ПОПЛАВКОВЫЙ ВОЛНОВОЙ ГЕНЕРАТОР

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к производству электроэнергии путем преобразования энергии вертикального волнения воды в электрическую.

Известна волновая энергетическая установка (патент на ПМ RU 86252 U1, опубл. 27.08.2009), которая содержит двухсекционный каркас, вертикальные стойки которого скреплены верхними и нижними основаниями, являющимися направляющими размещенного в нижней секции каркаса поплавка, способного к возвратно-поступательному перемещению, что обеспечивается посредством опорных роликов, находящихся на боковой поверхности поплавка. В верхней секции каркаса расположен преобразователь энергии, содержащий как минимум две или более пар симметрично расположенных длинноходовых вертикальных линейных электрических генераторов с генерирующими сердечниками на дисковых постоянных магнитах, оси которых выполнены из немагнитных материалов, имеющих возможность возвратно-поступательного перемещения внутри кольцевых индуктивных катушек в противоположных направлениях, связанными с поплавком через передаточный шток с гребенчатой зубчатой передачей, преобразующей возможность возвратно-поступательного перемещения штока во вращение, симметрично расположенных на одной оси с зубчатой шестеренкой барабанов и перекинутых через них гибких тросов, на концах которых закреплены генерирующие сердечники линейных электрических генераторов.

Поплавок внутри заполнен балластом, который обеспечивает равенство сил при наличии возвратно-поступательного движения поплавка по вертикали, вес которого вместе с весом корпуса поплавка и передаточного штока равен весу воды, вытесненной половиной объема поплавка.

К недостаткам аналога относится сложность конструкции механизма, преобразующего возвратно-поступательное движение поплавковой камеры во вращательное движение барабанов, обеспечивающих возвратно-поступательное движение генерирующих сердечников посредством тросов в процессе преобразования механической энергии в электрическую.

Также известна волновая энергетическая установка (патент на изобретение RU 2054576 С1, опубл. 20.02.1996), содержащая закрепленную на дне бассейна стойку, с которой связана с возможностью возвратно-поступательного перемещения поплавковая камера. Корпус электрогенератора с сердечниками статора и ротора, обмоткой установлен на камере. Винт шариковинтового преобразователя соединен со стойкой. Гайка связана с сердечником ротора. Преобразователь снабжен дополнительной гайкой, связанной с сердечником статора, установленного с зазором в корпусе. Сердечники жестко сочленены обгонными муфтами с гайками с обеспечением вращения во встречных направлениях.

К недостаткам аналога относится неравномерность процесса преобразования механической энергии волн в электрическую, а также низким качеством генерируемого напряжения вследствие нестабильности его величины и частоты.

Известна волновая энергетическая установка (RU 2013112398 А, 27.09.2014, F03B 13/16), содержащая каркас с соосными центральными отверстиями, поплавок с закрепленным к нему штоком, корпус с установленным в нем ротором, магниты, фланец, вращающийся вместе с ротором, преобразующим возвратно-поступательное движение штока во вращательное движение ротора и фланца с установленными на нем роликами, постоянно контактирующими с нижней частью площадки, представляющей собой полый цилиндр с выполненными в нем фигурными элементами, образующими периодический профиль переменной кривизны. В верхней части площадки закреплены объединенные в прямоугольные секции плоские магниты, ориентированные параллельно друг другу, с возможностью вертикального возвратно-поступательного движения относительно рамки, вокруг которой выполнена обмотка.

Данная установка принята в качестве прототипа.

Отсутствие в принятом прототипе возможности регулировки положения поплавка относительно направления движения волны не обеспечивает достижения высоких удельных энергетических показателей, что снижает эффективность данной установки.

Наиболее эффективно рабочее тело работает на волнении, частота которого совпадает с собственной частотой колебаний плавучего элемента. В этом случае возникают резонансные явления, которые характеризуются ростом амплитуды колебаний плавучего элемента и других параметров его динамики. В свою очередь, частота собственных колебаний плавающего на поверхности воды объекта зависит от его формы и массы.

Задачей данного изобретения является обеспечение возможности поворота поплавка относительно его вертикальной оси и, как следствие, изменение длины проекции большой оси эллипса в сечении, перпендикулярном направлению движения волны до величины, равной половине длине волны, для более эффективной передачи энергии морских волн различной длины и частоты (периода) на силовой преобразователь (генератор).

Поставленная задача решается благодаря тому, что в поплавковом волновом генераторе, содержащим каркас с выполненными в нем соосными центральными отверстиями, поплавок с закрепленным к нему штоком, корпус с установленным в нем ротором, преобразующим возвратно-поступательное движение штока во вращательное, фланец с закрепленными на нем магнитами, вращающийся вместе с ротором, статор с закрепленной на нем обмоткой, предусмотрены следующие отличия: жестко закрепленный на штоке поплавок имеет эллипсоидную форму и кинематически связан с поворотным диском посредством направляющей, установленной в квадратном отверстии внутри штока и связано с поворотным диском, фиксируемым в требуемом положении фиксатором с вытяжной рукояткой для обеспечения возможности поворота штока с поплавком относительно вертикальной оси в зависимости от длины волны, стопорения в выбранном положении и исключения возможности самопроизвольного поворота.

