ГИДРОПРИВОД ПОПЛАВКОВОЙ ВОЛНОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности, к устройствам для преобразования возвратно-поступательного линейного движения груза колебательного механизма в однонаправленное вращение ведомого звена, применяемым в поплавковых волновых электростанциях.
Большинство конструкций, преобразующих возвратно-поступательное движение, инициированное колебательным движением волн, во вращательное движение, основано на использовании зубчато-реечных или тросо-блочных передаточных механизмов. При этом конструкция самого поплавка, обеспечивающая преобразование колебательного движения водной поверхности в относительное перемещение элементов привода, как правило, базируется на двухмодульной схеме. Модули имеют между собой подвижное соединение и различаются свойствами плавучести или другими характеристиками. Различие колебательных свойств обеспечивает различный характер колебательного движения устройств и, соответственно, принудительное перемещение их друг относительно друга с максимально возможной амплитудой.
Характерным примером такого подхода служит Патент РФ №2141057, согласно которому поплавок выполнен из двух цилиндрических емкостей, одна из которых частично заполнена водой и имеет положительную плавучесть, а вторая имеет плавучесть близкую к нулевой. К последней прикреплена зубчатая рейка, которая входит в зацепление с мультипликатором, соединенным с электрогенератором. Мультипликатор и генератор размещены в первой емкости в герметичном отсеке. За счет разницы в плавучести, емкости на волне совершают колебания с различной амплитудой, что приводит к относительному движению рейки и шестерни мультипликатора.
Данное техническое решение обладает рядом существенных недостатков. Необходимо уплотнение между рейкой и герметичным отсеком, что усложняет конструкцию и делает ее малонадежной. Амплитуда движения рейки зависит от разницы амплитуд колебаний емкостей и может быть весьма малой, что делает устройство неэффективным. Отсутствует накопитель энергии. Устройство может использовать узкий диапазон волновых колебаний и не эффективен при малой высоте волны.
Другое аналогичное устройство раскрыто в Патенте Великобритании №2492669. Поплавок образован двумя соосно размещенными емкостями цилиндрической формы, одна из которых размещена внутри другой. Во внутренней емкости размещены электрогенераторы с установленными на валах шестернями, входящими в зацепление с зубчатой рейкой, закрепленной во внешней емкости. Недостатком такой конструкции служит ограниченные возможности относительного перемещения элементов приводного механизма и, как следствие низкий к.п.д. преобразования энергии. Другим недостатком является необходимость наличия уплотнений между рейкой и внутренней емкостью, что увеличивает потери на трение и снижает надежность конструкции.
Свободным от недостатка необходимости уплотнений между подвижными элементами является преобразователь энергии по патентной заявке США №2012/0312106. Данная конструкция выполнена в закрытом корпусе, который воспринимает внешние колебательные воздействия. Внутри корпуса размещена платформа, на которой жестко закреплен генератор с редуктором и зубчатая рейка на пружинном подвесе, которая может перемещаться относительно платформы и корпуса. Верхняя часть рейки имеет зубчатое зацепление с шестерней редуктора, а к нижней части рейки прикреплен груз. Колебательные движения корпуса передаются через пружинный подвес рейке, которая, в свою очередь, совершает возвратно-поступательное движение благодаря автоколебательной системе пружина-рейка-груз. Это движение вращает шестерню редуктора и соединенный с последним генератор. Известная конструкция также имеет небольшой ход рейки и реверсивный характер вращения генератора. Кроме того, такая конструкция может быть оптимизирована только под достаточно узкий диапазон значений внешних воздействий из-за фиксированных характеристик пружины и груза. В данной конструкции также не предусмотрен накопитель энергии.
Альтернативой зубчато-реечному принципу преобразования движения является тросо-блочная система.
В патентной заявке США №2009/0146429 раскрыта конструкция преобразователя энергии волн, выполненного в виде поплавка, состоящего из двух соосных плавучих тел, подвижных относительно друг друга. Внутренне тело содержит подпружиненную массу, а трансформация относительного движения тел во вращательное осуществляется через тросо-блочный механизм.
Недостатками устройства выступают те же факторы, что и для реечного механизма. Кроме того, существенным недостатком является то, что механизмы расположены снаружи поплавков и подвержены внешнему воздействию, что существенно снижает их работоспособность и надежность.
В патентной заявке Японии №2002-285946 описано устройство, в котором также применен тросо-блочный механизм, размещенный внутри поплавка. Причем к свободным концам тросов прикреплены противовес и каретка с направляющими. Передача движения к генератору осуществляется через гидравлическую систему с гидронасосом.
К недостаткам системы относятся сложность механизма передачи движения от поплавка к генератору, обуславливающая большие внутренние потери, и низкая надежность тросо-блочной системы с противовесами.
В конструкции преобразователя энергии волн по патентной заявке США №2012/0247098 предусмотрен накопитель энергии в виде пневмо-гидравлического аккумулятора, гидравлически соединенного с гидромотором, привод которого соединен с шестерней, зацепленной с зубчатой рейкой. С этой же рейкой через вторую шестерню соединен электрогенератор. К рейке прикреплен груз, установленный на направляющих, с возможностью перемещения вдоль них. Направляющие установлены внутри корпуса поплавка. Роль пружины, обеспечивающей автоколебания системы выполняет пневмо-гидравлический аккумулятор.
Недостатки данной конструкции также обусловлены недостатками зубчато-реечной схемы привода.
Все указанные устройства имеют сложные кинематические схемы функционирования, что существенно снижает надежность конструкции, повышает ее стоимость и обуславливает большие внутренние потери энергии на работу механизмов.
