ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВОЛН (ВАРИАНТЫ)
WAVE ENERGY CONVERTER (VERSIONS)

Преобразователь энергии относится к области энергетики и может быть использован для извлечения электроэнергии из энергии движения волн морей и океанов.
Известна волновая электростанция, содержащая плавучий корпус, механический преобразователь энергии морских волн, выполненный в виде горизонтально установленного водила, с одного конца связанного с вертикально и шарнирно установленным на корпусе валом, связанным с ротором электрогенератора, статор которого связан с плавучим корпусом, а другой его конец снабжен массой, причем электростанция снабжена дополнительными поплавками, связанными с корпусом с помощью телескопических выдвижных механизмов, с возможностью регулировки совокупной длины плавающей части корпуса и поплавков, равной полудлине волны, кроме того, водило снабжено телескопическим выдвижным механизмом перемещения массы относительно вала привода электрогенератора. Электростанция снабжена мультипликатором и обгонной муфтой (RU 2482326 C2, 20.05.2013).
Известно устройство, использующее энергию морских волн, содержащее плавучее тело, соединенное посредством гибкого соединительного средства с преобразователем, совершающим возвратно-поступательное перемещение в линейном генераторе, причем плавучее тело приспособлено для плавания на море, а статор генератора приспособлен для постановки на якорь на морском дне. Устройство имеет направляющее устройство, установленное на входе соединительного средства в кожухе генератора и содержит пустотелый корпус, имеющий нижнее и верхнее отверстия. Соединительное средство приспособлено для прохождения через нижнее отверстие и верхнее отверстие направляющего устройства, причем часть соединительного средства, кратковременно располагаемая между упомянутыми отверстиями, определяется как направляемая часть, при этом нижнее отверстие расположено так, что направляемая часть рядом с нижним отверстием находится на одной прямой с упомянутой центральной осью, а верхнее отверстие расположено так, что направляемая часть рядом с верхним отверстием имеет возможность образовать угол с центральной осью (RU 2478828 C2, 10.04.2013).
Известен преобразователь энергии морских волн, содержащий верхний поплавок, расположенный на поверхности моря, гидроцилиндр и электрический генератор с ротором, совершающим возвратно-поступательное движение, и неподвижный статор. Ротор выполнен из постоянных магнитов. Статор содержит катушки индуктивности. Гидроцилиндр установлен внутри поплавка и представляет собой насос двойного действия. Преобразователь снабжен гидравлическим вибратором, состоящим из цилиндра, заполненного жидкостью, по оси которого размещен с возможностью возвратно-поступательного движения ступенчатый вал, механически связанный с ротором генератора, а гидравлически через управляющий распределительный золотник - с напорной и сливной камерами гидроцилиндра. Вибратор и генератор установлены внутри трубы, соединяющей гидроцилиндр с нижним поплавком через регулятор заглубления, соединенный с морским дном. Плавучесть поплавка существенно больше плавучести поплавка. Изобретение направлено на повышение эффективности преобразователя, что достигается путем преобразования низкочастотных колебаний поплавка, находящегося на поверхности морских волн, в высокочастотные колебания ротора линейного генератора относительно неподвижного магнитопровода (RU 2462613 C1, 27.09.2012).
Существует проблема транспортировки энергоносителей от преобразователей энергии морских волн к потребителю энергии. Так, например, известно техническое решение по заявке Великобритании (GB 2445951 А, 30.07.2008), где предусматривается преобразование энергии морских волн в энергию сжатой жидкости, которая под давлением закачивается в резервуары, расположенные на берегу. Однако это техническое решение относится к средствам берегового базирования и не может быть использовано вдали от берега. Энергоснабжение средств морского базирования (гидроакустических буев, бакенов и др.) с берега затруднительно.
К настоящему времени в мире разработано и практически реализовано большое количество технологических схем, способов и устройств для преобразования энергии волн в электроэнергию, имеющих в своем составе турбины, механические редукторы для передачи возвратно-поступательного движения воды к традиционному электрическому генератору. Известна стационарная конструкция и заглубленная плавучесть, повторяющая движение волн и преобразующая линейное движение во вращательное движение, возбуждающее генератор (US 2010/244451 А1, 30.09.2010).
