НАВИГАЦИОННЫЙ БУЙ С КОМПЛЕКСНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКОЙ
NAVIGATION BUOY WITH INTEGRATED POWER PLANT

Изобретение относится к плавучим средствам навигационного оборудования, в частности к бую, предназначенному для ограждения фарватеров и отдельных навигационных опасностей на судоходных акваториях.
Известны морские буи с автономными энергетическими установками электропитания светооптической аппаратуры навигационных буев, в состав которых входят химические источники постоянного тока (электрохимические батареи) и механизм подключения этих батарей к светооптической аппаратуре буя (патенты US №3794907, 1974 [1], №3818312, 1974 [2], патенты GB №1357427, 1974 [3], №1368202, 1974 [4], патенты FR №2193284, 1974 [5], №2215743, 1974 [6], авторское свидетельство SU №586533, 1978 [7]).
Недостатком известных автономных энергетических установок [1-7] с химическими источниками тока (ХИТ) является то, что при питании электрическим током светооптической аппаратуры буя энергетический ресурс ХИТ с течением времени уменьшается. Это обуславливает снижение надежности и долговечности энергосистемы буя и необходимость периодической замены (не реже 2-3 раз в год) отработанных электрохимических батарей на новые. Работы по замене батарей трудоемки и дороги, так как для осуществления такой операции необходима доставка новых батарей обеспечивающим судном к месту установки буя, подъем буя на палубу судна, разборка контейнеров с отработанными батареями, замена элементов на новые, монтаж буя и постановка его в заданную точку на акватории.
Известны также системы, использующие для подзарядки ХИТ энергию солнечной радиации (патенты RU №2028558, 1992 [8], №2377472, 2008 [9], №2476783, 2013 [10]). Данные солнечные энергетические установки (солнечные батареи) изготовлены из фотоэлектрических преобразователей с концентрирующими линзами Френеля, которые значительно повышают КПД фотоэлектрических элементов (на лучших образцах до 35-37% по сравнению с традиционными 12-15%).
Применительно к плавучим средствам навигационного оборудования (СНО) недостатком данных солнечных модулей с гелиоконцентраторами является то, что они расположены на рамных панелях значительного размера и имеют сложное электронно-кинематическое устройство слежения за видимым движением Солнца по высоте и горизонту. Установка подобных систем на буях, которые произвольно качаются и вращаются под воздействием волн, технически невозможна.
Прототипом, наиболее близким к предлагаемой конструкции навигационного буя с комплексной энергоустановкой в качестве солнечного модуля, может быть принята солнечная энергетическая установка, специально разработанная для зрительных СНО (патент RU №2382935, 2010 [11]). Данная установка с термоэлектрическим генератором предназначена для зрительных средств навигационного оборудования, содержит светооптическое устройство, автономный источник электропитания (аккумулятор) и подзарядное энергетическое устройство с механизмом подключения его к данному источнику, при этом она снабжена в качестве подзарядного устройства термоэлектрическим преобразователем (термоэлектрическим генератором), преобразующим тепловую энергию Солнца в электрическую и помещенным внутри гелиоконцетратора, функции которого выполняет оптическое устройство на основе линзы Френеля, жестко закрепленное в шейке каустики (фокусе) гелиоконцентратора. Изобретение должно обеспечить упрощение конструкции, повышение надежности, долговечности и процесса эксплуатации на объектах СНО.
Данная установка компактна, освобождена от необходимости слежения за положением Солнца, имеет в своем составе электрохимический аккумулятор и подзарядное устройство, представляющее собой термоэлектрический генератор (ТЭГ), помещенный под концентрирующей солнечные лучи линзой. Выработанное ТЭГ электричество системой управления подается в накопитель энергии (аккумулятор), который обеспечивает электроэнергией светодиодный излучатель буя в темное время суток.
Недостатком прототипа [11] является крайне низкий КПД всех известных на сегодня термоэлектрических преобразователей (не более 7-8%), а главное - невозможность решения проблемы круглогодичного бесперебойного энергообеспечения светотехнической системы буя посредством данной солнечной энергетической установки без ее дублирования другим источником тока. Условия прихода суммарной солнечной радиации во всех морях России таковы, что делают данную установку гарантированно работоспособной только в период с апреля по сентябрь.
