RU2365780C1

RU2365780C1 - Wave electric power station

Info

Publication number: RU2365780C1
Application number: RU2008102773/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Васильевич Ясаков (RU); Николай Васильевич Ясаков
Original assignee: Николай Васильевич Ясаков
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2009-08-27

Abstract

FIELD: electrical engineering. ^ SUBSTANCE: invention relates to electrical power engineering, particularly to electricity generating installations which convert energy of sea waves. The wave electric power station contains pivotally connected floats of a profiled floatation raft with a dynamic anchor, freewheel clutch and torque-limiting clutch. The electric power station is fitted with a self-adjusting bubble breaker, which includes a pneumatic blower driven by the former, starting from the head, floats of the profiled floatation raft, air pipe and an air-distribution pipe, placed on the arms of the dynamic anchor in the water space in front of the head float, and a device for automatic control of air release, for example in form of a stop valve activated by floats. Pivotal connections of the first floats are provided with pneumatic shock-absorbers, for example combined with pneumatic blowers. Drive wheels of these floats are linked with the latter through combination sleeves, which comprise freewheel clutch and torque-limiting clutch. ^ EFFECT: invention is aimed at designing a wave electric power station, capable of stable operation in any field operating conditions. ^ 4 dwg

Description

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к электрогенерирующим установкам, преобразующим энергию морских волн. Ряд таких электростанций, установленных с определенным шагом вдоль побережья, наряду с производством электроэнергии стандартных параметров надежно защитит берег от самых разрушительных волн.The invention relates to the field of electric power, in particular to power generating plants that convert the energy of sea waves. A number of such power plants, installed with a certain step along the coast, along with the production of electricity of standard parameters will reliably protect the coast from the most destructive waves.

Известен целый ряд преобразователей энергии волн в электрическую энергию. Среди них по эффективности отбора волновой энергии считаются лучшими "Утка" Солтера и плот Коккерелла. Однако первая из упомянутых энергоустановок не адаптирована к ориентации фронта волны, вторая же - к длине последней. Главный же недостаток указанных преобразователей состоит в том, что практическая их реализация связана с неокупающимися капитальными и эксплуатационными затратами при недопустимо больших потерях энергии на ее передаче от воспринимающего устройства до вала генератора.There are a number of converters of wave energy into electrical energy. Among them, the efficiency of the selection of wave energy are considered the best "Salter" Duck and the Cockerell raft. However, the first of the mentioned power plants is not adapted to the orientation of the wave front, the second to the length of the latter. The main disadvantage of these converters is that their practical implementation is associated with unstoppable capital and operating costs with unacceptably large losses of energy in its transmission from the receiving device to the generator shaft.

Эти недостатки сдерживают широкое применение данных энергоустановок (В.А.Коробков. Преобразование энергии океана, Л. "Судостроение", 1986, с.140-142). Хотя сама идея использования системы связанных поплавков в виде контурного плота Циолковского является наиболее перспективной и в волновой энергетике, и в инженерной защите побережий от волновой эрозии (см. там же, с.133).These shortcomings hinder the widespread use of these power plants (V.A. Korobkov. Transformation of ocean energy, L. "Shipbuilding", 1986, p.140-142). Although the very idea of using a system of coupled floats in the form of Tsiolkovsky’s contour raft is the most promising in both wave energy and engineering protection of coasts from wave erosion (see ibid., P.133).

Известны "точечные" преобразователи энергии волн в электроэнергию с использованием различных кинематических передач, среди которых "Волновая энергетическая машина" (пат. RU 2141057, кл. 6 F03В 13/20), "Поплавковая волновая электростанция" (пат. RU 2037642, кл. 6 F03В 13/16), а также энергоустановка, защищенная патентом RU 2221933, кл. F03В 13/18 на "Способ использования энергии морских волн и устройство для его осуществления". К общим недостаткам этих устройств следует отнести низкий кпд при отборе волновой энергии, несовершенство механизма ее передачи к валу генератора, нестабильность частоты его вращения, а следовательно, и параметров получаемой электрической энергии. К тому же все они неспособны заметно ослабить опасное для берегов волнение моря.Known "point" converters of wave energy into electricity using various kinematic transmissions, including the "Wave energy machine" (US Pat. RU 2141057, CL 6 F03B 13/20), "Float wave power plant" (US Pat. RU 2037642, class. 6 F03В 13/16), as well as a power plant protected by patent RU 2221933, cl. F03B 13/18 on “Method for using the energy of sea waves and a device for its implementation”. The common disadvantages of these devices include low efficiency in the selection of wave energy, the imperfection of the mechanism of its transmission to the generator shaft, the instability of its rotation frequency, and, consequently, the parameters of the received electric energy. In addition, all of them are unable to significantly weaken the sea waves, which are dangerous for the coast.