Известно устройство с плавающим и неподвижным поплавками, перемещающимися относительно друг друга и передающими вращательное движение элементу, который конвертирует энергию вращения в электрическую (KR 20100118597 A, 05.11.2010). Подобные устройства имеют сложную и дорогостоящую конструкцию, что снижает целесообразность их использования.
Известно устройство для преобразования энергии, содержащее линейный генератор и динамический инерционный накопитель энергии, содержащий груз и упругие элементы, при этом предполагается, что частота собственных колебаний ротора генератора соизмерима с характерной частотой колебаний поплавка в воде патент (RU 2037642 С1, 19.06.1995).
Известно также техническое решение заявке WO 2009/111077 А2, 11.09.2009, в котором содержится поплавок с генератором электроэнергии, включающий корпус и катушку индуктивности, а также подвижную электромагнитную систему и пружину, связывающую систему с неподвижным корпусом, связанным с дном. Генератор может также включать упругие регулирующие средства для согласования собственных колебаний с колебаниями поплавка. Такие устройства не способны эффективно использовать энергию волн из-за нерегулярности амплитуды, фазы и направления движения волн, малой скорости их вертикального перемещения.
Известно устройство, содержащее поплавок, ротор линейного генератора и статор с витками электрической обмотки, прикрепленный к морскому дну, а между поплавком и генератором размещены соосно два гидроцилиндра разных диаметров (US 2004/251692 А1, 16.12.2004). Эффективность этого технического решения несколько выше предыдущих решений, использующих линейные генераторы, но остается достаточно низкой, так как электромагнитная мощность генератора зависит от амплитуды колебаний линейно, а от частоты колебаний - в третьей степени (см. М.Я. Хитерер и др. Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения». - СПб.: Корона принт, 2008, с. 286, с. 181).
Также известна энергетическая установка, использующая энергию морских волн, отличающаяся тем, что она содержит множество устройств, использующих энергию морских волн (RU 2011111560 А, 10.10.2012).
Известен гидравлический узел для преобразования энергии волн в гидравлическое давление рабочей жидкости, при этом узел содержит гидроцилиндр, корпус которого шарнирно соединен с корпусом узла, а шток гидроцилиндра соединен с поворотной заслонкой, которая установлена в полости волноприемника с возможностью ее поворота в полости последнего («Botton-fixed near-shore devices», 4.2.2, p. 12. Status and research and developmend priorities, 2003, International entrgi agency, IEA).
Известно устройство для преобразования энергии волн в энергию сжатой рабочей жидкости, содержащее поплавок и грузило, которые связаны между собой через гидравлический цилиндр (Wave energy conversion processes, SEASUN, POWER SUSTEMS, WAVE ENERGU RESOURCE AND ECONOMIC ASESSMENT, DELBUOY heaving buoy sustem, fig. 3-1; 3-11, p. 6-7 (heave), June, 1992).
Известные преобразователи энергии, в частности известный поплавковый преобразователь с прикрепленным снизу гидроцилиндром, конец штанги которого привязан к поплавку, а конец корпуса - через гибкий трос или жесткую металлоконструкцию к балластному весу на дне, - не удовлетворяет эффективности его использования. Поскольку такой преобразователь характеризуется вертикальным расположением гидроцилиндра, что подразумевает рабочий ход поршня, сравнимый с высотой волны. Вследствие этого гидроцилиндр необходимо делать слишком длинным, что является дорогостоящим решением. Кроме того, такой гидроцилиндр подвержен поломкам из-за изгибов штока при поперечных нагрузках, происходящих от бокового смещения поплавка. Особенно сильно это проявляется при повышенном волнении. Такой преобразователь легко выходит из строя при повышенном уровне волнения на поверхности, поскольку боковое смещение поплавка приводит к чрезмерным нагрузкам на штангу гидроцилиндра, особенно в максимально вышедшем из корпуса положении, и в дальнейшем к поломкам гидроцилиндра.
