ПОПЛАВКОВАЯ ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Полезная модель относится к производству электроэнергии, в частности без отрицательного воздействия на окружающую среду, путем преобразования энергии волн.
Аналогом является, например, поплавковая волновая электростанция (патент РФ №2567916, опубликованный 10.11.2015). Поплавковая волновая электростанция содержит обтекаемый герметичный поплавок в виде катамарана. На палубе поплавка установлены два барабана и электрический генератор, имеющие общую ось. На барабаны намотаны цепи в противоположных направлениях. Одна из цепей переброшена через блок, установленный на корме, и прикреплена к маятнику. Вторая цепь проходит через блоки полиспаста, и конец этой цепи прикреплен к стойке полиспаста, установленной на носовой части поплавка. К крюковой обойме полиспаста присоединена третья цепь, конец которой прикреплен к якорю.
Наиболее близка к предлагаемой поплавковой волновой электростанции поплавковая волновая электростанция (патент РФ №2692187, опубликованный 21.06.2019). В прототипе поплавковая волновая электростанция содержит обтекаемый герметичный поплавок, выполненный из двух пар поплавков разного объема, одна из этих пар поплавков является основанием носовой части, а вторая - основанием кормовой части поплавковой волновой электростанции. При этом пара поплавков, расположенных в носовой части, имеет объем в два раза больше, чем пара поплавков, расположенных в кормовой части поплавковой волновой электростанции. На корме поплавковой волновой электростанции установлен блок, через который переброшена цепь с закрепленным на конце маятником. Второй конец этой цепи намотан на один из двух барабанов, расположенных на палубе поплавка в средней части. На второй барабан в противоположном направлении намотана другая цепь, переброшенная через неподвижные блоки полиспаста, закрепленные на стойке, установленной на носовой части поплавка, и через подвижные блоки крюковой обоймы полиспаста. Конец этой цепи закреплен на стойке. К крюковой обойме полиспаста присоединена третья цепь, второй конец которой прикреплен к якорю. Барабаны имеют общую ось, которая соединена с ротором электрического генератора, установленного на палубе.
При воздействии волн на поплавковую волновую электростанцию (патент РФ №2692187) возникают вертикальные колебания поплавка и маятника, закрепленного на тросе. Эти колебания вызывают попеременное натяжение и смещение тросов, прикрепленных к якорю и маятнику, в результате чего барабаны вместе с ротором электрического генератора при подъеме поплавка на волну вращаются в одну, а при спуске поплавка с волны вращаются в другую сторону. При вращении ротора электрический генератор преобразует механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию. При этом при подъеме поплавка на гребень волны за счет подъемной силы поплавков, размещенных в носовой части, энергия волны преобразуется в электрическую энергию, а также в потенциальную энергия маятника, который перемещается вверх. При спуске с гребня волны носовая часть поплавковой волновой электростанции опускается, натяжение цепи, прикрепленной к якорю, слабеет, и маятник под действием своего веса опускается, вращая барабаны и ротор генератора. При этом механическая энергия, запасенная маятником, преобразуется в электрическую энергию, а ослабевшая цепь якоря наматывается на свой барабан. Вследствие этого в прототипе пара поплавков, расположенных в носовой части, имеет примерно в два раза большую подъемную силу (то есть объем), чем пара поплавков, расположенных в носовой части.
Основными недостатками прототипа являются низкая надежность и ресурс поплавковой волновой электростанции, обусловленная высокой механической нагрузкой на палубу и на элементы соединения поплавков с палубой (сварочные швы или болтовые соединения).
В прототипе палуба объединяет пары поплавков, расположенных в носовой и кормовой частях поплавковой волновой электростанции, в единую конструкцию, При расположении поплавковой волновой электростанции между гребнями волны подъемная сила пары поплавков, расположенных в носовой части, приложена к носовой части палубы, а подъемная сила пары поплавков, расположенных в кормовой части, приложена к кормовой части палубы. Под действием подъемных сил двух пар поплавков, направленных вверх, палуба будет деформироваться так, что ее выпуклая сторона будет расположена со стороны поверхности воды. При расположении поплавковой волновой электростанции на гребне волны вес пары поплавков, расположенных в носовой части, приложен к носовой части палубы, а вес пары поплавков, расположенных в кормовой части, приложен к кормовой части палубы. Под действием веса двух пар поплавков, направленных вниз, палуба прототипа будет деформироваться так, что выпуклая сторона палубы будет со стороны атмосферы. В результате под воздействием волнения палуба будет подвергаться знакопеременной деформации, которая может вызвать разрушение палубы и потерю работоспособности прототипа. При деформации палубы прототипа высокой механической нагрузке будут подвергаться также элементы соединения поплавков с палубой, и разрушение элементов соединения поплавков с палубой также вызовет потерю работоспособности прототипа.
