RU2200251C1

RU2200251C1 - Wave-driven electric plant

Info

Publication number: RU2200251C1
Application number: RU2001125651/06A
Authority: RU
Inventors: Д.М. Белый
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 2001-09-18
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2003-03-10

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: proposed plant is designed for conversion of energy of waves into electric energy. Plant contains power takeoff shaft connected to electric generator and installed in rotary support, and two floats located eccentrically relative to shaft axis and displaced relative to each other circumferentially. Plant is furnished also with two additional shafts freely fitted in rotary supports coaxially with power takeoff shaft at different sides relative to power takeoff shaft and friction coupled with the latter by means of two coil cylindrical springs of different hand of helix. Each spring is tightly fitted on one of ends of power takeoff shaft and end of adjacent additional shaft. Floats are cantilever secured in diametrically opposite points of additional shaft surfaces for adjusting and fixing the floats in position. EFFECT: increased efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для преобразования энергии волн в электрическую энергию. The invention relates to hydropower and can be used to convert wave energy into electrical energy.

Известна волновая энергетическая установка, содержащая частично заполненный жидкостью плавучий корпус и расположенный в нем плоский поплавок, центральная часть и края которого соединены при помощи гибких элементов с корпусом и валом отбора мощности электрогенератора (см. а.с. СССР 1260557, кл. F 03 В 13/12, 1986). A wave power plant is known that contains a floating body partially filled with liquid and a flat float located in it, the central part and the edges of which are connected by flexible elements to the body and power take-off shaft of the electric generator (see AS USSR 1260557, class F 03 B 13/12, 1986).

Недостатками известного устройства являются сравнительно низкая эффективность преобразования энергии волн в электрическую энергию и малый КПД. The disadvantages of the known device are the relatively low efficiency of converting wave energy into electrical energy and low efficiency.

Известна волновая энергетическая установка, содержащая заякоренный плот, понтон с погруженным под уровень воды устройством отбора мощности, соединенный гибкой связью с плотом (cм. а.c. СССР 1341373, кл. F 03 B 13/12, 1987). Known wave power plant containing an anchored raft, a pontoon with a power take-off device submerged beneath the water level, connected by a flexible connection to the raft (see A.c. USSR 1341373, class F 03 B 13/12, 1987).

Недостатком известного устройства являются ограниченные функциональные возможности вследствие того, что для преобразования используются практически только вертикальные колебания взаиморасположений плота и понтона. A disadvantage of the known device is the limited functionality due to the fact that almost exclusively vertical oscillations of the raft and pontoon relative positions are used for conversion.

Известно также устройство для преобразования энергии волн, содержащее вал с закрепленным на нем полым поплавком, частично заполненным жидким или сыпучим балластом (см. а.с. СССР 931940, кл. F 03 В 13/12, 1982). It is also known a device for converting wave energy containing a shaft with a hollow float fixed on it, partially filled with liquid or loose ballast (see AS USSR 931940, class F 03 B 13/12, 1982).

Недостатком устройства также являются ограниченные функциональные возможности, так как для преобразования используется только разность архимедовых сил на гребне волны и в ее ложбине, причем процесс осуществляется только при строго определенном сочетании геометрических параметров устройства с соответствующими характеристиками волны. A disadvantage of the device is also limited functionality, since only the difference of the Archimedean forces on the wave crest and in its hollow is used for conversion, and the process is carried out only with a strictly defined combination of the device geometric parameters with the corresponding wave characteristics.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является волновая энергетическая установка, содержащая установленный в опорах вращения и подсоединенный к электрогенератору вал отбора мощности с консольно закрепленными на нем в одной перпендикулярной валу плоскости и смещенными относительно друг друга в окружном направлении поплавками (cм. а.с. СССР 1208298, кл. F 03 В 13/14, 1986), принятая за прототип. The closest device of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a wave power plant containing a power take-off shaft mounted in rotation bearings and connected to an electric generator with cantilever mounted on it in one plane perpendicular to the shaft and floats displaced relative to each other in the circumferential direction (cm A.S. USSR 1208298, class F 03 13/14, 1986), adopted as a prototype.

