ПОПЛАВКОВАЯ ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
FLOAT WAVE POWER STATION

Изобретение относится к производству электроэнергии, в частности без отрицательного воздействия на окружающую среду, путем преобразования энергии волн.
Аналогом является, например, поплавковая волновая электростанция (патент РФ №2513070, опубликованный 20.04.2014). Поплавковая волновая электростанция 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, а другой конец этого троса прикреплен к якорю, установленному на дне. К вращающейся оси блока присоединен ротор электрического генератора с постоянными магнитами, статор которого закреплен на цилиндрическом корпусе.
Наиболее близка к предлагаемой поплавковой волновой электростанции поплавковая волновая электростанция (патент РФ №2567916, опубликованный 10.11.2015). В прототипе поплавковая волновая электростанция содержит обтекаемый герметичный поплавок в виде катамарана. На корме поплавка установлен блок, через который переброшена трос (или цепь) с закрепленным на конце маятником. Второй конец этого троса намотан на один из двух барабанов, расположенных на палубе поплавка в средней части. На второй барабан в противоположном направлении намотан другой трос (или цепь) переброшенный через неподвижные блоки полиспаста, закрепленные на стойке, установленной на носовой части поплавка, и через подвижные блоки крюковой обоймы полиспаста. К крюковой обойме полиспаста присоединена цепь, второй конец которой прикреплен к якорю. Барабаны имеют общую ось, которая соединена с ротором электрического генератора, установленного на палубе.
При воздействии волн на поплавковую волновую электростанцию, патент РФ №2567916, возникают вертикальные колебания поплавка и маятника, закрепленного на тросе. Эти колебания вызывают попеременное натяжение тросов, прикрепленных к якорю и маятнику, в результате чего барабаны вместе с ротором электрического генератора при подъеме поплавка на волну вращаются в одну, а при спуске поплавка с волны вращаются в другую сторону. При вращении ротора электрический генератор преобразует механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию.
Основными недостатками прототипа являются низкая мощность поплавковой волновой электростанции из-за большой килевой качки поплавка, возникающей при воздействии на прототип волн, из-за которой уменьшается амплитуда колебаний маятника.
Большая килевая качка поплавковой волновой электростанции обусловлена тем, что при колебаниях поплавка силы натяжения тросов попеременно прикладываются то к носовой части поплавка, то к кормовой части, а центр подъемной силы (силы Архимеда) приложен примерно в середине продольной оси поплавка, выполненного в виде катамарана. При подъеме поплавка на гребень волны натягивается трос (или цепь) якоря, прикрепленный к крюковой обойме полиспаста, размещенного на стойке, расположенной в носовой части поплавка, и возникает дифферент корпуса поплавка на нос. При спуске поплавка с гребня волны натягивается трос, переброшенный через блок в кормовой части поплавка и прикрепленный к маятнику, и возникает дифферент корпуса поплавка на корму. В результате возникающей килевой качки амплитуда колебаний маятника уменьшается. Поскольку мощность поплавковой волновой электростанции пропорциональна амплитуде колебаний маятника, то при уменьшении амплитуды колебаний маятника соответственно уменьшается мощность поплавковой волновой электростанции.
Предлагаемое изобретение позволит создать поплавковую волновую электростанцию, у которой увеличена мощность и повышена надежность эксплуатации в условиях шторма.
Это достигается тем, что в поплавковой волновой электростанции, содержащей обтекаемый герметичный поплавок, блок, закрепленный на корме поплавка, через который переброшена цепь, на одном конце которой прикреплен маятник, другой конец этой цепи намотан на один из двух барабанов, расположенных в средней части палубы поплавка. На второй барабан в противоположном направлении намотана другая цепь, переброшенная через неподвижные блоки полиспаста, закрепленные на стойке, установленной на носовой части поплавка. Через подвижные блоки крюковой обоймы полиспаста присоединена третья цепь, второй конец которой прикреплен к якорю. Барабаны имеют общую ось, которая соединена с ротором электрического генератора, установленного на палубе. Поплавок выполнен из двух пар поплавков разного объема, одна пара из которых большего объема является основанием носовой части, а вторая пара поплавков в два раза меньшего объема является основанием кормовой части поплавковой волновой электростанции.
Выполнение поплавка из двух пар поплавков разного объема, одна пара из которых большего объема является основанием носовой части, а вторая пара поплавков примерно в два раза меньшего объема является основанием кормовой части поплавковой волновой электростанции, уменьшает амплитуду килевой качки электростанции и увеличивает амплитуду колебаний маятника, за счет чего увеличивается мощность поплавковой волновой электростанции. Уменьшение амплитуды килевой качки электростанции обусловлено тем, что сила Архимеда, действующая на пару поплавков, являющихся основанием носовой части электростанции, приложена вблизи воздействия силы натяжения цепи, прикрепленной к якорю, которая действует на стойку, установленную в носовой части электростанции.
