УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ДВИЖЕНИЯ ВОЛН

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Настоящая полезная модель относится к устройству для преобразования энергии движения волн.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как известно, все более растет необходимость в использовании так называемых альтернативных и/или возобновляемых источников энергии, чтобы уменьшать использование ископаемого топлива и, в связи с этим, не загрязнять условия окружающей среды. В дополнение к солнечной энергии и ветровой энергии другой потенциальный источник энергии, который может быть использован, представляет собой источник, который определяется движением волн морей. Указанное движение волн включает циклическое поднятие и опускание верхней поверхности моря и может быть использовано для приведения в действие механических элементов по существу непрерывным и неисчерпаемым образом.
Известны устройства, которые посредством совокупности противоположных обгонных муфт преобразуют возвратно-поступательное и неравномерное движение поплавка в однонаправленное вращательное движение вала, соединенного с генератором электричества. Однако, для того, чтобы оптимизировать эффективность преобразования энергии, целесообразно оптимизировать размер поплавка, в частности, чтобы уменьшать кинематическое колебание устройства или выходной крутящий момент.
Известно устройство преобразования энергии движения волн, описанное в US 4,389,843 (опубл. 28.06.1983, МПК F03B 13/12), которое выбрано в качестве наиболее близкого аналога к настоящей полезной модели. Поплавок указанного устройства не имеет формы и плотности оптимальной с точки зрения эффективного преобразования кинетической энергии в широком диапазон длин и амплитуд волн.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей настоящей полезной модели является обеспечение устройства для оптимизированного преобразования энергии движения волн.
Согласно настоящей полезной модели устройство выполнено с возможностью оптимизированного преобразования энергии движения волн, а именно предложено устройство для преобразования энергии движения волн, содержащее поплавок, который, при использовании, является подвижным, противодействуя гравитационному ускорению, в ответ на движение волн; входной вал и выходной вал, выполненные с возможностью вращения вокруг соответствующих осей;
первые передаточные средства для передачи движения указанного поплавка в возвратно-поступательное вращательное движение указанного входного вала;
передаточный блок, передающий крутящий момент от указанного входного вала указанному выходному валу, выполненные с возможностью разделения крутящего момента на два пути крутящего момента и содержащие два храповика, расположенные соответственно вдоль указанных путей;
причем указанные храповики выполнены с возможностью осуществления однонаправленного вращения указанного выходного вала независимо от направления вращения указанного входного вала.
Техническим результатом настоящей полезной модели является оптимизированное преобразование энергии движения волн в широком диапазоне длин и амплитуд волн в сравнении с устройством уровня техники.
Технический результат обеспечивается тем, что устройство для преобразования энергии движения волн в соответствии с настоящей полезной моделью содержит поплавок, который имеет полную массу, измеренную в килограммах, находящуюся в диапазоне между 25% и 50% от объема поплавка, измеренного в кубических дециметрах, причем указанная полная масса рассчитана с учетом по меньшей мере указанных первых передаточных средств.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее полезная модель будет описана со ссылкой на приложенные чертежи, которые иллюстрируют неограничивающий вариант выполнения, причем:
- фигура 1 схематично иллюстрирует предпочтительный вариант выполнения устройства для преобразования энергии движения волн;
- фигура 2 схематично показывает деталь устройства на фигуре 1;
- фигура 3 схематично иллюстрирует устройство, содержащее улучшенный поплавок согласно настоящей полезной модели; и
- фигура 4 иллюстрирует второй вариант выполнения детали настоящей полезной модели.
НАИБОЛЕЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
На фигуре 1 позиция 1 обозначает устройство для преобразования энергии движения волн в механическую энергию с возможностью вращения вала 2 вокруг своей оси 3 в одном направлении вращения (фигура 2).