Другие известные преобразователи с поплавками, привязанными к мощным металлоконструкциям, расположенным на дне, которые при движении за поплавком приводят в действие различные механизмы преобразования энергии, не отвечают условиям прочность этих конструкций, они не позволяют выдерживать значительные по силе и разнообразные по направлению волновые нагрузки. Такие преобразователи имеют большой вес и имеют сложную конструкцию.
Из известных устройств близким к устройству, представленным в данном описании, является преобразователь энергии волн, содержащий плавучий объект с размещенным на нем преобразователем энергии морских волн в электрическую энергию и рабочий орган, связанный с преобразователем с возможностью относительного перемещения рабочего органа и плавучего объекта, причем рабочий орган представляет собой погружной элемент с положительной плавучестью, площадь проекции которого на горизонтальную плоскость больше каждой из площадей его проекций на две другие плоскости, перпендикулярные первой плоскости и друг другу, и который в рабочем положении расположен ниже дна плавучего объекта. Преобразователь энергии включает закрепленный на плавучем объекте гидроцилиндр со штоком, связанным с погружным элементом, и гидромотор, соединенный с генератором, гидроаккумулятором и баком, которые посредством трубопроводов и обратных клапанов сообщены с полостями гидроцилиндра. Преобразователь энергии включает соединенную с генератором турбину, связанную, по крайней мере, с одним телескопическим насосом, соединенным с погружным элементом. Погружной элемент выполнен, по крайней мере, с одной поворотной створкой. Преобразователь снабжен шарнирно связанными между собой звеньями, каждое из которых расположено одним концом в соответствующем направляющем пазу погружного элемента, а другим концом - в соответствующем направляющем пазу плавучего объекта (RU 2012139309 А, 27.03.2014). Однако данный преобразователь не отвечает требованиям простоты конструкции и надежности работы в условиях воздействий больших волн и течений.
Известны преобразователь, в котором мотор и генератор установлены на поплавке, а рычаг тягой связан с расположенным на дне балластным грузом (CN 1064134 А, 02.09.1992); преобразователь, оснащенный зарядным устройством для зарядки электроаккумулятора, которые располагаются в верхней части поплавка (RU 2513070 С1, 20.04.2014).
Наиболее близким преобразователем энергии волн к представленному в данном описании преобразователю является преобразователь энергии волн, содержащий расположенный в воде поплавок, шарнирно соединенные рамки, одна из которых соединена тягой с поплавком и шарнирно связана со штоком цилиндра, расположенным массиве воды, при этом цилиндр сообщен с гидромотором, соединенным с генератором, а другая рамка шарнирно соединена с цилиндром (GR 20110100683 А, 11.07.2013). В этой конструкции рамками являются мощные рычаги, масса которых увеличена в зоне их шарнирного соединения с целью размещения в этой зоне генератора, что значительной мере связано с усложнением и увеличением массы преобразователя.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и массы преобразователя.
Технический результат получен преобразователем энергии волн, содержащим расположенный на поверхности воды поплавок, шарнирно соединенные рамки, первая из которых соединена тягой с поплавком и шарнирно связана со штоком цилиндра, расположенным массиве воды, при этом цилиндр сообщен с гидромотором, соединенным с генератором, а вторая рамка шарнирно соединена с цилиндром, причем каждая рамка выполнена треугольной в виде двух рычагов с перемычкой, жестко связанной с ними, перемычка первой рамки соединена со штоком, а перемычка второй рамки - с цилиндром, причем рамки соединены друг с другом основаниями, вторая рамка соединена тягой с расположенным на дне балластным грузом, а гидромотор и генератор установлены на поплавке.
Технический результат получен преобразователем энергии волн, содержащим расположенный на поверхности воды поплавок, шарнирно соединенные рамки, первая из которых соединена тягой с поплавком и шарнирно связана со штоком цилиндра, расположенным в массиве воды, при этом цилиндр сообщен с гидромотором, соединенным с генератором, вторая рамка шарнирно соединена с цилиндром, а гидромотор и генератор установлены на берегу, причем каждая рамка выполнена треугольной в виде двух рычагов с перемычкой, жестко связанной с ними, перемычка первой рамки соединена со штоком, а перемычка второй рамки - с цилиндром, причем рамки соединены друг с другом основаниями, а вторая рамка соединена тягой с расположенным на дне балластным грузом.
