RU2539410C2

RU2539410C2 - Wave energy plant

Info

Publication number: RU2539410C2
Application number: RU2013112398/06A
Authority: RU
Inventors: Мирон Соломонович Гринкруг; Владимир Владимирович Зайченко; Илья Владимирович Зайченко; Нина Алексеевна Ткачева
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Учебно-научный инновационный центр энергосбережения"
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2015-01-20
Also published as: RU2013112398A

Abstract

FIELD: power generation.

SUBSTANCE: invention relates to hydropower and is intended for converting wave energy into electric power. The wave energy plant comprises a frame 1, a cover 7, a buoy 3, a rod 2 attached to the buoy, the said rod having a cylindrical and a helical part, a latching device 13 which prevents rotation of the rod around the vertical axis, a housing 9 mounted on the frame 1, the said housing having inside it a rotor 10, which converts back-and-forth motion of the rod into the rotary motion of the rotor and a flange 11 having rollers 12. The rollers 12 are constantly in contact with the bottom part of a platform 4, kinematically linked to the buoy 3. The platform 4 is a hollow cylinder having shaped elements in it, which form a periodic profile of a variable curvature. Flat magnets 5 which are merged into straight sections are attached to the top part of the platform 4, the said magnets being aligned parallel to each other to allow vertical back-and-forth motion relative to guides 19 and a frame 6, around which there is a winding 8 and mounted on posts 18, mounted on the top part of the frame 1.

EFFECT: invention is aimed at providing the efficient generation of electric power, reduce the cost of the generated power and prolong service life.

2 dwg

Description

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к производству электроэнергии путем преобразования энергии вертикального волнения воды в электрическую.The invention relates to hydropower, in particular to the production of electricity by converting the energy of vertical waves of water into electrical energy.

Известна волновая энергетическая установка (патент на изобретение RU 2286476 С2, опубл. 20.02.2004 г.), содержащая опорную раму с вертикальными направляющими, установленный с возможностью возвратно-вертикального перемещения поплавок с размещенными внутри храповыми механизмами, имеющими соосными центральные отверстия, пропущенный через них вертикальный вал, неподвижно закрепленный в опорной раме, с пластинчатым винтовым участком, верхняя и нижняя часть которого имеют противоположную закрутку, контактируют с храповыми механизмами, размещенными в цилиндрическом корпусе, имеющем сквозные центральные отверстия, и электрогенератор. Поплавок установлен с возможностью перемещения вдоль вертикальных направляющих и снабжен размещенным внутри с возможностью вращения и совместного с ним перемещения инерциальным элементом, контактирующим посредством роликов с внутренней поверхностью корпуса поплавка, при этом цилиндрический корпус скреплен с инерциальным элементом. Кинематическая связь с генератором выполнена в виде раздвижного соединения инерционного элемента с барабаном, установленным с возможностью совместного с ним вращения, и зубчатой передачи.Known wave power plant (patent RU 2286476 C2, publ. 02/20/2004), containing a support frame with vertical guides, mounted with the possibility of reciprocating movement of the float placed inside the ratchet mechanisms having coaxial central holes passed through them a vertical shaft fixedly mounted in the support frame, with a plate-shaped screw section, the upper and lower parts of which have opposite twist, are in contact with ratchet mechanisms placed in a cylindrical body having through central holes, and an electric generator. The float is installed with the possibility of movement along vertical guides and is equipped with an inertial element placed inside with the possibility of rotation and joint movement with it, contacting by means of rollers with the inner surface of the float body, while the cylindrical body is attached to the inertial element. The kinematic connection with the generator is made in the form of a sliding connection of an inertial element with a drum installed with the possibility of joint rotation with it, and a gear transmission.

Недостатком аналога является то, что угловая скорость вращения поплавка гасится водой, воздействующей на его поверхность.The disadvantage of the analogue is that the angular velocity of rotation of the float is quenched by water acting on its surface.

