ВОЛНОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
WAVE POWER SYSTEM

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям для выработки электроэнергии и одновременной защиты побережья от штормов.
Известна волновая энергетическая установка, которая содержит двухсекционный каркас, вертикальные стойки которого, скрепленные верхним и нижним основаниями, являются направляющими размещенного в нижней секции каркаса поплавка, способного к возвратно-поступательному вертикальному 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, и имеющих возможность возвратно-поступательного перемещения внутри статорных кольцевых индуктивных катушек в противоположных направлениях, связанными с поплавком через передаточный шток с гребенчатой зубчатой передачей, преобразующей возможность возвратно-поступательного движения передаточного 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. Для предотвращения возможности жесткого касания поплавка с нижним основанием и промежуточной платформой при его крайних положениях сверху и снизу корпуса поплавка закреплены демпферы (см. RU №86252, 2009).
К недостаткам этого решения относится сложность конструкции, обусловленная необходимостью применения механизма преобразования возвратно-поступательного движения передаточного штока во вращательное движение барабанов и перекинутых через них гибких тросов, натянутых через блоки, концы которых закреплены на оси генерирующих сердечников линейных электрических генераторов.
Известна волновая энергетическая установка (см. RU №2440510, 2012), содержащая линейный электрогенератор тока, состоящий из статора и генерирующего сердечника, способного к вертикальному возвратно-поступательному движению внутри статора, полый поплавок, шток, кинематически связывающий сердечник с поплавком, вертикальные направляющие балки с двигающимися по ним опорными роликами, демпферами. Установка снабжена вертикальной стойкой и укрепленным на ней корпусом, выполненным в виде пустотелого корпуса из неметаллического материала с центральными отверстиями на своде и на днище, внутри которого размещены статор и генерирующий сердечник, при этом вертикальные направляющие балки жестко закреплены на своде и на днище корпуса, опорные ролики прикреплены к боковой поверхности генерирующего сердечника, а поплавок, имеющий днище, носовую часть, свод и вентиль, связан со штоком через шарнирное устройство, которое жестко присоединено к своду поплавка. Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Существенным недостатком является то, что при низкой скорости вертикального движения волн энергия вертикального волнения воды не преобразуется в электрическую энергию, так как при медленном прохождении магнита внутри обмотки не возникает электрического тока, что не обеспечивает достаточный уровень удельных энергетических показателей. Кроме этого вода, проходящая через вертикальный канал, теряет начальную вертикальную скорость, амплитуда волны в вертикальном канале уменьшается, что отрицательно сказывается на производительности генерации электроэнергии. Наличие в конструкции роликов и открытых направляющих предполагает их повышенный износ, что требует необходимости технического обслуживания устройства и повышает стоимость получаемой электроэнергии.
Известен также волновой энергетический комплекс, содержащий преобразующие элементы, выполненные с возможностью преобразования возвратно-поступательного движения волн в электрическую энергию, снабженные магнитной системой, выполненной с возможностью взаимодействия с индуцируемым электрическим током, снабженный токосъемником и смонтированный на откосе гидротехнического сооружения в зоне омываемой волнами (см. RU №2410489, Е02 В9/00, 2011).
Волновой энергетический комплекс, содержит шарнирный дебаркадер со связанной с ним при помощи шарнира-консоли и маятникового шарнира аппарелью и линейный генератор, связанный с дебаркадером шарниром-консолью, при этом к основанию шарнира-консоли, перемещающегося вдоль аппарели при волновом воздействии на дебаркадер, прикреплен шток, передающий механические колебания на магнитный сердечник линейного генератора, расположенного по оси движения штока, обозначенной углом наклона аппарели.
К недостаткам этого решения относится громоздкость конструкции и ее сложность, обусловленная необходимостью применения механизма преобразования возвратно-поступательного движения передаточного штока в поступательное движение магнитного сердечника линейного генератора. Таким образом конструкция содержит движущиеся механические элементы, которые при этом подвергаются постоянным знакопеременным нагрузкам от действия волн. Кроме того, в силу своей технической сложности конструкция сама по себе нуждается в защите от волн, и поэтому не может функционировать в качестве волнозащитного сооружения.
Задачей изобретения является упрощение конструкции и обеспечение возможности прямого преобразования энергии волн в электрическую энергию без использования промежуточного ее преобразования в механическую энергию.
