RU2374485C2

RU2374485C2 - Pulse wave energy converter

Info

Publication number: RU2374485C2
Application number: RU2008104535/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Васильевич Ясаков (RU); Николай Васильевич Ясаков
Original assignee: Николай Васильевич Ясаков
Priority date: 2008-02-06
Filing date: 2008-02-06
Publication date: 2009-11-27
Also published as: RU2008104535A

Abstract

FIELD: machine building. ^ SUBSTANCE: invention relates to the power industry field, in particular electrogenerating installations using sea waves energy. Pulse wave energy converter contains movable multilink structure consisting of modules with local energy-transducer implemented in the form of movable connected one relative to other floating blocks with winding, condensing installation and rectifying installation. Modules are outfitted by electromagnets with detachable core and located on it magnetised and power winding. Magnetising windings are directly or through adjusting resistor are connected to common buses. Power winding are connected to them through rectifying installation. Buses are connected to condensing installation. Components of detachable core are connected to adjoining blocks. ^ EFFECT: simplification of design; increasing of coefficient of efficiency by means of self-optimise of operation mode. ^ 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к электрогенерирующим установкам, использующим энергию морских волн. Система таких модулей, установленных с определенным шагом вдоль побережья, может служить не только источником электроэнергии, но и сооружением инженерной защиты от волновой эрозии берегов.The invention relates to the field of electric power industry, in particular to power generating units using the energy of sea waves. The system of such modules, installed with a certain step along the coast, can serve not only as a source of electricity, but also as a construction of engineering protection against wave erosion of the coast.

Известны конструкции волновых преобразователей энергии самых различных типов. Особую разновидность их составляют различные варианты конструкций аттенюаторного типа - "гибкий рукав", в которых энергия волны передается к упругим элементам устройств по мере прохождения последней под этими элементами. (В.А.Коробков. Преобразование энергии океана. - Л.: Судостроение, 1986 [1], c.142). B таких конструкциях энергия волн непосредственно преобразуется в энергию воздушного или гидравлического потока. Затем эти потоки направляются в турбины, вращающие электрогенераторы.Known designs of wave energy converters of various types. A special kind of them is made up of various variants of attenuator type constructions - the “flexible sleeve”, in which the wave energy is transmitted to the elastic elements of the devices as the latter passes under these elements. (V.A. Korobkov. Transformation of ocean energy. - L.: Shipbuilding, 1986 [1], p.142). In such designs, the wave energy is directly converted to the energy of the air or hydraulic flow. Then these flows are directed to turbines rotating electric generators.

Такие системы с промежуточным преобразованием энергии сложны в устройстве и обслуживании, а также сопряжены с дополнительными потерями энергии, что является серьезным недостатком подобных технических решений.Such systems with intermediate energy conversion are difficult to install and maintain, and also involve additional energy losses, which is a serious drawback of such technical solutions.

Известны индукционные волновые генераторы в виде "точечных" буев (см.[1], с.144) с прямым преобразованием волновой энергии в электрическую. Примером подобного устройства является также поплавковая волновая электростанция А.А.Темеева (пат. RU 2037642, кл. 6 F03В 13/16).Induction wave generators in the form of "point" buoys are known (see [1], p. 144) with direct conversion of wave energy into electrical energy. An example of such a device is also A.A. Temeev's float wave power station (US Pat. RU 2037642, cl. 6 F03B 13/16).

Однако точечные преобразователи, даже будучи оснащенные оптимизирующими системами Будала - Фолиса (Cohen R. Energy from the ocean. Phil Trans. Roy. Soc. London, 1982, vol.7, A307. N 1499, [2], p.405-435), маломощны и не способны одновременно выполнять защиту побережья от разрушительных волн.However, point converters, even when equipped with Budal-Folis optimizing systems (Cohen R. Energy from the ocean. Phil Trans. Roy. Soc. London, 1982, vol. 7, A307. N 1499, [2], p. 405-435 ), are low-power and are not capable of simultaneously protecting the coast from destructive waves.

Известна разработка И.И.Пятницкого (А.с. SU 859670, 1981 г.). Она представляет собой гибкий металлический рукав из отдельных секций, выполненный из сильфонов, заполненных наполовину минеральным маслом. При изменении положения гибких секций масло проходит через турбины, связанные с электрогенераторами.The development of I.I. Pyatnitsky (A.S. SU 859670, 1981) is known. It is a flexible metal sleeve of individual sections, made of bellows filled with mineral oil half full. When changing the position of the flexible sections, the oil passes through the turbines associated with the electric generators.

