RU2758164C1

RU2758164C1 - Power generator

Info

Publication number: RU2758164C1
Application number: RU2021108210A
Authority: RU
Inventors: Вадим Дмитриевич Глебов
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2021-10-26

Abstract

FIELD: energy.

SUBSTANCE: invention relates to the field of energy, in particular to hydropower plants, and can be used on offshore drilling platforms and the seashore to generate electricity. The energy generator contains a housing 1 in the form of a vertical vessel filled with a liquid medium, with a movable platform 3 inside, having a channel 4 in the upper part and an air cavity 6 in the lower part. Turbine 7 is installed on platform 3, kinematically connected to an electric generator 11. When platform 3 is lowered, under the action of gravitational forces, fluid flows from the bottom to the top through channel 4 and rotates the turbine 7. When compressed air is supplied to cavity 6, platform 3 receives positive buoyancy and rises under the action of the Archimedes force. The liquid flows from the upper part to the lower one and rotates the turbine 7. The supply of compressed air required for the operation of the electric generator 11 is created with the help of wave compressors using the energy of sea waves.

EFFECT: invention is aimed at increasing efficiency of the power generator by reducing energy costs and increasing the reliability of operation.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики, в частности к гидорэнергитическим установкам, и может найти применение на морских буровых платформах и морском берегу для получения электроэнергии путем попеременного использования силы гравитации, силы Архимеда и энергии морских волн.The invention relates to the field of energy, in particular to hydropower plants, and can be used on offshore drilling platforms and the sea coast to generate electricity by alternately using the force of gravity, the force of Archimedes and the energy of sea waves.

Из уровня техники известна плавающая турбина, установленная на платформе, помещенной в воду и перемещающейся вверх-вниз по направляющей. Платформа имеет отрицательную плавучесть и снабжена средством, придающим положительную плавучесть в виде цистерн, соединенных с приводным компрессором. При попеременном движении платформы под действием силы тяжести и силы Архимеда обеспечивается вращение турбины и электрогенератора (патент GB 2515541, F03В 17/02).A floating turbine is known from the prior art, which is installed on a platform placed in water and moving up and down along a guide. The platform has negative buoyancy and is equipped with positive buoyancy in the form of tanks connected to a drive compressor. With the alternating movement of the platform under the action of gravity and the force of Archimedes, the rotation of the turbine and the electric generator is ensured (patent GB 2515541, F03В 17/02).