Технический результат проявляющийся при решении поставленной задачи выражается в снижении массогабаритных характеристик волнового энергетического комплекса, обеспечении возможности прямого преобразования энергии волн в электрическую энергию без использования промежуточного ее преобразования в механическую энергию. При этом в конструкции отсутствуют какие-либо движущиеся механические элементы, износ которых может повлечь за собой выход из строя всего комплекса. Кроме того, конструкция может функционировать в качестве волнозащитного «энергоактивного покрытия» волнозащитных сооружений, в связи со своей простотой и отсутствием каких либо деталей, которые (или их крепления) могут быть разрушены при возвратно-поступательном движении волн.
Поставленная задача решается тем, что волновой энергетический комплекс, содержащий преобразующие элементы, выполненные с возможностью преобразования возвратно-поступательного движения волн в электрическую энергию, снабженные магнитной системой, выполненной с возможностью взаимодействия с индуцируемым электрическим током, снабженный токосъемником и смонтированный на откосе гидротехнического сооружения в зоне омываемой волнами, отличается тем, что комплекс размещен в воде, обладающей свойствами электролита, в зоне возвратно-поступательного движения волн, и содержит, не менее двух преобразующих элементов, электрически связанных друг с другом параллельно, причем каждый преобразующий элемент выполнен, как магнитогидродинамический генератор электрического тока и содержит несущее основание, магнитную систему, защитную пластину, токосъемник и токосъемные шины, при этом его магнитная система сформирована из постоянных магнитов, размещенных на несущем основании, которое выполнено с возможностью фиксации в зоне возвратно-поступательного движения волн, кроме того, токосъемник, выполнен в виде контактно-выпрямительного модуля, содержащего парные соединительные клеммы, выполненные с возможностью соединения с клеммами соседних преобразующих элементов, совпадающей полярности, при этом магнитная система сверху закрыта защитной пластиной, выполненной из диэлектрика, на которой сверху размещены токосъемные шины, ориентированные вдоль направления движения волн, причем концы одной токосъемной шины электрически связаны через выпрямители с клеммами положительной полярности контактно-выпрямительного модуля, тогда как концы второй токосъемной шины электрически связаны через выпрямители с клеммами отрицательной полярности контактно-выпрямительного модуля, кроме того, полярность магнитов, размещенных вдоль кромок несущего основания, ориентированных вдоль продольных осей токосъемных шин, одинакова и противоположна полярности магнитов, расположенных между токосъемными шинами, кроме того, зазор между обращенными друг к другу кромками соседних преобразующих элементов герметизирован. Кроме того, магнитная система содержит набор дискретных магнитов, предпочтительно выполненных из неодимового сплава, распределенных по площади несущего основания, предпочтительно равномерно. Кроме того, несущее основание выполнено из нержавеющей стали. Кроме того, несущее основание преобразующего элемента выполнено с возможностью закрепления на откосе гидротехнического сооружения.
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач.
Признакам «комплекс размещен в воде, обладающей свойствами электролита, в зоне возвратно-поступательного движения волн» удовлетворяет морская вода, поэтому ее проводимость обеспечивает возможность торможения волнового напора силами Лоренца, при этом создаваемое магнитной системой поле индуцирует электрический ток в подвижной морской воде, омывающей плитки в зоне прибоя.
Признаки, указывающие, что волновой энергетический комплекс «содержит не менее двух преобразующих элементов, электрически связанных друг с другом параллельно», обеспечивают формирование комплекса любой заданной мощности путем наращивания числа «плиток энергоактивного покрытия».
Признаки, указывающие, что «каждый преобразующий элемент выполнен как магнитогидродинамический генератор электрического тока», обеспечивают возможность прямого преобразования энергии волн в электрическую энергию без использования промежуточного ее преобразования в механическую энергию.
Признаки, указывающие, что преобразующий элемент «содержит несущее основание, магнитную систему, защитную пластину, токосъемник и токосъемные шины», обеспечивают работоспособность магнитогидродинамического генератора электрического тока.
Признаки, указывающие, что «магнитная система сформирована из постоянных магнитов, размещенных на несущем основании», обеспечивают минимальный расход магнитного материала, достаточно дорогостоящего (в данном случае неодимового сплава), используемого в конструкции.
Признаки, указывающие, что несущее основание «выполнено с возможностью фиксации в зоне возвратно-поступательного движения волн», обеспечивают выработку энергии магнитогидродинамическим генератором электрического тока.
