Поплавковая волновая электростанция



Поплавковая волновая электростанция
Поплавковая волновая электростанция
Поплавковая волновая электростанция

 


Владельцы патента RU 2513070:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный морской технический университет" (RU)

Изобретение может быть использовано для производства электроэнергии путем преобразования энергии волн. Электростанция содержит обтекаемый герметичный поплавок 1 и вертикально расположенный внутри поплавка цилиндрический корпус 3 с размещенным в нем маятником 4. Маятник 4 подвешен к концу троса 5, который переброшен через блок 6, установленный на вращающейся оси 7. Другой конец троса 5 прикреплен к якорю 9, установленному на дне. К вращающейся оси 7 блока присоединен ротор электрического генератора 10 с постоянными магнитами. Статор генератора 10 закреплен на корпусе 3. Обмотка статора генератора 10 присоединена к входу зарядного устройства 11, а выход устройства 11 присоединен к аккумулятору 13, который вместе с устройством 11 находится в приборном отсеке в верхней части поплавка 1. Изобретение направлено на увеличение мощности, уменьшение габаритов и массы поплавковой волновой электростанции. 3 ил.

 

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 №2016227, опубликованный 16.07.1994). Установка содержит плавучий корпус и расположенный в корпусе механический преобразователь, включающий инерционный маятник, имеющий пружинную подвеску и установленный с возможностью вертикального возвратно-поступательного движения, который имеет кинематическую связь в виде шариковинтовой передачи с электрогенератором.

Наиболее близкой к предлагаемой поплавковой волновой электростанции является поплавковая волновая электростанция (патент РФ №2037642, опубликованный 19.06.1995). Поплавковая волновая электростанция содержит вертикально расположенный герметичный корпус (поплавок) с размещенным в нем преобразователем энергии, выполненным в виде линейного электрогенератора. Обмотка якоря электрогенератора закреплена на внутренней стенке корпуса, а индуктор выполнен в виде инерционной массы с постоянными магнитами, установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения посредством упругих элементов, при этом частота собственных колебаний индуктора соизмерима с частотой колебаний корпуса в воде при воздействии волны.

В прототипе при воздействии на поплавковую волновую электростанцию волны возникают вертикальные колебания герметичного корпуса, вызывающие вынужденные колебания индуктора с постоянными магнитами, установленного на упругих элементах, которые преобразуются статором генератора в электрическую энергию.

Основными недостатками прототипа являются малая выходная мощность, которую может обеспечить поплавковая волновая электростанция, большая масса и габариты электростанции.

Выходная электрическая мощность поплавковой волновой электростанции зависит от механической мощности, которую развивает колебательная система электростанции. Методика расчета механической мощности поплавковой волновой электростанции приведена в патенте РФ №2037642. Определим по этой методике механическую энергию колеблющегося маятника, роль которого в прототипе выполняет индуктор. Принимаем массу маятника m=100 кг, амплитуду колебаний А=0,2 м и период колебаний, равный периоду следования волн, T=3 с. Частота колебаний составит ω=2·π/Т=2,1 1/с, и механическая энергия, которой обладает маятник при заданных параметрах колебаний, будет равна

E = m A 2 ω 2 2 = 17,6 Д ж

За период колебаний Т такую энергию маятник накапливает дважды, когда проходит положение равновесия, отсюда механическая мощность, которую можно преобразовать в электрическую, будет равна

P = 2 E T = 11,7 В т

Следует учесть, что при преобразовании механической энергии в электрическую часть мощности будет потеряна. Очевидно, что механическая мощность колеблющегося маятника очень мала и такая поплавковая волновая электростанция не выгодна.

Предлагаемое изобретение позволит создать поплавковую волновую электростанцию при той же массе маятника и параметрах колебаний со значительно более мощной энергетической установкой или уменьшить ее габариты и массу при равной с прототипом мощности.

Это достигается тем, что в поплавковой волновой электростанции, содержащей 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 этого троса прикреплен к якорю, установленному на дне, а к оси блока присоединен ротор электрического генератора с постоянными магнитами, статор которого закреплен на корпусе, при этом обмотка статора электрического генератора присоединена к зарядному устройству, а выход зарядного устройства присоединен к аккумулятору, который вместе с зарядным устройством находится в приборном отсеке в верхней части поплавка.

