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 2054576 C1, опубл. 20.02.1996 г. ), содержащая закрепленную на дне бассейна стойку, с которой связана с возможностью возвратно-поступательного перемещения поплавковая камера. Корпус электрогенератора с сердечниками статора и ротора, обмоткой установлен на камере. Винт шариковинтового преобразователя соединен со стойкой. Гайка связана с сердечником ротора. Преобразователь снабжен дополнительной гайкой, связанной с сердечником статора, установленного с зазором в корпусе. Сердечники жестко сочленены обгонными муфтами с гайками с обеспечением вращения во встречных направлениях.
Известен гидрокомплекс (патент на изобретение RU 2306385 С1, опубл. 10.02.2006 г. ), содержащий несущую железобетонную конструкцию в виде опорного сотового бона и плавательное средство в виде шарнирного дебаркадера с размещенным на нем генератором с турбинами, который выполнен в форме объемной конструкции из композитных материалов в виде треугольной или многогранной призмы, представляющий собой закрытый объем с расположенными в нем открытыми сообщающимися полостями, выполняющими функцию пневмогенераторов. Изобретение позволяет использовать волновой прибой для выработки электроэнергии и осуществлять защиту побережья, набережных и т.д. от штормов.
В данном случае дебаркадер выполняет функции плавучего элемента (рабочего тела), передающего энергию волны на силовой преобразователь (генератор), так же как и использующиеся в настоящее время на волновых станциях другие плавучие элементы, такие как поплавки, буи и иные.
Дебаркадер имеет водный балласт. Изменение водного балласта позволяет регулировать его физические свойства в зависимости от силы шторма. Однако водный балласт необходимо закачивать в корпус, для чего необходимо время, сложные дополнительные механизмы (насосы, помпы), а также затраты энергии. Неизменная масса плавучих элементов (рабочих тел) известных волновых станций, либо сложные механизмы изменения их физических параметров, связанных с балластной массой и водоизмещением, приводят к тому, что они эффективно работают лишь на волнении моря с определенными параметрами. Это определяется сопоставимостью их геометрических размеров, массы, водоизмещения и осадки с параметрами волны (высоты, длины, частоты периода) и видом силового преобразователя.
Эффективно передавать волновую энергию от рабочего органа к силовому преобразователю при малом волнении можно при рабочем теле небольшой массы, а при больших штормах, наоборот, при рабочем теле большой массы. Наиболее эффективно рабочее тело работает на волнении, частота которого совпадает с собственной частотой колебаний плавучего элемента. В этом случае возникают резонансные явления, которые характеризуются ростом амплитуды колебаний плавучего элемента и других параметров его динамики. В свою очередь, частота собственных колебаний плавающего на поверхности воды объекта зависит от его формы и массы. Период собственных вертикальных колебаний рабочего тела X может быть выражен через его осадку T по формуле
1/2
Х=2,5·Т,
где X - период собственных вертикальных колебаний рабочего тела;
T - осадка рабочего тела.
Следовательно, чтобы эффективно преобразовывать волновую энергию необходимо в процессе эксплуатации изменять массу плавающего элемента, адаптируя ее к реальному волнению, существующему в каждый конкретный период времени.
Известна волновая энергетическая установка (патент на ПМ RU 86252 U1, опубл. 27.08.2009 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 кольцевых индуктивных катушек в противоположных направлениях, связанными с поплавком через передаточный шток с гребенчатой зубчатой передачей, преобразующей возможность возвратно-поступательного перемещения штока во вращение, симметрично расположенных на одной оси с зубчатой шестеренкой барабанов и перекинутых через них гибких тросов, на концах которых закреплены генерирующие сердечники линейных электрических генераторов.
Поплавок внутри заполнен балластом, который обеспечивает равенство сил при наличии возвратно-поступательного движения поплавка по вертикали, вес которого вместе с весом корпуса поплавка и передаточного штока равен весу воды, вытесненной половиной объема поплавка.
Данная установка принята в качестве прототипа.
Известные типы волновых электростанций (ВлЭС) и волновых энергоустановок (ВлЭУ), включая прототип, имеют плавучие элементы с неизменными массой и водоизмещением, в процессе работы не меняют осадку вследствие отсутствия в их конструкции механизма изменения водоизмещения и регулировки плавучести. Это не позволяет использовать их с одинаково высоким коэффициентом использования мощности энергопотока при волнении моря разной балльности.
Задачей данного изобретения является обеспечение возможности быстрого изменения массы и регулировки осадки рабочих тел (плавучих элементов) волновых станций для более эффективной передачи энергии морского волнения различной силы и частоты (периода) на силовой преобразователь (генератор).
Поставленная задача решается волновой энергетической установкой, содержащей, как и прототип, каркас с соосными центральными отверстиями, поплавок с закрепленным к нему штоком, магниты и обмотку. При этом предлагаемая установка отличается следующими признаками: установка снабжена корпусом с установленным в нем ротором, фланцем, на котором размещены магниты, вращающиеся вместе с ротором, при этом обмотка закреплена на корпусе, шток имеет продольный паз и зафиксирован от возможности поворота вокруг вертикальной оси фиксатором, поплавок разделен перегородкой на две полости, верхняя выполнена герметичной, а нижняя имеет в нижней части отверстие для забора и выпуска воды и сообщена с атмосферой при помощи воздуховода с регулируемым электромагнитным трехпозиционным пневмораспределителем для регулирования объема воды, поступающей в нижнюю полость, причем пневмораспределитель соединен с компрессором или баллоном со сжатым воздухом.