Признаки, указывающие, что «токосъемник выполнен в виде контактно-выпрямительного модуля, содержащего парные соединительные клеммы, выполненные с возможностью соединения с клеммами соседних преобразующих элементов, совпадающей полярности», обеспечивают возможность снятия генерируемого электрического тока с преобразующего элемента и его коммутирование с соседними преобразующими элементами,
Признаки, указывающие, что «магнитная система сверху закрыта защитной пластиной, выполненной из диэлектрика», защищают магнитную систему от воздействия волн и обеспечивают «работоспособность» токосъемных шин как деталей, в которых непосредственно наводится электрический ток при возвратно-поступательном движении волн в магнитном поле преобразующего элемента.
Признаки, указывающие, что «токосъемные шины сверху размещены на защитной пластине и ориентированы «вдоль направления движения волн, причем концы одной токосъемной шины электрически связаны через выпрямители с клеммами положительной полярности контактно-выпрямительного модуля, тогда как концы второй токосъемные шины электрически связаны через выпрямители с клеммами отрицательной полярности контактно-выпрямительного модуля», обеспечивают возвратно-поступательное движение волн вдоль осей шин, при этом выпрямители обеспечивают стабилизацию параметров снимаемого электрического тока с каждой из них с учетом переменного вектора движения волн.
Признаки, указывающие, что «полярность магнитов, размещенных вдоль кромок несущего основания, ориентированных вдоль продольных осей токосъемных шин, одинакова и противоположна полярности магнитов, расположенных между токосъемными шинами», обеспечивают замыкание вокруг токосъемных шин магнитных линий, магнитного поля, создаваемого магнитной системой, и тем самым работоспособность преобразующего элемента,
Признаки, указывающие, что «зазор между обращенными друг к другу кромками соседних преобразующих элементов герметизирован», обеспечивают работоспособность волнового энергетического комплекса.
Признаки указывающие, что магнитная система содержит набор дискретных магнитов, предпочтительно выполненных из неодимового сплава, распределенных по площади несущего основания предпочтительно равномерно», конкретизируют конструкцию магнитной системы.
Признаки, указывающие, что «несущее основание выполнено из нержавеющей стали», обеспечивают прочность преобразующих элементов и возможность работы основания, как элемента магнитной системы.
Признаки, указывающие, что «несущее основание преобразующего элемента выполнено с возможностью закрепления на откосе гидротехнического сооружения», обеспечивают возможность работы преобразующего элемента не только как генератора электроэнергии, но и как защитного средства гидротехнического сооружения, т.к. обеспечивают торможение волнового напора силами Лоренца, которые пропорциональны скорости движения волн.
Заявленное устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 схематически показан преобразующий элемент; на фиг.2 показана схема, поясняющая появление эффекта торможения волнового напора; на фиг.3 показан принцип действия энергоактивного покрытия, как генератора электроэнергии; на фиг.4 показана схема размещения преобразующих элементов 1 на откосе гидротехнического сооружения; на фиг.5 схематически показан волновой энергетический комплекс.
На чертежах показаны преобразующий элемент 1, дискретные постоянные магниты 2 его магнитной системы, несущее основание 3, защитная пластина 4, токосъемные шины 5, токосъемник, выполненный в виде контактно-выпрямительного модуля 6, первая 7 и вторая 8 пары соединительных клемм, выпрямители 9 и 10, зазор 11 между обращенными друг к другу кромками соседних преобразующих элементов, откос 12 гидротехнического сооружения 13, направление 14 движения волн (прибойной массы воды), проушины 15 несущего основания 3, шины 16, подключающие энергетический комплекс к потребителю, линии тока в воде 17, магнитные линии 18, образуемые магнитной системой, вектор скоростного напора 19, амплитуда волны 20 и 21 соответственно до ее торможения силами Лоренца и после.
