Поплавковая волновая электростанция

Полезная модель относится к области электротехники, может использоваться 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 «Волновая энергетическая установка» (Патент РФ №2440510, МПК F03B 13/18, 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.
Известна «Поплавковая волновая электростанция» (Патент РФ №2513070, МПК F03B 13/18, 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.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является «Поплавковая волновая электростанция (Патент РФ №205664, МПК F03 13/18, опубл. 22.07.2021), содержащая два поплавка, два штока, электрический генератор, два блока, два барабана, закрепленные на общем валу с двумя свободными концами, а также мультипликатор и стойку с подшипником. На каждый барабан намотан трос. Направление намотки тросов на первый и второй барабаны противоположное. Свободный конец каждого троса соединен с концом штока. Второй конец штока жестко соединен с поплавком. Возвратно-поступательные движения поплавков приводят в движение барабаны, размещенные на одном валу, соединенным механически с входным валом мультипликатора. Выходной вал мультипликатора соединен механически с валом электрического генератора и приводит его во вращение.
Барабаны и ротор электрического генератора меняют направление вращения два раза за один период волны. В результате этого амплитуда напряжения электрического генератора не остается постоянной на интервале периода морской волны, а промодулирована огибающей кривой, частота которой двукратна частоте следования морской волны, что приводит к понижению эффективности преобразования энергии морских волн в электрическую энергию и ухудшению массогабаритных показателей поплавковой волновой электростанции.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение постоянства амплитуды и частоты генерируемого напряжения на всем временном интервале периода морской волны.
Задачей является создание поплавковой волновой электростанции, обеспечивающей непрерывное вращение ротора электрического генератора с высокой скоростью без изменения направления вращения.
Техническим результатом является повышение эффективности работы и улучшение массогабаритных показателей поплавковой волновой электростанции.
Технический результат достигается тем, что поплавковая волновая электростанция, содержащая поплавок, электрический генератор, стойку с подшипником, мультипликатор, выходной вал которого соединен с валом электрического генератора, и шток, один конец которого жестко соединен с поплавком, дополнительно снабжена диском с валом и пазом, причем паз расположен в радиальном направлении диска, в пазу размещена кинематическая пара винт-гайка с упором, закрепленным на гайке и размещенным от центра вращения диска на расстоянии, равном амплитуде волны, и планкой с продольным пазом, в котором размещен свободный конец упора, при этом планка с продольным пазом жестко соединена с вторым концом штока и размещена плоскопараллельно диску, вал диска размещен в подшипнике стойки и соединен с входным валом мультипликатора.
Существенные отличия, позволяющие реализовать технический результат:
поплавок, шток и планка с продольным пазом совершают возвратно-поступательные перемещения и оказывают силовое воздействие на упор, закрепленный на диске;
сила, действующая на упор, приводит во вращение диск, преобразуя возвратно-поступательное движение поплавка во вращательное движение диска, причем диск вращается в одном направлении с постоянной скоростью независимо от направления движения поплавка (вверх или вниз);
перемещение планки с продольным пазом вдоль диска снизу вверх или сверху вниз равно расстоянию, равному двойной амплитуде волны;
положение упора относительно центра вращения диска устанавливается с помощью кинематическая пара винт-гайка равным амплитуде волны;
ротор электрического генератора вращается с высокой и постоянной скоростью независимо от направления движения поплавка (вверх или вниз);
амплитуда напряжения электрического генератора неизменна на всем периоде морской волны.
Благодаря перечисленным выше существенным отличиям повышается эффективность преобразования энергии морских волн в электрическую энергию, повышается использование электрического генератора по мощности и улучшаются его массогабаритные показатели. Регулирование положения упора относительно центра вращения диска с помощью кинематической пары винт-гайка позволяет с высокой точностью установить положение упора относительно центра вращения диска равным амплитуде волны, обеспечивающее наибольшую эффективность преобразования энергии морских волн в электрическую энергию.