Сила Архимеда, действующая на пару поплавков, являющихся основанием кормовой части поплавковой волновой электростанции, приложена вблизи воздействия силы натяжения цепи, прикрепленной к маятнику, которая действует на блок, установленный в кормовой части электростанции. При этом за счет силы натяжения цепи, прикрепленной к якорю, генератор вырабатывает электрическую энергию и осуществляется подъем маятника, увеличивая его потенциальную механическую энергию. А за счет силы натяжения цепи, прикрепленной к маятнику, равную весу маятника, осуществляется преобразование генератором потенциальной энергии маятника в электрическую энергию, и намотка на свой барабан ослабевшей цепи, прикрепленной к якорю. Значит, сила натяжения цепи, прикрепленной к якорю, возникающая при подъеме поплавка на гребень волны и действующая на носовую часть поплавка, примерно в два раза больше, чем сила натяжения цепи, прикрепленной к маятнику. Обе силы должны компенсироваться подъемной силой двух пар поплавков, одна из которых расположена в носовой части, а другая в кормовой части поплавковой волновой электростанции. Поскольку сила натяжения цепи, прикрепленной к якорю, приложенная к носовой части поплавковой волновой электростанции, примерно в два раза больше, чем сила натяжения цепи, прикрепленной к маятнику, приложенная к кормовой части. Следовательно, подъемная сила пары поплавков, являющихся основанием носовой части, должна быть больше подъемной силы пары поплавков, являющихся основанием кормовой части электростанции. Это позволит уменьшить килевую качку и, как следствие, увеличить мощность поплавковой волновой электростанции.
Поплавки больших размеров испытывают большие динамические нагрузки при воздействии штормовых волн и ветра могут быть повреждены во время шторма.
Для повышения устойчивости поплавковой волновой электростанции штормовым волнам и ветру, поплавки могут состоять из поплавков меньшего размера, динамическая нагрузка на которые будет меньше, чем на поплавки больших размеров, при этом нужно сохранить суммарную подъемную силу поплавков в носовой и кормовой частях.
Выполнение пар поплавков в носовой и в кормовой из нескольких поплавков меньшего размера при сохранении общей подъемной силы каждой группы поплавков позволит уменьшить силу ударов штормовых волн и ветра по поплавкам и повысит устойчивость поплавковой волновой электростанции в условиях шторма.
На фиг. 1 показана поплавковая волновая электростанция, у которой пара поплавков, являющиеся основанием носовой части, имеет примерно в два раза большую подъемную силу, чем пара поплавков, расположенных в кормовой части. На фиг. 2 - поплавковая волновая электростанция, у которой поплавки, являющиеся основанием носовой части, выполнены из нескольких поплавков меньшего размера при сохранении суммарной подъемной силы, где: 1 - поплавки в носовой части, 2 - поплавки, установленные в кормовой части. Пары поплавков 1 и 2 объединяются в одну конструкцию общей палубой 3. На палубе 3 установлен электрический генератор 4, имеющий общий вал с барабанами 5 и 6. На носовой части палубы 3 установлена стойка 7, на которой закреплены неподвижные блоки 8 полиспаста, а подвижные блоки полиспаста размещены в крюковой обойме 9. Через неподвижные блоки 8 и блоки крюковой обоймы 9 переброшена цепь 10, один конец которой прикреплен к стойке 7, а второй конец намотан на барабан 5. К крюковой обойме 9 присоединена цепь 11. Цепь 11 может быть переброшена через блок 13, а затем прикреплена к якорю 12, либо прикреплена к якорю 12 без блока 13. На второй барабан 6 намотана цепь 14, переброшенная через блок 15, установленный в кормовой части палубы 3, на конце которой закреплен маятник 16. Направление намотки цепи 10 на барабан 5 и цепи 14 на барабан 6 противоположное.
При отсутствии волн маятник 16 под действием своего веса опускается, сматывая цепь 14 с барабана 6. При этом вращается также барабан 5, наматывая цепь 10. При этом крюковая обойма 9 поднимается, натягивая цепь 11, и поплавковая волновая электростанция подтягивается к якорю 12. Спуск маятника 16 закончится, когда поплавковая волновая электростанция будет находиться над якорем 12, как показано на фиг. 1.
При возникновении волн на поверхности водоема, волны развернут поплавковую волновую электростанцию носом против движения волн. При подходе волны поплавки 1 будут поднимать носовую часть со стойкой 7 на гребень волны, и цепь 11, прикрепленная к якорю 12 и к крюковой обойме 9, будет натягиваться. При этом длина цепи 11 и расстояние крюковой обоймы 9 до якоря 12 не изменяется, поэтому при подъеме стойки 7 цепь 10 будет сматываться с барабана 5, и барабан 5 вместе с барабаном 6 и ротором генератора 4 будут вращаться. Скоростной полиспаст, состоящий из блоков 8 крюковой обоймы 9 и цепи 10 позволяет увеличить смещение цепи 10 при подъеме поплавка на гребень волны, и, следовательно, увеличить угол поворота и частоту вращения барабанов 5, 6 и ротора генератора 4. Генератор 4 преобразует механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию. При вращении барабана 6 цепь 14 будет наматываться на барабан 6, поднимая маятник 16 и увеличивая его потенциальную энергию. Поскольку подъемная сила поплавков 1 приложена вблизи силы натяжения цепи 11, дифферент предлагаемой поплавковой волновой электростанции на нос по сравнению с прототипом будет меньше.
