Поплавковая волновая электростанция

Полезная модель относится к области электротехники, может быть использована при производстве электрической энергии путем преобразования механической энергии волн в электрическую энергию, передаваемую в системы электропитания метеобуев, буев связи, маяков и т.п., и применяться как составная часть группы электростанций, объединенных в одну сеть для питания систем освещения пирсов, набережных, других потребителей.
Известна «Поплавковая волновая электростанция» (Патент РФ №2513070, опубл. 20.04.2014 г., БИ №11), которая 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. Другой конец троса прикреплен к якорю, установленному на дне. К вращающейся оси блока присоединен ротор электрического генератора с постоянными магнитами. Статор генератора закреплен на корпусе. Обмотка статора генератора присоединена к входу зарядного устройства, а выход устройства присоединен к аккумулятору, который вместе с устройством находится в приборном отсеке в верхней части поплавка.
Недостатками устройства является низкая эффективность преобразования механической энергии волн в электрическую энергию, вызванная малой величиной амплитуды и частоты ЭДС, наводимой в обмотке генератора, поскольку преобразование линейного перемещения поплавка во вращательное движение ротора электрического генератора осуществляется без редукции, необходимой для достижения требуемого уровня скорости вращения ротора генератора. Кроме этого, при появлении качки поплавка натяжение троса будет ослабляться и, вследствие этого, коэффициент сцепления троса с блоком будет снижаться вплоть до нулевого значения, в результате появится проскальзывание троса и прекращение передачи вращения на ротор генератора.
Известна «Волновая энергетическая установка» (Патент РФ 2440510, опубл. 20.01.2012 г., БИ №2), 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.
Недостатками устройства являются низкий КПД и неравномерность процесса преобразования механической энергии волн в электрическую, низкая надежность и недостаточная долговечность конструкции. Работу сложной многокомпонентной системы обеспечивают направляющие ролики, подшипники, сальники, шарниры, что усложняет изделие и влияет на надежность, особенно в условиях агрессивной среды морской воды.
p
э
в
э
p
в
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является «Трехфазный генератор» (журнал Proc. IMechE Vol. 223 Part A: J. Power and Energy, 2009, стр. 896-897), содержащий жестко закрепленный на опоре один корпус с двумя крышками, внутри которого размещен статор с ферромагнитным магнитопроводом и трехфазной электрической обмоткой и индуктор с многополюсной магнитной системой, полюсное деление которой равно τ, а также содержит пружину, прикрепленную к нижней крышке корпуса, и жестко соединенные между собой поплавок и шток, на котором закреплен индуктор. Корпус в сечении имеет прямоугольную форму и выполнен из немагнитного материала. Трехфазная обмотка статора выполнена по известной технологии обмоток электрических машин переменного тока (Кацман М.М. Электрические машины: Учебник для студентов сред. проф. учебных заведений. - 3-е изд. испр. - М: Высш. шк.; Издательский центр «Академия»; 2001. стр. 102-123) и размещена в пазах магнитопровода статора с шагом равным полюсному делению τ, причем на расстоянии равным одному полюсному делению магнитной системы индуктора τ размещены три паза магнитопровода статора с проводниками обмоток трех фаз. Общая длина ферромагнитного магнитопровода с размещенной в нем трехфазной электрической обмоткой составляет длину активную зону генератора  Отношение длины активной зоны генератора  к длине полюсного деления τ определяет коэффициент электрической редукции генератора k, т.е.  Частота ЭДС, генерируемой в обмотке статора при возвратно-поступательном движении индуктора ƒ, больше частоты колебания волны ƒ в коэффициент электрической редукции раз, т.е. ƒ=kƒ.
Недостатками известного устройства являются
- длина полюсного деления трехфазного генератора в три раза больше, чем у однофазного генератор, следовательно, при одной и той же длине активной зоны генератора  частота ЭДС, генерируемой в обмотке трехфазного генератора в три раза меньше, чем в обмотке однофазного генератора с той же длиной активной зоны генератора  что приводит к снижению эффективности работы генератора;
- при выравнивании значений частоты ЭДС, генерируемой в обмотке трехфазного генератора, и ЭДС, генерируемой в обмотке однофазного генератора, длина активной зоны  трехфазного генератора должна быть увеличена в 3 раза по сравнению с прежним значением. Во столько же раз увеличится и длина корпуса. С увеличением длины корпуса возрастает отрицательное влияние воздействия поперечной силы волны на корпус генератора, что ведет к увеличению механических напряжений в корпусе и понижению надежности работы генератора;
- из-за того, что корпус генератора выполнен немагнитным и не способен проводить магнитный поток, размеры магнитопровода генератора увеличены, поэтому увеличены и размеры трехфазного генератора в целом;
- линейные размеры трехфазного генератора, включая и длину активной зоны генератора  выбраны без учета влияния скорости перемещения волны на отдельных участках периода волны на величину амплитуды и частоты ЭДС, наводимой в обмотке статора.