Недостаток известного устройства заключается в низкой эффективности. Это объясняется тем, что для создания необходимого вращательного момента и угловой скорости вращения генератора подвижная платформа должна быстро подниматься и опускаться. Для быстрого опускания она должна иметь большую отрицательную плавучесть. С другой стороны при подъеме платформы с необходимой скоростью она должна иметь большую положительную плавучесть. Обеспечение большой плавучести требует применение приводного компрессора высокой производительности, что обусловливает существенное увеличение затрат энергии на привод такого компрессора и снижает эффективность известного технического решения.The disadvantage of the known device is its low efficiency. This is due to the fact that in order to create the necessary torque and angular velocity of rotation of the generator, the movable platform must be raised and lowered quickly. In order to descend quickly, it must have a large negative buoyancy. On the other hand, when lifting the platform at the required speed, it must have a large positive buoyancy. Providing high buoyancy requires the use of a high-performance drive compressor, which leads to a significant increase in energy consumption for the drive of such a compressor and reduces the efficiency of the known technical solution.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятый заявителем в качестве прототипа, является генератор энергии (патент RU 2721516, F03В 17/02). Известное изобретение включено в список 100 лучших изобретений России за 2019 год. Однако и это известное изобретение имеет недостатки. Из описания известного устройства следует, что при опускании платформы воздух из воздушной полости платформы вытесняется и подается на лопатки турбины, что, по мнению автора, позволяет снизить затраты энергии и повысить эффективность. В действительности снижение затрат энергии будет крайне незначительное. Это обусловлено тем, что площадь подвижной платформы велика, поэтому давление и скорость выходящего воздуха очень малы и не способны создавать значимую величину крутящего момента на валу турбины. Очевидно, что и второе известное устройство, также как и первое, имеет низкую эффективность вследствие больших затрат энергии на привод компрессора для подачи сжатого воздуха в воздушную полость подвижной платформы для ее подъема. Кроме того, вследствие большого объема воздушной полости требуется затрачивать довольно много времени работы компрессора для начала подъема платформы из нижнего положения, а это обусловливает существенное уменьшение угловой скорости вала электрогенератора, что недопустимо. Следует отметить, что угловая скорость вала электрогенератора изменяется не только при остановках платформы в крайних верхним и нижним положениях, вследствие торможения турбины, но и во время подъема и опускания, поскольку отсутствует возможность регулировать скорость движения платформы и соответственно количество жидкости направляемой на турбину. Это снижает надежность работы известного устройства.The closest in technical essence to the claimed technical solution and adopted by the applicant as a prototype is an energy generator (patent RU 2721516, F03В 17/02). The well-known invention is included in the list of the 100 best inventions of Russia for 2019. However, this known invention also has disadvantages. From the description of the known device, it follows that when the platform is lowered, air is displaced from the air cavity of the platform and supplied to the turbine blades, which, according to the author, allows reducing energy costs and increasing efficiency. In reality, the reduction in energy costs will be extremely small. This is due to the fact that the area of the moving platform is large, therefore the pressure and speed of the outgoing air are very small and are not able to create a significant amount of torque on the turbine shaft. It is obvious that the second known device, as well as the first one, has low efficiency due to the high energy consumption for the compressor drive for supplying compressed air into the air cavity of the movable platform for its lifting. In addition, due to the large volume of the air cavity, it is required to spend quite a lot of compressor operation time to start lifting the platform from the lower position, and this leads to a significant decrease in the angular velocity of the generator shaft, which is unacceptable. It should be noted that the angular velocity of the electric generator shaft changes not only when the platform stops at the extreme upper and lower positions, due to the braking of the turbine, but also during lifting and lowering, since it is not possible to regulate the speed of the platform and, accordingly, the amount of fluid directed to the turbine. This reduces the reliability of the known device.

Предлагаемое изобретение направлено на устранение отмеченных недостатков. Техническая задача, решаемая изобретением заключается в создании источника сжатого воздуха, снижающего затраты энергии на его сжатие, за счет использования энергии морских волн. Одновременно осуществляется стабилизация угловой скорости вала электрогенератора. Технический результат-повышение эффективности за счет снижения затрат энергии для подачи воздуха и повышение надежности работы за счет стабилизации угловой скорости вала электрогенератора.The proposed invention is aimed at eliminating the noted disadvantages. The technical problem solved by the invention is to create a source of compressed air that reduces the energy consumption for its compression by using the energy of sea waves. At the same time, the stabilization of the angular speed of the generator shaft is carried out. The technical result is an increase in efficiency by reducing energy consumption for air supply and increasing the reliability of operation by stabilizing the angular velocity of the generator shaft.