Недостатками устройства-прототипа являются его ограниченные функциональные возможности и сравнительно низкий КПД. Это объясняется тем, что эффект преобразования энергии волн в электрическую энергию обусловлен только разностью архимедовых сил, действующих в каждый момент времени на соседние поплавки, расположенные соответственно на гребне и в ложбине волны. При этом процесс осуществляется только при сочетании геометрических параметров устройства и соответствующих характеристик волн, обеспечивающих такое расположение соседних поплавков. Кроме того, обратное направление движения волн (например, случай приливов - отливов) сразу нарушает работоспособность устройства. The disadvantages of the prototype device are its limited functionality and relatively low efficiency. This is due to the fact that the effect of converting wave energy into electrical energy is due only to the difference in the Archimedean forces acting at each moment in time on neighboring floats located respectively on the crest and in the hollow of the wave. In this case, the process is carried out only with a combination of the geometric parameters of the device and the corresponding characteristics of the waves, providing such an arrangement of neighboring floats. In addition, the reverse direction of wave movement (for example, the case of tides - ebbs) immediately violates the operability of the device.

Сущность изобретения заключается в разработке волновой энергетической установки, обеспечивающей эффективное преобразование энергии волн в электрическую энергию как за счет вертикальных колебаний воды, так и за счет неоднородности волнового движения в горизонтальном направлении при любом направлении волн, их интенсивности, сочетании характеристик и т.п., что достигается созданием в устройстве однонаправленного вращающего момента, действующего на вал отбора мощности при любом сочетании вышеуказанных факторов. За счет этого работоспособность устройства по принципу своего действия не зависит от направления волн, природы их происхождения, сохраняется при полном отсутствии волн, при изменении глубины погружения поплавков, при действии приливов и отливов и т.д. The essence of the invention lies in the development of a wave power installation that provides effective conversion of wave energy into electrical energy both due to vertical vibrations of water and due to the heterogeneity of the wave movement in the horizontal direction for any direction of the waves, their intensity, combination of characteristics, etc., what is achieved by creating a unidirectional torque in the device acting on the power take-off shaft for any combination of the above factors. Due to this, the operability of the device according to the principle of its action does not depend on the direction of the waves, the nature of their origin, is preserved in the complete absence of waves, with a change in the depth of immersion of the floats, under the action of ebbs and flows, etc.

Технический результат - расширение функциональных возможностей конструкции и повышение ее КПД. The technical result is the expansion of the functionality of the design and increase its efficiency.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной волновой энергетической установке, содержащей установленный в опорах вращения и подсоединенный к электрогенератору вал отбора мощности и два плоских поплавка, расположенных эксцентрично относительно оси вала и смещенных относительно друг друга в окружном направлении, особенность заключается в том, что в установку введены два дополнительных вала, свободно установленных в опорах вращения соосно с валом отбора мощности по разные стороны от последнего и фрикционно связанных с валом отбора мощности с помощью двух витых цилиндрических пружин с разными направлениями навивки, каждая из которых плотно надета на один из концов вала отбора мощности и конец близ расположенного дополнительного вала, при этом поплавки консольно закреплены в диаметрально противоположных точках поверхностей дополнительных валов с возможностью регулировки и фиксации положений плоскостей поплавков. The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by the fact that in a known wave power plant comprising a power take-off shaft and two flat floats arranged eccentrically relative to the axis of the shaft and offset relative to each other in the circumferential direction, mounted in rotation bearings and connected to the electric generator, the feature consists in the fact that two additional shafts are introduced into the installation, freely installed in the rotation bearings coaxially with the power take-off shaft on opposite sides of the last and frictionally connected to the power take-off shaft with the help of two coiled cylindrical springs with different winding directions, each of which is tightly mounted on one of the ends of the power take-off shaft and the end near the additional shaft located, while the floats are cantileverly fixed at diametrically opposite points of the surfaces of the additional shafts with the ability to adjust and fix the positions of the planes of the floats.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично изображена предлагаемая волновая энергетическая установка. The invention is illustrated by the drawing, which schematically shows the proposed wave power plant.