Также известна волновая энергетическая установка (патент на ПМ RU 88774 U1, опубл. 20.11.2009 г.), 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 связанных между собой общим фланцем кольцевых индуктивных катушек, закрепленным на торце передаточного штока, жестко связанного с поплавком.Also known is a wave power plant (patent for PM RU 88774 U1, published on November 20, 2009), which contains a two-section frame, the uprights of which are fastened by upper and lower bases, which are guides of the float capable of reciprocating placed in the lower section of the frame movement, which is ensured by support rollers located on the side surface of the float. An energy converter is located in the upper section of the frame, containing at least two or more pairs of symmetrically arranged long-stroke vertical linear electric generators with generating cores on disk permanent magnets, the axes of which are made of non-magnetic materials having the possibility of reciprocating movement inside the annular rings connected by a common flange inductive coils mounted on the end of the transmission rod, rigidly connected with the float.

К недостаткам второго аналога относится неравномерность процесса преобразования механической энергии волн в электрическую, а также низкое качество генерируемого напряжения вследствие нестабильности его величины и частоты.The disadvantages of the second analogue include the uneven process of converting the mechanical energy of the waves into electrical energy, as well as the low quality of the generated voltage due to the instability of its magnitude and frequency.

Известна волновая энергетическая установка (патент на изобретение RU 2440510 С1, опубл. 20.01.2012 г.), содержащая линейный электрогенератор тока, состоящий из статора и генерирующего сердечника, способного к вертикальному возвратно-поступательному движению внутри статора, полый поплавок, шток, кинематически связывающий сердечник с поплавком, вертикальные направляющие балки с двигающимися по ним опорными роликами, демпферами. Установка снабжена вертикальной стойкой и укрепленным на ней корпусом, выполненным в виде пустотелого корпуса из неметаллического материала с центральными отверстиями на своде и на днище, внутри которого размещены статор и генерирующий сердечник, при этом вертикальные направляющие балки жестко закреплены на своде и на днище корпуса, опорные ролики прикреплены к боковой поверхности генерирующего сердечника, а поплавок, имеющий днище, носовую часть, свод и вентиль, связан со штоком через шарнирное устройство, которое жестко присоединено к своду поплавка. Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.Known wave power plant (patent RU 2440510 C1, publ. 01.20.2012), containing a linear current generator, consisting of a stator and a generating core capable of vertical reciprocating movement inside the stator, a hollow float, a rod, kinematically connecting core with a float, vertical guide beams with supporting rollers moving along them, dampers. The installation is equipped with a vertical strut and a casing fixed on it, made in the form of a hollow casing of non-metallic material with central holes on the arch and on the bottom, inside which the stator and the generating core are placed, while the vertical guide beams are rigidly fixed on the arch and on the bottom of the casing, supporting the rollers are attached to the side surface of the generating core, and the float having a bottom, nose, arch and valve is connected to the rod through a hinge device that is rigidly attached to the arch of the float. This technical solution is selected as a prototype.

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, что не обеспечивает достаточный уровень удельных энергетических показателей. Кроме этого вода, проходящая через вертикальный канал, теряет начальную вертикальную скорость, амплитуда волны в вертикальном канале уменьшается, что отрицательно сказывается на производительности генерации электроэнергии. Наличие в конструкции роликов и открытых направляющих предполагает их повышенный износ, что требует необходимости технического обслуживания устройства и повышает стоимость получаемой электроэнергии.A significant disadvantage of the prototype is that at a low speed of vertical movement of waves, the energy of vertical waves of water is not converted into electrical energy, since when the magnet passes slowly inside the winding, no electric current arises, which does not provide a sufficient level of specific energy indicators. In addition, water passing through the vertical channel loses its initial vertical speed, the wave amplitude in the vertical channel decreases, which negatively affects the power generation capacity. The presence of rollers and open guides in the design implies their increased wear, which requires the need for maintenance of the device and increases the cost of electricity generated.