Известны также системы, использующие для подзарядки ХИТ энергию морских волн. Наибольшее распространение получили волновые энергетические установки, использующие вынужденные вертикальные колебания буя, вызванные воздействием морского волнения. Наиболее известны такие волновые установки, как «поплавок с гидротурбиной», использующий вращение рабочего колеса гидротурбин при вертикальных перемещениях в водной среде и «пневмобуй Масуды», использующий для вращения рабочего колеса воздушных турбин движение воздуха, которое возникает под воздействием осциллирующего водяного столба внутри полости буя при его вертикальных колебаниях (патенты RU №2577942 С1, 20.03.2016 [12], RU №2078249 С1, 27.04.1997 [13], RU №2399546 С2, 20.12.2009 [14], RU №2386051 С2, 10.04.2004 [15], CN №102606375 А, 25.07.2012 [16], CN №102678429 А, 19.09.2012 [17]).
Так, например, известное техническое решение [12] относится к области восполняемых источников энергии и может быть использовано для волноизмерительных и навигационных буев. Установка для восполнения энергии морских буев содержит плавучий корпус, в котором расположена опора в виде рамы с направляющими, по которым передвигается инерционное тело, имеющее упругую подвеску. Подвеска снабжена установленными в верхней части рамы двумя блоками. В нижней части рамы установлена система воздушного демпфирования, имеющая корпус, поршень и выходное отверстие с изменяемым диаметром. Один из блоков соединен с генератором. Аккумулятор соединен с генератором через трансформатор с изменяющимся коэффициентом трансформации и диодный выпрямитель. Вычислитель соединен с выходом генератора и аккумулятором. Шаговый двигатель соединен с вычислителем и устройством изменения диаметра отверстия системы воздушного демпфирования. Изобретение направлено на повышение КПД установки, повышение надежности и увеличение ресурса работы установки за счет снижения износа механических деталей и исключения перезаряда аккумулятора.
Недостатком приведенных вариантов является низкая чувствительность даже самых современных как воздушных, так и гидротурбин, способных гарантированно вырабатывать электрический ток только при скоростях воздушного или водного потока более 1 м/с. Это условие не всегда выполняется буем, совершающим хаотичные вертикальные колебания на волнении различного характера. Также неизбежны потери энергии при преобразовании механической энергии вращения ротора турбин в электрическую.
Кроме того, известны специально разработанные для плавучих СНО волновые энергетические установки, использующие в качестве рабочего элемента инерционное тело (патенты RU №2388933, 2010 [18], №2467911, 2012 [19]).
Недостатком волновых энергетических установок с инерционным рабочим телом [12, 13, 18, 19] является их перегруженность кинематическими элементами, сложность конструкции, а главное - возможность эффективной работы только в условиях резонансных колебаний буя. Например, самый распространенный на сегодня морской буй типа БМБЛ имеет резонансные колебания при высоте волны 59 см. Во всех остальных случаях волнения отбор мощности значительно ниже номинального.
Известен также навигационный буй (патент RU №2489301, 10.08.2013 [20]), который содержит обтекаемый герметичный корпус, разделенный водонепроницаемыми переборками на отсеки, светооптическую аппаратуру на светодиодах, расположенную в головной части корпуса буя, и стабилизирующий балласт. Во внутренней полости корпуса установлена цилиндрическая емкость, по оси которой в направляющих, прикрепленных к цилиндрической емкости, перемещается шток, на конце штока установлен стабилизирующий балласт, на штоке неподвижно закреплена упорная площадка, которая опирается на пружину, расположенную между одной из направляющих штока и упорной площадкой. В средней части на штоке установлен ротор с постоянными магнитами линейного электрического генератора, статор линейного электрического генератора закреплен на внутренней поверхности цилиндрической емкости, обмотка статора генератора соединена со входом зарядного устройства, а выход зарядного устройства соединен с аккумулятором, от которого питается светооптическая аппаратура. По второму варианту к цилиндрической емкости неподвижно прикреплен стабилизирующий балласт, шток прикреплен одним концом к герметичному корпусу буя, на штоке неподвижно закреплена упорная площадка, в верхней части штока между верхней направляющей и упорной площадкой установлена пружина. Технический результат заключается в увеличении мощности энергетической установки буя, упрощении его конструкции.