Увеличение выходной мощности поплавковой волновой электростанции достигается за счет того, что в предлагаемой поплавковой волновой электростанции в электрическую энергию преобразуется не механическая энергия, накопленная инерционным маятником, подвешенным на упругих элементах, как это происходит в прототипе. При подъеме навигационного буя на гребень волны в электрическую энергию преобразуется механическая энергия движения герметичного корпуса под действием сила Архимеда вместе со статором электрического генератора относительно стабилизирующего балласта и присоединенного к балласту ротора линейного электрического генератора. При спуске поплавковой волновой электростанции с гребня волны в электрическую энергию преобразуется механическая энергия движения стабилизирующего балласта и присоединенного к балласту ротора относительно герметичного корпуса и статора генератора под действием силы тяжести балласта и ротора. Как будет показано ниже, механическая энергия, которую можно преобразовать в электрическую при той же массе маятника и тех же параметрах колебаний, в предлагаемой поплавковой волновой электростанции значительно больше, чем в прототипе. А если мощности предлагаемой поплавковой волновой электростанции и прототипа одинаковы, то масса и габариты предлагаемой поплавковой волновой электростанции будут намного меньше.

На фиг.1 показано осевое сечение поплавковой волновой электростанции. На фиг.2 - схема поплавковой волновой электростанции без поплавка и якоря, на фиг.3 - второй вариант закрепления троса на корпусе.

Изображенная на фиг.1 поплавковая волновая электростанция имеет герметичный поплавок 1 в форме тора, разделенный водонепроницаемыми переборками 2 на отсеки. Во внутренней полости к тороидальному поплавку 1 прикреплен вертикально расположенный цилиндрический корпус 3 с размещенным в нем маятником 4. Маятник 4 подвешен к концу троса 5, переброшенного через блок 6, закрепленный на вращающейся оси 7. Трос 5 с другой стороны блока 6 проходит через направляющую, которая может быть выполнена в виде трубы 8, присоединенной к цилиндрическому корпусу 3 с внешней стороны, и прикреплен к якорю 9, который неподвижно установлен на дне водоема. К вращающейся оси 7 присоединен ротор электрического генератора 10 с постоянными магнитами. Обмотка статора электрического генератора 10 (фиг.2) соединена проводниками со входом зарядного устройства 11, размещенного в герметичном отсеке 12 в верхней части поплавка. Выход зарядного устройства 11 соединен с аккумулятором 13, также находящимся в герметичном отсеке 12.

Схема на фиг.2 показывает элементы поплавковой волновой электростанции без тороидального поплавка 1 и якоря 9.

Поплавковая волновая электростанция работает следующим образом. В исходном состоянии при отсутствии волны маятник 4 своим весом создает силу натяжения троса 5. Эта сила натяжения троса 5 заставляет поплавковую волновую электростанцию расположиться над якорем. При подходе волны поплавок 1 под действием силы Архимеда всплывает на гребень волны, длина части троса 5 от якоря 9 до блока 6 увеличивается, а длина части троса 5 от блока 6 до маятника 4 уменьшается. При этом маятник 4 поднимается, а блок 6 при смещении троса 5 поворачивается вместе с осью 7. Ось 7 при повороте блока 6 вращает ротор с постоянными магнитами электрического генератора 10. На обмотке статора электрического генератора 10 появляется переменное электрическое напряжение, которое поступает на вход зарядного устройства 11, выпрямляется и подается с выхода зарядного устройства 11 на аккумулятор 13, обеспечивая зарядку аккумулятора 13. К аккумулятору 13 подключаются потребители электроэнергии, которые могут находиться на судне или на берегу.

При спуске с гребня волны поплавковой волновой электростанции расстояние от блока 6 до якоря 9 уменьшается, в результате маятник 4 опускается, расстояние от маятника 4 до блока 6 увеличивается, при этом трос 5 вращает блок 6 с осью 7 и ротором электрического генератора 10. Электрический генератор 10 через зарядное устройство 11 снова обеспечивает зарядку аккумулятора 13.

