Электроустановка гидроволновая штоковая
Устройство относится к гидроэнергетике, в частности, к производству электроэнергии путем преобразования энергии вертикального волнения воды в электрическую энергию. Устройство содержит плавающий корпус (1), закрепленный к корпусу вертикальный стержень (2), размещенный на стержне с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль стержня поплавок (3), закрепленный к поплавку вертикальный шток (4), установленный у верхнего конца вертикального стержня для исключения выхода поплавка за верхний предел стержня ограничитель (5), закрепленные к ограничителю колесо (6) и электрогенератор (7). По сравнению с известными техническими решениями устройство имеет ряд преимуществ. Достигается эффективная генерация электроэнергии на волнах любой длины независимо от скорости вертикального движения волн. Элементы узлов преобразования энергии располагаются выше уровня воды, что повышает износостойкость деталей и надежность работы устройства. Отсутствие выбросов в окружающую среду предполагает соблюдение оптимальных экологических характеристик устройства. Мобильный плавающий корпус позволяет транспортировку устройства по воде. Устройство обладает штормоустойчивостью, так как горизонтальные волны свободно проходят сквозь каркасный корпус и обтекают поплавки устройства. При этом для изготовления устройства требуется значительно меньшее количество материалов, что важно для экономической составляющей производства. Достигается удобство в обслуживании устройства, влияющее на снижение стоимости получаемой электроэнергии. Предлагаемое устройство позволяет обеспечить электроэнергией объекты промышленного производства морского и прибрежного базирования. 17 з.п.ф., 4 ил.
Устройство относится к гидроэнергетике, в частности, к производству электроэнергии путем преобразования энергии вертикального волнения воды в электрическую энергию.
Известен буйковый волновой генератор [Патент на ИЗ US 2004061338, 2004 г.], содержащий магнитный сердечник, прикрепленный к нижней поверхности буя с возможностью вертикального возвратно-поступательного движения на волне. На магнитном сердечнике подвижно установлена обмоточная катушка, перемещение которой по магнитному сердечнику ограничено, а катушка удерживает фиксированное положение под водой посредством установленных вокруг нее плоских горизонтальных панелей, увеличивающих сопротивление воды при возвратно-поступательном движении сердечника.
Известна волновая энергетическая установка [Патент на ПМ RU 88743, 2009 г.], содержащая двухсекционный каркас, вертикальные стойки которого, размещенные между верхним и нижним основаниями, являются одновременно направляющими размещенного в нижней секции каркаса поплавка, способного к возвратно-поступательному вертикальному перемещению, а в верхней секции которого расположен передаточный механизм. Передаточный механизм, установленный снизу на верхнем основании каркаса, содержит центральную горизонтально или вертикально расположенную ионическую зубчатую шестерню с осевым наконечником для кинематической связи с электрогенератором, в диаметрально противоположных точках которой она связана с двумя зеркально расположенными одинаковыми боковыми коническими зубчатыми шестернями, с фиксацией посаженными на ступицах с обгонными муфтами и звездочками на них, размещенными соосно и встречно на объединенной оси и установленных на верхнем основании кронштейнах, а обе обгонные муфты через звездочки и замкнутые передаточные цепи связаны со штоком, один конец которого скреплен с поплавком, а другой с передаточными цепями.
Известен поплавковый волновой генератор [Патент на ПМ RU 69932, 2007 г.], содержащий плавающий корпус с прямолинейным вертикальным каналом, обмотку статора, выполненную на внутренней стенке вертикального канала, и сердечник с постоянным магнитом, размещенный внутри вертикального канала с возможностью вертикального возвратно-поступательного движения относительно обмотки статора. Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Существенным недостатком прототипа является то, что при низкой скорости вертикального движения волн энергия вертикального волнения воды не преобразуется в электрическую энергию, так как при медленном прохождении магнита внутри обмотки не возникает электрического тока. Кроме этого, вода, проходящая через вертикальный канал, теряет начальную вертикальную скорость, амплитуда волны в вертикальном канале уменьшается, что отрицательно сказывается на производительности генерации электроэнергии. Поскольку горизонтальные волны не проходят сквозь корпус, устройство не обладает штормоустойчивостью. Также недостатком устройства является то, что движущимся под воздействием вертикального волнения воды элементом является плавающий неэкранированный магнит, что предполагает притяжение к узлу преобразования энергии магнитного сора. При этом к материалам элементов устройства прилагаются требования, влияющие на прочность деталей. Для создания устройства требуется большое количество материалов, что увеличивает стоимость изготовления устройства и стоимость получаемой электроэнергии.
Задачами предлагаемого устройства являются реализация эффективной генерации электроэнергии на волнах любой длины независимо от скорости вертикального движения волн, увеличение производительности узла преобразования энергии, повышение штормоустойчивости и надежности работы устройства, улучшение износостойкости деталей, исключение требований к материалам элементов устройства, соблюдение оптимальных экологических характеристик устройства, а также достижение мобильности, простоты изготовления, удобства в обслуживании и снижения стоимости получаемой электроэнергии.