Более перспективными в плане упрощения конструкции и повышения их надежности и эффективности выступают устройства на основе гидравлических турбинных приводов.
Известен гидропривод поплавковой волновой электростанции выполненный в виде поплавка с турбиной, вал который соединен с электрогенератором (патентная заявка США №2009211241).
Данное устройство имеет низкую эффективность вследствие небольшого напора воды при воздействии на свободно плавающую турбину.
Известно устройство привода поплавковой волновой электростанции, выполненное в виде поплавка с прикрепленными к нему горизонтально расположенными турбинами, приводимыми во вращение при колебаниях поплавка в водной среде (патентная заявка США №2012112462).
Устройство имеет низкую эффективность вследствие небольшого напора воды при воздействии на турбины.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому служит гидропривод поплавковой волновой электростанции для электрогенератора включающий поплавок, в котором закреплен корпус в форме тела вращения с расположенной в его средней части турбиной, вал которой установлен соосно продольной оси корпуса и соединен с генератором электрической энергии (международная публикация № WO 2004067951).
Недостатком этого привода является низкая эффективность из-за недостаточного напора воды, подающейся к турбине в виде свободного потока. При этом, вращение вала генератора имеет прерывистый характер вследствие смены направления потока при колебаниях поплавка и необходимости использования обгонной муфты для предотвращения холостого хода.
Техническим результатом достигаемым предлагаемой полезной моделью является повышение напора воды, подаваемой к турбине и повышение равномерности вращения вала генератора.
Технический результат достигается тем, что гидропривод приводится в движение колебательным механизмом, прикрепленным к корпусу модуля поплавковой волновой электростанции, а груз механизма, совершающий линейные перемещения, соединен с цилиндрическим корпусом гидропривода. При этом, возвратно-поступательное движение днищ корпуса гидропривода обеспечивает осциллирующую прокачку рабочей жидкости через гидротурбину, при этом достигается однонаправленное вращение оси привода электрогенератора.
Корпус гидропривода выполнен в виде закрытого и заполненного более чем наполовину жидкостью цилиндра, днища которого имеют возможность перемещения вдоль образующих цилиндра, а стенки цилиндра выполнены в виде сильфонов.
В процессе колебательного движения формируются потоки жидкости, перемещающиеся попеременно снизу вверх и сверху вниз. Эти потоки попеременно направляются лопатками верхнего и нижнего сопловых аппаратов на рабочее колесо турбины ортогонально ее оси. В результате разнонаправленное движение потоков жидкости преобразуется в однонаправленное вращение колеса турбины.
Груз колебательного механизма, выполненный в виде осесимметричного массивного маховика и насаженный на единый с рабочим колесом турбины вал вращения, является одновременно и динамическим инерционным накопителем энергии.
Указанные отличительные признаки существенны.
Выполнение корпуса в виде заполненного более чем наполовину жидкостью цилиндра с подвижными днищами, одно из которых подпружинено относительно поплавка, обеспечивает высоконапорное протекание жидкости через направляющие лопатки соплового аппарата с воздействием на лопатки вращающегося рабочего колеса турбины при колебаниях поплавка.
На рисунке представлена схема гидропривода модуля поплавковой волновой электростанции с увеличенным фрагментом расположения лопаток соплового аппарата и рабочего колеса турбины.
На валу 1 рабочего колеса турбины 2 установлен динамический инерционный накопитель энергии, который может быть выполнен в виде массивного диска 3. Вал 1 соединен с электрогенератором 4. Турбина 2 состоит из рабочего колеса 8, насаженного на вал 1 и двух сопловых аппаратов 5 и 6, жестко прикрепленных к корпусу 7. Лопатки 9 сопловых аппаратов 5 и 6, а также лопатки 10 рабочего колеса 8 выполнены так, чтобы при разнонаправленном движении формируемых потоков жидкости достигалось однонаправленное вращение вала турбины, электрогенератора и динамического инерционного накопителя энергии. Использование в устройстве динамического накопителя сглаживает изменения характеристик вращения вала турбины, что уменьшает потери на ускорение турбины при смене направления потока воды и делает работу более устойчивой. Стенки цилиндра имеют вид сильфонов 11. Днища 12 и 13 корпуса 7 установлены с возможностью перемещения вдоль образующих цилиндра корпуса 7. Последний заполнен более чем наполовину жидкостью 14. Днище 12 подпружинено с помощью пружины 15 относительно поплавка 16.
Гидропривод работает следующим образом.
Колесо 8 турбины 2 приводится в движение потоками жидкости, перемещающимися попеременно снизу вверх и сверху вниз. Потоки жидкости направляются лопатками 9 сопловых аппаратов 5 и 6 на лопатки 10 рабочего колеса 8 турбины 2 ортогонально ее оси. В результате разнонаправленное движение потоков жидкости преобразуется в однонаправленное вращение рабочего колеса 8 турбины 2.
Потоки жидкости формируются в процессе попеременного вытеснения ее из нижней и верхней частей цилиндрического корпуса гидропривода 7, стенки которого представляют собой сильфоны 11 (гофрированные резинокордовые оболочки). Сильфоны 11 позволяют в процессе работы одновременно увеличивать объем одной из частей корпуса 7 и уменьшать на ту же величину объем другой части. Нижний и верхний края сильфонов имеют жесткую связь с корпусом 7 и днищами 12 и 13. Они находятся в непрерывном колебательном движении относительно поплавка 16, приводя жидкость 14 в движение.
Таким образом, данный осциллирующий гидропривод позволяет преобразовывать колебательное движение поплавка 16 в однонаправленное вращение рабочего колеса 8 турбины 2, а далее электрогенератора 4 и, тем самым, повысить эффективность результирующего преобразования энергии волн в электроэнергию.