Здесь перспективная в принципе "аттенюатерная" модель имеет, однако, вместе с непостоянством параметров получаемой электроэнергии и другие типичные недостатки: сложность конструкции, а следовательно, высокая стоимость изготовления и обслуживания, а также низкий общий кпд преобразования волновой энергии в электрическую.Here, the “attenuator” model, which is promising in principle, has, however, along with the inconsistency of the parameters of the received electric power and other typical disadvantages: the complexity of the design, and therefore, the high cost of manufacturing and maintenance, as well as the low overall efficiency of the conversion of wave energy into electrical energy.

Наиболее близким аналогом заявляемого преобразователя является волновая энергетическая установка (SU 1803597 А1, 23.03.1993, F03B 13/16), содержащая подвижную многозвенную конструкцию, состоящую из модулей с локальными энергопреобразователями, выполненных в виде соединенных подвижно один относительно другого плавучих блоков с обмотками, конденсаторной установкой и выпрямительным устройством. Подобное техническое решение направлено на реализацию прямого преобразования энергетического ресурса пространной водной поверхности в электрическую энергию, хотя оно имеет и целый ряд недостатков, главными из которых являются: неспособность данной многозвенной конструкции (с постоянными размерами всех ее звеньев) "копировать" находящуюся под ней реальную сложную поверхность морского волнения; неопределенность положения центра тяжести каждого ротора, что не позволяет оптимизировать режим работы энергопреобразователя в любой фазе при любом направлении проходящей под модулем волны; независимость степени намагниченности полюсов (пластин) ротора от интенсивности волнения водной поверхности также не обеспечивает оптимальный отбор мощности и гашение волн.The closest analogue of the claimed Converter is a wave power plant (SU 1803597 A1, 03/23/1993, F03B 13/16), containing a movable multi-link structure, consisting of modules with local energy converters, made in the form of floating units connected to each other relative to the other with windings, capacitor installation and rectifier device. Such a technical solution is aimed at the direct conversion of the energy resource of a vast water surface into electrical energy, although it has a number of disadvantages, the main of which are: the inability of this multi-link structure (with constant sizes of all its links) to “copy” the real complex sea surface; the uncertainty of the position of the center of gravity of each rotor, which does not allow to optimize the operation of the energy converter in any phase for any direction of the wave passing under the module; the independence of the degree of magnetization of the poles (plates) of the rotor from the intensity of waves of the water surface also does not provide optimal power take-off and damping of the waves.

Задачей заявляемого изобретения наряду с исключением промежуточных пневмо-гидравлических систем и любых трансмиссий, является предельное упрощение самой конструкции преобразователя волновой энергии, а также повышение его кпд путем самооптимизации режима работы в любых реальных эксплуатационных условиях.The task of the claimed invention, along with the exclusion of intermediate pneumatic-hydraulic systems and any transmissions, is to simplify the design of the wave energy converter itself, as well as to increase its efficiency by self-optimizing the operating mode in any real operating conditions.

Поставленная задача решается тем, что в заявляемом импульсном преобразователе волновой энергии, содержащем подвижную многозвенную конструкцию, состоящую из модулей с локальными энергопреобразователями, выполненных в виде соединенных подвижно один относительно другого плавучих блоков с обмотками, конденсаторной установкой и выпрямительным устройством, согласно изобретению модули снабжены электромагнитами с разъемным сердечником и размещенными на нем намагничивающей и силовой обмотками, при этом намагничивающие обмотки непосредственно или через регулирующий резистор соединены с общими шинами, а силовые обмотки соединены с ними через выпрямительные устройства, причем шины подключены к конденсаторной установке, а элементы разъемного сердечника связаны со смежными блоками.The problem is solved in that in the inventive pulsed wave energy converter containing a movable multi-link structure consisting of modules with local energy converters made in the form of floating units connected to each other with windings, a capacitor unit and a rectifier device, according to the invention, the modules are equipped with electromagnets with a detachable core and magnetizing and power windings placed on it, while the magnetizing windings are directly venno or through the control resistor connected to common buses, and the power windings are connected to them through a rectifier device connected to said bus capacitor installation, and the elements releasably connected to adjacent core blocks.

Оснащение модулей электромагнитами с разъемными сердечниками, элементы которых связаны со смежными блоками, позволяют преобразовывать энергию движущихся под воздействием волн блоков в периодическое изменение создаваемого намагничивающей обмоткой магнитного потока в магнитопроводе путем резкого изменения в последнем величины зазоров, при этом индуцируемые в силовой обмотке импульсы преобразуются выпрямительным устройством в однополярную форму и аккумулируются в накопителе, что в определенной степени выравнивает ток нагрузки у потребителя электроэнергии. Таким образом, в устройстве исключены излишние звенья преобразователя энергии, а режим его работы оптимизирован путем автоматического регулирования степени намагничивания сердечников электромагнитов, а вместе с тем и мощности вырабатываемых импульсов электрического тока в зависимости от интенсивности волнения моря.Equipping the modules with electromagnets with detachable cores, the elements of which are connected to adjacent blocks, allow the energy of blocks moving under the influence of waves to be converted to a periodic change in the magnetic flux generated by the magnetizing winding in the magnetic circuit by a sharp change in the gap size in the latter, while the pulses induced in the power winding are converted by a rectifier device in a unipolar form and accumulate in the drive, which to some extent equalizes the load current at electricity consumer. Thus, the device eliminates unnecessary links of the energy converter, and its operation mode is optimized by automatically adjusting the degree of magnetization of the cores of electromagnets, and at the same time, the power of the generated electric current pulses depending on the intensity of sea waves.