В данной установке в электрическую энергию преобразуется не механическая энергия, накопленная инерционным телом (маятником), а механическая энергия вертикального движения корпуса буя совместно со статором линейного электрического генератора относительно стабилизирующего балласта (груза-противовеса) при подъеме буя на гребень волны под действием силы Архимеда. При спуске буя с гребня волны в электрическую энергию преобразуется механическая энергия вертикального движения стабилизирующего балласта (с присоединенным к нему штоком-ротором) относительно корпуса буя и статора линейного электрического генератора под действием силы тяжести стабилизирующего балласта.
Недостатком прототипа является чрезмерный вес стабилизирующего балласта (предлагается использовать груз-противовес в 50 кг, что крайне затруднит техническое обслуживание волновой установки буя непосредственно в море), наличие в конструкции пружины, жесткость которой с течением времени изменяется. Самым «слабым местом» данной конструкции является сальник, который должен обеспечивать герметичность рабочего отсека установки при размещении груза-противовеса вне герметичного корпуса буя. Следует учесть, что осадка буя типа БМБЛ достигает 5 м (давление воды 0,5 атм). Плотный сальник, необходимый на таком заглублении, не позволит осуществить свободное перемещение штока-ротора, а с течением времени сальник начнет подтекать. Кроме того, как и в случае с солнечной установкой, остаются нерешенными проблемы круглогодичного бесперебойного энергообеспечения светотехнической системы буя посредством только данной волновой энергетической установки без ее дублирования другим источником тока, поскольку в летнее время года часты периоды затяжных штилей и волнение на море отсутствует.
Аналогами известного навигационного буя [20] являются аналогичные устройства (патенты GB №1271490 А, 19.04.1972 [21], KR №20110132742 А, 09.12.2011 [22], JP №6280733 А, 04.10.1994 [23], RU №2007130120 А, 20.02.2009 [24], RU №88744 U1, 20.11.2009 [25], CN №201797431 U, 13.04.2011 [26], RU №2399546 С2, 20.09.2010 [27], RU №113234 U1, 10.02.2012 [28]), обладающие теми же самыми недостатками, что и известный навигационный буй.
Задачей предлагаемого технического решения является создание автономной комплексной энергетической установки для плавучих средств навигационного оборудования (СНО), способной обеспечить круглогодичное бесперебойное энергообеспечение светотехнических систем морских и океанских буев широкого назначения за счет использования возобновляемых источников энергии. При этом технический результат заключается в увеличении мощности энергетической установки буя, упрощении его конструкции. В качестве прототипа выбраны известные технические решения [11] и [20].
Поставленная задача решается за счет того, что в навигационном буе с комплексной энергоустановкой, содержащем обтекаемый герметичный корпус, разделенный водонепроницаемыми переборками на отсеки, светооптическую аппаратуру на светодиодах, расположенную в головной части корпуса буя, солнечную энергетическую установку, состоящую из светооптического устройства, автономный источник электропитания (аккумулятор) с подзарядным энергетическим устройством с механизмом подключения его к данному источнику, преобразующим тепловую энергию Солнца в электрическую и помещенным внутрь гелиоконцетратора, функции которого выполняет оптическое устройство на основе линзы Френеля, исключающее необходимость использования системы слежения за видимым движением Солнца и позволяющее преломлять и фокусировать направленное солнечное излучение независимо от положения Солнца по горизонту и высоте и жестко закрепленное в шейке каустики (фокусе) гелиоконцентратора, волновую энергетическую установку, установленную во внутренней полости корпуса буя, содержащую цилиндрическую емкость, по оси которой в направляющих, прикрепленных к цилиндрической емкости, перемещается шток, на конце штока установлен стабилизирующий балласт, а в средней части на штоке установлен ротор с постоянными магнитами линейного электрического генератора, статор линейного электрического генератора закреплен на внутренней поверхности цилиндрической емкости, обмотка статора генератора соединена с входом зарядного устройства, а выход зарядного устройства соединен с аккумулятором, от которого питается светооптическая аппаратура, согласно изобретению введена еще одна солнечная энергетическая установка, выполненная в виде сферы, установленная по периметру светодиодного излучателя и соединенная с аккумулятором, стабилизирующий балласт выполнен полым в виде поплавка.