Устройство 1 содержит поплавок 5, который частично погружен в море и соединен с поворотным рычагом 6 (передаточными средствами). Один конец рычага 6 обозначен ссылочной позицией 8 и шарнирно соединен вокруг оси 9, по существу горизонтальной, с конструкцией 10, которая расположена снаружи моря и прикреплена к берегу или дну моря. Другой конец рычага 6 обозначен ссылочной позицией 11 и соединен с верхним участком 12 поплавка 5 предпочтительно шарниром или соединением, чтобы обеспечивать относительное вращение вокруг оси, параллельной оси 9.
Рычаг 6 является частью рычага 13, который имеет рычаг 14, радиально продолжающийся вверх, и заканчивается крепежным участком, соединенным с рейкой 15 посредством стяжного стержня 16. Рейка 15 зацепляется с шестеренным валом 17, содержащим горизонтальную ось 18, и, предпочтительно, направляется таким образом, не показано, чтобы перемещаться с возвратно-поступательным перемещением вдоль направления, тангенциального самому шестеренному валу 17.
Шестеренный вал 17 приводит во вращение вал 19, который предпочтительно является соосным шестеренному валу 17. С учетом возвратно-поступательного движения волн и, в связи с этим, поворота рычага 6, шестеренный вал 17 и вал 19 вращаются как одно целое друг с другом вокруг оси 18 с возвратно-поступательным вращательным движением, т.е. в противоположных направлениях вращения угла, который зависит от вертикального перемещения поплавка 5.
На фигуре 2 оси 18 и 3 предпочтительно параллельны. Вал 19 соединен с валом 2 посредством передаточного блока 20, передающего крутящий момент валу 2, выполненный с возможностью распределения крутящий момент вдоль двух путей 21, 22 и 23, и содержащий два храповика 23, 24 или обгонные муфты, соответственно, расположенные вдоль путей 21, 22.
Храповики 23, 24 выполнены с возможностью осуществления однонаправленного вращения вала 2 независимо от направления вращения вала 19. Другими словами, когда вал 19 вращается, только один храповик единовременно передает крутящий момент. Другой из храповиков 23, 24 становится активным и передает крутящий момент только в случае обратного вращения вала 19, в то время когда первый выводит из вращательного зацепления валы 2, 19.
Если вал 19 не вращается, в случае торможения шестеренного вала 17, например, за счет кратковременного отсутствия волн в море, два храповика 23, 24 не передают крутящий момент, но оставляют выходные элементы 23b, 24b свободным от вращения так, что вал 2 продолжает вращаться по инерции всегда в одном и том же направлении вращения.
Храповики 23, 24 содержат соответствующие входные элементы 23а, 24а, действующие с направлениями вращения, противоположными друг другу, но выполненными с возможностью передачи крутящего момента соответствующим элементам 23b, 24b в одном и том же направлении вращения. В противоположном направлении выходные элементы 23b, 24b являются свободными по углу относительно соответствующих входных элементов 23а, 24а.
Например, когда шестеренный вал 17 и вал 19 вращаются против часовой стрелки, входной элемент 23а приводится в движение так, чтобы вращаться также против часовой стрелки. Выходной элемент 23b принимает входной крутящий момент от входного элемента 23а и далее вращается также против часовой стрелки. Указанный крутящий момент передается валу 2, в частности посредством зубчатой передачи 26, которая образует часть пути 21. Зубчатая передача 26 меняет направление вращения между выходным элементом 23b и валом 2, в связи с этим, в сформулированной рабочей гипотезе вал 2 вращается по часовой стрелке. В то же время, входной элемент 24а вращается по часовой стрелке (т.е. противоположно направлению вращения входного элемента 23а). Выходной элемент 24b свободен относительно вращения входного элемента 24а и, в связи с этим, приводится во вращение валом 2, в частности, посредством зубчатой передачи 27, которая образует часть пути 22. Зубчатая передача 27 меняет направление вращения, в связи с этим, в сформулированной рабочей гипотезе посредством вала 19, который вращается против часовой стрелки, и вала 2, который вращается по часовой стрелке, выходной элемент 24b вращается против часовой стрелки.