Сущность изобретения поясняется следующими иллюстрациями: на фиг.1 показан общий вид заявляемого импульсного преобразователя волновой энергии (ИПВЭ); на фиг.2 - продольное сечение первой пары его модулей; на фиг.3 - принципиальная электрическая схема ИПВЭ.The invention is illustrated by the following illustrations: figure 1 shows a General view of the inventive pulsed wave energy Converter (IPHE); figure 2 is a longitudinal section of the first pair of its modules; figure 3 is a circuit diagram of the IPVE.

Наиболее перспективный, по мнению автора, вариант заявляемого устройства выполнен так: его контурный плот содержит ряд шарнирно связанных поплавков - модулей: головной 1 (см. фиг.1), несколько промежуточных 2 и замыкающий 3. Головной модуль 1 оснащен бампером 4 и связан с анкером (на морском дне либо сооружении) посредством вантов с использованием - при необходимости - эластичных канатов 5. Внутри модуля 1 на его торце закреплен один из элементов разъемного сердечника 6 (см. фиг.2), на котором имеется силовая обмотка 7, подключенная через выпрямительное устройство 8 к общим шинам конденсаторной установки 9, к которым непосредственно либо через известный регулирующий резистор присоединена намагничивающая обмотка 10, расположенная на втором элементе разъемного сердечника 6, установленном на торце смежного промежуточного модуля 2. Модули связаны шарнирными узлами 11 с возможностью ограниченного взаимного поворота как в вертикальном, так и горизонтальном направлении. Место их подвижного соединения защищено герметичной вставкой 12. К общим шинам с конденсаторной установкой 9 подключен отходящий кабель 13. По своему внутреннему устройству головной модуль 7 отличается от промежуточного 2 только тем, что не содержит элемента разъемного сердечника 6 с намагничивающей обмоткой 10, а замыкающий модуль 3 содержит только этот элемент (см. фиг.3).The most promising, according to the author, a variant of the claimed device is made as follows: its contour raft contains a number of articulated floats - modules: head 1 (see figure 1), several intermediate 2 and trailing 3. The head module 1 is equipped with a bumper 4 and is connected with with an anchor (on the seabed or structure) by means of cables using, if necessary, elastic ropes 5. Inside the module 1, one of the elements of the split core 6 is fixed on its end (see figure 2), on which there is a power winding 7 connected through rectifier device 8 to the common buses of the capacitor unit 9, to which a magnetizing winding 10 located on the second element of the detachable core 6 mounted on the end face of the adjacent intermediate module 2 is connected directly or through a known regulating resistor. The modules are connected by hinged nodes 11 with the possibility of limited mutual rotation as in both vertical and horizontal directions. The place of their movable connection is protected by a sealed insert 12. An outgoing cable 13 is connected to the common buses with the capacitor unit 9. In its internal arrangement, the head module 7 differs from the intermediate 2 only in that it does not contain a detachable core element 6 with a magnetizing winding 10, and a closing module 3 contains only this element (see FIG. 3).

Контурный плот может иметь многорядную конструкцию.Contour raft may have a multi-row design.

Работает заявляемый преобразователь таким образом. При спокойной поверхности моря все модули 1, 2 и 3, запас плавучести которых примерно равен их весу с равномерным распределением в плане, занимают горизонтальное положение. С появлением волнения незначительный по своей величине магнитный поток, обусловленный остаточной намагниченностью сердечников 6, претерпевает изменения, связанные с изменением суммарной величины зазоров в магнитопроводе при относительном перемещении смежных поплавков. Возникающие при этом в силовых обмотках 7 слабые импульсы проходят через выпрямительные устройства 8 и создают начальный заряд конденсаторной установки 9, что влечет появление в намагничивающих обмотках 10 тока намагничивания. При этом э.д.с. импульсов быстро возрастает, повышая напряжение на общих шинах до такого уровня, при котором намагничивающий ток создает на элементах разъемного сердечника 6 предельное усилие, которое еще способны преодолевать волны в данное время.The inventive converter operates in this way. With a calm sea surface, all modules 1, 2 and 3, whose buoyancy margin is approximately equal to their weight with a uniform distribution in plan, occupy a horizontal position. With the advent of unrest, an insignificant magnetic flux due to the residual magnetization of the cores 6 undergoes changes associated with a change in the total value of the gaps in the magnetic circuit with the relative movement of adjacent floats. The weak impulses that arise in the power windings 7 pass through the rectifier devices 8 and create the initial charge of the capacitor unit 9, which entails the appearance of a magnetizing current in the magnetizing windings 10. In this case, the emf pulses increases rapidly, increasing the voltage on common buses to a level at which the magnetizing current creates the ultimate force on the elements of the split core 6, which are still able to overcome the waves at this time.

