Буй проблесковый

Авторы патента:

«Буй проблесковый» относится к средствам использования возобновляемых источников энергии, а, в частности, к преобразователям энергии волнения моря в электрическую энергию, и может найти применение для электропитания нагрузок, функционирующих в автономном режиме, в т.ч. буйковых автоматических радиометеорологических станций и/или оптических ограничителей фарватеров. «Буй проблесковый», содержит плавучее средство, надводная часть которого несет навигационный знак, и энергоустановку с преобразователем механической энергии в электрическую, включающем корпус, выполненный в виде полого цилиндра, на внешней поверхности которого размещена обмотка катушки индуктивности, а внутри - постоянный магнит, размещенный по легко ходовой возвратно-поступательной посадке, и эластичные упоры, размещенные в торцах корпуса, а также, выпрямитель, соединенный входами с обмоткой катушки индуктивности, аккумулятор, соединенный с выходами выпрямителя, фотоэлемент, соединенный входом с одним электродом аккумулятора, генератор прямоугольных импульсов, соединенный по цепи питания с выходом фотоэлемента, ключ, соединенный силовым входом с выходом фотоэлемента, а входом управления с выходом генератора прямоугольных импульсов, и источник света, соединенный входом с выходом ключа. Преимущества использования предлагаемой энергоустановки на буе состоят в том, что она работоспособна в автономном режиме неограниченно по времени суток и года, проста по применению, реализуема на современной элементной базе в произвольных условиях ее производства, надежна и долговечна в эксплуатации, не нуждаются в обслуживании до физического износа, обладает невысокой себестоимостью и повышенным коэффициентом полезного действия. Реально КПД индукционного преобразователя в 3÷4 раза выше, чем КПД пьезоэлектрического преобразователя.

Известен «пьезооптический проблесковый извещатель», содержащий преобразователь механической энергии в электрическую на базе пьезоэлектрического элемента и светоизлучающий элемент, в нем преобразователь механической энергии в электрическую включает корпус, эластичный элемент с двумя состояниями равновесия, одно из которых устойчиво, а другое неустойчиво, соединенный одним концом жестко с корпусом, боек, установленный на свободном конце эластичного элемента соосно с пьезоэлектрическим элементом и на фиксированном удалении от него, и толкатель, установленный на фиксированном расстоянии, от свободного конца эластичного элемента подпружинено по легкоходовой возвратно-поступательной посадке, а в качестве светоизлучающего элемента использован твердотельный элемент, выполненный на базе униполярного светодиода или двух однополярных светодиодов, соединенных между собой встречно-параллельно, или газоразрядный источник света, причем упомянутый светоизлучающий элемент гальванически соединен с пьезоэлектрическим элементом. [1]. Выделенное курсивом - признаки общие с предметом полезной модели.

Существенные недостатки известного устройства - значительные аппаратная избыточность, габаритно-весовые характеристики, низкий коэффициент полезного действия и, как следствие, ограниченная надежность в работе.

Известна, как более близкая к предмету предлагаемой полезной модели, «установка конверсии волнения моря в электроэнергию», содержащая плавучее средство и противовес, плавучее средство которой выполнено из двух и более элементов с положительной плавучестью, расположенных на поверхности моря и соединенных между собой механически подвижно, в которых вмонтированы пьезоэлектрические преобразователи, устройства преобразования колебательных движении сопряженных элементов плавучего средства в импульсные силовые воздействия, соединенные механически с одной стороны с сопряженными элементами плавучего средства, а с другой стороны - с одноименными пьезоэлектрическими преобразователями, выпрямители тока, соединенные электрически входами с пьезоэлектрическими преобразователями, и накопитель электрической энергии, соединенный электрически с выходами выпрямителей [2]. Выделенное курсивом - признаки общие с предметом полезной модели.

Ее недостатки - ограниченность коэффициента преобразования энергии, что объяснимо низким коэффициентом преобразования пьезоэлектрических преобразователей, конструктивная сложность и, как следствие, ограниченная надежность в работе..