Задачей является создание поплавковой волновой электростанции с улучшенными технико-экономическими, энергетическими и масса-габаритными показателями.
Техническим результатом является повышение надежности и уменьшение линейных размеров поплавковой волновой электростанции.
в
Технический результат достигается тем, что поплавковая волновая электростанция, содержащая однофазный генератор, включающий жестко закрепленный на опоре корпус с двумя крышками, внутри которого размещен статор с электрической обмоткой и индуктор с многополюсной магнитной системой, полюсное деление которой равно τ, пружину, прикрепленную к нижней крышке корпуса, и жестко соединенные между собой поплавок и шток, на который закреплен индуктор с возможностью возвратно-поступательного движения с периодом равным периоду колебания волны Т, дополнительно снабжена двумя однофазными генераторами, корпуса всех трех генераторов выполнены из ферромагнитного материала, имеют цилиндрическую форму и жестко соединены между собой, в каждый генератор введено по одной пружине, прикрепленной к верхней крышке корпуса, электрические обмотки всех генераторов, имеющие форму катушек и размещенные между кольцевыми сердечниками магнитопровода статора каждого генератора, расположены в пространстве строго параллельно друг другу, причем суммарная высота каждой катушки и кольцевого сердечника равна полюсному делению τ, индукторы трех однофазных генераторов выполнены в виде набора кольцевых магнитов с кольцевыми ферромагнитными вставками между ними, образуя три многополюсные магнитные системы с пространственным сдвигом между ними равным 2τ/3, причем линейные размеры всех трех генераторов выбраны таким образом, что генерирование электрической энергии возможно только на участках волны с наибольшей скоростью перемещения.
Объединенные конструктивно три однофазных генератора с магнитоэлектрическим возбуждением образуют единую электромеханическую систему трехфазного генератора, преобразующую механическую энергию волн в электрическую энергию трехфазного тока. Постоянные магниты многополюсных магнитоэлектрических систем (индукторов), создающие магнитный поток, закреплены на штоках, соединяющих их с общим для трех однофазных генераторов поплавком. Корпус каждого генератора выполнен из ферромагнитного материала и кроме обеспечения требуемой жесткости конструкции проводит магнитный поток, созданный индуктором. Корпуса трех однофазных генераторов объединены в единую конструкцию так, что пространственное положение соответствующих полюсных делений магнитопроводов статора трех однофазных генераторов строго совпадает. Корпус каждого однофазного генератора имеет верхнюю и нижнюю крышки с отверстиями, необходимыми для обеспечения возвратно-поступательного движения штока. К каждой крышке прикреплена пружина, необходимая для амортизации силы, возникающей от соприкосновения торца индуктора с крышкой корпуса при завершении каждого движения индуктора вверх или вниз. Энергия, запасенная сжатой пружиной, способствует также более быстрому набору скорости перемещения индуктора при начале каждого нового движения.
Эффективность работы каждого однофазного генератора не постоянна на протяжении периода одной волны, а зависит от скорости перемещения волны на каждом отдельном участке периода волны.
Существенные отличия, позволяющие реализовать технический результат:
- линейные размеры трех однофазных генераторов выбраны таким образом, что генерирование электрической энергии трехфазного тока осуществляется только на участках волны с наибольшей скоростью перемещения;
- генерирование электрической энергии трехфазного тока осуществляется тремя однофазными генераторами, объединенными конструктивно и имеющими более высокий коэффициент электрической редукции благодаря уменьшению длины полюсного деления по сравнению с устройством, принятым за прототип;
- корпус каждого однофазного генератора выполнен ферромагнитным.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен общий вид устройства в разрезе вдоль вертикальной оси устройства и введены следующие обозначения:
1 - первый однофазный генератор;
2 - второй однофазный генератор;
3 - третий однофазный генератор;
4 - корпус первого генератора;
5 - статор первого генератора;
6 - индуктор первого генератора;
7 - шток первого генератора;
8 - верхняя пружина первого генератора;
9 - нижняя пружина первого генератора;
10 - поплавок.