Таким образом, техническое решение позволяет повысить эффективность генерации электроэнергии за счет возможности быстрого изменения массы и регулировки осадки поплавка для более эффективной передачи энергии морского волнения различной силы и частоты (периода) на силовой преобразователь (генератор) в результате возникновения резонансных явлений, характеризующихся ростом амплитуды колебаний плавучего элемента.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежом, на котором представлен общий вид волновой энергетической установки.
Волновая энергетическая установка содержит каркас 1, на котором установлен статор 2, шток 3, поплавок 4, корпус 5, ротор 6 с закрепленными на фланце 7 магнитами 8, обмотку 9, кожух 10, фиксатор 11, крышку 12, подшипники 13, трехпозиционный электромагнитный пневмораспределитель 14, гибкий шланг 15.
Перечисленные выше конструктивные элементы выполнены следующим образом. В верхней и нижней частях каркаса 1 выполнены соосные центральные отверстия 17 с запрессованными в них втулками 16, в которые устанавливается шток 3 с закрепленным на нем поплавком 4, имеющий цилиндрическую и винтовую с углом наклона витков не менее 45° части, способный к вертикальному перемещению. В цилиндрической части штока выполнен продольный паз 18, в который устанавливается фиксатор 11 представляющий собой цилиндрический штифт, исключающий возможность поворота штока 3 вокруг вертикальной оси. К верхней части каркаса 1 крепится корпус 5 с установленным в нем ротором 6, опирающимся на подшипники 13, закрепленные крышкой 12. Внутренняя полость ротора 6 имеет внутреннюю винтовую поверхность, контактирующую с наружной винтовой поверхностью штока 3, представляя собой винтовую пару, преобразующую возвратно-поступательной движение штока 3 во вращательное движение ротора 6 вместе с установленным на нем фланцем 7, на котором закреплены магниты 8, вращающиеся вместе с ротором 6. В верхней части каркаса 1 смонтирован статор 2 с закрепленной на нем обмоткой 9. Поплавок 4 разделен перегородкой 19 на верхнюю герметичную полость 20 и нижнюю полость 21, сообщающуюся либо с атмосферой, либо подключающуюся к источнику сжатого воздуха посредством трехпозиционного пневмораспределителя 14 и имеющую в нижней части отверстие 22 для забора и выпуска воды.
Устройство работает следующим образом. При наличии волн поплавок 4 совершает вертикальные движения вдоль собственной оси. При этом закрепленный к поплавку вертикальный шток 3 совершает возвратно-поступательное перемещение относительно каркаса 1. Винтовая часть штока при вертикальном перемещении вверх с осевой силой, развиваемой поплавком 4, создает крутящий момент, передаваемый ротору 6, тем самым преобразуя поступательное движение штока 3 во вращательное движение закрепленного в корпусе 5 ротора 6, на котором крепится фланец 7 с расположенными на нем магнитами 8. При движении вниз шток 3 опускается под действием собственной силы тяжести и поплавка 4. В результате перемещения штока 3 вниз создается крутящий момент, передаваемый ротору 6, который вращается в противоположную сторону. При вращении ротора 6 вместе с установленными на ней магнитами 8 в обмотке 9 возникает электрический ток, который подается на объект преобразования, потребления или аккумулирования электрической энергии. Для исключения возможности вращения штока предусмотрен фиксатор 12. Для исключения повреждений от атмосферных воздействий конструкция закрыта кожухом 10. Поплавок 4 имеет возможность регулировки плавучести. В исходном положении нижняя полость 21 заполнена воздухом, при этом золотник пневмораспределителя 14 находится в среднем положении. Для заполнения водой в качестве балласта нижней полости 21 золотник пневмораспределителя 14 перемещается в крайнее левое положение, в результате чего нижняя полость 21 сообщается с атмосферой и заполняется водой через отверстие 22. Для освобождения нижней полости 21 от воды золотник пневмораспределителя 14 перемещается в крайнее правое положение, при этом в нижнюю полость 21 поступает сжатый воздух из баллона или компрессора, вытесняя из нее воду через отверстие 22.
По сравнению с известными техническими решениями эффект заключается в следующем.
Возможность быстрого изменения массы и регулировки осадки поплавка для более эффективной передачи энергии морского волнения различной силы и частоты (периода) на силовой преобразователь (генератор) в результате возникновения резонансных явлений, характеризующихся ростом амплитуды колебаний плавучего элемента.
Использование в конструкции поплавка, разделенного перегородкой на две полости, одна из которых выполнена герметичной, а другая имеет в нижней части отверстие для забора и выпуска воды и сообщается с атмосферой при помощи воздуховода, который снабжается регулируемым электромагнитным трехпозиционным пневмораспределителем, отличающимся тем, что воздуховод соединен с компрессором либо с баллоном, в котором находится сжатый воздух.
В отличие от прототипа, предлагаемое устройство имеет ряд преимуществ. Достигается эффективная генерация электроэнергии в результате быстрого изменения массы и регулировки осадки поплавка. Предлагаемое устройство позволяет обеспечить электроэнергией объекты промышленного производства морского и прибрежного базирования.