Поплавковая волновая электростанция

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при выработке электрической энергии путем преобразования механической энергии волн в электрическую энергию, передаваемую в системы электропитания метеобуев, буев связи, маяков и т.п.
Известна «Поплавковая волновая электростанция» (см. RU 2037642 C1, 19.06.1995, F03B13/16), содержащая вертикально расположенный герметичный цилиндрический корпус, размещенный в нем преобразователь энергии, выполненный в виде линейного электрогенератора, обмотки якоря которого расположены вдоль корпуса. Индуктор выполнен в виде инерционной массы с постоянными магнитами, установленными с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения посредством упругих элементов. Верхняя часть корпуса ограничена полусферой с радиусом, равным радиусу цилиндрической части, а нижняя сферой с радиусом, большим, чем последний. Обмотки якоря электрогенератора закреплены на внутренней стенке корпуса, а магниты индуктора объединены в кольцевые секции и размещены внутри обмоток якоря. В нижней сферической части корпуса установлен динамический инерционный накопитель энергии с электромеханическим приводом двустороннего действия, а частота собственных колебаний индуктора соизмерима с характерной частотой колебаний корпуса в воде.
Недостатками устройства является низкая эффективность преобразования механической энергии волн в электрическую энергию, вызванная малой величиной амплитуды и частоты ЭДС, наводимой в обмотке генератора, поскольку частота собственных колебаний индуктора соизмерима с характерной частотой колебаний корпуса в воде. Кроме этого, устройство содержит достаточно сложную механическую систему, что снижает надежность, ремонтопригодность и долговечность поплавковой волновой электростанции.
Известна «Поплавковая волновая электростанция» (см. RU 2513070 C1, 20.04.2014, F03B 13/18), 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 ослабляется и вследствие этого коэффициент сцепления троса с блоком снижается вплоть до нулевого значения, в результате трос проскальзывает и передача вращения на ротор генератора прекращается.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является «Поплавковая волновая электростанция» (см.RU 194378 U1, 09.12.2019, F03B13/18).
в
Поплавковая волновая электростанция, принятая за прототип, выполнена из трех однофазных генераторов, корпуса которых выполнены из сплошного ферромагнитного материала, имеют цилиндрическую форму и жестко связаны друг с другом. Корпус каждого однофазного генератора имеет две крышки, верхнюю и нижнюю, имеет также статор с обмоткой, индуктор, размещенный на штоке, и две пружины, прикрепленные к верхней и нижней крышкам корпуса. Верхняя крышка имеет отверстие с направляющей втулкой для штока. Шток каждого генератора жестко соединен с поплавком, общим для трех генераторов, и имеет возможность совершать возвратно-поступательные движения с периодом равным периоду колебания волны Т. Электрические обмотки, имеющие форму катушек и размещенные между кольцевыми сердечниками магнитопровода статора каждого генератора, расположены в пространстве строго параллельно друг другу, 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.
Недостатки известной полезной модели заключаются в том, что:
в
д.и
в
д.и
в
- период следования морских волн Т имеет длительность от 4 до 10 секунд, при этом частота возвратно-поступательного движения индуктора ƒ равна частоте следования волн ƒ, т.е. ƒ=ƒ, и составляет всего 0,1-0,25 Гц. Увеличение частоты ЭДС, генерируемой в обмотке генератора, до 5-10 Гц, достигнуто за счет электромагнитной редукции при увеличении длины активной зоны генератора и длины индуктора;
- магнитопровод каждого генератора содержит участки из сплошного ферромагнитного материала - это корпус генератора и кольцевые сердечники, размещенные между катушками обмотки статора, что приводит к уменьшению коэффициента полезного действия поплавковой волновой электростанции из-за увеличения потерь мощности в магнитопроводе каждого генератора, поскольку удельные потери мощности в сплошном ферромагнитном магнитопроводе значительно выше, чем в магнитопроводе, выполненном из листовой электротехнической стали;
- внутри корпуса каждого генератора находится вода, которая оказывает сопротивление движению индуктора, что также приводит к уменьшению коэффициента полезного действия из-за увеличения потерь мощности на преодоление сил сопротивления воды движению индуктора.
Задачей является создание поплавковой волновой электростанции с улучшенными энергетическими и масса-габаритными характеристиками.
Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия и уменьшение линейных размеров поплавковой волновой электростанции.
a
a
a
m
m
,
m
Технический результат достигается тем, что поплавковая волновая электростанция, содержащая три однофазных генератора, корпуса которых жестко соединены между собой, выполнены из ферромагнитного материала и имеют цилиндрическую форму с двумя крышками, нижней и верхней, в центре верхней крышке выполнено отверстие и установлена направляющая втулка для штока, внутри корпуса каждого однофазного генератора размещен статор с электрической обмоткой и индуктор с многополюсной магнитной системой, полюсное деление которой равно τ, две пружины, прикреплены одним концом к нижней и верхней крышкам корпуса, соответственно, и жестко соединенные между собой поплавок и шток, на котором закреплен индуктор с возможностью возвратно-поступательного движения, электрические обмотки всех генераторов, имеющие форму катушек, размещены между кольцевыми сердечниками магнитопровода статора каждого генератора и 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, между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью кольцевых сердечников магнитопровода статора и катушек электрической обмотки дополнительно установлен витой из листов электротехнической стали сердечник статора, а вокруг участка штока между поплавком и корпусом каждого генератора установлена водонепроницаемая гофрированная муфта, кольцевые сердечники магнитопровода статора также выполнены из листов электротехнической стали, нижняя и верхняя пружины каждого генератора свободными концами прикреплены к индуктору, суммарная высота катушек электрической обмотки каждого генератора вместе с кольцевыми сердечниками магнитопровода статора между ними равна двойной амплитуде гармонических колебаний подвижной части волновой поплавковой электростанции 2, а число этих катушек N рассчитывают по формуле N=2/τ где 2 - двойная амплитуда гармонических колебаний подвижной части поплавковой волновой электростанции, τ - длина полюсного деления.
0
m
0
в
a
Закрепление обеих пружин к индуктору и к крышкам корпуса позволяет подвижной части поплавковой волновой электростанции, обладающей суммарной массой равной m, совершать при нахождении поплавка во впадине волны (в воздухе) гармонические возвратно-поступательные движения с круговой частотой собственных колебаний ω и амплитудой . Причем круговая частота ω существенно выше круговой частоты волны ω и не зависит от нее.
Существенные отличия, позволяющие реализовать технический результат,:
- нижняя и верхняя пружины каждого генератора свободным концом прикреплены к индуктору, а другим концом - к соответствующей крышке корпуса;
- между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью кольцевых сердечников магнитопровода статора и катушек электрической обмотки установлен витой из листов электротехнической стали сердечник статора, кольцевые сердечники магнитопровода статора, установленные между катушками электрической обмотки, также выполнены из листов электротехнической стали;
- вокруг участка штока между поплавком и корпусом каждого генератора установлена водонепроницаемая гофрированная муфта, предотвращающая попадание воды внутрь корпуса каждого генератора.
а
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид одного из трех генераторов поплавковой волновой электростанции в разрезе вдоль вертикальной оси устройства, на фиг. 2 представлен участок продольного разреза статора и индуктора одного генератора, на фиг. 3 представлен график изменения амплитуды гармонических колебаний подвижной части поплавковой волновой электростанции во времени, =ƒ(ωt), при нахождении поплавка во впадине волны (в воздухе) и введены следующие обозначения:
1 - поплавок;
2 - шток;
3 - водонепроницаемая гофрированная муфта;
4 - направляющая втулка;
5 - корпус генератора;
6 - верхняя пружина;
7 - индуктор с магнитами кольцевой формы и кольцевыми ферромагнитными вставками;
8 - статор;
9 - витой из листов электротехнической стали сердечник статора;
10 - нижняя пружина;
11 - обмотка статора;
12 - кольцевой сердечник магнитопровода статора;
13 - кольцевой сердечник ферромагнитной вставка индуктора;
14 - кольцевой магнит индуктора;
15 - амплитуда гармонических колебаний подвижной части поплавковой волновой электростанции во времени.
Устройство содержит три однофазных генератора, корпуса которых имеют цилиндрическую форму, жестко связаны друг с другом, образуют единую конструкцию и содержат один, общий для трех генераторов, поплавок 1.
Поплавок 1 жестко закреплен на штоке 2. Вокруг участка штока между поплавком и корпусом каждого генератора установлена водонепроницаемая гофрированная муфта 3. Направляющая втулка 4 для штока 2 установлена на верхней крышке корпуса 5. Внутри корпуса 5 установлена верхняя пружина 6, которая закреплена к верхней крышке корпуса 5 и к индуктору 7. Индуктор 7 размещен внутри статора 8. Между наружной поверхностью статора 8 и внутренней поверхностью корпуса 5 установлен витой из листов электротехнической стали сердечник статора 9. Нижняя пружина 10 закреплена к нижней крышке корпуса 5 и к индуктору 7. Катушки электрической обмотки 11 размещены между кольцевыми сердечниками магнитопровода статора 12, выполненными из листов электротехнической стали. Магнитопровод индуктора 7 выполнен из кольцевых сердечников ферромагнитных вставок индуктора 13 и кольцевых магнитов 14.
Устройство работает следующим образом.
попл
пр
Перед началом движения поплавок 1 находится в воде. Подъемная сила поплавка F уравновешивается суммарной силой тяжести подвижной части поплавковой волновой электростанции G и суммарной силой растяжения нижних пружин и сжатия верхних пружин F:
попл
пр
пр
=
FG+F=mg+F,
где m - суммарная масса подвижной части поплавковой волновой электростанции;
g - ускорение свободного падения;
поп
инд
m=m+m,
поп
где m - масса поплавка;
инд
m - суммарная масса трех индукторов со штоками.