Технический результат получен преобразователем энергии волн, содержащим расположенный на поверхности воды поплавок, шарнирно соединенные рамки, первая из которых соединена тягой с поплавком и шарнирно связана со штоком цилиндра, расположенным в массиве воды, при этом цилиндр сообщен с гидромотором, соединенным с генератором, а вторая рамка шарнирно соединена с цилиндром, причем каждая рамка выполнена треугольной в виде двух рычагов с перемычкой, жесткосвязанной с ними, перемычка первой рамки соединена со штоком, а перемычка второй рамки - с цилиндром, причем рамки соединены друг с другом основаниями, вторая рамка соединена тягой с расположенным на дне балластным грузом, а преобразователь оснащен зарядным устройством для зарядки съемных электроаккумуляторов, соединенным с генератором, при этом гидромотор, генератор и зарядное устройство установлены на поплавке или на берегу.
На фиг. 1 показан общий вид преобразователя с гидроцилиндром;
на фиг. 2 показаны соединенные рамки без гидроцилиндра, в развернутом состоянии, по стрелке А на фиг. 1;
на фиг. 3 показаны рамки с гидроцилиндром, вид сбоку;
на фиг. 4 показаны рамки с гидроцилиндром в пространственном изображении;
на фиг. 5 - положение преобразователя энергии в состоянии выдвинутого штока гидроцилиндра;
на фиг. 6 - положение преобразователя энергии в состоянии втянутого штока гидроцилиндра;
на фиг. 7 - вариант механизма преобразования энергии с гидроцилиндром и подпружиненными рамками;
на фиг. 8 - электрогидравлическая схема преобразователя;
на фиг. 9 - схема преобразователя энергии с передачей электроэнергии в электрическую сеть и в электроаккумулятор.
Преобразователь (фиг. 1) расположен в водном массиве 1 моря или океана и частично он расположен на поплавке 2, соединенном тросом или жестким соединением с первой верхней рамкой 3, с которой шарнирно соединена вторая нижняя рамка 4. Вторая нижняя рамка 4 шарнирно соединена с корпусом 5 гидроцилиндра или рабочего цилиндра, заполненного маслом, а первая верхняя рамка 3 шарнирно соединена со штоком 6 гидроцилиндра, имеющего поршень. Преобразователь имеет балластный груз 7, установленный на дне 8 моря, причем поплавок 2 соединением 9 связан с верхним концом первой верхней рамки 3, а нижний конец второй нижней рамки 4 соединен канатом 10 с балластным грузом 7. Поршневая полость гидроцилиндра сообщена шлангом 11 с устройством 12 преобразования энергии рабочей жидкости в электроэнергию. Преобразователь, изображенный на фиг. 1, имеет средства, клапаны, гидрораспределитель (не показаны) для подачи в заданном направлении рабочей жидкости под давлением в устройство 12. В одном из исполнений преобразователя устройство 12 установлено на берегу 13. Поплавок 2 представляет собой плавучее тело, предпочтительно симметричное относительно вертикальной оси вращения, в котором плавучесть обеспечивается герметичными металлическими или пластиковыми емкостями, заполненными воздухом, а прочность поддерживается металлической рамой. Балластный груз 7 по весу превышает плавучесть поплавка и, будучи размещенным на дне, удерживает преобразователь в заданном рабочем положении, показанном на фиг. 1. Поплавок 2 указанным соединением 9 связан с верхней рамкой 3 или гибким канатом, или жестким стержнем.
Рамки 3 и 4 шарнирно соединены одними своими сторонами так, что могут поворачиваться вокруг оси их шарнирного соединения. Рамки 3 и 4 (фиг. 4) представляют собой две металлоконструкции, предпочтительно треугольной формы (фиг. 2), соединенные с возможностью поворота относительно друг друга вокруг оси 14, опирающейся на подшипники 15 шарнирного соединения рамок. Рамки соединены друг с другом основаниями - своими широкими сторонами.
