RU2715612C1

RU2715612C1 - Modular unit for converting wave energy into electric energy

Info

Publication number: RU2715612C1
Application number: RU2018131614A
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Хромов; Роман Альбинович Павлак
Original assignee: Александр Васильевич Хромов; Роман Альбинович Павлак
Priority date: 2018-09-04
Filing date: 2018-09-04
Publication date: 2020-03-02

Abstract

FIELD: electricity.SUBSTANCE: invention relates to hydropower industry, in particular to a modular wave energy conversion unit. Plant comprises base 1 with posts 2, float on rod connected with shaft 3 of power take-off, on which coupling 8 is installed for connection with electric generator 10. Vibrations of working medium are transmitted to yoke 11, inside of which on shaft 3 with yoke 11 there installed is ratchet drum 15, which contacts teeth with two pawls. One pawl is mounted on yoke 11, and another one is arranged on base 1. Inside ratchet drum 15 spiral spring 17 is installed, the upper end of which is fixed on the housing of ratchet drum 14, the lower end is fixed on shaft 3. Shaft 3 is connected with reduction gear 9. Reduction gear 9 is connected with electric generator 10.EFFECT: invention is aimed at providing accumulation of wave kinetic energy with subsequent conversion into electric power.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к волновым энергетическим установкам, использующим энергию морских волн. Идея использования системы связанных плотов для использования энергии волн была предложена К.Э. Циолковским еще в 1935 году. В настоящее время известны работающие конструкции преобразователей энергии волн в электроэнергию. Среди них выделяются такие, как осциллирующая водяная колонна с воздушной турбиной Уэллса. Огромный буй-генератор РВ 150 длинной 42 метра с одиннадцатиметровым поплавком удерживаемый якорной системой. "Утка Солтера" это большое количество поплавков, связанных кинематически в цепь на одном валу, плавающих на поверхности воды. У всех преобразователей энергии волн можно найти недостатки, но основным достоинством всех этих конструкций является производство электроэнергии за счет энергии волн, при этом они не изменяют и не загрязняют окружающую среду. Приведенные примером конструкции устанавливают недалеко от берега на мелководье и фиксируют якорем или стойками на дне, причина течения, приливы и отливы, ветер. Электроэнергия, произведенная на волновой электростанции передается на берег по электрическому кабелю.The invention relates to hydropower, in particular to wave power plants using the energy of sea waves. The idea of using a system of coupled rafts to use wave energy was proposed by K.E. Tsiolkovsky back in 1935. Currently known working designs of converters of wave energy into electricity. Among them stand out such as an oscillating water column with a Wells air turbine. A huge buoy-generator RV 150 42 meters long with an eleven-meter float held by the anchor system. "Salter's Duck" is a large number of floats kinematically connected in a chain on one shaft, floating on the surface of the water. All wave energy converters can be found to have disadvantages, but the main advantage of all these structures is the production of electricity from wave energy, while they do not change or pollute the environment. The structures given by example are installed near the coast in shallow water and are fixed with anchors or uprights at the bottom, the cause of the current, the tides, the wind. Electricity generated at a wave power plant is transmitted ashore via an electric cable.

Наиболее близкой к предлагаемой конструкции является разработанная в АО Белгородский завод энергетического машиностроения" Волновая энергетическая установка" (пат. RU 2147077 С1, кл. F03B 13/16), содержащая каркас с площадкой, блок шестерен и колес, вал отбора мощности соединенный через муфту с электрогенератором, поплавки на штангах. Представленная конструкция принята за прототип. К недостаткам данной установки следует отнести. Первое, отсутствие мобильности, данная установка крепится опорами к морскому дну. Второе, неравномерность вращения вала отбора мощности. Это происходит по причине того, что поплавки напрямую соединены посредством блока конических, цилиндрических зубчатых колес и шестерен с валом отбора мощности, а ускорение, передаваемое на поплавки потенциальной энергией волны, зависит от переменных величин: периода прохождения волн, а также от их длины и высоты. Третье, массивный маховик, предназначенный для стабилизации частоты вращения ротора электрогенератора и накопления энергии, при малой скорости вращения вала мощности, потерях от трения в подшипниках и об окружающий воздух не эффективен. Четвертое, установка имеет большую инерционность: поплавки, конические и цилиндрические зубчатые колеса, блок шестерен, вал отбора мощности, маховик все это испытывает разрушающие нагрузки при периодически возникающем ударе от кинетической энергии волны. Пятое, при большом волнении моря и крутой волне всю установку будет заливать водой, что приведет к коррозии металла и выходу из строя электрической части установки. Известное техническое решение не может обеспечить стабильное и эффективное преобразование энергии морских волн в энергию используемую потребителем на берегу или вдали от берега на больших глубинах.Closest to the proposed design is the “Wave Power Plant” (Pat. RU 2147077 C1, class F03B 13/16) developed at JSC Belgorod Power Engineering Plant, which contains a frame with a platform, a block of gears and wheels, a power take-off shaft connected via a coupling to electric generator, floats on the rods. The presented design is taken as a prototype. The disadvantages of this installation should be attributed. First, the lack of mobility, this installation is attached with supports to the seabed. Second, uneven rotation of the power take-off shaft. This is due to the fact that the floats are directly connected via a block of bevel, spur gears and gears to the power take-off shaft, and the acceleration transmitted to the floats by the potential wave energy depends on variables: the wave propagation period, as well as their length and height . Third, a massive flywheel designed to stabilize the rotational speed of the rotor of the electric generator and store energy, at a low speed of rotation of the power shaft, friction losses in the bearings and the surrounding air is not effective. Fourth, the installation has a large inertia: floats, bevel and spur gears, a gear block, a power take-off shaft, a flywheel all this undergoes destructive loads when a shock arises from the kinetic energy of the wave. Fifth, with great sea waves and a steep wave, the entire installation will be flooded with water, which will lead to metal corrosion and failure of the electrical part of the installation. The known technical solution cannot provide a stable and efficient conversion of the energy of sea waves into the energy used by the consumer on the shore or away from the shore at great depths.