Задача полезной модели - повышение коэффициента полезного действия и надежности в работе, а так же упрощение конструкции преобразователя энергии волн моря в электроэнергию.

Технический результат предлагаемой полезной модели «буй проблесковый» достигается тем, что волнение моря последовательно преобразуется в возвратно-поступательные перемещения постоянного магнита вдоль осевой катушки индуктивности, генерировании электродвижущей силы, которая выпрямителем преобразуется в однополярные импульсы электроэнергии, ее накоплении для использования в дальнейшем по назначению. Для чего «буй проблесковый», содержит плавучее средство, надводная часть которого несет навигационный знак, накопитель электроэнергии (аккумулятор) и светоизлучающий элемент, преобразователь механической энергии в электрическую, включающий корпус, выполненный в виде полого цилиндра, на внешней поверхности которого размещена обмотка катушки индуктивности, а внутри - постоянный магнит, размещенный по легко ходовой возвратно-поступательной посадке, и эластичные упоры, размещенные в торцах корпуса, выпрямитель, соединенный входами с выходами преобразователя механической энергии в электрическую (с обмоткой катушки индуктивности), а выходами с накопителем электроэнергии (аккумулятором), фотоэлемент, соединенный входом с одним электродом накопителя электроэнергии (аккумулятора), генератор прямоугольных импульсов, соединенный по цепи питания с выходом фотоэлемента, ключ, соединенный силовым входом с выходом фотоэлемента, входом управления с выходом генератора прямоугольных импульсов, а выходом со светоизлучающим элементом.

Схема устройства преобразователя энергии волн моря буя в электрическую энергию приведена на фиг.1, а принципиальная электрическая схема его преобразователя энергии волн моря в оптические импульсы проблескового буя - на фиг.2.

«Буй проблесковый», содержит плавучее средство (графически не показано), надводная часть которого несет навигационный знак и потребитель электроэнергии, и энергоустановку, включающую преобразователь механической энергии в электрическую (фиг.1), включающий корпус 1, выполненный в виде полого цилиндра, на внешней поверхности которого размещена обмотка катушки 2 индуктивности, а внутри - постоянный магнит 3, размещенный по легко ходовой возвратно-поступательной посадке с обеспечением минимального сопротивления трения, и эластичные упоры 4, размещенные в торцах корпуса, а также, выпрямитель 5, соединенный входами гальванически с выходами преобразователя механической энергии в электрическую (с обмоткой 2 катушки индуктивности), накопитель 6 электроэнергии (аккумулятор), соединенный униполярно с выходами выпрямителя 5, фотоэлемент 7, соединенный входом с одним электродом накопителя 6 электроэнергии (аккумулятора), генератор 8 прямоугольных импульсов, соединенный по цепи питания с выходом фотоэлемента 7, ключ 9, соединенный силовым входом с выходом фотоэлемента 7, а входом управления с выходом генератора 8 прямоугольных импульсов, и светоизлучающий элемент 10, соединенный входом с выходом ключа 9. С целью повышения мощности и коэффициента полезного действия преобразователя механической энергии в электрическую целесообразно размеры L₁ корпуса 1 (свободного хода магнита), L₂ катушки 2 индуктивности и L₃ магнита 3 (вдоль осевой корпуса) выбирать исходя из следующих соотношений L₁>L₂+2L₃

«Буй проблесковый» работает следующим образом.