Шток 6 гидроцилиндра (фиг. 4) соединен с рамкой 3 посредством перемычки 16, которая жестко связана с рычагами 17 и 18 рамки 3. Корпус 5 гидроцилиндра шарнирно соединен с рамкой 4 посредством перемычки 19, жестко соединенной с рычагами 20 и 21 рамки 4. Корпус 5 гидроцилиндра шарнирно соединен с перемычкой 19. Крепления гидроцилиндра к перемычкам 16 и 19 находятся в плоскости, перпендикулярной к оси 14.
В одном из исполнений преобразователя он оснащен гидроаккумуляторами 20 и 21 (фиг. 8) и сообщенным с ними гидромотором 22. Шлангами 23 с установленными в них обратными клапанами 24 и 25 гидроцилиндр 5 сообщен с гидромотором 22 и гидроаккумуляторами 20 и 21.
В другом исполнении преобразователя (фиг. 7) рамки 3 и 4 подпружинены относительно друг друга с целью их возвращения в исходное положение. Для этого рамки соединены друг с другом упругим элементом 26 (фиг. 8), который выполнен в виде пружины, упругого стержня, или в виде иного известного упругого элемента. Шток и корпус гидроцилиндра соединены с рамками 3 и 4 шарнирами 27 и 28 соответственно.
Гидромотор 22 соединен с электрогенератором 29 (фиг. 1, 9). В одном исполнении преобразователя гидромотор 22 и соединенный с ним электрогенератор 29 установлены на поплавке 2. В другом исполнении преобразователя гидромотор 22 и электрогенератор 29 установлены на берегу 13. Электрогенератор 29 в одном исполнении преобразователя соединен электропроводами 30 с электросетью.
Третий вариант преобразователя имеет гидромотор 22, электрогенератор 29, соединенный электропроводами 30 с электрозарядным устройством 31 для зарядки электроаккумуляторов 32. Устройство 31 соединено с одним или несколькими съемными электроаккумуляторами 32, находящимися на зарядке. Гидромотор, электрогенератор и электрозарядное устройство смонтированы в одном герметичном корпусе и установлены на поплавке 2 и/или на берегу 13, при этом один или множество электроаккумуляторов 32 герметично установлены на поплавке и/или берегу вблизи электрозарядного устройства 31.
Работает преобразователь энергии волн следующим образом. Во впадине волны (фиг. 6) рамки 3, 4 и гидроцилиндр 5 находятся в исходной позиции, а поплавок 2 - в нижнем положении. По мере нарастания высоты волны, поплавок погружается в волну, движется вверх и тянет за собой верхнюю рамку 3. Поскольку нижняя рамка 4 зафиксирована балластным грузом 7, то рамки поворачиваются относительно оси 14 и их основания раздвигаются. По мере расхождения рамок происходит выдвижение штока 6 гидроцилиндра, в результате чего рабочая жидкость под давлением выталкивается из гидроцилиндра по шлангу 11 к потребителю. Далее при достижении гребня волны (фиг. 5) поплавок останавливается и движение рамок и гидроцилиндра, а вместе с тем и рабочей жидкости прекращается. Когда волна идет на спад и движется в нижнюю сторону, то поплавок 2 движется вниз и рабочая жидкость гидросистемы движется в обратном направлении, оказывая более низкое, чем при подъеме поплавка, но достаточное давление для перетекания по шлангу рабочей жидкости и возвращения штока гидроцилиндра, верхней рамки 3 и поплавка 2 в исходное положение.
В каждый момент рабочего цикла в гидроцилиндре сохраняется определенное давление, при этом через шток и верхнюю рамку на поплавок действует сила, направленная вниз. Вследствие этого поплавок постоянно остается в частично погруженном состоянии, сохраняя устойчивое положение и подтягивая преобразователь вверх. При достижении нижней точки волны цикл повторяется.