При перемещении троса 5 в направляющей, выполненной в виде трубы 8, могут возникать значительные силы трения, которые уменьшают мощность поплавковой волновой электростанции и приводят к износу троса 5. Для уменьшения сил трения направляющие троса 5 можно выполнить в виде вращающихся роликов 14 (фиг.3), прикрепленных в опорах качения к цилиндрическому корпусу 3. При смещении троса 5 ролики 14 поворачиваются, скольжения троса 5 относительно направляющих роликов 14 нет, и износ троса 5 уменьшается.

Оценим механическую мощность колебаний в предлагаемой поплавковой волновой электростанции, которую можно преобразовать в электрическую мощность электрическим генератором при тех же параметрах маятника и колебаний, как и у рассмотренного выше прототипа: масса маятника m=100 кг, амплитуда колебаний А=0,2 м, период колебаний Т=3 с. Максимальная скорость смещения маятника будет равна Vm=А·ω=0,42 м/с. При подъеме на гребень волны поплавковой волновой электростанции смещение герметичного поплавка 1 относительно якоря 9 происходит под действием силы Fп, максимальное значение Fпmax примерно равно

Fпmax=Fa-Fэ,

где Fa=γв·V·g- сила Архимеда, действующая на герметичный поплавок 1;

Fэ - вес поплавковой волновой электростанции с маятником 4 и тросом 5;

γв - плотность воды;

V- объем герметичного поплавка 1;

g - ускорение свободного падения.

При подъеме на гребень волны поплавковой волновой электростанции сила натяжения Fнп троса 5, создающая момент, вращающий блок 6 и ротор электрического генератора 10, равна Fп

Fнп=Fп.

При спуске поплавковой волновой электростанции с гребня волны сила натяжения Fнс троса 5, создающая момент, вращающий блок 6 и ротор электрического генератора 10, примерно равна весу маятника 5

Fнс=m·g.

Отсюда механическая энергия вращения блока 6 и ротора электрического генератора 10 при подъеме поплавковой волновой электростанции на гребень волны равна

Wмп=Fнп·Vm.

Механическая энергия вращения блока 6 и ротора электрического генератора 10 при спуске поплавковой волновой электростанции с гребня волны равна

Wмс=Fнс·Vm.

Поскольку период колебаний буя принят T=3 с, можно найти среднюю механическую мощность вращения блока 6 и ротора электрического генератора 10

Рм=(Wмп+Wмс)/T.

Определим Рм при весе поплавковой волновой электростанции с маятником 4 и тросом 5 Fэ=200 кг, силе Архимеда Fa=300 кг и тех же параметрах колебаний, что и для прототипа. По этим параметрам получим

Fпmax=Fa-Fэ=100 кг=980 Н;

Wмпmах=Fпmax·Vm=411 Дж;

Wмс=m·g·Vm=205 Дж;

Рмmах=(Wмп+Wмс)/T=205 Вт.

Если принять, что при подъеме на гребень волны используется только часть механической мощности Wмпmах, равная Wмс, то получим Рм=137 Вт.

Как видно, механическая мощность предлагаемой поплавковой волновой электростанции при одинаковой массе маятника и параметрах колебаний многократно увеличена по сравнению с прототипом. Значит, многократно увеличивается и электрическая мощность, которую вырабатывает электрический генератор. Если мощность предлагаемой поплавковой волновой электростанции и прототипа одинакова, то масса и габариты маятника и, значит, всех остальных элементов электростанции, у предлагаемой поплавковой волновой электростанции будут намного меньше, чем у прототипа.

