ПОПЛАВКОВАЯ ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ (ВАРИАНТЫ)
FLOAT WAVE POWER PLANT (VERSIONS)

Изобретение относится к производству электроэнергии, в частности без отрицательного воздействия на окружающую среду, путем преобразования энергии волн.
Аналогом является, например, поплавковая волновая электростанция (патент РФ №2037642, опубл. 19.06.1995). Поплавковая волновая электростанция содержит вертикально расположенный герметичный корпус с размещенным в нем преобразователем энергии, выполненным в виде линейного электрогенератора. Обмотка якоря электрогенератора закреплена на внутренней стенке корпуса, а индуктор выполнен в виде инерционной массы с постоянными магнитами, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения посредством упругих элементов.
Наиболее близка к предлагаемой поплавковой волновой электростанции поплавковая волновая электростанция (патент РФ №2513070, опубл. 20.04.2014). В прототипе поплавковая волновая электростанция содержит обтекаемый герметичный поплавок и вертикально расположенный внутри поплавка цилиндрический корпус с размещенным в нем маятником. Маятник подвешен к концу троса, который переброшен через блок, установленный на вращающейся оси, а другой конец этого троса прикреплен к якорю, установленному на дне. К вращающейся оси блока присоединен ротор электрического генератора с постоянными магнитами, статор которого закреплен на цилиндрическом корпусе.
При воздействии волн на поплавковую волновую электростанцию, выполненную по патенту РФ №2513070, возникают вертикальные колебания поплавка и маятника, размещенного внутри цилиндрического корпуса, маятник создает постоянное натяжение троса переброшенного через блок, вал которого соединен с валом электрического генератора с постоянными магнитами. При колебаниях поплавка и маятника блок будет поворачиваться и поворачивать ротор электрического генератора. При вращении ротора электрический генератор преобразует механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию.
Основными недостатками прототипа являются низкая надежность, а также большие габариты, масса и высокая стоимость.
Низкая надежность поплавковой волновой электростанции обусловлена тем, что при колебаниях поплавка и маятника мокрый трос может проскальзывать по боковой поверхности блока, через который трос переброшен. Следует учесть, что ротор электрического генератора, вал которого соединен с блоком, имеет существенный момент инерции. Кроме того, при преобразовании механической энергии в электрическую энергию генератор будет создавать тормозной момент, приложенный к блоку. Поэтому при возвратно-поступательном движении маятника и троса проскальзывание троса по блоку практически неизбежно. При проскальзывании троса по боковой поверхности блока угол поворота блока и ротора электрического генератора, соединенного с блоком, при смещении троса будет меньше, чем при отсутствии проскальзывания, и количество вырабатываемой генератором электроэнергии снизится.
Большие габариты и масса обусловлены наличием в конструкции вертикально расположенного цилиндрического корпуса, внутри которого перемещается маятник. Цилиндрический корпус в прототипе предназначен для того, чтобы исключить при колебаниях маятника переплетение конца троса, на котором закреплен маятник, и конца троса, прикрепленного к якорю. Перемещение поплавка и маятника при колебаниях в вертикальном направлении равно высоте волны, и чтобы исключить возможность переплетения концов троса, длина цилиндрического корпуса должна быть не менее высоты волны. Высота волны в штормовую погоду может составлять более 10 метров, и значит, длина цилиндрического корпуса должна быть также более 10 метров. Цилиндрический корпус подобных размеров увеличивает габариты, массу и стоимость поплавковой волновой электростанции.
Предлагаемое изобретение позволит создать поплавковую волновую электростанцию с более высокой надежностью, а также с меньшими габаритами, массой и стоимостью.
Это достигается тем, что в поплавковой волновой электростанции, содержащей обтекаемый герметичный поплавок, блок, закрепленный на поплавке, через который переброшен трос, к концу которого прикреплен вертикальный маятник, электрический генератор и якорь, установленный на дне, согласно изобретению, на поплавке закреплен дополнительный блок, а между первым и дополнительным блоком на поплавке установлены два барабана, соединенные осями, на один из них намотан трос, к концу которого прикреплен маятник, а на другой барабан намотан трос, переброшенный через дополнительный блок и прикрепленный к якорю, при этом направление намотки тросов на первый и второй барабаны противоположное, и к общей оси барабанов присоединен ротор электрического генератора.
Снижение габаритов, массы и стоимости поплавковой волновой электростанции также достигается установкой между общей осью барабанов и ротором генератора мультипликатора.