Задачами предлагаемого устройства являются реализация эффективной генерации электроэнергии на волнах любой амплитуды независимо от скорости вертикального движения волн, увеличение производительности узла преобразования энергии и снижения стоимости получаемой электроэнергии.The objectives of the proposed device are the implementation of the effective generation of electricity on waves of any amplitude regardless of the speed of the vertical movement of the waves, increasing the performance of the energy conversion unit and reducing the cost of the generated electricity.

Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в волновой энергетической установке, содержащей каркас с выполненными в нем соосными центральными отверстиями, поплавок с закрепленным к нему штоком, имеющим продольный паз с установленным в нем фиксатором, исключающим возможность поворота штока вокруг его вертикальной оси, горизонтальную площадку с размещенными на ней плоскими магнитами, кинематически связанную с поплавком с возможностью возвратно-поступательного перемещения, корпус, в котором располагается ротор с закрепленным на нем фланцем, преобразующий возвратно-поступательное движение штока во вращательное, рамку с выполненной вокруг нее обмоткой, кронштейны, закрепленные к каркасу и выполненные совместно с направляющими предусмотрены следующие отличия: нижняя часть площадки, имеющая форму полого цилиндра с выполненными в нем фигурными элементами, образующими периодический профиль переменной кривизны, находится в постоянном контакте с обкатываемыми роликами, установленными на фланце, преобразуя вращательное движение ротора в возвратно-поступательное движение площадки с магнитами относительно обмотки независимо от скорости вертикального движения волн и их амплитуды.The tasks are solved due to the fact that in a wave power plant containing a frame with coaxial central holes made in it, a float with a rod fixed to it, having a longitudinal groove with a latch installed in it, eliminating the possibility of the rod turning around its vertical axis, a horizontal platform with placed on it with flat magnets, kinematically connected with the float with the possibility of reciprocating movement, the housing in which the rotor is located mounted on m flange that converts the reciprocating movement of the rod into a rotational one, a frame with a winding around it, brackets fixed to the frame and made together with the guides, the following differences are provided: the lower part of the platform, having the shape of a hollow cylinder with shaped elements formed in it, forming a periodic profile of variable curvature, is in constant contact with the rolling rollers mounted on the flange, converting the rotational movement of the rotor into a reciprocating engine pad voltage with respect to magnet coil regardless of the speed of the vertical motion of waves and their amplitudes.

Кроме того, предложенная волновая энергетическая установка отличается тем, что соосные центральные отверстия выполнены в опорных втулках, изготовленных из полиамида, что в 1,5-2 раза снижает износ пар трения вследствие его самосмазывающих свойств и неподверженности коррозии. Шток содержит цилиндрическую и винтовую части с углом наклона витков не менее 45°, что способствует повышению КПД винтовой передачи при преобразовании поступательного движения во вращательное. Цилиндрическая часть штока может быть выполнена полой, например из трубы, и иметь кольцевое поперечное сечение в горизонтальной плоскости, что снижает массу конструкции. Фигурные элементы могут иметь синусоидальный профиль, что обеспечивает более надежный контакт роликов с обкатываемой поверхностью, способствуя эффективному преобразованию вращательного движения роликов в возвратно поступательное перемещение площадки с магнитами относительно витков обмотки. Закрепленные на верхней части площадки магниты объединены в прямолинейные секции, расположенные параллельно друг другу, при этом достигается повышение единичной мощности установки. Массы штока, площадки с магнитами и поплавка должны быть выбраны достаточными для преодоления сил трения и сопротивления, возникающих при возвратно-поступательном движении поплавка вдоль вертикальной оси и прохождении магнитов между витками обмотки. Дополнительно к этому в верхней части кожуха установлена пружина, обеспечивающая прижим площадки к роликам. Пружина, расположенная внутри винтовой части штока, способствует созданию режима вынужденных колебаний поплавка, одновременно выполняя роль демпфера. Кожух, установленный в верхней части каркаса, защищает установку от атмосферных воздействий, продлевая тем самым срок службы.In addition, the proposed wave power plant is characterized in that the coaxial central holes are made in the support sleeves made of polyamide, which reduces the wear of friction pairs by 1.5-2 times due to its self-lubricating properties and corrosion resistance. The rod contains a cylindrical and screw parts with an angle of inclination of the turns of at least 45 °, which helps to increase the efficiency of a helical gear when converting translational motion into rotational. The cylindrical part of the rod can be hollow, for example from a pipe, and have an annular cross section in the horizontal plane, which reduces the mass of the structure. Figured elements can have a sinusoidal profile, which provides more reliable contact of the rollers with the rolling surface, contributing to the effective conversion of the rotational movement of the rollers into reciprocating movement of the pad with magnets relative to the winding turns. The magnets fixed on the upper part of the platform are combined into rectilinear sections located parallel to each other, while increasing the unit power of the installation. The masses of the rod, the pad with magnets and the float should be selected sufficient to overcome the friction and resistance forces that arise during the reciprocating movement of the float along the vertical axis and the passage of magnets between the turns of the winding. In addition to this, a spring is installed in the upper part of the casing, which provides a clamping pad to the rollers. A spring located inside the screw part of the stem contributes to the creation of a mode of forced oscillations of the float, while acting as a damper. A casing installed in the upper part of the frame protects the installation from weathering, thereby extending the service life.