Известна "Волновая энергетическая установка", разработанная в АО "Белгородский завод энергетического машиностроения" (пат. RU 2147077, кл. 7 F03В 13/16), содержащая каркас с площадкой и поплавки, соединенные посредством блока конических и цилиндрических зубчатых колес и шестерен с валом отбора мощности, на котором установлены маховик и муфта для соединения с электрогенератором. Она имеет поплавки, закрепленные на штангах неодинаковой длины с общей осью и имеющие форму трехгранной призмы с выступающими гранями, независимые в своих относительных движениях, а пространство между боковыми поплавками выполнено с обеспечением возможности свободного прохода волны на средний поплавок.The well-known "Wave power plant", developed in JSC "Belgorod plant of power engineering" (US Pat. RU 2147077, CL 7 F03B 13/16), containing a frame with a platform and floats connected by a block of bevel and spur gears and gears with a shaft power take-off, on which a flywheel and a clutch are installed for connection with an electric generator. It has floats fixed on rods of unequal length with a common axis and having the shape of a trihedral prism with protruding faces, independent in their relative movements, and the space between the side floats is made to allow free passage of the wave to the middle float.

При наличии ценной идеи рассредоточения поплавков, воспринимающих как потенциальную, так и кинетическую энергию волн, в направлении их движения, а также независимой передачи усилия штанг на общий вал с маховиком данная установка имеет целый ряд недостатков: она жестко связана с основанием, закрепленным на морском дне, следовательно, эффективность ее работы сильно зависит от направления движения волн. Этим же усложняется ее установка в глубоководных местах; количество поплавков явно недостаточно для равномерного отбора энергии волн в течение их периода, при этом более слабая волна, приходящая вслед за сильной, не способна эффективно воздействовать на кинематическую систему установки из-за недостаточной скорости подъема поплавков; даже удовлетворительная в энергетическом отношении работа маховика не способна поддерживать частоту вращения ротора генераторов переменного тока в нормируемых пределах; конструкция поплавков не гарантирует их четкую работу при сильном волнении моря, когда в прибрежной зоне (на мелководье) передний фронт волны круто встает и даже опрокидывается, и, наконец, установка, рассчитанная на использование в прибрежных зонах, не способна защищать берег от волновой эрозии.In the presence of a valuable idea of the dispersal of floats perceiving both the potential and kinetic energy of the waves in the direction of their movement, as well as the independent transfer of the rod force to the common shaft with the flywheel, this installation has a number of disadvantages: it is rigidly connected to the base fixed on the seabed therefore, its efficiency depends heavily on the direction of movement of the waves. This also complicates its installation in deep-sea places; the number of floats is clearly not enough for uniform selection of wave energy during their period, while a weaker wave that comes after a strong one is not able to effectively affect the kinematic system of the installation due to the insufficient speed of lifting the floats; even an energy-satisfactory flywheel operation is not able to maintain the rotor speed of alternating current generators within normalized limits; the design of the floats does not guarantee their accurate operation in case of severe sea waves, when in the coastal zone (in shallow water) the leading edge of the wave rises abruptly and even capsizes, and, finally, the installation, designed for use in coastal zones, is not able to protect the coast from wave erosion.

Наиболее близким аналогом заявляемого устройства (прототипом) является волновая электростанция (ВЭС) по патенту RU 2313690 F03В 13/20, которая содержит шарнирно соединенные поплавки контурного плота с динамическим якорем, муфты свободного хода и муфты предельного момента, кинематическую систему с общим многозвенным карданным валом, связанным силовой передачей с каждым поплавком, а также с электрогенератором - через маховик и устройство стабилизации частоты вращения.The closest analogue of the claimed device (prototype) is a wave power station (WPP) according to patent RU 2313690 F03В 13/20, which contains articulated floats of a contour raft with a dynamic anchor, free-wheel clutch and limit torque clutch, a kinematic system with a common multi-link cardan shaft, connected by power transmission with each float, as well as with an electric generator - through a flywheel and a speed stabilization device.