В случае использования гидроаккумуляторов (фиг. 7) преобразователь работает следующим образом. Во время подъема поплавка из впадины волны шток гидроцилиндра 5 выдвигается вверх и выталкивает из гидроцилиндра рабочую жидкость. Под давлением она подается по шлангу 23 направо, через обратный клапан 24, проходит через гидромотор 22, который производит полезную работу, вращая электрогенератор 29. Попутно жидкость под давлением заполняет гидроаккумулятор 20 и выравнивает скачки давления, вызванные периодичностью движения волн и подачи рабочей жидкости. По мере прохождения рабочей жидкости через гидромотор 22 рабочая жидкость скапливается в гидроаккумуляторе 21, давление в котором ниже, чем в гидроаккумуляторе 20. Когда поплавок достигает гребня волны, шток гидроцилиндра останавливается, но жидкость продолжает движение через гидромотор 22 благодаря накопленной разнице давления между гидроаккумуляторами 20 и 21. Когда поплавок движется вниз, на спаде волны, то рабочая жидкость начинает возвращаться в гидроцилиндр 5. При этом сила давления, оказываемая на шток, действует на рамки 3, 4, и они возвращаются в исходное положение, удерживая канат 10 в натянутом положении, а поплавок - частично погруженным в воду, стабилизируя преобразователь в рабочем положении. По мере достижения поплавком впадины волны описанный цикл работы повторяется.
В ином варианте исполнения преобразователя, имеющего упругий элемент 26 (фиг. 8), возвращение рамок 3 и 4 в исходное положение осуществляется за счет сил упругости элемента 26 после его растяжения. В этом случае преобразователь работает аналогично первому варианту, с той разницей, что в процессе подъема поплавка 2 и разведения рамок в стороны относительно оси 14, происходит растяжение упругого элемента 26, который накапливает энергию, а в период прохождения гребня и спада волны, упругий элемент, действуя на рамки 3 и 4, расходует эту энергию, возвращая рамки в исходное положение. В этом исполнении преобразователя поплавок также постоянно находится в стабильном, частично погруженном в воду состоянии, поскольку на него в каждый момент рабочего цикла действует сила, направленная вниз - либо от давления рабочей жидкости, либо от действия упругого элемента. При работе этого исполнения преобразователя давление возвращающейся в гидроцилиндр жидкости может быть ниже в сравнении с первым вариантом, поскольку в данном случае эту работу возврата осуществляет упругий элемент.
При возникновении волн и течений, действующих на поплавок в боковом направлении, вместе со смещением поплавка перемещается верхняя рамка 3, а вместе с ней перемещается нижняя рамка 4. Гидроцилиндр 5 остается зафиксированным между ними и при различных совместных смещениях и движениях рамок он остается не подверженным посторонним силовым воздействиям помимо сил, действующих на него при работе преобразователя.
Описанные выше агрегаты для преобразования энергии волн в давление рабочей жидкости и в электроэнергию или другую полезную работу, составляющие устройство 12, могут располагаться на берегу или на поплавке. В случае если устройство 12 расположено на поплавке, то вырабатываемая им электроэнергия направляется на берег в сеть по электрическому кабелю 30 (фиг. 9). В случае использования преобразователя, оснащенного зарядным устройством 31 для зарядки съемных электроаккумуляторов (фиг. 1, 9), последние заряжаются током, вырабатываемым электрогенератором. В заряженном состоянии электроаккумуляторы снимаются с поплавка или с береговой платформы и используются по прямому назначению. На место снятых заряженных электроаккумуляторов устанавливают разряженные электроаккумуляторы и цикл повторяют.
Такой способ использования энергии волн наиболее эффективен в передвижении плавающих средств от энергии электроаккумуляторов в экологически чистых морских зонах отдыха, исключающих задымление воздуха от работы двигателей внутреннего сгорания, которыми оснащены малые прогулочные плавучие средства. Этот способ использования энергии волн также эффективен при оснащении преобразователя энергии свето-, аудио-, радиоустройствами в удаленных от электрических сетей местах для подачи световых, звуковых и радиосигналов. Описанные средства преобразования энергии волн в электроэнергию электроаккумуляторных батарей по существу позволили создать способ и систему энергообеспечения плавающих средств съемными (оборотными) электроаккумуляторами для передвижения плавающих средств с движителями от электропривода.
Упрощение конструкции преобразователя достигнуто за счет сравнительно простого механизма нагнетания рабочей жидкости, включающего поворотно соединенные между собой рамки, соединенные гидроцилиндром, при этом данный механизм позволяет повысить надежность работы преобразователя путем защиты указанного механизма от воздействий волн и течений.