ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ МОРСКИХ ВОЛН
SEA WAVE ENERGY CONVERTER

Изобретение относится к области морской энергетики и может быть использовано для энергоснабжения средств морского базирования.
Существует проблема транспортировки энергоносителей от преобразователей энергии морских волн к потребителю энергии. Так, например, известно изобретение по патенту Великобритании (см. GB 2445951 А, 30.07.2008, F03B 13/18), где предусматривается преобразование энергии морских волн в энергию сжатой жидкости, которая под давлением закачивается в резервуары, расположенные на берегу. Однако это техническое решение относится к средствам берегового базирования и не может быть использовано вдали от берега. Энергоснабжение средств морского базирования (гидроакустических буев, бакенов и др.) с берега затруднительно.
К настоящему времени в мире разработано и практически реализовано большое количество технологических схем, способов и устройств для преобразования энергии волн в электрическую энергию. Большинство технологических схем имеют в своем составе турбины, механические редукторы для передачи возвратно-поступательного движения воды к традиционному электрическому генератору.
Известен патент США (см. US 2010/244451 A1, 30.09.2010, F03B 13/18), содержащий стационарную конструкцию и заглубленную плавучесть, повторяющую движение волн и преобразующую линейное движение во вращательное движение, возбуждающее генератор.
Известен также патент Кореи (см. KR 20100118597 А, 05.11.2010, F03B 13/18) на устройство с плавающим и неподвижным поплавками, перемещающихся относительно друг друга и передающих вращательное движение элементу, который конвертирует энергию вращения в электрическую.
Подобные устройства имеют сложную и дорогостоящую конструкцию, что снижает целесообразность их использования.
Альтернативой указанным устройствам является безредукторный преобразователь, состоящий из магнитоэлектрического линейного генератора, соединенного с поплавком, лежащим на морской поверхности.
Известен патент России (см. RU 2037642 С1, 19.06.1995, F03B 13/16), в котором используется линейный генератор и динамический инерционный накопитель энергии, содержащий груз и упругие элементы.
При этом предполагается, что частота собственных колебаний ротора генератора соизмерима с характерной частотой колебаний поплавка в воде. Известно также техническое решение по международной заявке (см. WO 2009/111077 А2, 11.09.2009, F03B 13/16), в котором содержится поплавок с генератором электроэнергии, включающий корпус и катушку индуктивности, а также подвижную электромагнитную систему и пружину, связывающую систему с неподвижным, корпусом, связанным с дном. Генератор может также включать упругие регулирующие средства для согласования собственных колебаний с колебаниями поплавка.
Такие устройства не способны эффективно использовать энергию волн, из-за нерегулярности амплитуды, фазы и направления движения волн, малой скорости их вертикального перемещения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по количеству общих признаков является устройство по патенту США (см. US 2004/251692 A1, 16.12.2004, F03B 13/12). Это устройство содержит поплавок, ротор линейного генератора и статор с витками электрической обмотки, прикрепленный к морскому дну, а между поплавком и генератором размещены соосно два гидроцилиндра разных диаметров.
Эффективность описанного технического решения несколько выше предыдущих решений, использующих линейные генераторы, но остается достаточно низкой, так как электромагнитная мощность генератора зависит от амплитуды колебаний линейно, а от частоты колебаний - в третьей степени (см. М.Я.Хитерер и др. Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения». Санкт-Петербург, Корона принт, 2008, с.286, с.181). Хотя высота морских волн исчисляется метрами, частота колебаний поплавка, находящегося на поверхности волн является низкой и составляет доли Гц. Это не позволяет получать от таких генераторов высокую мощность.
В условиях низкочастотных колебаний ротора принципиально трудно создать эффективную конструкцию преобразователя, использующего энергию волн, независимую от их скорости, направления и условий распространения.
Задачей изобретения является повышение эффективности преобразователя энергии морских волн.
При этом технический эффект заключается в преобразовании низкочастотных колебаний поплавка, находящегося на поверхности морских волн, в высокочастотные колебания ротора линейного генератора относительно неподвижного магнитопровода, что и обеспечивает повышение эффективности заявленного преобразователя.