По оценкам гидрологов стабильность морского волнения во времени составляет 60%-70%. Следовательно, палуба и элементы соединения поплавков с палубой высокие механические нагрузки будут испытывать практически постоянно. Особенно большие механические нагрузки будут воздействовать на палубу и элементы соединения поплавков с палубой во время шторма. Большие механические нагрузки могут привести к деформациям и разрушению палубы и элементов соединения поплавков с палубой, сокращению ресурса и потере работоспособности поплавковой волновой электростанции.
Предлагаемая полезная модель позволит создать поплавковую волновую электростанцию, обладающую более высокой надежностью и большим ресурсом при той же мощности и габаритах.
Это достигается тем, что в поплавковой волновой электростанции, содержащей обтекаемый герметичный поплавок, на корме закреплен блок через который переброшена цепь, на одном конце которой прикреплен маятник. Другой конец этой цепи намотан на один из двух барабанов, расположенных в средней части палубы поплавка. На второй барабан в противоположном направлении намотана вторая цепь, переброшенная через неподвижные блоки полиспаста, закрепленные на стойке, установленной на носовой части поплавка, и через подвижные блоки крюковой обоймы полиспаста. Конец второй цепи прикреплен к стойке полиспаста. К крюковой обойме полиспаста присоединена третья цепь, второй конец которой прикреплен к якорю. Барабаны имеют общую ось, которая соединена с ротором электрического генератора, установленным на палубе. Поплавок выполнен из двух пар поплавков, соединенных с палубой. При этом, в отличие от прототипа одна пара основных поплавков, расположенных вдоль продольной оси поплавковой волновой электростанции, имеет длину, равную длине поплавковой волновой электростанции, а вторая пара дополнительных поплавков имеет примерно в два раза меньший объем и длину, чем пара основных поплавков, и расположена в носовой части поплавковой волновой электростанции.
Выполнение в предлагаемой поплавковой волновой электростанции одной пары основных поплавков, соединенных с палубой, длина которых равна длине поплавковой волновой электростанции, позволяет намного повысить прочность и жесткость конструкции поплавковой волновой электростанции в продольном направлении. Основные поплавки значительно повысят прочность поплавковой волновой электростанции и снизят механические нагрузки и деформацию палубы и элементов соединения поплавков с палубой. Поэтому предлагаемая поплавковая волновая электростанция обладает более высокой надежностью и большим ресурсом, чем прототип.
Установка в носовой части предлагаемой поплавковой волновой электростанции пары дополнительных поплавков, у каждого из которых объем и длина будет примерно в два раза меньше, чем объем и длина одного из основных поплавков, позволяет получить подъемную силу носовой части поплавковой волновой электростанции примерно в два раза больше, чем подъемная сила кормовой части так же, как и в прототипе. За счет этого мощность и габариты предлагаемой поплавковой волновой электростанции сохраняются такими же, как у прототипа.
Значит, предлагаемая поплавковая волновая электростанция имеет более высокую надежность и больший ресурс, чем прототип при той же мощности и габаритах.
На фиг. 1 показан вид сверху на предлагаемую поплавковую волновую электростанцию. На фиг. 2 - сечение между поплавками поплавковой волновой электростанции. На фиг. 3 - вид сверху на предлагаемую поплавковую волновую электростанцию с составными поплавками, где: 1 - пара основных поплавков, 2 - пара дополнительных поплавков, 3 - палуба, объединяющая поплавки в единую конструкцию. На палубе 3 установлен электрический генератор 4, имеющий общую ось с барабанами 5 и 6. На носовой части палубы 3 установлена стойка 7, на которой закреплены неподвижные блоки 8 полиспаста, а подвижные блоки полиспаста размещены в крюковой обойме 9 полиспаста. Через неподвижные блоки 8 и блоки крюковой обоймы 9 переброшена цепь 10, один конец которой прикреплен к стойке 7, а второй конец намотан на барабан 5. К крюковой обойме 9 полиспаста присоединена цепь 11. Второй конец цепи 11 прикреплен к якорю 12. На второй барабан 6 намотана цепь 13. Направление намотки цепи 13 на барабан 6 противоположное по сравнению с направлением намотки цепи 10 на барабан 5. Цепь 13 переброшена через блок 14, установленный в кормовой части палубы 3, и на конце цепи 13 закреплен маятник 15.
При отсутствии волн маятник 15 под действием своего веса опускается, сматывая цепь 13 с барабана 6. При этом вращается также барабан 5, наматывая цепь 10. Крюковая обойма 9 полиспаста поднимается, натягивая цепь 11, и поплавковая волновая электростанция подтягивается к якорю 12. Спуск маятника 15 закончится, когда поплавковая волновая электростанция будет находиться над якорем 12, как показано на фиг. 2.