Но когда вместо этого шестеренный вал 17 и вал 19 вращаются по часовой стрелке, входной элемент 24а вращается против часовой стрелки. Выходной элемент 24b принимает крутящий момент от входного элемента 24а и, в связи с этим, также вращается против часовой стрелки. Указанный крутящий момент передается валу 19 посредством зубчатой передачи 27. Как отмечено выше, зубчатая передача 26 меняет направление вращения, в связи с этим, в сформулированной рабочей гипотезе вал 2 продолжает вращаться по часовой стрелке, несмотря на изменение направления вращения вала 19. В то же время, входной элемент 23а вращается против часовой стрелки (т.е. противоположно направлению вращения входного элемента 24а), и выходной элемент 23b свободен относительно вращения входного элемента 23а. В связи с этим, выходной элемент 23b приводится во вращение валом 2 посредством зубчатой передачи 26 и, в связи с этим, вращается по часовой стрелке.
Для передачи перемещения от вала 19 входным элементам 23а, 24а, предпочтительно блок 20 содержит зубчатый перебор 30, который, в свою очередь, содержит: шестерню 31, расположенную соосно и закрепленную относительно вала 19, шестерню 32, которая зацепляется с шестерней 31 и которая расположена соосно и закреплена относительно входного элемента 24а (посредством вала, не показан); и шестерню 33, которая зацепляется с шестерней 32 и которая расположена соосно и закреплена относительно входного элемента 23а (посредством другого вала, не показан). Благодаря зацеплению шестерней 32 и 33 входные элементы 23а и 24а вращаются в противоположных направлениях друг относительно друга.
Предпочтительно, передаточное отношение между валом 19 и выходным элементом 23а равно передаточному отношению между валом 19 и входным элементом 24а. Предпочтительно, чтобы также передачи 26, 27 имели такое же отношение, тогда на двух путях 21, 22 крутящего момента имеется такое же полное передаточное отношение между валом 19 и валом 2.
Теперь возвращаемся к фигуре 1, поплавок 5 должен иметь плотность, достаточно низкую, чтобы обеспечивать плавание и наличие полной массы, однако, достаточно высокой, чтобы создавать удовлетворительный крутящий момент на шестеренном валу 17, также когда волны отступают, и в связи с этим, поплавок 5 должен двигаться вниз за счет гравитационной силы ускорения.
"Полная масса" означает сумму массы самого поплавка 5 и возможной массовой доли рычага 13, которая нагружает поплавок 5, и не в точке, где рычаг 13 скрепляется с конструкцией 10.
3
3
Полная масса, измеренная в килограммах, предпочтительно должна составлять между 25% и 50% относительно объема, занятого самим поплавком, измеренному в дм. В качестве примера, если поплавок имел объем 1 дм и массу 1 кг, будет достигнуто значение 100%, также как при не имеющем большого значения плавании в дистиллированной воде. Таким образом, размер поплавка оптимизируется и имеет по существу компактное отношение масса-помеха, чтобы уменьшать воздействие на среду.
Предпочтительно, поплавок имеет круглую форму в сечении горизонтальными плоскостями сечения с возможностью адаптации к морским и климатическим возмущениям. Геометрическая форма поплавка, в связи с этим, имеет форму усеченного конуса, с меньшей подводной базовой окружностью. Предпочтительно, разница между диаметром большей базовой окружности и диаметром меньшей базовой окружности равна около 25% от большей базовой окружности, и высота равна приблизительно диаметру меньшей базовой окружности. Например, диаметр меньшей базовой окружности и высота равны 0,75 м, тогда как диаметр большей базовой окружности равен 1 м.