Такое устройство навигационного буя позволяет реализовать комплексную энергетическую установку для плавучих средств навигационного обеспечения, которая основана на совместном использовании энергий Солнца и морских волн, находящихся в природной противофазе (максимум солнца летом, максимум волнения зимой). Предлагаемая установка максимально упрощена по своей конструкции и освобождена от излишней кинематики. В состав комплексной энергетической установки включены два модуля - солнечный и волновой.
Солнечный модуль располагается на топе навигационного буя и собран на сферическом основании из миниатюрных фотоэлектрических элементов (диаметром не более 50 мм), каждый из которых снабжен своей концентрирующей линзой Френеля. При такой компоновке отпадает необходимость слежения за Солнцем по высоте и горизонту, поскольку в любой момент времени, независимо от положения Солнца и произвольно качающегося буя, часть фотоэлектрических элементов все равно сориентирована на Солнце и вырабатывает электроэнергию. Выработанное солнечным модулем электричество системой управления подается в накопитель энергии (аккумуляторный блок), который обеспечивает электроэнергией светодиодный излучатель буя в темное время суток.
Введенная еще одна солнечная энергетическая установка, выполненная в виде сферы, установленная по периметру светодиодного излучателя и соединенная с аккумулятором, при отсутствии солнечных лучей позволяет вырабатывать электроэнергию при преобразовании светового потока от светодиодного излучателя. Данная солнечная батарея может быть также собрана на сферическом основании из миниатюрных фотоэлектрических элементов (диаметром не более 50 мм), каждый из которых снабжен своей концентрирующей линзой Френеля.
Волновой модуль располагается в двух смежных внутренних отсеках буя. В нижний (хвостовой) отсек встроена выгородка (полость) в виде г-образной трубы, не нарушающей плавучести и остойчивости буя и имеющей свободный доступ морской воде снизу и атмосферному воздуху сверху, выше максимально возможной ватерлинии буя. Внутри трубы находится не массивный груз-противовес, а поплавок жестко скреплен с вертикальным штоком из немагнитного материала. Верхняя часть штока через направляющую втулку выведена в сухой смежный отсек буя и снабжена постоянными магнитами, выполняющими функцию ротора линейного электрического генератора (соленоида). Статор линейного электрогенератора жестко скреплен с корпусом буя или межотсечной переборкой и вырабатывает электрический ток при любых вертикальных перемещениях штока-ротора и поплавка, вызванных осциллирующим водяным столбом внутри г-образной трубы, в которую помещен поплавок, при наличии волнения на море. Выработанное волновым модулем электричество системой управления подается в накопитель энергии (аккумуляторный блок), который обеспечивает электроэнергией светодиодный излучатель буя в темное время суток.
На чертеже схематично изображены вид и принципиальная блок-схема комплексной солнечно-волновой энергетической установки плавучего средства навигационного оборудования с расположением внутри его корпуса предлагаемых технических элементов и их структурные соединения.
Данная установка имеет в своем составе:
1 - набор миниатюрных фотоэлектрических элементов, снабженных линзами Френеля и собранных на сферическом основании (солнечный модуль);
2 - светодиодный излучатель (источник света буя);
3 - система управления и аккумуляторный блок комплексной солнечно-волновой энергетической установки с подзарядным энергетическим устройством и с механизмом подключения его к данному источнику;
4 - внутренняя труба-полость волнового модуля, расположенная в нижнем (хвостовом) отсеке буя;
5 - поплавок;
6 - шток-ротор линейного электрического генератора;
7 - направляющая втулка;
8 - статор линейного электрического генератора (соленоид), расположенный в сухом отсеке буя и жестко скрепленный с корпусом буя или межотсечной переборкой;
9 - датчик наружной освещенности (фотодатчик);
10 - введенная солнечная батарея.
Работа комплексной солнечно-волновой энергетической установки навигационного буя осуществляется следующим образом.