Недостатком данной ВЭС является отсутствие эффективной защиты ее от самых опасных волн, что требует ее оснащения автоматической системой притапливания, сопровождаемого ослаблением берегозащитной функции, а также слабая защита силовой трансмиссии от запредельных и ударных динамических нагрузок - даже при наличии муфты предельного момента в конце карданного вала. К тому же буферные ограничители взаимного поворота поплавков не исключают ударных воздействий на их шарнирные соединения.The disadvantage of this wind farm is the lack of effective protection from the most dangerous waves, which requires its equipped with an automatic warming system, accompanied by a weakening of the shore protection function, as well as poor protection of the power transmission from transcendental and shock dynamic loads - even if there is a limit torque coupling at the end of the driveshaft. In addition, buffer limiters for the mutual rotation of the floats do not exclude shock effects on their hinge joints.

Задачей заявляемого изобретения является создание волновой элекстростанции, способной устойчиво работать в любых реальных условиях эксплуатации.The task of the invention is the creation of a wave power plant capable of stable operation in any actual operating conditions.

Поставленная задача достигается тем, что волновая электростанция, содержащая шарнирно соединенные поплавки контурного плота с динамическим якорем, муфты свободного хода и муфты предельного момента, согласно изобретению оснащена самонастраивающимся пневматическим волноломом, включающим пневмонагнетатели с приводом от первых, считая с головного, поплавков контурного плота, воздуховод и воздухораспределительную трубу, размещенную на консолях динамического якоря в водном пространстве перед головным поплавком, и устройство автоматического управления сбросом воздуха, например, в виде запорной арматуры с приводом от буев, при этом шарнирные соединения первых поплавков снабжены пневмоамортизаторами, например, совмещенными с пневмонагнетателями, а приводные колеса этих поплавков связаны с последними через комбинированные муфты, включающие муфту свободного хода и муфту предельного момента.The task is achieved in that the wave power plant containing articulated floats of the contour raft with a dynamic anchor, freewheels and clutches of ultimate torque, according to the invention is equipped with a self-adjusting pneumatic breakwater, including pneumatic blowers driven from the first, counting from the head floats of the contour raft, duct and an air distribution pipe placed on the consoles of the dynamic anchor in the water space in front of the head float, and the device automatically air control, for example, in the form of shutoff valves driven by buoys, while the articulated joints of the first floats are equipped with pneumatic shock absorbers, for example, combined with pneumatic blowers, and the drive wheels of these floats are connected to the latter through combined couplings, including a freewheel and limit clutch moment.

Оснащение ВЭС самонастраивающимся пневматическим волноломом, избирательно воздействующим на приближающиеся к ней волны разной высоты, позволяет частично гасить их до безопасного уровня с последующим преобразованием оставшейся энергии электрогенератором и пневмонагнетателями.Equipping a wind farm with a self-adjusting pneumatic breakwater, selectively acting on waves of different heights approaching it, partially quenches them to a safe level, followed by the conversion of the remaining energy by an electric generator and pneumosuperchargers.

Установка пневмоамортизаторов на шарнирных соединениях поплавков не только исключит ударные нагрузки при предельных углах их взаимного поворота, но и позволит использовать энергию амортизаторов при его реверсе.The installation of pneumatic shock absorbers on the hinged joints of the floats will not only exclude shock loads at extreme angles of their mutual rotation, but will also allow the use of shock absorbers energy when reversing it.

Оснащение приводных колес поплавков муфтами предельного момента устранит опасные нагрузки на трансмиссию ВЭС.Equipping the drive wheels of the floats with limit torque couplings will eliminate the dangerous loads on the wind farm transmission.

Для пояснения сущности изобретения представлены следующие чертежи: на фиг.1 показан общий вид ВЭС; на фиг.2 - продольное сечение головного поплавка по осям пневмоцилиндров, расположенных вблизи его боковых стенок; на фиг.3 - вид "А" на комбинированную муфту (по чертежу на фиг.2); на фиг.4 - сечение "Б-Б" муфты, показанной на фиг.3.To explain the invention, the following drawings are presented: figure 1 shows a General view of a wind farm; figure 2 is a longitudinal section of the head float along the axes of the pneumatic cylinders located near its side walls; figure 3 is a view of "A" on the combined coupling (according to the drawing in figure 2); in Fig.4 is a section "BB" of the coupling shown in Fig.3.