На фигуре 3 поплавок 50 может быть предпочтительно выполнен объединением сосредоточенной массы 51 и высоко-плавающего элемента 52. Поплавок 50 имеет осесимметричную форму и образует один корпус, имеющий центр тяжести, расположенный предпочтительно в объеме, занятом сосредоточенной массой 51 так, чтобы обеспечивать высокую стабильность самому поплавку 50. Другими словами, поплавок 50 не имеет однородной плотности и, предпочтительно, плотность сосредоточенной массы 51 больше плотности воды, при этом рычаг 6 соединен с поплавком 50 с противоположной стороны сосредоточенной массы 51 относительно высоко-плавающего элемента 52. Более того, относительно свободной поверхности воды сосредоточенная масса 51 имеет поперечный размер, меньший поперечного размера одного из высоко-плавающего элемента 52 так, что полная масса поплавка 50 может быть рассмотрена сосредоточенной на участке, имеющем поперечное сечение, меньшее поперечного сечения высоко-плавающего элемента 52. Предпочтительно, максимальный поперечный размер высоко-плавающего элемента 52 больше или равен четырем максимальным поперечным размерам элемента 51 сосредоточенной массы. В дополнение, максимальная высота элемента 51 сосредоточенной массы по меньшей мере в 1,5 раза больше максимальной высоты высоко плавающего элемента 52.
Согласно схематическому примеру, рассматривая элементы 51 и 52 в качестве соответствующих цилиндров, образованных корпусом 54 поплавка 50, элемент 51 заполняется бетоном, и элемент 52 является пустым или заполняется полимерной пеной низкой плотности так, что совокупная плотность поплавка 50 является неоднородной между элементом 51 и элементом 52. Рассматривая несущественные массы элемента 52 и корпуса 54 относительно одного из элементов 51, отметим, что центр тяжести COG поплавка 50 совпадает с центром тяжести элемента 51 и расположен в пределах объема самого элемента 51, в частности в геометрическом центре последнего.
Основываясь на выше отмеченных свойствах, поплавок 50 эффективно повторяет восходящий профиль волн посредством элемента 52, и вдоль нисходящего профиля волн масса элемента 51 высвобождает некоторое количество потенциальной гравитационной энергии, применяемой для уменьшения колебаний крутящего момента вала 2.
На фигуре 4 приводной блок 60 схематично проиллюстрирован содержащим двойную зубчатую рейку 61, соединенную со стержнем 16 для возвратно-поступательного перемещения под воздействием поплавка 50, первый и второй шестеренные валы 62 и 63, зацепляющиеся на противоположных зубьях рейки 61, и передачу 64 для соединения вместе шестеренных валов 62, 63, и вал 19 так, что возвратно-поступательное перемещение рейки 61 соответствует однонаправленному вращательному перемещению вала 2. Предпочтительно, передача 63 содержит пару колес 65, 66, соединенных ремнем или цепью друг с другом и соответственно соединенных с шестернями 62, 63. В дополнение, шестерни 62, 63 содержат соответствующие обгонные муфты, выполненные так, что для прямолинейного перемещения рейки 61 в первом направлении шестеренный вал 62 приводит во вращение вал 2, а шестеренный вал 63 является нейтральным. При прямолинейном перемещении рейки 61 во втором направлении, противоположном первому направлению, шестеренный вал 63 приводит во вращение вал 2, при этом шестеренный вал 62 является нейтральным. Вал 2 соединен с выходом передачи 64, и блок 60, в связи с этим, содержит элементы, вращаемые вокруг не более двух осей С и D, соответственно первый и второй шестеренный вал 62, 63.
В дополнение, когда настоящая полезная модель содержит динамо-машину для создания электричества, полная масса поплавка 5, 50 вычисляется с учетом в проектных условиях массы и инерции рычага 6 и передачи 60 на основе минимального крутящего момента, требуемого самой динамо-машиной для того, чтобы входной вал последней вращался по меньшей мере на 10 оборотах в минуту. Необходимо учесть, что для устройств преобразования энергии движения волн оптимальными являются динамо-машины на постоянном магните, имеющие такие рабочие характеристики, что крутящий момент, требуемый для работы, уменьшается с увеличением количества оборотов. В связи с этим, вращение на по меньшей мере 10 оборотах в минуту обеспечивает крутящий момент, необходимый для работы динамо-машины также на более высокой скорости. Указанное значение предпочтительно определяет порог, за пределом которого преобразование энергии движения волн является наиболее эффективным.