Задачи решаются следующим образом. К плавающему корпусу закрепляется вертикальный стержень. На стержне размещается с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль стержня поплавок с закрепленным к поплавку вертикальным штоком. При этом у верхнего конца вертикального стержня для исключения выхода поплавка за верхний предел стержня устанавливается ограничитель, а к ограничителю закрепляются колесо и электрогенератор. Колесо должно быть кинематически связано с вертикальным штоком и подвижным элементом электрогенератора таким образом, что при перемещении поплавка вдоль вертикального стержня колесо под воздействием качения по вертикальному штоку совершает вращательные движения и передает крутящий момент подвижному элементу электрогенератора. Колесо может быть изготовлено в виде шестерни, а на вертикальном штоке выполнены зубцы. Кинематическая связь колеса и подвижного элемента электрогенератора может быть выполнена с использованием механизма муфты свободного или обгонного хода. Поплавок может быть выполнен имеющим закругленную форму и размещен на стержне с использованием вертикальных направляющих, исключающих поворот поплавка вокруг вертикальной оси. Стержень может быть размещен внутри вертикального сквозного отверстия, выполненного в поплавке. При этом сквозное отверстие поплавка и стержень могут иметь круглое поперечное сечение в горизонтальной плоскости. Вертикальный шток может иметь круглое поперечное сечение в горизонтальной плоскости. У нижнего конца вертикального стержня для исключения выхода поплавка за нижний предел стержня может быть установлен ограничитель. К ограничителю может быть прикреплен упругий элемент, предотвращающий жесткое касание поплавка с ограничителем. Массы корпуса и поплавка должны быть выбраны достаточными для передачи колесом крутящего момента подвижному элементу электрогенератора при возвратно-поступательного перемещении поплавка вдоль вертикального стержня. Корпус может быть выполнен в виде, по меньшей мере, трех плавающих тел, скрепленных между собой в одной плоскости. При этом к нижней части конструкции может быть прикреплен груз, выполненный с возможностью исключения переворачивания плоскости размещения плавающих тел корпуса при любом волнении воды. Корпус может быть выполнен в виде плавающего тела и груза, закрепленного к плавающему телу для удержания плавающего тела в постоянном вертикальном положении при любом волнении воды. При этом груз может быть выполнен в виде, по меньшей мере, трех вертикальных лопастей. К корпусу может быть закреплен, по меньшей мере, один вертикальный стержень, а на стержне размещен с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль стержня, по меньшей мере, один поплавок с закрепленным к поплавку, по меньшей мере, одним вертикальным штоком, при этом у верхнего конца вертикального стержня для исключения выхода поплавка за верхний предел стержня установлен ограничитель, а к ограничителю закреплены, по меньшей мере, одно колесо и, по меньшей мере, один электрогенератор. Подвижный элемент электрогенератора может быть кинематически связан с двумя или более колесами, расположенными на общем валу. Поплавок может быть размещен на двух или более вертикальных стержнях с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль стержней.
Предлагаемое устройство содержит плавающий корпус, закрепленный к корпусу вертикальный стержень, размещенный на стержне с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль стержня поплавок, закрепленный к поплавку вертикальный шток, установленный у верхнего конца вертикального стержня для исключения выхода поплавка за верхний предел стержня ограничитель, закрепленные к ограничителю колесо и электрогенератор, причем колесо кинематически связано с вертикальным штоком и подвижным элементом электрогенератора таким образом, что при перемещении поплавка вдоль вертикального стержня колесо под воздействием качения по вертикальному штоку совершает вращательные движения и передает крутящий момент подвижному элементу электрогенератора.
На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого устройства. На фиг.1-4 показаны схемы устройства, содержащего плавающий корпус (1), вертикальный стержень (2), поплавок (3), вертикальный шток (4), ограничитель (5), колесо (6) и электрогенератор (7). На фиг.1-2 показаны схемы устройства, корпус которого выполнен в виде четырех плавающих тел, скрепленных между собой в одной плоскости. На фиг.1 показан продольный разрез устройства, на фиг.2 показан вид устройства сверху. На фиг.3-4 показаны схемы устройства, корпус которого выполнен в виде плавающего тела и груза, закрепленного к плавающему телу. На фиг.3 показан продольный разрез устройства, на фиг.4 показан вид устройства сверху.
Устройство работает следующим образом. При наличии волн поплавок (3) приобретает различные ускорения вдоль вертикального стержня (2). При этом закрепленный к поплавку вертикальный шток (4) совершает возвратно-поступательное перемещение относительно установленного у верхнего конца вертикального стержня ограничителя (5). Закрепленное к ограничителю колесо (6) под воздействием качения по вертикальному штоку совершает вращательные движения и передает крутящий момент подвижному элементу электрогенератора (7). В результате возникает электрический ток, который подается на объект преобразования, потребления или аккумулирования электрической энергии.
По сравнению с известными техническими решениями эффект заключается в следующем. В конструкции не используются такие элементы, как рычаг, насос, цепи, блоки, вследствие чего достигается высокая надежность работы устройства. Отсутствие выбросов в окружающую среду предполагает соблюдение оптимальных экологических характеристик устройства. Мобильный плавающий корпус позволяет транспортировку устройства по воде.