Заявляемая ВЭС состоит из поплавков 1 (фиг.1), объединенных в контурный плот, оснащенный известными (из описания ВЭС - прототипа по пат. RU 2313690) трансмиссией с маховиком и электрогенератором, а также динамическим якорем. Первые (считая с головного) поплавки 1 снабжены пневмонагнетателями 2 (фиг.2), например поршневыми, с воздузозаборными трубами 3 и клапанами: впускными 4 и выпускными 5, воздуховодами 6, подключенными к ресиверу, представленному в данном случае головным поплавком, а также расположенной на установленных консолях 7 динамического якоря поперечной перфорированной воздухораспределительной трубой 8 с запорной арматурой 9, связанной с датчиками высоты волны в виде, например, буев 70 с регулировочными противовесами 11; кроме того, упомянутые первые поплавки 7 оснащены муфтами предельного момента, содержащими ведущий диск 72 (фиг.3 и 4), ведомый диск 13, поджатый, например, тарельчатой пружиной 74, фрикционную вставку 15, и конструктивно объединенными с муфтами свободного хода в комбинированную муфту, через которую корпус поплавка кинематически связан с каждым своим приводным колесом.The inventive wind farm consists of floats 1 (Fig. 1), combined into a contour raft, equipped with a known (from the description of the wind farm - prototype according to Pat. RU 2313690) transmission with a flywheel and an electric generator, as well as a dynamic anchor. The first (counting from the head) floats 1 are equipped with pneumatic blowers 2 (Fig. 2), for example piston, with air intake pipes 3 and valves: inlet 4 and exhaust 5, air ducts 6 connected to the receiver, represented in this case by the head float, as well as located on mounted consoles 7 of the dynamic anchor with a transverse perforated air distribution pipe 8 with shutoff valves 9 connected to wave height sensors in the form, for example, of buoys 70 with adjusting balances 11; in addition, the aforementioned first floats 7 are equipped with limit torque couplings containing a drive disk 72 (FIGS. 3 and 4), a driven disk 13, pressed, for example, by a disk spring 74, a friction insert 15, and structurally combined with freewheels in a combination clutch through which the body of the float is kinematically connected with each of its drive wheel.

Заявляемая волновая электростанция работает так. В нормальных условиях, когда высота волн не превышает расчетное значение, работа ВЭС практически не отличается от работы ее прототипа: продольный контур плота, состоящего из поплавков 7, повторяет профиль движущейся волны, затухающей по мере отбора ее энергии, из-за чего скорость относительного поворота смежных поплавков 7 в направлении от головного к машинному снижается, что компенсируется изменяющимся передаточным отношением в звеньях трансмиссии. Этим обеспечивается отбор энергии всеми поплавками, скорость поворота которых отстает от скорости изменения профиля проходящей под ними волны. При такой интенсивности волнения упоры буферов у поплавков 1 даже первой пары, включающей головной, не доходят до штоков пневмонагнетателей 2, а усилия в трансмиссии остаются в расчетных пределах.The inventive wave power plant works like this. Under normal conditions, when the wave height does not exceed the calculated value, the work of the wind farm is practically no different from the work of its prototype: the longitudinal contour of the raft, consisting of floats 7, repeats the profile of a moving wave that decays as its energy is taken, which is why the speed of relative rotation adjacent floats 7 in the direction from the head to the machine is reduced, which is offset by a changing gear ratio in the links of the transmission. This ensures the selection of energy by all floats, the rotation speed of which is behind the rate of change of the profile of the wave passing under them. With such an intensity of excitement, the buffer stops for the floats 1 even of the first pair, including the head one, do not reach the rods of the pneumatic blowers 2, and the forces in the transmission remain within the calculated limits.

С усилением волнения упоры буферов у первых пар поплавков 1 начинают воздействовать на подпружиненные штоки пневмонагнетателей 2, и атмосферный воздух через заборные трубы 3 и клапаны 4 и 5 подается во внутреннее пространство головного поплавка-ресивера, соединенного воздуховодами 6 с установленной на консолях 7 воздухораспределительной трубой 8. При этом датчики высоты волны - буи 10, настроенные с помощью противовесов 77, отслеживают высоту приходящей волны и в соответствии с ней подают через запорную арматуру 9 необходимый объем воздуха (мелкими струями) в водное пространство перед плотом электростанции. Образующаяся водовоздушная смесь благодаря малой плотности и хорошей сжимаемости эффективно гасит волну до безопасного уровня (Новый политехнический словарь, М. 2003, ст."Волнолом" на стр.83, ил. на стр.84). При этом если плоты установлены с определенным шагом, необходимым для их маневра, связанного с изменением направления волн, воздухораспределительные трубы с длиной, превосходящей в данном случае ширину плота, способны - и даже в большей мере - гасить волну между плотами, т.е. на пути к защищаемому побережью, посредством соответствующего распределения воздушного потока.With increased excitement, the buffer stops at the first pairs of floats 1 begin to act on the spring-loaded rods of pneumatic blowers 2, and atmospheric air is fed through intake pipes 3 and valves 4 and 5 into the inner space of the head float receiver connected by air ducts 6 to an air distribution pipe 8 mounted on consoles 7 At the same time, wave height sensors - buoys 10, tuned using counterweights 77, monitor the height of the incoming wave and, in accordance with it, supply the necessary volume of air through the shutoff valve 9 (m lkimi jets) in the stretch of water in front of the raft power. The resulting water-air mixture due to its low density and good compressibility effectively dampens the wave to a safe level (New Polytechnical Dictionary, M. 2003, Art. “Wave breaker” on page 83, ill. On page 84). Moreover, if the rafts are installed with a certain step necessary for their maneuver associated with a change in the direction of the waves, air distribution pipes with a length exceeding the width of the raft in this case are capable of - and even more so - damping the wave between the rafts, i.e. on the way to the protected coast, through appropriate distribution of air flow.