Преобразующие элементы 1 выполнены с возможностью преобразования возвратно-поступательного движения волн в электрическую энергию. Они снабжены магнитной системой, выполненной с возможностью взаимодействия с индуцируемым электрическим током. Для этого она содержит набор дискретных постоянных магнитов 2, предпочтительно выполненных из неодимового сплава, распределенных по площади несущего основания 3, предпочтительно равномерно и жестко зафиксированных на нем. Кроме того, полярность магнитов, размещенных вдоль кромок несущего основания 3, ориентированных вдоль продольных осей токосъемных шин, одинакова и противоположна полярности магнитов, расположенных между токосъемными шинами, что обеспечивает замыкание магнитных силовых линий вокруг токосъемных шин 5. Несущее основание 3 выполнено из нержавеющей стали. Возможность закрепления несущего основания 3 преобразующего элемента 1 на откосе 12 гидротехнического сооружения 13 обеспечивается, например, болтами или шпильками, заделанными в тело гидротехнического сооружения 13 (на чертежах не показаны), которые пропускают через проушины 15 и фиксируют гайками (на чертежах не показаны).
Контактно-выпрямительный модуль 6 выполняет функции токосъемника (средства для коммутирования преобразующего элемента 1 с соседними элементами и снятия электрического тока с данного преобразующего элемента 1). Причем положительную клемму первой 7 и второй 8 пар соединительных клемм коммутируют с положительными клеммами соседних с данным преобразующими элементами 1. Подобно этому осуществляют коммутацию отрицательных клемм, тем самым преобразующие элементы электрически связывают друг с другом параллельно. При этом самые верхние клеммы данного ряда преобразующих элементов 1 коммутируют с соответствующими шинами 16. Также осуществляют работы с преобразующими элементами 1, составляющими соседние их ряды.
Магнитная система сверху закрыта защитной пластиной 4, выполненной из диэлектрика, на которой сверху размещены токосъемные шины 5, выполненные в виде полос из латуни или меди, ориентированные вдоль направления 14 движения волн. Причем концы одной токосъемной шины 5 электрически связаны через выпрямители с клеммами положительной полярности контактно-выпрямительного модуля 6, тогда как концы второй токосъемные шины электрически связаны через выпрямители с клеммами отрицательной полярности контактно-выпрямительного модуля 6. Кроме того, зазор 11 между обращенными друг к другу кромками соседних преобразующих элементов герметизирован герметиком, например, выполненным на основе синтетических смол (не являющимся электропроводным).
При монтаже комплекса его преобразующие элементы 1 известным образом закрепляют на откосе 12 гидротехнического сооружения 13, в зоне, омываемой волнами (в зоне возвратно-поступательного движения волн), и коммутируют их друг с другом. Необходимым условием для работоспособности заявленного устройства является его размещение в воде, обладающей свойствами электролита, т.е. морской воде. С учетом высоких противоэрозионных свойств энергоактивного покрытия, формируемого из преобразующих элементов 1, их предпочтительно укладывать в зоне наиболее активного волнового воздействия, что позволит сочетать и защиту береговой черты и/или гидротехнических сооружений и выработку электроэнергии.
Заявленный волновой энергетический комплекс работает следующим образом.
При накатывании волн (в зоне их возвратно-поступательного движения волн) энергоактивное покрытие представляет собой набор преобразующих элементов 1, каждый из которых работает как магнитогидродинамический генератор. При этом металлическое несущее основание 3 несет на себе дискретные постоянные магниты 2, образуя магнитную систему преобразующего элемента 1. Создаваемое магнитной системой поле, силовые линии которого показаны на фиг.3, индуцирует электрический ток в подвижной морской воде, омывающей преобразующие элементы 1 в зоне прибоя, являющейся электролитом. Это ток снимается токосъемными шинами 5 и отводится в сеть шинами 16, подключающими энергетический комплекс к потребителю.
Напряжения между токоотводящими шинами определяются индукцией магнитного поля, расстоянием между шинами и скоростью волнового потока (см. фиг.3):
U=BdV,
где U - напряжение,
В - индукция магнитного поля,
d - расстояние между шинами,
V - скорость волны в прибое.
Чем выше скорость воды (сильнее удары волн), тем больший ток индуцируется, и тем большая сила сопротивления сдерживает волновой напор, снижая его величину (см. фиг.2).
Электрофизические характеристики энергоактивного покрытия, формируемого из преобразующих элементов 1, позволяют эффективно использовать его в качестве самостоятельных генерирующих агрегатов прибрежной волновой электрогенерации.
В этом случае волновая электростанция представляет собой поле из нескольких энергоблоков (комплексов), установленных на дно прибрежной полосы. Каждый энергоблок состоит из несущей конструкции (опоры) и смонтированных на нем плиток энергогенерирующего покрытия.