Для решения поставленной задачи в преобразователь энергии морских волн, содержащий верхний поплавок, расположенный на поверхности моря, гидроцилиндр и электрический генератор с ротором, совершающим возвратно-поступательное движение, и неподвижным статором, причем ротор выполнен из постоянных магнитов, а статор содержит катушки индуктивности, введены новые признаки, а именно: гидроцилиндр установлен внутри верхнего поплавка и представляет собой насос двойного действия, содержащий напорную и сливную камеры, преобразователь энергии морских волн снабжен гидравлическим вибратором, состоящим из цилиндра, заполненного жидкостью, по оси которого размещен с возможностью возвратно-поступательного движения ступенчатый вал, механически связанный с ротором генератора, а гидравлически через управляющий распределительный золотник с напорной и сливной камерами гидроцилиндра, при этом гидравлический вибратор и электрический генератор установлены внутри трубы, соединяющей гидроцилиндр с нижним поплавком, через регулятор заглубления соединенный с морским дном, причем плавучесть нижнего поплавка существенно больше плавучести верхнего поплавка, а наружная поверхность статора неподвижно соединена с внутренней поверхностью трубы.
Наилучший результат получается, если на наружной поверхности гидроцилиндра имеются ролики, с помощью которых он соединен с внутренней поверхностью верхнего поплавка с возможностью возвратно-поступательного перемещения верхнего поплавка относительно гидроцилиндра.
Решение задачи обеспечивается тремя последовательными этапами преобразования энергий, производимыми предложенной конструкцией преобразователя энергии морских волн.
Этап первый: преобразование энергии морских волн, осуществляющих низкочастотные колебания с большой амплитудой, аккумулируемой поплавком преобразователя, в энергию сжатой жидкости, находящейся в гидроцилиндре;
Этап второй: преобразование энергии сжатой жидкости, находящейся в гидроцилиндре, в энергию гидравлического вибратора, осуществляющего высокочастотные возвратно-поступательные колебания с малой амплитудой;
Этап третий: преобразование высокочастотных возвратно-поступательных колебаний ротора с постоянными магнитами, скрепленного с гидравлическим вибратором, в электрическую энергию, наводимую в обмотках неподвижного магнитопровода.
Таким образом, указанный технический результат обеспечивается тем, что низкочастотные колебания поплавка в заявленном преобразователе морских волн преобразуются в высокочастотные колебания ротора, что даже при его небольших по сравнению с высотой волн возвратно-поступательных перемещениях обеспечивает
генератору высокую эффективность.
Сущность изобретения поясняется фиг.1-3, где на фиг.1 представлен общий вид преобразователя энергии морских волн, на фиг.2 - труба с гидравлическим вибратором и электрическим генератором, а на фиг.3 - схема гидравлическая вибратора.
Преобразователь энергии морских волн (фиг.1) содержит верхний поплавок 1, расположенный на поверхности моря, установленный внутри поплавка 1, поршневой гидроцилиндр 2 двустороннего действия с односторонним штоком 3, со сливной камерой 4 и напорной камерой 5, разделенных герметичной перегородкой и заполненных жидкостью 6. В центре гидроцилиндра 2 расположен поршень 7, установленный с возможностью вертикального перемещения вместе с верхним поплавком 1 относительно гидроцилиндра 2, который соединен с помощью трубы 8 с нижним поплавком 9, плавучесть которого существенно больше плавучести верхнего поплавка. Нижний поплавок 9 с помощью кабель-троса 10 соединен с якорем 11, скрепленным с дном.
Плавучесть нижнего поплавка 9 должна быть в 2-3 раза больше плавучести верхнего поплавка 1, т.к. нижний поплавок 9 должен быть устойчивым (не перемещаться в вертикальном направлении) под воздействием усилий поршневого гидроцилиндра 2 и сил трения, возникающих при колебаниях верхнего поплавка 1 на морских волнах.