В случае особо резких воздействий на головной поплавок крутой волны или тяжелых плавающих предметов остаточная энергия при его повороте аккумулируется в пневмоамортизаторах, представляющих собой выше рассмотренные поршневые устройства, сжимающие воздух в замкнутом пространстве (при уже перекрытых выпускных клапанах 5). Такие амортизаторы исключают ударные нагрузки на шарнирные соединения поплавков и возвращают запасенную ими энергию при реверсе поворота последних.In the case of particularly sharp impacts on the head float of a steep wave or heavy floating objects, the residual energy during its rotation is accumulated in pneumatic shock absorbers, which are the piston devices considered above, compressing air in a closed space (with exhaust valves already closed 5). Such shock absorbers exclude shock loads on the hinged joints of the floats and return the energy stored by them when the latter are reversed.

Всякие перегрузки, связанные с резким ускорением поворота поплавков, снимаются муфтами предельного момента в самом начале силовой трансмиссии, чем обеспечивается ее защита от поломок и интенсивного изнашивания. Величина предельного момента определяется усилием пружины 14 и коэффициентом трения рабочих поверхностей дисков 12 и 13 в парах с фрикционным материалом вставки 15.Any overloads associated with a sharp acceleration of the rotation of the floats are removed by the clutches of the maximum moment at the very beginning of the power transmission, which ensures its protection against breakdowns and intensive wear. The magnitude of the limiting moment is determined by the force of the spring 14 and the coefficient of friction of the working surfaces of the disks 12 and 13 in pairs with the friction material of the insert 15.

Оснащение волновых электростанций описанными устройствами полностью решат проблему защиты самих ВЭС и расположенного за ними побережья практически в любых экстремальных ситуациях. Кроме того, рассмотренная здесь идея использования поплавковых пневмонагнетателей для воздухоснабжения пневматических волноломов найдет широкое применение в инженерной защите береговых и морских сооружений.Equipping the wave power plants with the described devices will completely solve the problem of protecting the wind farms themselves and the coast located behind them in almost any emergency situations. In addition, the idea discussed here of using float pneumatic blowers for air supply of pneumatic breakwaters will find wide application in the engineering protection of coastal and offshore structures.

Claims

Волновая электростанция, содержащая шарнирно соединенные поплавки контурного плота с динамическим якорем, муфты свободного хода и муфты предельного момента, отличающаяся тем, что электростанция снабжена самонастраивающимся пневматическим волноломом, включающим пневмонагнетатели с приводом от первых, считая с головного, поплавков контурного плота, воздуховод и воздухораспределительную трубу, размещенную на консолях динамического якоря в водном пространстве перед головным поплавком, и устройство автоматического управления сбросом воздуха, например, в виде запорной арматуры с приводом от буев, при этом шарнирные соединения первых поплавков снабжены пневмоамортизаторами, например, совмещенными с пневмонагнетателями, а приводные колеса этих поплавков связаны с последними через комбинированные муфты, включающие муфту свободного хода и муфту предельного момента. A wave power plant containing articulated floats of a contour raft with a dynamic anchor, freewheels and limit torque couplings, characterized in that the power station is equipped with a self-adjusting pneumatic wave breaker, including pneumatic blowers driven from the first, counting from the head floats of the contour raft, duct and air distribution placed on the consoles of the dynamic anchor in the water in front of the head float, and an automatic discharge control device air, for example, in the form of shut-off valves driven by buoys, while the hinges of the first floats are equipped with pneumatic shock absorbers, for example, combined with pneumatic blowers, and the drive wheels of these floats are connected to the latter through combined couplings, including a freewheel clutch and a torque limit clutch.