Поплавковая волновая электростанция, содержащая обтекаемый герметичный поплавок и вертикально расположенный внутри поплавка цилиндрический корпус с размещенным в нем маятником, отличающаяся тем, что маятник подвешен к концу троса, который переброшен через блок, установленный на вращающейся оси, другой конец этого троса прикреплен к якорю, установленному на дне, а к вращающейся оси блока присоединен ротор электрического генератора с постоянными магнитами, статор которого закреплен на цилиндрическом корпусе, при этом обмотка статора электрического генератора присоединена ко входу зарядного устройства, а выход зарядного устройства присоединен к аккумулятору, который вместе с зарядным устройством находится в приборном отсеке в верхней части поплавка.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к использованию энергии волн и ее преобразованию в рабочее движение системы генерирования электрической энергии. Механизм постоянного вращения для изменения колебательного вращения на однонаправленное вращение выходного вала содержит шестерню 27, присоединенную к входному валу 321а, первую муфту 322с, присоединенную к входному валу 321а, шестерню 323f, присоединенную между шестерней 27 и муфтой 322с, шестерню 323j, присоединенную к промежуточному валу 325а, шестерню 323g и одностороннюю муфту 322d, присоединенные к промежуточному валу 325b, промежуточный вал 325с с шестерней 323l, связанный с односторонней муфтой 322d.

Изобретение относится к области использования энергии морских волн для производства электроэнергии. .

Изобретение относится к преобразователю волновой энергии. .

Изобретение относится к волноэнергетической установке для производства электроэнергии. .

Изобретение относится к волноэнергетическому устройству для производства электроэнергии, а также к применению волноэнергетического устройства и способу производства электрической энергии.

Изобретение относится к области морской энергетики и может быть использовано для энергоснабжения средств морского базирования. .

Изобретение относится к области производства электроэнергии путем преобразования механической энергии, например энергии морских волн, в электрическую. .

Изобретение относится к производству электроэнергии. .

Изобретение относится к поплавковым насосным установкам в энергетических системах на базе поплавковых насосов. .

Изобретение относится к области получения электрической энергии от колебания волны водной поверхности. .

Изобретение относится к области энергетики, в частности к средствам извлечения энергии из морских волн. Установка для преобразования энергии волн содержит раскачиваемую волнами створку 4, имеющую положительную плавучесть, горизонтальные шарниры 3, неподвижный фундамент 1, устройство отбора мощности, связанное с фундаментом 1. Установка снабжена вертикальной рамой 2, соединенной по нижней кромке с фундаментом 1 горизонтальными шарнирами 3, также связанной с фундаментом 1 устройством отбора мощности, выполненным в виде линейного электрогенератора 7. Створка 4 выполнена с возможностью свободного скольжения по вертикальным направляющим рамы 2, обеспечивая оптимальное положение относительно изменяющегося уровня воды. Изобретение направлено на обеспечение эффективности использования волновой энергии и повышение надежности установки. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электрическому устройству с обмоткой (12) и средством для индуцирования тока в обмотке. Мостовая схема (400) электрически соединяет обмотку (12) с нагрузкой (13). В соответствии с изобретением мостовая схема (400) включает в себя емкостное средство (401, 402), которое адаптировано для получения резонанса с импедансом обмотки (12). Технический результат - увеличение коэффициента захвата мощности энергетической установки. 5 н. и 16 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к устройствам для выработки энергии, в частности электроэнергии с использованием движения волн в водных бассейнах. Устройство содержит по меньшей мере один функциональный блок, имеющий по меньшей мере главный или ведущий вал, на котором прочно закреплено ведущее колесо (13b), в зацепление с которым входит и вращение которому придает элемент (15b) линейного управления, по меньшей мере два ведомых вала (21b, 22b), которые приводятся в действие по меньшей мере главным или ведущим валом посредством однонаправленного приводного механизма, каждый из которых имеет возможность соединения по меньшей мере с электрогенератором, два ведомых зубчатых колеса (18b, 19b) на противоположных концах главного или ведущего вала, приводной механизм, соединяющий каждое колесо (18b, 19b) с главным или ведущим валом, за счет чего вращение вала под действием элемента (15b) соответствует вращению колеса (18b, 19b), и плоское зубчатое колесо, входящее в зацепление с колесом (18b, 19b). Каждое колесо (18b, 19b) соединено с соответствующим валом (21b, 22b). Изобретение направлено на создание устройства, устанавливаемого на суше, на воде, как в плавучем или полупогружном, так и погружном положении. 8 з.п. ф-лы, 14 ил.