Мощность поплавковой волновой электростанции зависит от массы и длины вертикального перемещения маятника при воздействии на поплавковую волновую электростанцию волны. В прототипе длина вертикального перемещения поплавка и, значит, смещения троса на блоке, с осью которого соединен вал генератора, не может превышать высоты волны Н. Число оборотов ротора генератора за половину периода Т следования волны будет равно H/π·D, где D - диаметр блока. При этом средняя частота вращения блока и ротора генератора будет равна п=2H/π·D·T. Например, при Н=2 м, D=0,4 м и Т=5 с, получим среднюю частоту вращения ротора генератора п=0,64 об/с или п=38 об/мин. Генератор с такой низкой частотой вращения будет иметь значительные габариты и массу. Механическая энергия, которую генератор получает при колебаниях поплавка на волнах от блока и может преобразовать в электрическую энергию, за период Т следования волны примерно равна W=m·g·2H, где m - масса маятника. Соответственно механическая мощность прототипа Р=m·g·2Н/Т. Для получения существенной мощности поплавковой волновой электростанции необходимо использовать маятник со значительной массой. Например, для получения механической мощности Р=10 кВт при Н=2 м и N=5 с необходим маятник массой m около 1250 кг. Высокая стоимость прототипа обусловлена большими габаритами и массой генератора и маятника, а также большой грузоподъемностью троса, который должен удерживать маятник большой массы.
Предлагаемое изобретение по второму варианту позволит создать поплавковую волновую электростанцию, имеющую генератор и маятник с меньшими массами и габаритами, трос с меньшей грузоподъемностью и меньшей стоимостью по сравнению с прототипом одинаковой мощности.
Это достигается тем, что в поплавковой волновой электростанции, содержащей обтекаемый герметичный поплавок, блок, закрепленный на поплавке, через который переброшен трос, к концу которого прикреплен вертикальный маятник, электрический генератор и якорь, установленный на дне, согласно изобретению, на поплавке установлена стойка, на которой закреплены неподвижные блоки полиспаста, к крюковой обойме подвижных блоков полиспаста прикреплен один конец якорной цепи, а второй конец цепи присоединен к якорю, между стойкой и блоком на поплавке установлены два соединенные валами барабана, на один из барабанов наматывается трос, второй конец которого прикреплен к маятнику, а на другой барабан наматывается трос полиспаста, при этом направление намотки тросов на первый и второй барабаны противоположное, и к общей оси барабанов присоединен ротор электрического генератора.
На фиг. 1, 2 и 3 показана схема первого варианта предлагаемой поплавковой волновой электростанции повышенной надежности, имеющей меньшие массу, габариты и стоимость, и положение поплавковой электростанции на спокойной поверхности воды. На фиг. 4 - работа первого варианта поплавковой волновой электростанции при подъеме поплавка на гребень волны. На фиг. 5 показана работа первого варианта поплавковой волновой электростанции при спуске поплавка с гребня волны. На фиг. 6 показана схема первого варианта поплавковой волновой электростанции с электрическим генератором, имеющим меньшую массу и габариты.
На фиг. 7, 8 и 9 показана схема второго варианта предлагаемой поплавковой волновой электростанции при ее положении на спокойной поверхности воды. На фиг. 10 показана работа второго варианта поплавковой волновой электростанции при подъеме поплавка на гребень волны. На фиг. 11 показана работа второго варианта поплавковой волновой электростанции при спуске поплавка с гребня волны. На фиг. 12 показана схема второго варианта поплавковой волновой электростанции с электрическим генератором, имеющим меньшую массу и габариты.
На фиг. 1 показана схема первого варианта поплавковой волновой электростанции со стороны носа поплавка, на фиг. 2 - сечение поплавковой волновой электростанции по линии А-А, а на фиг. 3 - вид поплавковой волновой электростанции сверху. Изображенная на фиг. 1, 2 и 3 поплавковая волновая электростанция имеет герметичный поплавок 1 с двумя корпусами, каждый из которых снабжен килем 2. Корпусы поплавка 1 соединены общим настилом 3, образуя катамаран. На кормовой части поплавка закреплен блок 4, через который переброшен трос 5, к концу которого присоединен маятник 6. Второй конец троса 5 намотан на барабан 7. Ось барабана 7 соединена с осью барабана 8. На барабан 8 намотан трос 9, переброшенный через дополнительный блок 10, установленный на носовой части поплавка. Направление намотки троса 5 на барабан 7 и троса 9 на барабан 8 противоположное. Трос 9 прикреплен к якорю 11, установленному на дне. К общей оси барабанов 7 и 8 присоединен ротор электрического генератора 12.