При возникновении волн на поверхности водоема, волны развернут поплавковую волновую электростанцию носом против движения волн. При подходе волны поплавки 1 и 2 будут поднимать носовую часть поплавковой волновой электростанции со стойкой 7 на гребень волны, и цепь 11, прикрепленная к якорю 12 и к крюковой обойме 9, будет натягиваться. При этом длина цепи 11 и расстояние крюковой обоймы 9 до якоря 12 не может измениться, поэтому при подъеме носовой части со стойкой 7 цепь 10 будет сматываться с барабана 5, и барабан 5 вместе с барабаном 6 и ротором генератора 4 будут вращаться. Скоростной полиспаст, состоящий из блоков 8, крюковой обоймы 9 и цепи 10, позволяет увеличить смещение цепи 10 при подъеме носовой части поплавковой волновой электростанции на гребень волны, и, следовательно, увеличить угол поворота и частоту вращения барабанов 5, 6 и ротора генератора 4. Генератор 4 преобразует механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию. При вращении барабана 6 цепь 13 будет наматываться на барабан 6, поднимая маятник 15 и увеличивая его потенциальную энергию.
При спуске носовой части поплавковой волновой электростанции с гребня волны натяжение цепи 11, прикрепленной к якорю 12 и к крюковой обойме 9, уменьшается. Это вызывает уменьшение натяжения цепи 10. Под действием своего веса маятник 15 будет опускаться и сматывать цепь 13 с барабана 6, вращая барабаны 5, 6 и ротор генератора 4. При вращении барабана 5 ослабевшая цепь 10 будет наматываться на барабан 5, а механическую энергию вращения ротора электрический генератор 4 преобразует в электрическую энергию. При подходе следующей волны процесс повторяется.
В прототипе основанием поплавковой волновой электростанции являются две (или большее число) пары поплавков. Одна из пар поплавков расположена в носовой части, а другая пара поплавков расположена в кормовой части поплавковой волновой электростанции. В единую конструкцию поплавки объединяются палубой. При расположении поплавковой волновой электростанции между гребнями волн подъемные силы поплавков, приложенные к носовой и кормовой части палубы и направленные вверх, деформируют палубу так, что выпуклая сторона палубы будет располагаться со стороны воды. При расположении поплавковой волновой электростанции на гребне волны к носовой и кормовой части палубы будут приложены силы веса поплавков, направленные вниз. Выпуклая сторона деформированной палубы в этом случае будет расположена со стороны атмосферы. Значит, при волнении моря на палубу в носовой и кормовой части будут воздействовать знакопеременные силы, которые будут создавать знакопеременную механическую нагрузку на палубу и ее деформацию. При деформации палубы на элементы соединения палубы и поплавков будут также действовать знакопеременная механическая нагрузка. Механические нагрузки, действующие на палубу и элементы соединения палубы и поплавков, будут особенно высокими во время шторма. Высокие механические нагрузки могут вызвать разрушение палубы и элементов соединения поплавков и палубы и выходу из строя поплавковой волновой электростанции.
В предлагаемой поплавковой волновой электростанции пара основных поплавков 1, расположенных вдоль продольной оси поплавковой волновой электростанции, имеет длину, равную длине поплавковой волновой электростанции. Палуба 3 по всей своей длине соединена с парой основных поплавков 1. Основные поплавки 1 значительно увеличивают жесткость и прочность поплавковой волновой электростанции в продольном направлении, уменьшают деформацию палубы 3 и снижают механические нагрузки на палубу 3 и элементы соединения палубы 3 с поплавками 1 и 2. Вследствие снижения механической нагрузки на палубу 3 и элементы соединения палубы 3 с поплавками 1 и 2 надежность и ресурс предлагаемой поплавковой волновой электростанции будут значительно выше, чем у прототипа.
Пара дополнительных поплавков 2, имеющих объем и длину примерно в два раза меньше, чем объем и длина основных поплавков 1, и установленных в носовой части, позволяет получить подъемную силу носовой части поплавковой волновой электростанции примерно в два раза больше, чем подъемная сила кормовой части. При подъеме на гребень волны за счет подъемной силы носовой части поплавковой волновой электростанции генератор 4 вырабатывает электроэнергию, а также запасается потенциальная энергия маятника 15. При спуске с гребня волны за счет подъемной силы кормовой части запасенная потенциальная энергия маятника 15 преобразуется в электрическую энергию. Поэтому для нормальной работы подъемная сила носовой части поплавковой волновой электростанции должна быть примерно в два раза больше, чем подъемная сила кормовой части, что обеспечивается у предлагаемой поплавковой волновой электростанции.
Таким образом, при повышении надежности и ресурса мощность и габариты предлагаемой поплавковой волновой электростанции сохраняются такими же, как у прототипа.
Для повышения устойчивости предлагаемой поплавковой волновой электростанции в штормовых условиях, а также для унификации конструкции, пара основных поплавков 1 и пара дополнительных поплавков 2 могут быть выполнены из набора поплавков меньшего размера, как показано на фиг. 3, при сохранении суммарной подъемной силы основных 1 и дополнительных 2 пар поплавков.