Техническое решение позволяет повысить эффективность генерации электроэнергии независимо от скорости вертикального движения волн и их амплитуды, увеличить производительность узла преобразования энергии и ресурс работы, повысить надежность в эксплуатации, снизить расходы на техническое обслуживание.The technical solution allows to increase the efficiency of electricity generation regardless of the speed of the vertical movement of the waves and their amplitude, to increase the performance of the energy conversion unit and the service life, to increase reliability in operation, to reduce maintenance costs.

Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежом, на котором:The technical nature of the proposed technical solution is illustrated in the drawing, on which:

Фиг.1 - общий вид волновой энергетической установки.Figure 1 is a General view of a wave power plant.

Фиг.2 - поперечный разрез волновой энергетической установки по А-А.Figure 2 is a cross section of a wave power plant along AA.

Волновая энергетическая установка содержит каркас 1, шток 2, поплавок 3, площадку 4 с магнитами 5, рамку 6, кожух 7, обмотку 8, корпус 9, ротор 10, фланец 11, ролики 12, фиксатор 13, пружину 14, демпфирующую пружину 15, крышку 16, подшипники 17.The wave power plant comprises a frame 1, a rod 2, a float 3, a pad 4 with magnets 5, a frame 6, a casing 7, a winding 8, a housing 9, a rotor 10, a flange 11, rollers 12, a retainer 13, a spring 14, a damping spring 15, cover 16, bearings 17.

