной спектральной плотности для акватории базирования устройства. Маятник 5 имеет в плоскости качания А форму сектора, в вершине центрального угла которого помещена ось качания 7, а дуга сектора обращена вниз. При этом конструктивно маятник 5 может быть выполнен в виде легкой фермы, в нижней дуговой части которой закреплен массивный груз 6. Радиус сектора и другие конструктивные параметры фермы, а также масса груза 6 рассчитываются таким образом, чтобы частота собственных колебаний маятника 5 совпадала с вышеуказанной частотой волнения, соответствующей его максимальной спектральной плотности для акватории базирования устройства.
Ось качания маятника 7 размещена на вертикальных опорах 8 и 9, которые закреплены на плавучем основании 1 так, что плоскость качания маятника А содержит наибольшую по длине ось плавучего основания 1 (совпадает с его диаметральной плоскостью). В нижней части сектора на торцах 10 и 11 смонтированы соответственно одинаковые зубчатые рейки 12 и 13. При этом зубчатые рейки 12 и 13 жестко закреплены вдоль дуги сектора, а плоскости В и С, содержащие средние линии зубьев реек, расположены перпендикулярно оси качания маятника 7. Корпус средства отбора мощности 14 установлен с возможностью смещения в опорах качения 15 в направлении, параллельном оси качания маятника 7, по направляющим поверхностям 16 плавучего основания 1. В корпусе 14 в подшипниковых опорах установлены первый вертикальный вал 17 и второй вертикальный вал 18. При этом верхняя подшипниковая опора 19 вала 17 и верхняя подшипниковая опора 20 вала 18 размещены в П-образном кронштейне 21, жестко прикрепленном в двух точках сверху на корпус 14 таким образом, что нижняя часть сектора маятника размещена в пространстве между кронштейном 21 и корпусом 14 с возможностью свободного качания. Первый вертикальный вал 17 и второй вертикальный вал 18 снабжены одинаковыми первым зубчатым колесом 22 и вторым зубчатым колесом 23 соответственно, размещенными в зацеплении с зубчатыми рейками 12 и 13 соответственно. На вал 17 также установлено третье зубчатое колесо 24, а на вал 18 - такое же четвертое зубчатое колесо 25, размещенные в зацеплении друг с другом. Кроме того, на вал 17 установлена первая обгонная муфта 26, а на вал 18 - вторая обгонная муфта 27. При этом обгонные муфты 26 и 27 установлены с возможностью передачи вращения во встречных направлениях. На выходной вал 28 обгонной муфты 26 установлено пятое зубчатое колесо 30, а на выходной вал 29 обгонной муфты 27 - такое же шестое зубчатое колесо 31, размещенные в зацеплении друг с другом. Электрогенератор 32 прикреплен к корпусу 14, а в качестве вала электрогенератора использован выходной вал 28 обгонной муфты 26.
Устройство для преобразования энергии волн работает следующим образом. Под действием ветровых волн на водной поверхности 2 плавучее основание 1 испытывает вертикальную и килевую качку, а продольная лопасть 4 препятствует бортовой качке. Возникающие при этом периодические отклонения опор 8 и 9 от вертикали возбуждают вращательные колебания маятника вокруг оси 7 с собственной частотой, соответствующей максимуму спектральной плотности волнения. Зубчатые рейки 12 и 13, поворачивающиеся вместе с маятником 5, взаимодействуют своими зубьями с зубчатыми колесами 22 и 23 и тем самым приводят во вращение вертикальные валы 17 и 18 во встречных направлениях. При этом, так как обгонные муфты установлены также во встречных направлениях, то при одном направлении поворота маятника его энергия передается по следующим кинематическим цепочкам:
Торец маятника 10 - зубчатая рейка 12 - зубчатое колесо 22 - вал 17 - обгонная муфта 26 - вал 28 - электрогенератор 32.
Торец маятника 11 - зубчатая рейка 13 - зубчатое колесо 23 - вал 18 - зубчатое колесо 25 - зубчатое колесо 24 - вал 17 - обгонная муфта 26 - вал 28 - электрогенератор 32.
При движении маятника в противоположном направлении его энергия передается по следующим кинематическим цепочкам:
Торец маятника 10 - зубчатая рейка 12 - зубчатое колесо 22 - вал 17 - зубчатое колесо 24 - зубчатое колесо 25 - вал 18 - обгонная муфта 27 - вал 29 - зубчатое колесо 31 - зубчатое колесо 30 - вал 28 - электрогенератор 32.
Торец маятника 11 - зубчатая рейка 13 - зубчатое колесо 23 - вал 18 - обгонная муфта 27 - вал 29 - зубчатое колесо 31 - зубчатое колесо 30 - вал 28 - электрогенератор 32.
Таким образом, энергия маятника эффективно передается электрогенератору на всем периоде колебаний. Инерционность валов и зубчатых колес сглаживает пульсации крутящего момента на валу электрогенератора 32. При необходимости, на вал 28 может быть установлен дополнительный маховик (не показан).
Поскольку делительные диаметры зубчатых колес 22 и 23 многократно меньше, чем удвоенный радиус дуги, на котором находятся зубчатые рейки 12 и 13, то угловая скорость вращения вертикальных валов отбора мощности 17 и 18 возрастает обратно пропорционально до величин, требуемых для эффективной работы электрогенератора. Отпадает необходимость в установке крупногабаритных и дорогостоящих мультипликаторов. Полученная на электрогенераторе 32 электроэнергия далее преобразовывается и передается потребителям на берег любым известным способом, например посредством подводного кабеля (условно не показан).
При этом, несмотря на большую длину маятника (свыше 10 метров), обеспечивается надежная работа зубчатых зацеплений. Так, поскольку плоскости В и С перпендикулярны оси качания маятника, то при тепловом расширении маятника зубья реек 12 и 13 смещаются параллельно осям зубчатых колес 22 и 23 и таким образом не выходят из зацепления. Поскольку зубчатые рейки 12 и 13, а также зубчатые колеса 22 и 23 имеют попарно одинаковые параметры, а расположены по разные стороны от плоскости А, то составляющие сил в зацеплениях, направленные перпендикулярно торцам сектора маятника 10 и 11, компенсируют друг друга и не приводят к изгибу маятника 5. П-образный кронштейн 21 также обеспечивает надежность работы зацеплений зубчатых реек 12 и 13, замыкая изгибные силы, действующие в противоположных направлениях на вертикальные валы 17 и 18. При возникновении изгибных деформаций маятника 5 под действием боковой качки происходит перемещение всех компонентов средства отбора мощности в корпусе 14 на опорах качения 15 по направляющим 16 без разрыва зацепления зубчатых колес 22 и 23 с зубчатыми рейками 12 и 13.
В результате реализации предлагаемого изобретения появляется возможность наиболее эффективным резонансным способом получать энергию ветровых волн на мелко- и глубоководных участках океана, преобразовывая энергию даже длиннопериодических волн.