Между частями кабель-троса 10 установлен регулятор заглубления 12, обеспечивающий необходимое расположение верхнего поплавка 1 относительно уровня моря. С электрических жил кабель-троса 10 отводится электроэнергия для ее использования по прямому назначению.
На наружной поверхности гидроцилиндра имеются ролики 13, с помощью которых он соединен с внутренней поверхностью поплавка 1 с возможностью возвратно-поступательного перемещения верхнего поплавка 1 относительно гидроцилиндра 2.
На фиг.2 представлена труба 8, внутри которой расположены гидравлический вибратор 14 и электрический генератор 15 возвратно-поступательного движения.
Принципиальная гидравлическая схема вибратора 14 представлена на фиг.3. Гидравлический вибратор 14 содержит цилиндр 16, заполненный жидкостью 6. По оси цилиндра 16 установлен ступенчатый вал 17, распределительный золотник 18 (фиг.3), содержащий сливную линию 19, соединенную со сливной камерой 4 и напорную линию 20, соединенную с напорной камерой 5 (фиг.2).
1
2
2
1
Основным элементом гидравлического вибратора 15 является ступенчатый вал 17, нижняя ступень которого имеет больший диаметр d, вокруг которого образуется камера площадью S и обеспечивающая движение вала вверх. Эта камера постоянно находится под давлением рабочей жидкости во время всего цикла работы. Камера, образованная вокруг верхней ступени вала диаметром d, имеет большую площадь S и попеременно соединяется то со сливной линией 19 (разгон вверх), то с напорной линией 20 (разгон вниз). Попеременное соединение камеры рабочего хода со сливной и с напорными линиями осуществляется управляющим распределительным золотником 18. При определенном положении ступенчатого вала 17 открывается канал управления золотником 18, соединяя его с напорной линией 20. В конце перемещения сверху вниз ступенчатый вал 17 соединяет золотник со сливной линией 19, обеспечивая переключение золотника 18 в позицию по подъему ступенчатого вала 17.
Распределительный золотник 18 выполнен с рабочими поясками разных диаметров, таким образом (на фиг.3 не показано), что со стороны одного из его торцов постоянно действует давление жидкости, а на противоположный торец действует давление как в фазе торможения, так и во время рабочего хода ступенчатого вала 17.
Описанная схема реализуется в различных моделях гидромолотов с различными конструктивными и компоновочными решениями (см. Новости рынка специальной техники и промышленного оборудования. Выпуск №79, статья №2).
Ступенчатый вал 17 соединен с ротором электрического генератора 21, содержащим постоянные магниты, которые, совершая возвратно-поступательное движение относительно магнитопровода (статора) 22, скрепленного с трубой 8, генерируют в обмотках катушек индуктивности 23 электродвижущую силу.
Поплавок 1, качаясь на морских волнах относительно неподвижного гидроцилиндра 2, создает в его напорной камере 5 избыточное давление в результате возвратно-поступательного движения поршня 7, скрепленного с верхним поплавком 1. Энергия сжатой жидкости аккумулируется в гидроцилиндре 2 практически при любом (отличном от нуля) уровне волнения моря, при этом потери на трение в устройстве минимизируются за счет качения поплавка 1 по роликам 13 относительно гидроцилиндра 2. Эта энергия, запасенная гидроцилиндром, пропорциональна квадрату хода поршня, соразмерного с высотой волны, площади поперечного сечения поплавка, а также частоте колебаний поплавка на волнах.
Колебательная система, содержащая ступенчатый вал 17 и ротор 21, может быть рассмотрена и рассчитана как подвижной элемент гидромолота, совершающего возвратно-поступательное движение под действием давления жидкости на его рабочие поверхности.
Известны конструкции гидромолотов, например, фирмы SHD (Южная Корея), обладающие частотой ударов до 1200 ед. в мин (см. Прайс-лист на гидромолоты SND. Группа компаний интертехника).