Решение поставленной технической задачи и достижение технического результата обеспечивается тем, что генератор энергии, включающий корпус в виде вертикального сосуда с размещенной внутри подвижной платформой с каналом в верхней части и воздушной полостью, соединенной с приводным компрессором, в нижней ее части и установленную на платформе турбину, соединенную через мультипликатор с электрогенератором, снабжен волновыми компрессорами, воздушными ресиверами, реле давления, регулируемыми гидродросселем и пневмодросселем, обратными и предохранительными пневмоклапанами, управляемым пневмораспределителем и блоком управления движения платформы и угла наклона лопаток турбины. Каждый волновой компрессор выполнен в виде плавающего понтона, кинематически соединенного с вытеснителем воздуха, а полости его сообщены через обратные пневмоклапаны с окружающей средой через фильтр и через другие обратные пневмоклапаны с накопительным ресивером, который снабжен предохранительным пневмоклапаном и сообщен через обратный пневмоклапан с приводным компрессором и с управляемым пневмораспределителем, сообщенным одной пневмолинией с воздушной полостью подвижной платформы и второй пневмолинией через регулируемый пневмодроссель и обратный пневмоклапан с промежуточным ресивером. Промежуточный ресивер сообщен с входом приводного компрессора, а приводной компрессор соединен электролинией управления с реле давления, установленного на накопительном ресивере. Входной вал мультипликатора соединен с валом турбины посредством обгонной муфты и выходной вал снабжен маховиком.The solution to the technical problem and the achievement of the technical result is ensured by the fact that the energy generator, which includes a body in the form of a vertical vessel with a movable platform located inside with a channel in the upper part and an air cavity connected to a drive compressor in its lower part and a turbine installed on the platform, connected through a multiplier with an electric generator, equipped with wave compressors, air receivers, pressure switches, adjustable hydraulic throttle and pneumatic throttle, check and safety pneumatic valves, controlled pneumatic valve and control unit for platform movement and the angle of inclination of the turbine blades. Each wave compressor is made in the form of a floating pontoon, kinematically connected to an air displacer, and its cavities are communicated through pneumatic check valves with the environment through a filter and through other pneumatic check valves with a storage receiver, which is equipped with a pneumatic safety valve and communicated through a pneumatic check valve with a drive compressor and with a controlled pneumatic valve communicated by one pneumatic line with the air cavity of the movable platform and the second pneumatic line through an adjustable pneumatic choke and a pneumatic check valve with an intermediate receiver. The intermediate receiver is connected to the input of the drive compressor, and the drive compressor is connected by a control line to the pressure switch installed on the storage receiver. The input shaft of the multiplier is connected to the turbine shaft by means of an overrunning clutch and the output shaft is equipped with a flywheel.

Предложенный генератор энергии, в сравнении с прототипом, обеспечивает повышение эффективности за счет снижения затрат энергии для создания запаса сжатого воздуха, используемого при подъеме подвижной платформы, путем применения волновых компрессоров, приводимых в действие энергией морских волн. Одновременно повышается надежность работы генератора за счет стабилизации угловой скорости вала электрогенератора путем регулирования скорости движения подвижной платформы посредством гидродросселя в канале платформы и пневмодросселя воздушной полости, а также наличием маховика на валу мультипликатора. На чертеже изображен генератор энергии.The proposed energy generator, in comparison with the prototype, provides an increase in efficiency by reducing energy consumption to create a supply of compressed air used when lifting a mobile platform by using wave compressors driven by the energy of sea waves. At the same time, the reliability of the generator is increased due to the stabilization of the angular speed of the electric generator shaft by regulating the speed of the moving platform by means of a hydraulic throttle in the platform channel and a pneumatic throttle in the air cavity, as well as by the presence of a flywheel on the multiplier shaft. The drawing shows an energy generator.

Генератор энергии содержит корпус 1,заполненный жидкой средой 2. В корпусе размещена подвижная платформа 3 с трубчатым каналом 4 и регулируемым гидродросселем 5. В нижней части платформы 3 выполнена воздушная полость 6. На подвижной платформе установлена турбина 7 с изменяемым углом наклона лопастей, соединенная через обгонную муфту 8 с входным валом мультипликатора 9. На выходном валу мультипликатора закреплен маховик 10 и он соединен с валом электрогенератора 11. Воздушная полость 6 сообщена пневмолинией с управляемым пневмораспределителем 12, имеющим орган управления, соединенный электролинией с блоком управления 13. Пневмораспределитель 12 сообщен одной пневмолинией, через обратный пневмоклапан 14, с накопительным воздушным ресивером 15, снабженным предохранительным пневмоклапаном 16. Накопительный ресивер 15 сообщен пневмолинией 17 с волновыми компрессорами и, через обратный пневмоклапан 18, с приводным компрессором 19.The energy generator contains a housing 1 filled with a liquid medium 2. The housing contains a movable platform 3 with a tubular channel 4 and an adjustable hydraulic throttle 5. An air cavity is made in the lower part of the platform 3. an overrunning clutch 8 with an input shaft of the multiplier 9. On the output shaft of the multiplier, a flywheel 10 is fixed and it is connected to the shaft of an electric generator 11. The air cavity 6 is connected by a pneumatic line with a controlled pneumatic valve 12, which has a control element connected by a power line to the control unit 13. The pneumatic valve 12 is connected by a single pneumatic line , through the pneumatic check valve 14, with a storage air receiver 15, equipped with a safety pneumatic valve 16. The storage receiver 15 is connected by a pneumatic line 17 with wave compressors and, through a pneumatic check valve 18, with a drive compressor 19.