Сущность полезной модели поясняется чертежами,
где на фиг. 1 приведена конструктивная схема поплавковой волновой электростанции (вид спереди);
на фиг. 2 приведена конструктивная схема поплавковой волновой электростанции (вид сбоку);
на фиг. 3 - конструктивная схема диска с пазом и кинематической парой винт-гайка и введены следующие обозначения:
1 - поплавок;
2 - диск с валом;
3 - планка с продольным пазом;
4 - упор;
5 - шток;
6 - стойка с подшипником;
7 - мультипликатор;
8 - электрический генератор;
9 - паз диска;
10- винт;
11 - гайка;
12 - основание электростанции;
13 - опорные стойки.
Устройство содержит поплавок 1, диск 2, планку с продольным пазом 3 и упор 4, закрепленный на диске 2. Поплавок 1 соединен штоком 5 с планкой с продольным пазом 3. Вал диска 2 закреплен в подшипнике стойки 6 и соединен с входным валом мультипликатора 7. Выходной вал мультипликатора 7 соединен с валом электрического генератора 8. Диск с валом 2 выполнен с пазом 9, расположенным в радиальном направлении, при этом в пазе 9 размещена кинематическая пара винт 10 - гайка 11, а упор 4 размещен на гайке 11.
Стойка с подшипником 6, мультипликатор 7 и электрический генератор 8 установлены на основании электростанции 12, которое закреплено на опорных стойках 13 над морской поверхностью на расстоянии не менее максимальной амплитуды волны. Нижние концы опорных стоек 13 закреплены в фундаменте электростанции.
Устройство работает следующим образом.
При движении поплавка 1, например, от впадины волны до ее вершины, в том же направлении перемещаются шток 5 и планка с продольным пазом 3, оказывая силовое воздействие на упор 4. Упор 4 совершает движение по окружности, радиус которой Ry равен расстоянию упора 4 от центра вращения диска с валом 2, которое в свою очередь равно амплитуде волны. Вращение диска с валом 2 передается на входной вал мультипликатора 7, выходной вал которого передает вращение ротору электрического генератора 8. При перемещении поплавка 1 от впадины волны до ее вершины на расстояние равное двойной амплитуде морской волны 2АВ, планка 3 с продольным пазом также перемещается на расстояние, равное двойной амплитуде морской волны, а упор 4 совершает движение по окружности, диаметр которой также равен двойной амплитуде морской волны и равен 2Ry.
При работе поплавковой волновой электростанции в условиях изменения амплитуды волны, необходимо регулировать радиус Ry. При вращении винта 10 гайка 11 должна быть размещена от центра вращения диска на расстояние, равном амплитуде волны в новых условиях работы.
При вращении ротора электрического генератора, на котором размещены постоянные магниты, силовые линии магнитного поля ротора пересекают проводники обмотки статора и наводят в них ЭДС, частота которой ƒ равна
ƒ=n2*рп/60, Гц,
где n2 - скорость вращения ротора электрического генератора, об/мин;
рн - число пар полюсов электрического генератора.
Скорость вращение ротора генератора n2 больше скорости вращения диска n1 в ip раз, где ip - передаточное отношение мультипликатора, ip=n2/n1.
Скорость вращения диска равна
n1=60*ƒв=60/Тв, об/мин,
где Тв - период морской волны, с.
При увеличении передаточного отношения мультипликатора 7 увеличивается скорость вращения ротора электрического генератора 8 и, в результате этого, уменьшаются геометрические размеры и масса электрического генератора и поплавковой волновой электростанции в целом. Действительно, основные размеры электрической машины обратно пропорциональны скорости вращения ее ротора (Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л. «Энергия». 1974. С. 840, стр. 95)
где  - объем, ограниченный активной поверхностью расточки статора;
эм
Р - электромагнитная мощность генератора, ВА;
А - линейная нагрузка, А/м;
δ max
В - индукция в зазоре между магнитопроводами статора и ротора, Тл;
n2 - скорость вращения ротора, об/мин;
k - коэффициент;
- длина (толщина набора электротехнической стали) магнитопровода статора генератора, м;
D - диаметр расточки статора электрической машины, м.
Из рассмотренного выше следует, что заявляемая поплавковая волновая электростанция преобразует энергию морских волн в электрическую энергию с высоким и постоянным уровнем эффективности без перерывов во времени и обладает лучшими массогабаритными характеристиками по сравнению с поплавковой волновой электростанцией, принятой за прототип, за счет обеспечения непрерывности вращения ротора электрического генератора с высокой скоростью без изменения направления вращения.