На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 показано положение поплавковой волновой электростанции при отсутствии волн. Маятник 6 своим весом создает силу натяжения троса 5, под действием которой соединенные валами барабаны 7 и 8 поворачиваются. При этом маятник 6 опускается, трос 5 сматывается с барабана 7, а трос 9 наматывается на барабан 8. Опускание маятника 5 и вращение барабанов 7 и 8 закончится, когда поплавковая волновая электростанция расположится над якорем 11, и сила натяжения троса 9 компенсирует силу натяжения троса 5. Положение элементов электростанции при отсутствии волн не изменяется, и электроэнергия не вырабатывается.
При подходе волны поплавок 1 под действием силы Архимеда всплывает на гребень волны (фиг. 4), и расстояние носовой части поплавка 1, на которой расположен дополнительный блок 10, от дна увеличивается. Натяжение троса 9 возрастает, трос 9 сматывается с барабана 8 и вращает барабан 8 вместе с барабаном 7. При вращении барабана 7 трос 5 наматывается на барабан 7, поднимая маятник 6. При вращении барабанов 7 и 8 будет вращаться также и ротор электрического генератора 12, и электрический генератор 12 преобразует механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию.
При спуске поплавка 1 с гребня волны (фиг. 5) расстояние носовой части поплавка 1 до дна уменьшается и уменьшается натяжение троса 9. Подвешенный в воде маятник 6 создает постоянное натяжение троса 5, и по мере опускания носовой части поплавка 1 маятник 6 будет опускаться и сматывать трос 5 с барабана 7, вращая барабаны 7 и 8. При вращении барабана 8 трос 9 будет наматываться на барабан 8. Вместе с барабанами 7 и 8 будет вращаться ротор электрического генератора 12, и электрический генератор 12 преобразует механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию.
В предлагаемой поплавковой волновой электростанции проскальзывание тросов 5 и 9 на барабанах 7 и 8 исключено, так как тросы 5 и 9 намотаны на барабаны 7 и 8. Надежность работы поплавковой волновой электростанции будет существенно выше. Цилиндрический корпус, в котором в прототипе перемещается маятник, здесь не нужен, так как трос 9, прикрепленный к якорю 11, и трос 5, прикрепленный к маятнику 6, расположены на расстоянии длины корпуса поплавка 1 и можно выбрать такую длину поплавка 1, чтобы исключить переплетение тросов 5 и 9. Исключение из конструкции поплавковой волновой электростанции громоздкого цилиндрического корпуса, в котором в прототипе перемещается маятник, снижает общую массу, габариты и стоимость поплавковой волновой электростанции.
Для еще большего снижения стоимости поплавковой волновой электростанции между общей осью барабанов 7 и 8 и ротором электрического генератора 12 установлен мультипликатор 13 (фиг. 6). Мультипликатор 13 позволит при той же самой высоте волны и угле поворота барабанов 7 и 8 повысить частоту вращения ротора электрического генератора 12. При повышении частоты вращения масса, габариты и стоимость электрического генератора 12, а значит, и стоимость поплавковой волновой электростанции, в целом снижаются.
На фиг. 7 показана схема второго варианта поплавковой волновой электростанции со стороны носа поплавка, на фиг. 8 - сечение по линии А-А, а на фиг. 9 - вид поплавковой волновой электростанции сверху. Изображенная на фиг. 7, фиг. 8 и фиг. 9 поплавковая волновая электростанция имеет герметичный поплавок 1 с двумя корпусами. Каждый корпус 1 снабжен килем 2. Корпусы поплавка 1 соединены общим настилом 3, образуя катамаран. На носовой части поплавка 1 установлена стойка 14. На стойке 14 закреплены неподвижные блоки 15 полиспаста. Подвижные блоки полиспаста установлены на крюковой обойме 16. К крюковой обойме 16 прикреплен конец цепи 17, а другой конец цепи 17 присоединен к якорю 11, расположенному на дне водоема. Через неподвижные блоки 15 полиспаста и подвижные блоки, установленные на крюковой обойме 16, переброшен трос 18. Один конец троса 18 прикреплен к стойке 14, а второй конец троса 18 намотан на барабан 8. С осью барабана 8 соединена ось барабана 7, на который намотан трос 5, переброшенный через блок 4. К концу троса 5 прикреплен маятник 6. К общей оси барабанов 7 и 8 присоединен вал электрического генератора 12.
На фиг. 7, фиг. 8 и фиг. 9 показано положение поплавковой волновой электростанции при отсутствии волн. Маятник 6 своим весом создает силу натяжения троса 5, под действием которой соединенные валами барабаны 7 и 8 поворачиваются, и на барабан 8 наматывается трос 18, при этом крюковая обойма 16 полиспаста поднимается, натягивая цепь 17. Натяжение цепи 17 заставляет поплавковую волновую электростанцию расположиться над якорем 11. Положение элементов электростанции при отсутствии волн не изменяется и электроэнергия не вырабатывается.