пр
Суммарная сила сжатия верхних пружин 6 и растяжения нижних пружин 10 F равна:
пр
o
F=кx,
где к - суммарный коэффициент жесткости пружин;
o
x - изменение длины пружины (при растяжении или сжатии) перед началом колебательного движения подвижной части поплавковой волновой электростанции.
п
В этом положении подвижная часть поплавковой волновой электростанции обладает потенциальной энергией W, равной:
п
попл
о
o
пр
о
o
о
W=Fx=mgx+Fx=mgx+кх^2.
пр
0
m
п
п
a
При движении волны поплавок 1 выходит из волны, оказывается во впадине волны (в воздухе) и под воздействием суммарной силы (mg+F) начинает совершать гармонические возвратно-поступательные движения с частотой собственных колебаний ω и амплитудой , преобразуя запасенную потенциальную энергию W в электрическую энергию. Движение поплавка 1 через направляющую втулку 4 в верхней крышке корпуса 5 передается штоком 2 индуктору 7. При возвратно - поступательном движении индуктора 7 внутри статора 8 магнитные силовые линии кольцевых магнитов 14 проходят по кольцевым сердечникам ферромагнитной вставки индуктора 13 и магнитопровода статора 12, по витому из листов электротехнической стали сердечнику статора 9, пересекают проводники обмотки статора 11 и наводят в них ЭДС. При движении индуктора 7 вниз верхняя пружина 6 растягивается, а нижняя пружина 10 сжимается. Водонепроницаемая гофрированная муфта 3 предотвращает попадание воды внутрь корпуса 5. Амплитуда гармонических колебаний подвижной части поплавковой волновой электростанции 15 со временем затухает ввиду расхода потенциальной энергии, запасенной подвижной частью поплавковой волновой электростанции W, на выработку электрической энергии и на покрытие электрических потерь в обмотке статора 11, магнитных потерь на участках магнитопровода генератора 9, 12 и 13, потерь от движения поплавка 1 в воздухе и трения в направляющей втулке 4.
поп
Подъемная сила поплавка 1 должна быть больше силы тяжести подвижной части поплавковой волновой электростанции в n раз, т.е F=nG=nmg. С учетом этого уравнение равновесия сил, приложенных к индуктору перед началом движения принимает вид:
о
nmg=mg+кх.
a
m
Начальная амплитуда колебаний подвижной части поплавковой волновой электростанции  определяется по формуле:
a
m
поп
0
0
0
=F/(mω^2)=nmg/(mω^2)=ng/(ω^2),
0
где ω=√(k/m) - круговая частота гармонических колебаний подвижной части поплавковой волновой электростанции.
Частота генерируемой в обмотках статоре ЭДС генераторов поплавковой волновой электростанции равна:
0
0
ƒ=ω/2π=[√(k/m)]/(2π).
а
В результате отбора энергии при работе электрических генераторов поплавковой волновой электростанции гармонические колебания подвижной части имеют затухающий характер с угловой частотой ω и убывающей амплитудой , фиг. 3:
0
ω=ω-β;
а
a
m
=e^(-βt),
где β=r/(2m) - круговая частота затухания колебаний;
r - коэффициент результирующей силы сопротивления движению подвижной части поплавковой волновой электростанции, включая полезную составляющую, затрачиваемую на выработку электрической энергии и на покрытие потерь мощности в генераторах.
a
m
0
При выборе размера полюсного деления τ магнитной системы каждого генератора равным начальной амплитуде гармонических колебаний подвижной части поплавковой волновой электростанции, т.е. при τ=, на статоре размещают только две катушки обмотки статора (так, как это показано на фиг. 2), в витках которых наводится ЭДС, частота которой равна ƒ, а индуктор выполняют с четырьмя магнитами. Благодаря этому линейные размеры генераторов и поплавковой волновой электростанции в целом оказываются минимально возможными.
Благодаря установки витого из листов электротехнической стали сердечника статора между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью кольцевых сердечников магнитопровода статора и катушек электрической обмотки, а так же благодаря выполнению кольцевых сердечников магнитопровода статора из листов электротехнической стали, потери мощности в магнитопроводе каждого генератора существенно снижены, поскольку удельные потери мощности в листовой электротехнической стали значительно меньше удельных потерь мощности в сплошном ферромагнитном материале.
Водонепроницаемая гофрированная муфта 3, установленная вокруг участка штока между поплавком 1 и корпусом каждого генератора 5, предотвращает попадание воды внутрь корпуса 5 и устраняет потери мощности на преодоление сил сопротивления воды в корпусе каждого генератора при возвратно - поступательном движении индукторов.
На основании вышеизложенного очевидно, что введение новых отличительных признаков полезной модели позволило повысить коэффициент полезного действия поплавковой волновой электростанции за счет снижения потерь мощности, а также позволило уменьшить ее линейные размеры.