В светлое время суток, независимо от положения Солнца и ориентации буя, определенная часть миниатюрных фотоэлектрических элементов солнечного модуля 1 вырабатывает электрический ток, который системой управления направляется для накопления в аккумуляторный блок 3. Режим работы аккумуляторного блока в этом случае циклический (днем - заряд АКБ, в темное время суток - разряд на светодиодный излучатель 2).
Параллельно, в любое время суток при наличии волнения на море, в работу включается волновой модуль. Вертикальные перемещения буя на волне вызывают колебания вверх-вниз водяного столба внутри полой трубы 4. В свою очередь, колебания водяного столба вызывают вертикальные перемещения поплавка 5 с жестко скрепленным с ним штоком-ротором 6. Верхняя часть штока-ротора через направляющую втулку 7 выведена в смежный сухой отсек буя, в котором расположен и жестко скреплен с корпусом буя или межотсечной переборкой статор линейного электрического генератора (соленоид) 8. Рабочая часть штока-ротора 6, совершающая возвратно-поступательные движения внутри статора-соленоида 8, снабжена постоянными магнитами, за счет движения которых на обмотках статора 8 возникает электрический ток. Выработанное волновым модулем электричество системой управления направляется для накопления в аккумуляторный блок 3. Режим работы аккумуляторного блока в этом случае буферный, так как в темное время суток электричество, выработанное волновым модулем, подзаряжает АКБ, расходующий электроэнергию на светодиодный излучатель 2.
Команду на включение в работу светодиодного излучателя 2 подает датчик наружной освещенности (фотодатчик) 9 при достижении уровня освещенности горизонтальной поверхности в 350 млк (общее требование к навигационным огням).
Солнечная батарея 10 предназначена для использования ее в качестве дополнительного средства выработки электрического тока путем преобразования солнечного света, а при его отсутствии путем преобразования светового потока от светодиодного излучателя 2 в электрический ток.
Установка должна обеспечить экологическую чистоту, надежность, долговечность, упрощение процесса эксплуатации плавучих объектов СНО и предохранить составные элементы комплексной энергетической установки от внешних повреждений и проявлений вандализма.
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных источников информации не выявлено описаний не только подобной комплексной энергетической системы в целом, но и ее составных частей.
Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из ранее опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленные отличительные технические признаки солнечной и волновой энергетических установок при их комплексном использовании могут существенно повысить надежность, долговечность и значительно упростить и удешевить процесс эксплуатации плавучих СНО.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы стандартные плавучие средства навигационного оборудования (буи), традиционные технологии по изготовлению фотоэлектрических элементов, линз Френеля к ним и линейных электрических генераторов, а также стандартное оборудование и приспособления для модернизации этих средств.
Источники информации
1. Патент US №3794907.
2. Патент US №3818312,1974.
3. Патент GB №1357427, 1974.
4. Патент GВ №1368202, 1974.
5. Патент FR №2193284, 1974.
6. Патент FR №2215743, 1974.
7. Авторское свидетельство SU №586533, 1978.
8. Патент RU №2028558, 1992.
9. Патент RU №2377472, 2008.
10. Патент RU №2476783, 2013.
11. Патент RU №2382935, 2010.
12. Патент RU №2577942 С1, 20.03.2016.
13. Патент RU №2078249 С1, 27.04.1997.
14. Патент RU №2399546 С2, 20.12.2009.
15. Патент RU №2386051 С2, 10.04.2004.
16. Патент CN №102606375 А, 25.07.2012.
17. Патент CN №102678429 А, 19.09.2012.
18. Патент RU №2388933, 2010.
19. Патент RU №2467911, 2012.
20. Патент RU №2489301, 10.08.2013.
21. Патент GB №1271490 А, 19.04.1972.
22. Патент KR №20110132742 А, 09.12.2011.
23. Патент JP №6280733 А, 04.10.1994.
24. Заявка RU №2007130120 А, 20.02.2009.
25. Патент RU №88744 U1, 20.11.2009.
26. Патент CN №201797431 U, 13.04.2011.
27. Патент RU №2399546 С2, 20.09.2010.
28. Патент RU №113234 U1, 10.02.2012.