Волновой компрессор содержит плавающий понтон 20, установленный на раме 21, прикрепленной к буровой платформе или к береговой опоре. Понтон кинематически соединен с подвижным элементом вытеснителя, который может быть выполнен, например, в виде пневмоцилиндра 22 с поршнем 23, как это изображено на фиг. или в другом варианте в виде гибкой упругой оболочки с обратными пневмоклапанами (на фиг. не показано). Полости изображенного на фиг. вытеснителя в виде пневмоцилиндра 22, сообщены, через обратные пневмоклапаны 24 и 25, с окружающей средой через фильтр 26, а через обратные пневмоклапаны 27 и 28, сообщены пневмолинией 17 с накопительным ресивером 15. Управляемый пиевмораспределитель 12 сообщен еще одной пневмолинией, через регулируемый пневмодроссель 29 и обратный пневмоклапан 30, с промежуточным ресивером 31, который сообщен с входом приводного компрессора 19. Компрессор 19 также сообщен, через обратный пневмоклапан 32 и фильтр 33, с окружающей средой. Привод 34 компрессора соединен электролинией с реле давления 35, установленного на накопительном ресивере 15. Ресивер 31 снабжен предохранительным пневмоклапанном 36.The wave compressor comprises a floating pontoon 20 mounted on a frame 21 attached to a drilling platform or to an onshore support. The pontoon is kinematically connected to the movable element of the displacer, which can be made, for example, in the form of a pneumatic cylinder 22 with a piston 23, as shown in FIG. or, in another embodiment, in the form of a flexible elastic shell with pneumatic check valves (not shown in the figure). The cavities shown in FIG. a displacer in the form of a pneumatic cylinder 22, communicated, through pneumatic check valves 24 and 25, with the environment through a filter 26, and through pneumatic check valves 27 and 28, communicated by a pneumatic line 17 with a storage receiver 15. A controlled pneumatic distributor 12 is communicated by another pneumatic line, through an adjustable pneumatic choke 29 and a pneumatic check valve 30, with an intermediate receiver 31, which is in communication with the inlet of the drive compressor 19. The compressor 19 is also in communication, through the pneumatic check valve 32 and filter 33, with the environment. The compressor drive 34 is connected by a power line to a pressure switch 35 installed on the storage receiver 15. The receiver 31 is equipped with a safety pneumatic valve 36.

Генератор энергии действует следующим образом.The energy generator operates as follows.