Группа изобретений относится к области энергетики и может быть использована для извлечения электроэнергии из энергии движения волн морей и океанов. Преобразователь энергии волн содержит расположенный на поверхности воды поплавок 2, шарнирно соединенные рамки 3, 4. Рамка 3 соединена тягой с поплавком 2 и шарнирно связана со штоком 6 цилиндра, расположенного в массиве 1 воды. Цилиндр сообщен с гидромотором 22, соединенным с генератором. Вторая рамка 4 шарнирно соединена с цилиндром. Каждая рамка выполнена треугольной в виде двух рычагов с перемычкой, жестко связанной с ними. Перемычка первой рамки соединена со штоком 6. Перемычка второй рамки 4 соединена с цилиндром. Рамки соединены друг с другом основаниями. Вторая рамка 4 соединена тягой с расположенным на дне балластным грузом 7. Изобретение направлено на упрощение конструкции и массы преобразователя. 3 н.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к устройствам преобразования энергии волн в электрическую энергию. Устройство содержит плавучий буй 24, платформу 1 с резервуаром, штырь для крепления платформы 1 ко дну, верхнюю и нижнюю пластины, соединенные штангой с возможностью вертикального перемещения относительно платформы 1, первые и вторые поршни, закрепленные к верхней и нижней пластинам, соответственно, две группы жидкостных направляющих, закрепленных к платформе 1. Каждая направляющая первой группы выполнена в виде первой направляющей трубки 31 с двумя обратными клапанами и первой боковой трубки 32, соединенной с трубкой 31 на участке между клапанами. В каждой трубке 32 размещен один из первых поршней. Один конец каждой трубки 31 выполнен с возможностью размещения под уровнем воды. Каждая направляющая второй группы выполнена в виде второй направляющей трубки 41 с двумя обратными клапанами и второй боковой трубки 42, соединенной с трубкой 41 на участке между клапанами. В каждой трубке 42 размещен один из вторых поршней. Один конец каждой трубки 41 выполнен с возможностью размещения под уровнем воды. Верхняя пластина связана с буем 24 и выполнена с пазами по периметру, в которых размещены первая и вторая группы направляющих. Поршни установлены в трубках 32 и 42 с возможностью перемещения совместно с верхней и нижней пластинами при подъеме и опускании буя 24 и перекачивания воды в резервуар через трубки 31, 41. Изобретение направлено на создание эффективного устройства преобразования волновой энергии. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

Группа изобретений относится к преобразованию энергии волн, в частности к устройству для извлечения энергии из движения волн. Аппарат (10) содержит плавучий исполнительный механизм (14) и насос (15), размещенный в толще воды, обычно на морском дне (13). Аппарат (10) работает в режиме замкнутого контура. Текучая среда под высоким давлением перекачивается на берег с помощью насоса (15), энергия извлекается в виде полезной работы с помощью расположенной на берегу установки (17). Механизм (14) оперативно соединен с насосом (15) посредством кабеля-троса (19) и находится в подвешенном состоянии в толще воды (11) выше насоса (15). Механизм (14) снабжен соединительным средством, обеспечивающим упругое соединение между полым телом и кабелем-тросом (19). Соединительное средство содержит демпфирующее средство, выполненное с возможностью поддержания жесткого соединения между полым телом и кабелем-тросом (19) до тех пор, пока нагрузка между ними не превышает заранее предусмотренного значения, после чего демпфирующее средство допускает их ограниченное относительное перемещение с целью ослабления нагрузки. Группа изобретений направлена на ослабление избыточных нагрузок на компоненты аппарата (10) с целью недопущения их повреждения в неблагоприятных погодных условиях. 7 н. и 22 з.п. ф-лы, 21 ил.