Перечисленные выше конструктивные элементы выполнены следующим образом. Верхняя часть каркаса содержит стойки 18, выполненные совместно с призматическими направляющими 19. На стойках 18 неподвижно закреплена рамка 6 с выполненной вокруг нее обмоткой 8. В верхней и нижней частях каркаса 1 установлены втулки 20 с выполненными в них соосными центральными отверстиями 21, в которые устанавливается шток 2, имеющий цилиндрическую и винтовую с углом наклона витков не менее 45° части, способный к вертикальному перемещению. В цилиндрической части штока выполнен продольный паз 22, в который устанавливается фиксатор 13, представляющий собой цилиндрический штифт, исключающий возможность поворота штока 2 вокруг вертикальной оси. Площадка 4 представляет собой прямоугольную пластину с выполненными в ней пазами 23, в верхней части которой предусмотрена возможность для закрепления плоских магнитов 5, объединенных в прямолинейные секции. Нижняя часть площадки 4 имеет форму полого цилиндра, в стенке которого выполнены фигурные элементы, образующие периодический криволинейный профиль 24 переменной кривизны. К верхней части каркаса 1 крепится корпус 9 с установленным в нем ротором 10, опирающимся на подшипники 17, закрепленные крышкой 16. Внутренняя полость ротора 10 имеет внутреннюю винтовую поверхность, контактирующую с наружной винтовой поверхностью штока 2, представляя собой винтовую пару, преобразующую возвратно-поступательной движение штока 2 во вращательное движение ротора 10 вместе с установленным на нем фланцем 11, на котором закреплены ролики 12 с возможностью их свободного вращения.The above structural elements are made as follows. The upper part of the frame contains racks 18, made together with prismatic guides 19. On the racks 18 the frame 6 is fixedly mounted with a winding made around it 8. In the upper and lower parts of the frame 1 there are bushings 20 with coaxial central holes 21 made into them, into which rod 2, having a cylindrical and helical with an angle of inclination of the turns of at least 45 ° part, capable of vertical movement. A longitudinal groove 22 is made in the cylindrical part of the rod, into which a latch 13 is mounted, which is a cylindrical pin, which excludes the possibility of the rod 2 turning around a vertical axis. The platform 4 is a rectangular plate with grooves 23 made in it, in the upper part of which it is possible to fix the flat magnets 5, united in rectilinear sections. The lower part of the platform 4 has the shape of a hollow cylinder, in the wall of which there are shaped elements forming a periodic curvilinear profile 24 of variable curvature. A housing 9 is mounted to the upper part of the frame 1 with a rotor 10 installed in it, supported by bearings 17, fixed by a cover 16. The inner cavity of the rotor 10 has an inner screw surface in contact with the outer screw surface of the rod 2, representing a screw pair that converts reciprocating the movement of the rod 2 in the rotational movement of the rotor 10 together with the flange 11 mounted on it, on which the rollers 12 are mounted with the possibility of their free rotation.

Устройство работает следующим образом. При наличии волн поплавок 3 совершает вертикальные движения вдоль собственной оси. При этом закрепленный к поплавку вертикальный шток 2 совершает возвратно-поступательное перемещение относительно каркаса 1. Винтовая часть штока при вертикальном перемещении вверх с осевой силой, развиваемой поплавком 3, создает крутящий момент, передаваемый ротору 10, тем самым преобразуя поступательное движение штока 2 во вращательное движение закрепленного в корпусе 9 ротора 10, на котором крепится фланец 11 с расположенными на нем роликами 12. Ролики 12 находятся в постоянном контакте с периодическим криволинейным профилем 24 площадки 4, с установленными на ней в несколько рядов магнитами 5. Пружина 14, установленная в верхней части кожуха 7, обеспечивает прижим площадки к роликам. Демпфирующая пружина 15, расположенная внутри винтовой части штока 2, способствует созданию режима вынужденных колебаний поплавка 3, одновременно выполняя роль демпфера. При движении вниз шток 2 опускается под действием демпфирующей пружины 15, собственной силы тяжести и сил тяжести площадки 4 с магнитами 5 и поплавка 3. В результате перемещения штока 2 вниз создается крутящий момент, передаваемый ротору 10, который вращается в противоположную сторону. При этом масса поплавка 3 должна быть выбрана таким образом, чтобы обеспечивался постоянный контакт роликов 12 с обкатываемой поверхностью площадки 4. При вращении ротора 10, в результате обкатывания роликами 12 поверхности, имеющей периодический профиль переменной кривизны, площадка 4 вместе с установленными на ней магнитами 5 совершает возвратно-поступательные движения относительно обмотки 8, выполненной вокруг рамки 6, в результате чего в обмотке возникает электрический ток, который подается на объект преобразования, потребления или аккумулирования электрической энергии. Для исключения возможности вращения штока предусмотрен фиксатор 13. Для исключения повреждений от атмосферных воздействий конструкция закрыта кожухом 7.The device operates as follows. In the presence of waves, the float 3 performs vertical movements along its own axis. At the same time, the vertical rod 2 fixed to the float makes a reciprocating movement relative to the frame 1. The screw part of the rod, when vertically moved upward with the axial force developed by the float 3, creates a torque transmitted to the rotor 10, thereby converting the translational movement of the rod 2 into rotational motion mounted in the housing 9 of the rotor 10, on which the flange 11 is mounted with the rollers 12 located on it. The rollers 12 are in constant contact with the periodic curved profile 24 of the platform 4, with Formation thereon several rows of magnet 5. The spring 14 installed in the upper housing portion 7 for pressing the pad to the rollers. The damping spring 15, located inside the screw part of the rod 2, contributes to the creation of the regime of forced oscillations of the float 3, while acting as a damper. When moving downward, the rod 2 is lowered by the damping spring 15, its own gravity and gravity of the platform 4 with magnets 5 and the float 3. As a result of moving the rod 2 downward, a torque is transmitted to the rotor 10, which rotates in the opposite direction. In this case, the mass of the float 3 must be selected so that the rollers 12 are in constant contact with the surface of the pad 4. When the rotor 10 rotates, as a result of rolling by the rollers 12 of a surface having a periodic profile of variable curvature, the pad 4 together with magnets 5 mounted on it performs reciprocating movements relative to the winding 8, made around the frame 6, as a result of which an electric current arises in the winding, which is supplied to the object of conversion, consumption or battery mimicking electrical energy. To exclude the possibility of rotation of the rod, a latch 13 is provided. To exclude damage from atmospheric influences, the structure is closed by a casing 7.