При спуске носовой части со стойкой 7 поплавковой волновой электростанции с гребня волны натяжение цепи 11, прикрепленной к якорю 12 и к крюковой обойме 9, уменьшается. Это вызывает уменьшение натяжения цепи 10. Под действием своего веса маятник 16 будет опускаться и сматывать цепь 14 с барабана 6, вращая барабаны 5, 6 и ротор генератора 4. При вращении барабана 5 ослабевшая цепь 10 будет наматываться на барабан 5, а механическую энергию вращения ротора электрический генератор 4 преобразует в электрическую энергию.
В прототипе сила Архимеда, действующая на поплавок, приложена примерно в середине продольной оси поплавковой волновой электростанции. При подъеме на гребень волны  сила приложена к носовой части поплавка, и возникает дифферент поплавка на нос. При спуске с гребня волны  сила приложена к кормовой части поплавка, и возникает дифферент поплавка на корму. В результате возникает килевая качка поплавка, вследствие которой уменьшается амплитуда колебаний маятника и мощность поплавковой волновой электростанции.
В предлагаемой поплавковой волновой электростанции сила Архимеда, действующая на пару поплавков 1, являющихся основанием носовой части электростанции, приложена вблизи воздействия силы натяжения цепи 11, прикрепленной к якорю 12. А сила Архимеда, действующая на пару поплавков 2, являющихся основанием кормовой части поплавковой волновой электростанции, приложена вблизи воздействия силы натяжения цепи 14, прикрепленной к маятнику 16.
Но нужно учесть, что силы натяжения цепи 11, прикрепленной к якорю 12, примерно в два раза больше, чем сила натяжения цепи 14, прикрепленной к маятнику 16. При подъеме поплавковой волновой электростанции на гребень волны за счет силы Архимеда, натягивается цепь 11, прикрепленная к якорю 12, и цепь 10. Сила натяжения цепи 10 вращает ротор генератора 4 и барабан 6, на который наматывается цепь 14, прикрепленная к маятнику 16. То есть за счет работы силы натяжения цепи 11 и цепи 10, генератор 4 вырабатывает электрическую энергию и запасается потенциальная энергия маятника 16. При спуске с гребня волны натяжение цепи 10 уменьшается, и маятник 16 под действием своего веса опускается. За счет уменьшения потенциальной энергии маятника 16 генератор 4 вырабатывает электрическую энергию. Значит при подъеме на гребень волны сила натяжения цепи 11, прикрепленной к якорю 12, примерно в два раза больше силы натяжения цепи 14, прикрепленной к маятнику 16, при спуске с гребня волны. Вследствие этого поплавки 1, установленные в носовой части поплавковой волновой электростанции должны создавать силу Архимеда примерно в два раза больше, чем поплавки 2, установленные в кормовой части, как показано на фиг. 1.
При подъеме на гребень волны поплавки 1 с  подъемной силой компенсируют  силу натяжения цепи 11, за счет которой генератор 4 вырабатывает электроэнергию и запасается потенциальная энергия маятника 16. При спуске с гребня волны поплавки 2 с  подъемной силой компенсируют меньшую силу натяжения троса 14, равную весу маятника, за счет которой генератор 4 вырабатывает электроэнергию. В результате килевая качка поплавковой волновой электростанции уменьшается и, соответственно, увеличивается амплитуда колебаний маятника 16 и мощность поплавковой волновой электростанции.
При возникновении шторма поплавки больших размеров поплавковой волновой электростанции испытывают большую динамическую нагрузку от ударов ветра и больших волн. Для уменьшения динамических нагрузок, действующих на поплавки, поплавки больших размеров могут быть выполнены из нескольких поплавков меньшего размера при сохранении их подъемной силы. На фиг. 2 показана поплавковая волновая электростанция, у которой каждый из двух поплавков 1, больших размеров в носовой части заменен двумя поплавками меньшего размера, при этом суммарная подъемная сила группы поплавков 1 в носовой части не изменяется.
Поскольку подъемная сила поплавков в носовой и кормовой части поплавковой волновой электростанции на фиг. 2 такая же, как и на фиг. 1, мощность обеих вариантов конструкции поплавковой волновой электростанции при одной и той же высоте волны будет одинакова. Однако поплавки меньшего размера будут испытывать меньшие нагрузки от ударов штормовых волн. Парусность поплавковой волновой электростанции с поплавками меньшего размера уменьшится, значит, уменьшится ветровая нагрузка на поплавковую волновую электростанцию. Заменить поплавки большого размера на несколько поплавком меньшего размера можно и в носовой, и в кормовой группе поплавков. При этом можно использовать поплавки стандартных размеров, обеспечивая необходимую подъемную силу набором нужного количества стандартных поплавков.
Следовательно, при замене поплавков большого размера на несколько поплавков меньшего размера при сохранении суммарной подъемной силы поплавков в носовой и кормовой частях устойчивость поплавковой волновой электростанции штормовым волнам и ветру повышается.