В отличие от прототипа, предлагаемое устройство имеет ряд преимуществ. Достигается эффективная генерация электроэнергии на волнах любой длины независимо от скорости вертикального движения волн. Обеспечивается использование полной амплитуды волны. Горизонтальные волны свободно проходят сквозь каркасный корпус и обтекают поплавки, что повышает штормоустойчивость устройства. Для изготовления устройства требуется значительно меньшее количество материалов, что важно для экономической составляющей производства. Использование колеса и электрогенератора исключает требования к материалам элементов и возможность притяжения к узлу преобразования энергии магнитного сора. Размещение поплавка на двух вертикальных стержнях позволяет исключить поворот поплавка вокруг вертикальной оси и закрепить к ограничителю два колеса, кинематически связанных с использованием механизма муфты свободного или обгонного хода с подвижным элементом одного электрогенератора для поочередной передачи крутящего момента при перемещении поплавка вдоль вертикального стержня в разных направлениях. Элементы узлов преобразования энергии располагаются выше уровня воды, что улучшает износостойкость деталей. При этом достигается удобство в обслуживании устройства, влияющее на снижение стоимости получаемой электроэнергии.
Предлагаемое устройство позволяет обеспечить электроэнергией объекты промышленного производства морского и прибрежного базирования.
1. Гидроволновая электроустановка, содержащая плавающий корпус, отличающаяся тем, что к корпусу закреплен вертикальный стержень, а на стержне размещен с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль стержня поплавок с закрепленным к поплавку вертикальным штоком, при этом у верхнего конца вертикального стержня для исключения выхода поплавка за верхний предел стержня установлен ограничитель, а к ограничителю закреплены колесо и электрогенератор, причем колесо кинематически связано с вертикальным штоком и подвижным элементом электрогенератора таким образом, что при перемещении поплавка вдоль вертикального стержня колесо под воздействием качения по вертикальному штоку совершает вращательные движения и передает крутящий момент подвижному элементу электрогенератора.
2. Электроустановка по п.1, отличающаяся тем, что колесо изготовлено в виде шестерни, а на вертикальном штоке выполнены зубцы.
3. Электроустановка по п.1, отличающаяся тем, что кинематическая связь колеса и подвижного элемента электрогенератора выполнена с использованием механизма муфты свободного или обгонного хода.
4. Электроустановка по п.1, отличающаяся тем, что поплавок выполнен имеющим закругленную форму.
5. Электроустановка по п.1, отличающаяся тем, что поплавок размещен на стержне с использованием вертикальных направляющих, исключающих поворот поплавка вокруг вертикальной оси.
6. Электроустановка по п.1, отличающаяся тем, что стержень размещен внутри вертикального сквозного отверстия, выполненного в поплавке.
7. Электроустановка по п.6, отличающаяся тем, что сквозное отверстие поплавка и стержень имеют круглое поперечное сечение в горизонтальной плоскости.
8. Электроустановка по п.1, отличающаяся тем, что вертикальный шток имеет круглое поперечное сечение в горизонтальной плоскости.
9. Электроустановка по п.1, отличающаяся тем, что у нижнего конца вертикального стержня для исключения выхода поплавка за нижний предел стержня установлен ограничитель.
10. Электроустановка по п.9, отличающаяся тем, что к ограничителю прикреплен упругий элемент, предотвращающий жесткое касание поплавка с ограничителем.
11. Электроустановка по п.1, отличающаяся тем, что массы корпуса и поплавка выбраны достаточными для передачи колесом крутящего момента подвижному элементу электрогенератора при возвратно-поступательном перемещении поплавка вдоль вертикального стержня.
12. Электроустановка по п.1, отличающаяся тем, что корпус выполнен в виде, по меньшей мере, трех плавающих тел, скрепленных между собой в одной плоскости.
13. Электроустановка по п.12, отличающаяся тем, что к нижней части конструкции прикреплен груз, выполненный с возможностью исключения переворачивания плоскости размещения плавающих тел корпуса при любом волнении воды.
14. Электроустановка по п.1, отличающаяся тем, что корпус выполнен в виде плавающего тела и груза, закрепленного к плавающему телу для удержания плавающего тела в постоянном вертикальном положении при любом волнении воды.
15. Электроустановка по п.14, отличающаяся тем, что груз выполнен в виде, по меньшей мере, трех вертикальных лопастей.
16. Электроустановка по п.1, отличающаяся тем, что к корпусу закреплен, по меньшей мере, один вертикальный стержень, а на стержне размещен с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль стержня, по меньшей мере, один поплавок с закрепленным к поплавку, по меньшей мере, одним вертикальным штоком, при этом у верхнего конца вертикального стержня для исключения выхода поплавка за верхний предел стержня установлен ограничитель, а к ограничителю закреплены, по меньшей мере, одно колесо и, по меньшей мере, один электрогенератор.
17. Электроустановка по п.1, отличающаяся тем, что подвижный элемент электрогенератора кинематически связан с двумя или более колесами, расположенными на общем валу.
18. Электроустановка по п.1, отличающаяся тем, что поплавок размещен на двух или более вертикальных стержнях с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль стержней.