По сравнению с известными техническими решениями эффект заключается в следующем. Использование в конструкции роликов, находящихся в постоянном контакте с поверхностью, имеющей периодический профиль переменной кривизны, позволяет увеличить частоту вертикальных перемещений магнитов независимо от величины амплитуды волны.Compared with the known technical solutions, the effect is as follows. The use in the design of rollers in constant contact with a surface having a periodic profile of variable curvature allows increasing the frequency of vertical movements of the magnets regardless of the magnitude of the wave amplitude.

В отличие от прототипа предлагаемое устройство имеет ряд преимуществ. Достигается эффективная генерация электроэнергии на волнах любой амплитуды независимо от скорости вертикального движения волн за счет увеличения частоты возвратно-поступательных перемещений магнитов по сравнению с вертикальным движением поплавка. Вследствие использования нескольких рядов магнитов достигается повышение эффективности их работы. Применение неметаллических материалов снижает металлоемкость конструкции и ее массу. Предлагаемое устройство позволяет обеспечить электроэнергией объекты промышленного производства морского и прибрежного базирования.In contrast to the prototype, the proposed device has several advantages. Effective generation of electric power is achieved on waves of any amplitude, regardless of the speed of the vertical movement of the waves by increasing the frequency of the reciprocating movements of the magnets compared to the vertical movement of the float. Due to the use of several rows of magnets, an increase in the efficiency of their work is achieved. The use of non-metallic materials reduces the metal structure and its mass. The proposed device allows you to provide electricity to industrial facilities of marine and coastal based.

Claims

A wave power plant comprising a frame with coaxial central holes, a float with a rod fixed to it, a horizontal platform kinematically connected to the float with the possibility of reciprocating movement, a housing characterized in that the structural elements located above the frame are closed by a casing fixed to to the frame, a spring is installed between the upper part of the platform and the casing, the rod has a longitudinal groove and is fixed from the possibility of rotation around the vertical axis by a latch, on the horizon Flat magnets are placed on the platform, a rotor is installed in the housing, the installation also includes a flange rotating together with the rotor, a frame with a winding made around it, racks fixed to the frame and made together with guides, while the lower part of the platform, having the form of a hollow cylinder with curly elements that form a periodic profile of variable curvature are in constant contact with the rollers mounted on the flange, the rod consists of a cylindrical and screw parts, the magnets are combined in a straight line th sections located parallel to each other, coaxial central holes are made in the support sleeves made of polyamide and installed in the frame, a damping spring is installed inside the screw part of the stem.