На фиг. 2 представлен участок продольного разреза статора и индуктора одного генератора и введены следующие обозначения:
11 - обмотка;
12 - кольцевой сердечник магнитопровода статора;
13 - кольцевой магнит;
14 - кольцевая ферромагнитная вставка индуктора;
На фиг. 3 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы поплавковой волновой электростанции, и введены следующие обозначения:
15 - график изменения амплитуды волны во времени, y=ƒ(t);
16 - график изменения скорости перемещения волны,
Устройство содержит три однофазных генератора 1, 2 и 3, ферромагнитные корпуса 4 каждого из них жестко соединены с двумя другими и образуют единую конструкцию. Внутри корпуса 4 каждого генератора размещены статор 5 и индуктор 6, жестко закрепленный на штоке 7, и по две пружины 8 и 9. Первая пружина 8 прикреплена к верхней крышке корпуса, а вторая пружина 9 - к нижней крышке корпуса. Штоки 7 генераторов 1, 2 и 3 жестко соединены с поплавком 10.
Статор каждого генератора имеет обмотку 11, выполненную в виде катушек торроидальной формы, и кольцевые сердечники 12 магнитопровода статора. Индуктор 6 каждого генератора содержит кольцевые магниты 13 и кольцевые ферромагнитные вставки 14. Многополюсные магнитные системы индукторов 6 генераторов 1, 2 и 3 сдвинуты в пространстве относительно друг друга на расстояние равное 2τ/3, а магнитопроводы статоров 5 генераторов 1, 2 и 3 с обмотками 11 размещены в пространстве строго параллельно друг другу.
Устройство работает при наличии морских волн следующим образом.
в
Поплавок 10, находясь в волне, вместе со штоком 7 и индуктором 6 совершает возвратно-поступательные движения с частотой колебания волны ƒ. Магнитные силовые линии, созданные кольцевыми магнитами 13 индукторов 6 генераторов 1, 2, 3, пересекают проводники обмоток 11 статоров 5, размещенных в корпусах 4, и наводят в них трехфазную систему ЭДС переменного тока:
1
m
- на обмотке статора генератора 1 наводится ЭДС e=Esinωt;
2
m
- на обмотке статора генератора 2 наводится ЭДС e=Esin(ωt-2π/3);
3
m
- на обмотке статора генератора 3 наводится ЭДС e=Esin(ωt-4π/3),
m
э
ф
где E=4,44ФƒW;
ф
W - число витков одной фазы;
Ф - магнитный поток одного полюса индуктора;
э
ƒ - частота ЭДС, генерируемой в обмотке статора;
э
ω=2πƒ - угловая частота ЭДС, генерируемой в обмотке статора.
Фазовый сдвиг во времени ЭДС, наводимых в обмотках 11 генераторов 1, 2, 3 при возвратно-поступательном движении индукторов 6 равен 2π/3 благодаря пространственному сдвигу многополюсных магнитных систем индукторов 6 равному 2τ/3.
Первая пружина 8 прикрепленная к верхней крышке корпуса, и вторая пружина 9, прикрепленная к нижней крышке корпуса, амортизируют силы, возникающей от соприкосновения торца индуктора 6 с крышками корпуса 4 при завершении каждого движения индуктора 6 вверх или вниз вслед за перемещением волны. Амплитуда волны y изменяется во времени в соответствии с уравнением движения волны:
в
y=Asin(2πt/Т),
где А - амплитуда волны;
- период колебания волны;
t - текущее значение времени.