Волновая энергетическая установка содержит установленный в опорах вращения 1 и присоединенный к электрогенератору (не показан) вал 2 отбора мощности и два плоских поплавка 3, 4, расположенных эксцентрично относительно оси вала 2 и смещенных относительно друг друга в окружном направлении, два дополнительных вала 5, 6, свободно установленных в опорах вращения 7 соосно с валом 2 отбора мощности по разные стороны от последнего и фрикционно связанных с валом 2 отбора мощности с помощью двух витых цилиндрических пружин 8, 9 с разными направлениями навивки, каждая из которых плотно надета на один из концов вала 2 отбора мощности и конец близ расположенного дополнительного вала 5 или 6. При этом поплавки 3, 4 консольно с помощью тяг 10, 11 со сферическими шарнирами 12, 13 с фиксаторами на обращенных к валам 5, 6 концах закреплены на диаметрально противоположных точках поверхностей дополнительных валов 5, 6 с возможностью регулировки и фиксации положений плоскостей поплавков 3, 4. Конструкция сферического шарнира 12, 13 с фиксатором общеизвестна и поэтому подробно не раскрыта в материалах заявки. The wave power plant comprises a power take-off shaft 2 mounted in rotation bearings 1 and connected to an electric generator (not shown) and two flat floats 3, 4 located eccentrically relative to the axis of the shaft 2 and offset relative to each other in the circumferential direction, two additional shafts 5, 6 freely mounted in rotation bearings 7 coaxially with the power take-off shaft 2 on opposite sides of the latter and friction-coupled with the power take-off shaft 2 using two coil spring 8, 9 with different directions on vivka, each of which is tightly mounted on one of the ends of the power take-off shaft 2 and the end near the additional shaft 5 or 6. The floats 3, 4 are cantilevered using rods 10, 11 with spherical joints 12, 13 with clamps on the shafts facing The ends 5, 6 are fixed on diametrically opposite points of the surfaces of the additional shafts 5, 6 with the possibility of adjusting and fixing the positions of the planes of the floats 3, 4. The design of the spherical hinge 12, 13 with the lock is well known and therefore is not disclosed in detail in the application materials.

Работа установки осуществляется следующим образом. The installation is as follows.