Преобразование энергии низкочастотных колебании морских волн (частота колебаний составляет доли Гц) с большой амплитудой колебаний (амплитуда колебаний составляет метры) в высокочастотные колебания гидравлического вибратора (частота колебаний - десятки Гц) с малой амплитудой колебаний (порядка десяти мм), реализуемых в гидравлическом вибраторе, соединенным с ротором генератора, позволяет осуществлять эффективное генерирование электрической мощности в электрических машинах возвратно-поступательного движения.
Ниже представлено соотношение, устанавливающее связь между величиной генерируемой электромагнитной мощности, с одной стороны, амплитудой и частотой колебаний ротора генератора, с другой стороны:
e
2
vm
m
1
P=/E·i,
е
vm
m
m
m
1m
m
1m
3
где Р - электромагнитная мощность, Вт, E - амплитуда электродвижущей силы (ЭДС), В, i - амплитуда тока генератора, А, при этом ток iпропорционален произведению mbωX, где m - эквивалентная масса ротора генератора со ступенчатым валом вибратора, b - ширина постоянного магнита, ω - круговая частота периодического возмущения, X - амплитуда колебаний ротора (см. М.Я.Хитерер и др. Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения». Санкт-Петербург, Корона принт, 2008, с.286, с.181).
Из соотношения следует, что электромагнитная мощность пропорциональна амплитуде колебаний ротора и круговой частоте колебаний ротора в третьей степени, т.е. вклад высокочастотных колебаний в генерирование электрической мощности является определяющим фактором.
Произведена оценка эффективности предлагаемого преобразователя энергии морских волн применительно к режиму волнения Охотского моря, характеризуемого следующими среднестатистическими высотами морских волн и периодов волнения:
- зима: высота волны 1,6 м; период 6,0 с.
- лето: высота волны 1,3 м; период 4,5 с.(см. http://rus.ferhri.ru/okhotsk/Meteo/Meteo Volnenye regim.htm. Охотское море/ Метеорология/ Волнение/ Режим волнения).
2
Преобразователь энергии морских волн содержит верхний поплавок площадью поперечного сечения, равной 1 м, способный вертикально перемещаться относительно гидроцилиндра на величину 2 м.
2
В работе (см. RU 2150021 С1, 27.05.2000, F03B 13/12) приведена формула для оценки мощности волновой энергоустановки, преобразующей энергию морских волн в механическую энергию колебаний поплавка Nmax=ρ·g·S·h/4T, которая в первом приближении может быть применена для последующей оценки предлагаемого преобразователя энергии морских волн.
где ρ - массовая плотность воды;
g - ускорение свободного падения;
S - площадь поперечного сечения верхнего поплавка;
H - высота морской волны;
Т - период волнения.
С учетом приведенных выше режимов волнений расчетная мощность морских волн, воздействующих на преобразователь энергии, составит ~1000 Вт.
В работе (см. http://www.capitalcompany.ru/pages/guides/15/ Сваебойные гидромолоты «РОПАТ»), рассматривающей гидромолоты «ропат», отношение ударной мощности молота к потребляемой мощности насоса составляет порядка 75%, что позволяет оценивать КПД гидравлического вибратора на уровне 75%.
В работе (см. М.Я.Хитерер и др. Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения». Санкт-Петербург, Корона принт, 2008, с.286, с.181) приведены значения КПД для электрических машин возвратно-поступательного движения, который достигает 70%~80%.
Эффективность преобразования энергии морских волн в энергию сжатой жидкости, запасаемой в гидроцилиндре, составляет порядка 70%.
2
Таким образом, возобновляемая мощность, генерируемая рассматриваемой конструкцией в условиях Охотского моря, составит порядка 300 Вт, при этом плотность генерируемой энергии достигает 0,3 кВт/м в течение всего срока эксплуатации преобразователя энергии морских волн.
В известных отечественных и зарубежных публикациях отсутствуют сведения о преобразователях энергии морских волн морского базирования с такой высокой эффективностью генерируемой энергии.
Настоящее изобретение позволит создать автономные средства морского базирования для информационно-измерительных систем с новыми, более высокими тактико-техническими показателями.