Скорость перемещения волны во времени  определяется путем дифференцирования уравнения движения волны
в
в
в
э
Из полученной формулы следует, что величина скорости изменяется от максимального значения, равного А2π/Т при t=Т/8 до значения, равного 0 при t=Т/4. Величина скорости перемещения волны оказывает влияние на частоту ЭДС, генерируемой в обмотке статора ƒ. При скорости перемещения волны равной 0 магнитный поток индуктора не пересекает витки обмотки статора и не наводит в них ЭДС, значит частота ЭДС равна 0. Поскольку скорость перемещения волны  то частота ЭДС, генерируемой в обмотке статора  Так как мгновенное значение скорости перемещения волны не постоянно на интервале одного периода волны, то и значение частоты ЭДС, генерируемой в обмотке статора, также не постоянно на интервале одного периода волны:
в
в
в
в
э
в
в
в
в
в
в
в
в
в
в
в
в
При значениях времени t=0,0T; 0,5Т; 1,0T; 1,5Т и т.д. скорость перемещения волны максимальная и частота генерируемой в обмотке статора ЭДС также максимальная и равна ƒ=Аπ/(τТ), а при значениях времени t=0,25Т; 0,75Т, 1,25Т; 1,75Т и т.д. скорость перемещения волны равна нулю и частота генерируемой в обмотке статора ЭДС также равна нулю и преобразование механической энергии волны в электрическую энергию не происходит. Учитывая это, рабочую зону магнитопровода статора можно установить в пределах, при которых преобразование механической энергию волны в электрическую энергию наиболее эффективно. Из приведенных выше соотношений следует, что в пределах времени Т/8<t<3Т/8 скорость перемещения волны наибольшая и изменяется от значения, равного (A2π/Т)cos(2π/8)=0,707(А2π/Т) до значения равного А2π/Т, и далее спадает до значения, равного (A2π/Т)cos(2π/8)=0,707(A2π/Т). Для расчетов можно принять среднее значение скорости перемещения волны на этом интервале времени равным
На интервале одного периода перемещения волны преобразование механической энергии волн в электрическую энергию наиболее эффективно на участках перемещения волны с наибольшей скоростью:
в
в
- на ниспадающем участке периода волны от 3Т/8 до 5Т/8;
в
в
- на восходящем участке периода волны от 7Т/8 до 9Т/8.
в
в
в
в
На участках перемещения волны с наименьшей скоростью - от Т/8 до 3Т/8 и от 5Т/8 до 7Т/8 эффективность преобразования механической энергии волн в электрическую энергию низкая, поэтому на этих участках периода волны можно ограничить движение индукторов генераторов и уменьшить длину рабочей зоны магнитопровода статора.
Движение индуктора генератора с наибольшей скоростью перемещения происходит на участке рабочей зоны магнитопровода статора, равным 1,2 амплитуды волны, как на восходящем, так и на ниспадающем участках волны.
При сокращении длины рабочей зоны магнитопровода статора линейные размеры магнитопровода статора и индуктора уменьшаются, уменьшается длина корпуса генератора.
э
При известном значении средней скорости можно установить зависимость частоты ЭДС, наводимой в обмотке статора ƒ, и коэффициента электрической редукции генератора от параметров генератора и волны, воспользовавшись равенством
э
в
в
Откуда ƒ=(А2π/Т)0,85/2τ=2,67А/(τТ).
Полюсное деление
где  - длина рабочей зоны магнитопровода статора;
к
N - число катушек обмотки статора, размещенных на рабочей зоне магнитопровода статора одного генератора.
Коэффициент электрической редукции генератора равен
p
э
в
э
в
k=ƒ/ƒ=ƒ*Т=2,67А/τ.
В разных регионах мирового океана в разное время года амплитуда волны разная, но для расчета генератора можно принять среднее значение амплитуды волны равное 1,25 м.
При принятом среднем значении амплитуды волны равным 1,25 м высота волны (полный размах волны) составит 2,5 м. На такое расстояние будет перемещаться индуктор каждого генератора, если не будет введено ограничение рабочей зоны (так как это реализовано в устройстве, принятом за прототип). Как было показано выше, перемещение индуктора целесообразно ограничить величиной равной 1,2⋅А, т.е. 1,2⋅1,25=1,5 м. В этом случае длина активной зоны индуктора составит
где , - длина рабочей зоны магнитопровода статора;
τ - полюсное деление;
к
N - число катушек обмотки статора, размещенных на рабочей зоне магнитопровода статора одного генератора.
Без ограничения перемещения индуктора длина активной зоны индуктора составит
Ограничение перемещения индуктора приводит к уменьшению длины индуктора на 1 м, соответственно к уменьшению числа постоянных магнитов, установленных в индукторе, а значит и к уменьшению затрат на изготовление индуктора.
к
и
0
Длина корпуса каждого однофазного генератора L=L+2х, где
0
х - высота сжатой пружины.
Длина корпуса каждого однофазного генератора также станет меньше на 1 м при введении ограничений перемещения индуктора. Это способствует повышению устойчивости корпуса к механическим напряжениям, вызванными воздействием поперечной силы волны на корпус, и повышению надежности работы генератора в целом.