Более того, как показано на фигуре 1, устройство согласно настоящей полезной модели может содержать привод 70 с возможностью блокирования рычага 6 в неподвижном и по возможности предварительно установленном положении, например, во время шторма, для исключения повреждения. Предпочтительно, неподвижное положение является таким, что поплавок 5, 50 поддерживается в течение наибольшего времени над вершинами волн. Предпочтительно, привод выполнен с возможностью подъема и удержания в указанном неподвижном положении рычага 6 и поплавка 50, 5, преодолевая гравитацию.
Из вышеупомянутого следует, что вал 2 осуществляет однонаправленное вращательное перемещение и по существу регулярное вращательное перемещение, в связи с этим, может быть применен для сцепления с генератором электричества, например, динамо-машиной.
В дополнение, поплавок, имеющий совокупную плотность в диапазоне, отмеченном выше, особенно пригоден для рекуперации энергии, даже когда волна является нисходящей. Таким образом, движение и крутящий момент вала 2 дополнительно регулируются с преимуществом высокоэффективной добычи энергии, в частности электричества. В частности, при увеличении плотности поплавка движение будет регулироваться, но волны маленького-среднего размера будут иметь низкое или минимальное влияние при уменьшении рекуперированной энергии. Для сравнения, слишком легкий поплавок будет увеличивать нерегулярность движения для того, чтобы иметь отрицательное влияние на эффективность преобразования мощности, особенно если поплавок связан с динамо-машиной.
Дополнительное преимущество устройства, содержащего поплавок согласно пункту 1 формулы полезной модели, заключается в том, что найден благоприятный компромисс между конфликтующими требованиями. К тому же, чтобы эффективно повторять профиль волны, будет необходимо низкое значение плотности, в частности, чтобы получать преимущество наклона между ложбиной и гребнем волны. Наоборот, некоторая компактность в поперечном размере, которая будет приводить к увеличению плотности, используется для посадки поплавка на волны нечрезмерной длины так, что устройство работает с приемлемой продуктивностью в большинстве возможных морских условий. Наилучший компромисс найден посредством диапазона, описанного выше, и дополнительным предпочтительным образом, когда указанный диапазон имеет значение между 25% и 30%.
Поплавок 50 имеет неоднородную плотность, и таким образом стабильность поплавка на волнах улучшается. В частности, форма последней наилучшим образом повторяется, индивидуально или в совокупности, благодаря тому, что поплавок 5, 50 шарнирно соединен с рычагом 6, тому, что сам поплавок представляет центр тяжести, расположенный по направлению к нижней части объема поплавка, и тому, что элемент 52 представляет размеры поперечного сечения, намного большие относительно элемента 51.
В дополнение, передаточное отношение может быть преобразовано без блокирования положения валов 2, 19 и двух валов (не показаны), на которых крепятся храповики 23, 24 и шестерни 32, 33, согласно тому, кто будет использовать механическую мощность, поданную от вала 2.
Более того, из вышеупомянутого следует, что описание устройства 1 изменяется, и изменения могут быть применены без выхода за пределы объема охраны настоящей полезной модели, который определен в приложенной формуле полезной модели.
В частности, передаточные отношения двух путей 21, 22 могут быть отличными один от другого, чтобы компенсировать любую разницу крутящего момента между восходящей и нисходящей фазами поплавка 5.
Зубчатые передачи могут быть заменены зубчатым ремнем или цепными звездочками, например, для менее дорогостоящих решений и/или решений с относительно низкой мощностью.
Вал 19 может быть соединен с концом 8, чтобы вращаться вокруг оси 9, или может быть соединен с рычагом 6 отличным от проиллюстрированного образом.