Техническое решение позволяет повысить эффективность генерации электроэнергии за счет возможности поворота поплавка вокруг его вертикальной оси и изменения величины проекции большой оси эллипса от нуля до максимума, равного половине длины волны в сечении, перпендикулярном направлению движения волны. Этим достигается более эффективная передача энергии морских волн различной длины и частоты (периода) на силовой преобразователь (генератор) в результате возникновения резонансных явлений, характеризующихся ростом амплитуды колебаний плавучего элемента.

Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежом, на котором:

Фиг. 1 Общий вид поплавкового волнового генератора.

Фиг. 2 Вид поплавкового волнового генератора сверху.

Фиг. 3 Верхняя часть генератора в увеличенном виде.

Фиг. 4 Поперечное сечение винтовой части штока.

Поплавковый волновой генератор содержит каркас 1, на котором установлен статор 2, шток 3, поплавок 4, корпус 5, ротор 6 с закрепленными на фланце 7 магнитами 8, обмотку 9, кожух 10, упор 11, крышку 12, подшипники 13, направляющую 14, фиксатор 15, диск поворотный 16, соосные отверстия 17, втулки 18, квадратное отверстие 19, конус 20, отверстия 21.

Перечисленные выше конструктивные элементы выполнены следующим образом. В верхней и нижней частях каркаса 1 установлены втулки 18 с выполненными в них соосными центральными отверстиями 17, в которые устанавливается шток 3 с закрепленным на нем поплавком 4, имеющий цилиндрическую и винтовую с углом наклона витков не менее 45° части, способный к вертикальному перемещению. В винтовой части штока выполнено квадратное отверстие 19, в которое устанавливается направляющая 14, представляющая собой стержень квадратного сечения, исключающая возможность самопроизвольного поворота штока 3 вокруг вертикальной оси. К верхней части каркаса 1 крепится корпус 5 с установленным в нем ротором 6, опирающимся на подшипники 13, закрепленные крышкой 12. Внутренняя полость ротора 6 имеет винтовую поверхность, контактирующую с наружной винтовой поверхностью штока 3, представляя собой винтовую пару, преобразующую возвратно-поступательное движение штока 3 во вращательное движение ротора 6 вместе с установленным на нем фланцем 7, на котором закреплены магниты 8, вращающиеся вместе с ротором 6. В верхней части каркаса 1 смонтирован статор 2 с закрепленной на нем обмоткой 9. Поплавок 4, выполненный в виде эллипсоида, жестко закреплен на цилиндрической части штока 3.

Устройство работает следующим образом. При наличии волн поплавок 4 совершает вертикальные движения вдоль собственной оси. При этом закрепленный к поплавку вертикальный шток 3 совершает возвратно-поступательное перемещение относительно каркаса 1. Винтовая часть штока при вертикальном перемещении вверх с осевой силой, развиваемой поплавком 4, создает крутящий момент, передаваемый ротору 6, тем самым преобразуя поступательное движение штока 3 во вращательное движение закрепленного в корпусе 5 ротора 6, на котором крепится фланец 7 с расположенными на нем магнитами 8. При движении вниз шток 3 опускается под действием собственной силы тяжести и поплавка 4. В результате перемещения штока 3 вниз создается крутящий момент, передаваемый ротору 6, который вращается в противоположную сторону. При вращении ротора 6 вместе с установленными на ней магнитами 8 в обмотке 9 возникает электрический ток, который подается на объект преобразования, потребления или аккумулирования электрической энергии. Для исключения возможности самопроизвольного вращения штока предусмотрен фиксатор 15. Для исключения повреждений от атмосферных воздействий конструкция закрыта кожухом 10. Положение поплавка 4 и штока 3 относительно вертикальной оси регулируется при вытянутой вверх рукоятке фиксатора 15 вращением диска 16 и связанной с ним направляющей 14. После осуществления поворота диска 16 на требуемый угол конус 20 фиксатора 15 входит в одно из отверстий 21, выполненных в верхней части кожуха 10, обеспечивая стопорение диска и кинематически связанных с ним направляющей 14 и штока 3.

По сравнению с известными техническими решениями эффект заключается в следующем.

Возможность поворота поплавка относительно его вертикальной оси в зависимости от длины волны, следствием чего является изменение длины проекции большой оси эллипса от нуля до максимума, равного половине длины волны в сечении, перпендикулярном направлению движения волны. Это способствует более эффективной передаче энергии морских волн различной силы и частоты (периода) на силовой преобразователь (генератор) в результате возникновения резонансных явлений, характеризующихся ростом амплитуды колебаний плавучего элемента.

Использование в конструкции направляющей, исключающей самопроизвольное вращение (поворот) поплавка относительно вертикальной оси, закрепленной в верхней части кожуха, отличается тем, что направляющая жестко связана с поворотным диском, на котором закреплен фиксатор с вытяжной рукояткой.

В отличие от прототипа предлагаемое устройство имеет ряд преимуществ. Достигается эффективная генерация электроэнергии в результате изменения положения поплавка относительно его вертикальной оси в зависимости от длины волны. Предлагаемое устройство позволяет обеспечить электроэнергией объекты промышленного производства морского и прибрежного базирования.