В исходном состоянии платформа 3, имеющая отрицательную плавучесть, находится внизу и ее полость 6 частично заполнена жидкостью. Для включения генератора в рабочий режим золотник пневмораспределителя 12, через блок управления 13 перемещается в позицию, изображенную на чертеже, в которой полость 6 платформы сообщается с накопительным ресивером 15, через обратный пневмоклапан 14. Запасенный в ресивере сжатый воздух быстро заполняет полость 6, придавая платформе положительную плавучесть, поэтому она поднимается под действием силы Архимеда. Скорость подъема устанавливается регулируемым гидродросселем 5. При подъеме платформы жидкость поступает из верхней части корпуса в нижнюю, через канал 4, вращая турбину 7, которая через обгонную муфту 8 и мультипликатор 9 вращает электрогенератор 11.In the initial state, the platform 3, which has negative buoyancy, is at the bottom and its cavity 6 is partially filled with liquid. To turn on the generator in the operating mode, the valve spool 12 moves through the control unit 13 to the position shown in the drawing, in which the cavity 6 of the platform communicates with the storage receiver 15, through the pneumatic check valve 14. The compressed air stored in the receiver quickly fills the cavity 6, giving the platform positive buoyancy, so it rises under the influence of the force of Archimedes. The lifting speed is set by an adjustable hydraulic throttle 5. When the platform is lifted, the liquid flows from the upper part of the body to the lower one, through channel 4, rotating the turbine 7, which rotates the electric generator 11 through the freewheel 8 and the multiplier 9.

При достижении платформой 3 крайнего верхнего положения блок управления 13 включает механизм изменения угла наклона лопаток турбины 7 и переключает золотник пневмораспределителя 12 в позицию, обеспечивающую сообщение полости 6, через регулируемый пневмодроссель 29 и обратный пневмоклапан 30 с промежуточным ресивером 31. Воздух, выходя из полости 6 в ресивер 31, возвращает платформе 3 отрицательную плавучесть и она под действием сил гравитации опускается, а жидкость из нижней части корпуса поступает через канал 4 в верхнюю часть корпуса, вращая турбину 7. Скорость опускания платформы устанавливается регулируемым гидродросселем 5 и регулируемым пневмодросселем 29. Постоянство угловой скорости вала электрогенератора 11, в моменты остановки и изменения направления движения платформы 3, обеспечивается за счет использования кинетической энергии маховика 10. Таким образом, маховик 10, регулируемый гидродроссель 5 и регулируемый пневмодроссель 29 обеспечивают необходимую стабилизацию угловой скорости вала электрогенератора при остановках и повторяющихся движениях платформы вверх и вниз.When the platform 3 reaches the extreme upper position, the control unit 13 turns on the mechanism for changing the angle of inclination of the turbine blades 7 and switches the valve of the pneumatic distributor 12 to the position providing communication of the cavity 6 through the adjustable pneumatic choke 29 and the pneumatic check valve 30 with the intermediate receiver 31. Air leaving the cavity 6 into the receiver 31, returns negative buoyancy to the platform 3 and it descends under the action of gravity, and the liquid from the lower part of the body enters through channel 4 into the upper part of the body, rotating the turbine 7. The platform lowering speed is set by an adjustable hydraulic throttle 5 and an adjustable pneumatic throttle 29. The constancy of the angular the speed of the shaft of the electric generator 11, at the moments of stopping and changing the direction of movement of the platform 3, is ensured by using the kinetic energy of the flywheel 10. Thus, the flywheel 10, an adjustable hydraulic throttle 5 and an adjustable pneumatic throttle 29 provide the necessary stabilization of the angular c the speed of the generator shaft during stops and repeated up and down movements of the platform.