Для выравнивания условий работы всех модулей при затухании проходящей волны достаточно иметь различное отношение числа витков силовой и намагничивающей обмоток, повышая его в направлении от головного модуля 7 к замыкающему 3. Такое выравнивание можно обеспечить и установкой ИПВЭ на неглубокой (меньше половины длины расчетной волны) воде с естественным либо искуственным уклоном дна во встречном направлении по отношению к характерному для данного места направлению хода волн.To equalize the operating conditions of all modules during the attenuation of a transmitted wave, it is sufficient to have a different ratio of the number of turns of the power and magnetizing windings, increasing it in the direction from the head module 7 to the closing 3. This alignment can also be achieved by installing IPVE in shallow (less than half the calculated wavelength) water with a natural or artificial slope of the bottom in the opposite direction with respect to the direction of the waves characteristic of the place.

При работе заявляемого устройства в силу значительной массы поплавков и магнитопроводов возникают определенные инерционные силы. Будучи нежелательными в других аналогах, здесь они выполняют полезное действие, а именно: воздействуя через жесткие ограничители шарнирных соединений 11 на соседние с предельно "развернутыми" один относительно другого поплавки, они создают "эффект домино", усиливая динамические импульсы, размыкающие магнитопроводы последних.During the operation of the inventive device due to the significant mass of floats and magnetic circuits, certain inertial forces arise. Being undesirable in other analogs, here they perform a useful action, namely: acting through the hard limiters of the swivel joints 11 on the floats adjacent to the extremely “deployed” relative to each other, they create a “domino effect”, amplifying dynamic pulses that open the magnetic circuits of the latter.

Предусмотренные в конструкции эластичные вставки 12 надежно защищают торцовые части модулей от воздействия морской среды.The elastic inserts 12 provided in the design reliably protect the end parts of the modules from the effects of the marine environment.

Гибкий силовой кабель 13, передающий электроэнергию к потребителю, не препятствует свободному перемещению плота, т.к. на участке спуска по эластичному канату 5 вантового крепления проложен с резервом длины, равномерно распределенным по этому канату. Последний особо необходим при сильном волнении моря, когда плот подвержен значительным вертикальным перемещениям.Flexible power cable 13, which transfers electricity to the consumer, does not interfere with the free movement of the raft, because on the descent section along the elastic cable 5 of the cable-stayed fastening, it is laid with a reserve of length evenly distributed over this rope. The latter is especially necessary in case of strong sea waves, when the raft is subject to significant vertical movements.

Итак, описанный импульсный преобразователь волновой энергии с предельно упрощенной конструкцией способен работать в оптимальном режиме при меняющихся интенсивности и направлении движения волн, не требуя сложных систем автоматизации, описанных, например, в материалах [2], гасить (в достаточной мере для многих прибрежных акваторий) опасное волнение и, главное, обеспечивать электроэнергией такие - не "прихотливые" к ее качеству - потребности, как отопление, сушка материалов, опреснение воды, получение из нее водорода и кислорода и др., а с применением преобразовательных устройств и производить электроэнергию со стандартными параметрами. При этом практически все работы по изготовлению ИПВЭ могут выполняться в заводских условиях, а затраты на их установку и обслуживание минимальны.So, the described pulsed wave energy converter with an extremely simplified design is able to operate in the optimal mode with changing wave intensities and directions, without requiring complex automation systems described, for example, in materials [2], to quench (sufficiently for many coastal waters) dangerous excitement and, most importantly, to provide with electricity such needs - not "whimsical" to its quality - needs such as heating, drying of materials, desalination of water, production of hydrogen and oxygen from it, etc., but with approx using converting devices and producing electricity with standard parameters. At the same time, almost all the work on the production of IPVE can be performed in the factory, and the cost of their installation and maintenance is minimal.

Claims

A pulse wave energy converter comprising a movable multi-link structure consisting of modules with local energy converters made in the form of floating units with windings connected capacitively, a capacitor unit and a rectifier device, characterized in that the modules are equipped with electromagnets with a detachable core and placed on it magnetizing and power windings, while the magnetizing windings directly or through a control resistor are connected to common tires, and power windings are connected to them through rectifier devices, the buses being connected to a capacitor unit, and the elements of the split core connected to adjacent blocks.