В исходном положении тяги 10, 11 обязательно установлены и зафиксированы в сферических шарнирах 12, 13 параллельно друг другу, поэтому плоскости поплавков 3, 4 ориентированы в параллельных плоскостях. Рассмотрим, например, случай, когда, как показано на чертеже, тяги 10, 11 установлены вертикально, а плоскости поплавков 3, 4 соответственно горизонтальны. Пусть, например, направление воздействия на поплавки со стороны воды снизу вверх (при этом абсолютно не имеет значения, направление ли это волны, либо подъем уровня воды, прилив и т.п.). При взгляде справа на чертеже к дополнительному валу 6 вращающий момент со стороны поплавка 4 прикладывается против часовой стрелки, естественно в этом же направлении начинает поворачиваться вал 6, при этом за счет сил сцепления пружина 9 закручивается, увеличивая натяг между дополнительным валом 6 и валом 2 отбора мощности, в результате чего эти валы вращаются как единое целое. При таком повороте (против часовой стрелки) вал 2 стремится раскрутить пружину 8 (ее часть, охватывающую вал 2), в результате чего натяг между валом 2 и дополнительным валом 5 ослабляется. Одновременно с этим поплавок 3 под тем же воздействием воды также идет вверх, дополнительный вал 5 поворачивается по часовой стрелке (взгляд также справа), за счет сил сцепления часть пружины 8, охватывающая вал 5, раскручивается, и натяг между валами 2 и 5 опять ослабляется уже с другой стороны пружины 8. В результате вал 2 проскальзывает в пружине 8 при своем вращении и не зависимо от дополнительного вала 5 вал 2 вращается против хода часовой стрелки при взгляде справа. Пусть теперь волна действует на поплавки 3, 4 сверху вниз. Вал 5 вращается против часовой стрелки (все время смотрим справа), пружина 8 закручивается, вал 2 с валом 5 вращаются как единое целое. При вращении вал 2 раскручивает охватывающую его часть пружины 9. Одновременно поплавок 4 идет вниз, поворачивая вал 6 по часовой стрелке и раскручивая, тем самым, пружину 9. В результате вал 2 проскальзывает уже в пружине 9 и вращается против часовой стрелки. Совершенно очевидно, что при любой ориентации поплавков 3, 4 в параллельных плоскостях (тяги 10, 11 параллельны друг другу) и при любом направлении возмущений со стороны воды к валу 2 отбора мощности прикладывается однонаправленный вращающий момент и вал 2 вращается в одном направлении. Такой эффект достигается разным направлением навивки пружин 8, 9, а также размещением поплавков по разные стороны от оси вращения валов. In the initial position of the rod 10, 11 must be installed and fixed in spherical hinges 12, 13 parallel to each other, so the plane of the floats 3, 4 are oriented in parallel planes. Consider, for example, the case when, as shown in the drawing, the rods 10, 11 are mounted vertically, and the planes of the floats 3, 4 are respectively horizontal. Let, for example, the direction of impact on the floats from the water side from the bottom up (it doesn’t matter at all whether this is the direction of the wave, or the rise of the water level, tide, etc.). When viewed from the right in the drawing, additional torque 6 is applied to the additional shaft 6 counterclockwise, naturally, the shaft 6 starts to turn in the same direction, and due to the adhesion forces, the spring 9 is twisted, increasing the tension between the additional shaft 6 and the selection shaft 2 power, as a result of which these shafts rotate as a whole. With this rotation (counterclockwise), the shaft 2 tends to unwind the spring 8 (its part covering the shaft 2), as a result of which the tension between the shaft 2 and the additional shaft 5 is weakened. At the same time, the float 3 also goes up under the same influence of water, the additional shaft 5 rotates clockwise (also seen from the right), due to the adhesion forces, the part of the spring 8 covering the shaft 5 is untwisted, and the tension between the shafts 2 and 5 is again weakened already on the other side of the spring 8. As a result, the shaft 2 slides in the spring 8 during its rotation and regardless of the additional shaft 5, the shaft 2 rotates counterclockwise when viewed from the right. Now let the wave act on floats 3, 4 from top to bottom. The shaft 5 rotates counterclockwise (we look all the time on the right), the spring 8 is twisted, the shaft 2 with the shaft 5 rotate as a whole. During rotation, the shaft 2 untwists the surrounding part of the spring 9. At the same time, the float 4 goes down, turning the shaft 6 clockwise and thereby untwisting the spring 9. As a result, the shaft 2 slides in the spring 9 and rotates counterclockwise. It is completely obvious that for any orientation of the floats 3, 4 in parallel planes (rods 10, 11 are parallel to each other) and for any direction of disturbances from the water side, unidirectional torque is applied to the power take-off shaft 2 and the shaft 2 rotates in one direction. This effect is achieved by a different direction of winding the springs 8, 9, as well as by placing floats on different sides from the axis of rotation of the shafts.

Очевидно, что предлагаемая установка предельно проста по конструкции, универсальна и имеет высокий КПД. Ее работоспособность в принципе не зависит от природы возмущений со стороны воды, направления возмущений, параметре в волны, перепада уровней и т.п. Направление вращение вала отбора мощности в принципе не зависит от направления любых возмущений со стороны волн. При необходимости плоскости поплавков могут быть повернуты перпендикулярно направлению волны. Однако, при этом эти плоскости должны оставаться параллельными друг другу. It is obvious that the proposed installation is extremely simple in design, versatile and has a high efficiency. Its performance, in principle, does not depend on the nature of the perturbations from the side of the water, the direction of the perturbations, the parameter in the waves, the level difference, etc. The direction of rotation of the power take-off shaft, in principle, does not depend on the direction of any disturbances from the side of the waves. If necessary, the plane of the floats can be rotated perpendicular to the direction of the wave. However, while these planes must remain parallel to each other.

Claims

A wave power plant comprising a power take-off shaft mounted in rotation bearings and connected to an electric generator and two flat floats located eccentrically relative to the shaft axis and displaced relative to each other in the circumferential direction, characterized in that two additional shafts are freely installed in the bearings rotation coaxially with the power take-off shaft on different sides of the latter and frictionally connected with the power take-off shaft with the help of two twisted coil springs with different coiling directions, each of which is tightly fitted on one end of the PTO shaft and disposed near the end of an additional shaft, the floats are cantilevered at diametrically opposite points on surfaces other shafts with adjustment and fixing position of the float planes.