Группа изобретений относится к производству электроэнергии путем преобразования энергии волн. Поплавковая волновая электростанция содержит обтекаемый герметичный поплавок 1, блок 4, закрепленный на поплавке 1, через который переброшен трос 5, к концу которого прикреплен вертикальный маятник 6, электрический генератор 12 и якорь 11, установленный на дне. На поплавке 1 закреплен дополнительный блок 10. Между блоком 4 и дополнительным блоком 10 на поплавке 1 установлены два барабана 7 и 8, соединенные осями, на один из них намотан трос 5, к концу которого прикреплен маятник 6, а на другой барабан намотан трос 9, переброшенный через дополнительный блок 10 и прикрепленный к якорю 11. Направление намотки тросов 5 и 9 на первый и второй барабаны 7 и 8 противоположное. К общей оси барабанов 7 и 8 присоединен ротор электрического генератора 12. Группа изобретений направлена на уменьшение массы и габаритов поплавковой волновой электростанции и повышение надежности ее работы. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к производству электроэнергии путем преобразования энергии вертикального волнения воды в электрическую. Поплавковый волновой генератор предназначен для преобразования энергии волн в электроэнергию. Волновой генератор содержит каркас 1, шток 3, имеющий цилиндрическую и винтовую части, поплавок 4 эллипсоидной формы, направляющую 14, закрепленный к каркасу корпус 5 с расположенным внутри ротором 6, преобразующим возвратно-поступательное движение штока 3 во вращательное движение ротора 6 и фланца 7, на котором закреплены магниты 8, вращающиеся вместе с ротором 6, фиксатор 15, стопорящий положение поворотного диска 16, посредством которого осуществляется поворот поплавка вокруг вертикальной оси. Поплавок 4 жестко зафиксирован на штоке 3. Направляющая 14 исключает самопроизвольный поворот штока 3 вокруг вертикальной оси. Изобретение направлено на обеспечение эффективной генерации электроэнергии благодаря возможности поворота поплавка относительно его вертикальной оси и, как следствие, изменение длины проекции большой оси эллипса от нуля до максимума, равного половине длины волны в сечении, перпендикулярном направлению движения волны. 4 ил.

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к производству электроэнергии путем преобразования энергии вертикального волнения воды в электрическую. Электрогенератор гидроволновой предназначен для преобразования энергии волн в электроэнергию. Электрогенератор гидроволновой содержит каркас, шток 3, имеющий цилиндрическую и винтовую части, закрепленный к нему поплавок 4, фиксатор, препятствующий повороту штока 3 вокруг вертикальной оси, закрепленный к каркасу корпус 5 с расположенным внутри ротором 6, преобразующим возвратно-поступательное движение штока 3 во вращательное движение ротора 6 и фланца 7, на котором закреплены магниты 8, вращающиеся вместе с ротором 6. Поплавок 4 представляет собой эластичную гофрированную трубу 19, внутри которой находится пружина растяжения 20, имеет возможность посредством переключения трехпозиционного электромагнитного пневмораспределителя 14, подключенного к источнику сжатого воздуха, сообщаться с атмосферой через воздуховод 15 и изменять свою длину в пределах, равных половине длине волны. Изобретение направлено на обеспечение эффективной генерации электроэнергии в результате быстрого изменения длины поплавка до величины, равной половине длины волны. 2 ил.

Изобретение относится к отрасли морской энергетики и предназначено для извлечения электрической энергии из морских волн. Поплавковая волновая электростанция плавучего завода сжижения природного газа содержит вертикально расположенный цилиндрический корпус с размещенным в нем механическим преобразователем энергии морских волн, включающим винтовую пару, пружину, грузило, шестеренчатую обгонную муфту, переходник, паразитную шестерню, мультипликатор, электрогенератор. Дополнительно установлен модуль-понтон 2, который выполнен в форме цилиндрической водонепроницаемой оболочки. Внутри оболочки размещено, по меньшей мере, четыре механических преобразователя энергии морских волн, каждый из которых содержит зубчатую пару. Шариковая винтовая пара выполнена в форме винта, размещенного в вертикальной плоскости и взаимодействующего с гайкой, установленной в неподвижном основании. Грузило выполнено в форме шара и прикреплено к верхнему концу винта, на котором между грузилом и основанием коаксиально размещена пружина. На поверхности гайки коаксиально прикреплено ведущее колесо зубчатой пары. Изобретение направлено на повышение чувствительности механического преобразователя энергии морских волн при их малых амплитудах, на увеличение процента преобразования энергии морских волн в электрическую энергию. 5 ил.
Наверх