При подходе волны поплавок 1 под действием силы Архимеда всплывает на гребень волны (фиг. 10) и расстояние носовой части поплавка 1, на которой установлена стойка 14, от дна увеличивается. Длина цепи 17 и расстояние от крюковой обоймы 16 до дна не может измениться, поэтому при подъеме носовой части поплавка 1 со стойкой 14 изменяется расстояние между крюковой обоймой 16 и неподвижными блоками 15 полиспаста. Трос 18 натягивается и сматывается с барабана 8, вращая барабан 8 и соединенные с барабаном 8 барабан 7 и ротор электрического генератора 12. При вращении барабана 7 трос 5 наматывается на барабан 7 и поднимает маятник 6. У изображенного на фиг. 7-10 полиспаста, состоящего из двух подвижных блоков на крюковой обойме 16 и двух неподвижных блоков 15, закрепленных на стойке 14, передаточное число составляет четыре, поэтому при подъеме носовой части поплавка 1, на которой установлена стойка 14, на высоту волны Н, смещение троса 18, троса 5 и длина вертикального смещения маятника 6 составит 4Н. При вращении барабанов 7 и 8 будет вращаться также и ротор электрического генератора 12, и электрический генератор 12 преобразует механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию.
При спуске поплавка 1 с гребня волны (фиг. 11) расстояние носовой части поплавка 1, на которой установлена стойка 14, до дна уменьшается, и уменьшается натяжение троса 18. Подвешенный в воде маятник 6 создает постоянное натяжение троса 5, и по мере опускания носовой части поплавка 1 со стойкой 14 маятник 6 будет опускаться и сматывать трос 5 с барабана 7. При смещении троса 5 будет вращаться барабан 7, вместе с которым будет вращаться также барабан 8, выбирая трос 18. Вместе с барабанами 7 и 8 будет вращаться ротор электрического генератора 12, и электрический генератор 12 преобразует механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию. Также как и при подъеме на гребень волны, благодаря наличию полиспаста, при спуске с волны высотой Н, смещение троса 5 и длина вертикального смещения маятника 6 составит 4Н.
Как видно из описания, в предлагаемой поплавковой волновой электростанции смещение тросов 5 и 18 на барабанах 7 и 8, к оси которых присоединен ротор электрического генератора 12, превышает высоту волны в число раз, равное передаточному числу полиспаста (в приведенной на фиг. 7-11 схеме - в четыре раза). Соответственно частота вращения ротора генератора 12 увеличится по сравнению с прототипом также в четыре раза. Например, при тех же параметрах волны, что и при оценке прототипа Н=2 м, Т=5 с, и диаметре блока D=0,4 м, получим среднюю частоту вращения ротора генератора п=152 об/мин. Масса маятника, необходимая для получения на валу электрического генератора механической мощности Р=10 кВт из выражения Р=m·g·2Н·k/Т, где k=4 - передаточное число полиспаста, составит m=312,5 кг.
В предлагаемой поплавковой волновой электростанции необходим электрический генератор с частотой вращения ротора в несколько раз выше, чем в прототипе. Как известно, при увеличении частоты вращения ротора масса, габариты и стоимость электрического генератора (если речь не идет, как в данном случае, о сверхвысоких частотах вращения) снижаются. Как показано выше, масса маятника в предлагаемой поплавковой волновой электростанции при той же самой мощности, что и прототипа, также в разы ниже, и для подвески маятника можно использовать трос с меньшей грузоподъемностью.
За счет снижения массы и габаритов генератора и маятника, а также за счет снижения грузоподъемности троса предлагаемая поплавковая волновая электростанция будет иметь меньшие массу и габариты и ниже стоимость.
Проскальзывание при смещении маятника тросов по блоку, к оси которого присоединен электрический генератор, как это сделано у прототипа, во втором варианте поплавковой волновой электростанции также исключено, так как ротор электрического генератора присоединен к оси барабанов, на которые тросы намотаны.
Для снижения стоимости второго варианта поплавковой волновой электростанции между общей осью барабанов 7 и 8 и ротором электрического генератора 12 установлен мультипликатор 13 (фиг. 12). Мультипликатор 13 позволит при той же самой высоте волны и угле поворота барабанов 7 и 8 повысить частоту вращения ротора электрического генератора 12. При повышении частоты вращения масса, габариты и стоимость электрического генератора 12, а значит и стоимость поплавковой волновой электростанции, в целом снижаются.
Таким образом, предлагаемая поплавковая волновой электростанция будет иметь генератор и маятник с меньшими массами и габаритами, трос с меньшей грузоподъемностью и ниже стоимость по сравнению с прототипом одинаковой мощности, а также будет более надежна.