При волнении поверхности моря плавучее средство (буй) совершает колебания относительно горизонтальной плоскости. При этом изменяется на противоположный угол наклона к горизонту корпуса 1 преобразователя механической энергии в электрическую, а магнит 3, под действием поля гравитации, смещается вдоль осевой катушки 2, от одного упора до другого. Возвратно-поступательные движения магнита 3 наводят в катушке 2 импульсы переменной электродвижущей силы , амплитуда которых пропорциональна =-Ф/t, где Ф=ВScos, здесь - угол наклона магнитного поля к поверхности витка катушки; a L=4kµSN²/l, где µ - магнитная проницаемость, N - число витков катушки индуктивности, l - длина намотки катушки, a k=f(l/d) - коэффициент, зависящий от отношения длины l намотки к диаметру катушки (закон Ленца) [3]. Выходные двухполярные импульсы катушки 2 переменного напряжения (э.д.с.) выпрямителем 5 преобразуются в однополярные импульсы электроэнергии, которая накапливается в накопителе 6 (в аккумуляторе). Энергия накопителя 6 (аккумулятора) поступает на вход фотоэлемента 7. Фотоэлемент 7 облучается естественным свечением окружающей среды (солнца, неба), при этом освещенный фотоэлемент 7 имеет сопротивление близкое к бесконечности (R₇ Ом), а затемненный - близкое к нулю (R₇0 Ом). Т.о., в светлое время суток R₇ Ом, а в темное - R₇0 Ом. Тогда, в светлое время суток, вход и выход генератора 8 прямоугольных импульсов, входы ключа 9 и светоизлучающий элемент 10 обесточены, отключены фотоэлементом 7 от накопителя 6 (аккумулятора). В темное время суток генератор 8 и силовой вход ключа 9 по питанию через фотоэлемент 7 соединены с накопителем 6 (с аккумулятором), на выходе генератора 8 генерируются прямоугольные импульсы заданной (схемотехнически параметрами генератора 8) частоты и продолжительности, которыми периодически открывается ключ 9, а светоизлучающий элемент 10 генерирует импульсы света.

«Буй проблесковый» применим для навигационных целей по зауженным фарватерам, предупреждения об ограничении района судоходства, а также в научно-исследовательских (метеорологических буйковых станциях в открытом океане) целях. При эксплуатации на объекте морского базирования, его энергоустановка, за счет последовательно во времени генерируемых импульсов тока накапливает электрическую энергию, достаточную для информирования потребителя, например, метеорологической информацией о метеорологическом состоянии района пребывания буйковой автоматической метеорологической станции, об опасности района плавания в точке установки буя, или о перемещении плавучего автономного научно-исследовательского объекта (о координатах пребывания, динамике, направлении и скорости перемещения его носителя).

Преимущества использования предлагаемой энергоустановки на буе состоят в том, что она работоспособна в автономном режиме неограниченно по времени суток и года, проста по применению, реализуема на современной элементной базе в произвольных условиях ее производства, надежна и долговечна в эксплуатации, не нуждаются в обслуживании до физического износа, обладает невысокой себестоимостью и повышенным коэффициентом полезного действия. Реально КПД индукционного преобразователя в 3÷4 раза выше, чем КПД пьезоэлектрического преобразователя.

Источники информации:

1. Скубилин М.Д. Пьезооптический проблесковый извещатель. // Патент RU 2281618, H04R 17/10, бюл. 22, 10.08.2006.

2. Скубилин М.Д., Спиридонов О.Б., Финаев В.И. Установка конверсии волнения моря в электроэнергию. // Патент RU 90849, F03B 13/14, бюл. 2, 20.01.2010.

3. Кошкин Н.И., Шишкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М: Наука, 1974. - 256 с. (с.158).

Буй проблесковый, содержащий плавучее средство, надводная часть которого несет навигационный знак, накопитель электроэнергии (аккумулятор или гальваническая батарея) и светоизлучающий элемент, соединенный гальванически с накопителем электроэнергии, отличающийся тем, что в него введены преобразователь механической энергии в электрическую, включающий корпус, выполненный в виде полого цилиндра, на внешней поверхности которого размещена обмотка катушки индуктивности, а внутри - постоянный магнит, размещенный по легкоходовой возвратно-поступательной посадке, и эластичные упоры, размещенные в торцах корпуса, выпрямитель, соединенный входами с выходами преобразователя механической энергии в электрическую (с обмоткой катушки индуктивности), а выходами - с накопителем электроэнергии (аккумулятором), фотоэлемент, соединенный входом с одним электродом аккумулятора, генератор прямоугольных импульсов, соединенный по цепи питания через фотоэлемент с накопителем электроэнергии (аккумулятором), ключ, соединенный силовым входом с выходом фотоэлемента, входом управления с выходом генератора прямоугольных импульсов, а выходом со светоизлучающим элементом.