Из описания рабочего процесса генератора видно, при его осуществлении необходимо большое количество сжатого воздуха и соответственно требуются большие затраты энергии для его получения. В качестве основного источника сжатого воздуха в предлагаемом устройстве используются волновые компрессоры. Волновые компрессоры, изображенные на фиг. в виде пневмоцилиндров, соединенных кинематически с понтонами, обеспечивают подачу сжатого воздуха через обратные пневмоклапаны в накопительный ресивер при любом движении понтонов, под воздействием морских волн, которые практически всегда есть на морской поверхности. В тех редких случаях, когда волн нет, и давление в накопительном ресивере 15 уменьшается, тогда датчик давления 35 включает привод 34 резервного компрессора 19, который, через обратный пневмоклапан 18, пополняет запас сжатого воздуха в ресивере. При работе резервного компрессора на его вход поступает воздух из промежуточного ресивера 31, куда он вытесняется через регулируемый пневмодроссель 29 и обратный пневмоклапан 30 в процессе опускания платформы 3. Это обеспечивает снижение затрат энергии на привод резервного компрессора. В случае запуска генератора после длительной остановки воздух на вход компрессора 19 поступает из окружающей среды через обратный пневмоклапан 32 и фильтр 33.From the description of the working process of the generator, it can be seen that during its implementation, a large amount of compressed air is required and, accordingly, high energy costs are required to obtain it. Wave compressors are used as the main source of compressed air in the proposed device. The wave compressors shown in FIG. in the form of pneumatic cylinders, kinematically connected to the pontoons, provide the supply of compressed air through the pneumatic check valves to the storage receiver during any movement of the pontoons, under the influence of sea waves, which are almost always on the sea surface. In those rare cases when there are no waves, and the pressure in the storage receiver 15 decreases, then the pressure sensor 35 turns on the drive 34 of the reserve compressor 19, which, through the pneumatic check valve 18, replenishes the supply of compressed air in the receiver. When the standby compressor is operating, air is supplied to its inlet from the intermediate receiver 31, where it is displaced through an adjustable pneumatic throttle 29 and a pneumatic check valve 30 in the process of lowering the platform 3. This ensures a reduction in energy consumption for the drive of the standby compressor. In the case of starting the generator after a long shutdown, air enters the compressor 19 inlet from the environment through the pneumatic check valve 32 and filter 33.

Таким образом, предложенный генератор энергии, в отличии от прототипа, обеспечивает существенное снижение затрат энергии на создание запаса сжатого воздуха, за счет использования волновых компрессоров, приводимых в действие энергией морских волн. Также снижаются затраты энергии на привод резервного компрессора путем подачи на его вход воздуха, вытесняемого из воздушной полости платформы в процессе опускания. Одновременно повышается надежность работы генератора, путем стабилизаци угловой скорости вала электрогенератора за счет регулирования скорости подъема и опускания платформы с помощью регулируемых гидродросселя и пневмодросселя, а также благодаря установки маховика и использования его кинетической энергии.Thus, the proposed energy generator, in contrast to the prototype, provides a significant reduction in energy consumption for creating a supply of compressed air, due to the use of wave compressors, driven by the energy of sea waves. Also, the energy consumption for the drive of the reserve compressor is reduced by supplying air to its inlet, displaced from the air cavity of the platform during the lowering process. At the same time, the reliability of the generator is increased by stabilizing the angular speed of the generator shaft by regulating the speed of lifting and lowering the platform with the help of an adjustable hydraulic throttle and a pneumatic throttle, as well as by installing a flywheel and using its kinetic energy.

Claims

An energy generator, including a housing in the form of a vertical vessel, with a movable platform located inside with a channel in the upper part and an air cavity connected to a drive compressor in its lower part and a turbine installed on the platform connected through a multiplier to an electric generator, characterized in that it equipped with wave compressors, air receivers, pressure switches, adjustable hydraulic throttle and pneumatic throttle, check and safety pneumatic valves, controlled pneumatic valve and control unit for platform movement and the angle of inclination of turbine blades, and each wave compressor is made in the form of a floating pontoon, kinematically connected to the air displacer, and its cavities are communicated through pneumatic check valves with the environment through a filter and through other pneumatic check valves with a storage receiver, which is equipped with a pneumatic safety valve and communicated through a pneumatic check valve with a drive compressor and a controlled a pneumatic valve communicated by one pneumatic line with the air cavity of the movable platform and the second pneumatic line, through an adjustable pneumatic throttle and a pneumatic check valve, with an intermediate receiver connected to the input of the drive compressor, and the drive compressor is connected by a control line to the pressure switch installed on the storage receiver, while the input shaft The multiplier is connected to the turbine shaft by means of an overrunning clutch and the output shaft is equipped with a flywheel.