Энергия, возникающая при волновом движении воды в морях и океанах огромна и по плотности на 1 кв. м превышает ветровую энергию в 10 раз. Техническим результатом изобретения является возможность наиболее эффективно использовать энергию морских волн с помощью модульных установок преобразования энергии волн, установленных стационарно или на плавающем средстве и способных генерировать электроэнергию, используя для этого потенциальную энергию морских волн в любом месте волновой активности моря или океана, а в отсутствие волн генерировать электроэнергию, расходуя механическую энергию, накопленную в упругих пружинах.The energy arising from the wave motion of water in the seas and oceans is huge and in density per 1 square. m exceeds wind energy by 10 times. The technical result of the invention is the ability to most effectively use the energy of sea waves using modular wave energy conversion plants installed stationary or on a floating vehicle and capable of generating electricity using the potential energy of sea waves anywhere in the wave activity of the sea or ocean, and in the absence of waves generate electricity by spending mechanical energy stored in elastic springs.

Предложенное изобретением техническое решение позволяет устранить вышеперечисленные недостатки известных прототипов и увеличить КПД установки, применив в качестве преобразователя и накопителя механической энергии упругую спиральную пружину.The technical solution proposed by the invention allows to eliminate the above-mentioned disadvantages of the known prototypes and increase the efficiency of the installation by using an elastic coil spring as a converter and a storage of mechanical energy.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой конструкции "Модульной установки преобразования энергии волн (МУПЭВ)" в электроэнергию, содержащей основание со стойками, поплавок на штанге, соединенный с валом отбора мощности, на котором установлена муфта для соединения с электрогенератором, согласно изобретению поплавок закрепленный стержнем на штанге, которая противоположным концом закреплена на вилке, внутри которой на общем валу с вилкой находится механический преобразователь и одновременно накопитель механической энергии, выполненный в виде корпуса барабана с закрепленными на нем двумя крышками с отверстиями в центре, в которые вставлен вал. Крышка, выполненная в виде храпового колеса, неподвижно закреплена на корпусе барабана. Храповое колесо и барабан представляют одно целое и эта деталь механизма называется храповой барабан. При необходимости храповой барабан можно изготовить, вырезая зубья храпового механизма непосредственно на корпусе барабана. Внутри храпового барабана упругая спиральная пружина наружным концом крепится к корпусу барабана, а внутренним концом к валу. Когда рабочее тело (вода) поднимает поплавок, стержень поднимает штангу и вилку. Закрепленная на вилке собачка входит в зацепление с храповым барабаном и вместе с ним поворачивает корпус барабана и верхний конец пружины, тем самым натягивает спиральную пружину внутри барабана. Собачка, закрепленная на основании, удерживает храповой барабан от возврата в исходное положение. Внутренний конец пружины упругой силой вращает вал, который опирается и свободно вращается внутри стоек, закрепленных на основании. Энергия колебания волн, пройдя через механический преобразователь и накопитель энергии, преобразуется в энергию вращения вала, который через муфту и повышающий обороты редуктор соединен с валом электрогенератора. Легкий и объемный поплавок обладает большой чувствительностью, малая полусфера реагирует на волны с невысоким гребнем волны, а большая полусфера поплавка не дает проваливаться в гребень волны, что позволяет передавать без потерь потенциальную энергию волны на штангу, которая легко поворачивает храповой барабан и через спиральную пружину внутри барабана, без кинетических толчков, плавно вращает вал отбора мощности. Стойки, закрепленные на основании, удерживают вал на определенной высоте и не позволяют валу, вилке и барабану смещаться в продольном направлении.The specified technical result is achieved by the fact that in the proposed design of the "Modular installation of wave energy conversion (MUPEV)" into electricity containing a base with racks, a float on a rod connected to a power take-off shaft, on which a coupling for connection to an electric generator is installed, according to the invention, a float fixed by a rod on a rod, which is mounted at the opposite end on a fork, inside of which there is a mechanical converter and a drive of mechanics on the common shaft with the fork eskoy energy arranged in form of a housing drum attached to it two lids with holes in the center, into which the shaft is inserted. The cover, made in the form of a ratchet wheel, is fixedly mounted on the drum body. The ratchet wheel and the drum are one piece and this part of the mechanism is called the ratchet drum. If necessary, a ratchet drum can be made by cutting the teeth of the ratchet mechanism directly on the drum body. Inside the ratchet drum, an elastic coil spring is attached with the outer end to the drum body, and the inner end to the shaft. When the working fluid (water) raises the float, the rod raises the bar and fork. A dog mounted on a fork engages with a ratchet drum and together with it rotates the drum body and the upper end of the spring, thereby tightening the coil spring inside the drum. A dog attached to the base holds the ratchet drum from returning to its original position. The inner end of the spring rotates the shaft with elastic force, which is supported and rotates freely inside the racks mounted on the base. The energy of the oscillations of the waves, passing through a mechanical converter and energy storage, is converted into the energy of rotation of the shaft, which is connected to the shaft of the generator through a clutch and speed increasing gearbox. The light and volume float is highly sensitive, the small hemisphere responds to waves with a low wave crest, and the large hemisphere of the float does not fall into the wave crest, which allows lossless transmission of potential wave energy to the bar, which easily rotates the ratchet drum through a coil spring inside drum, without kinetic shocks, smoothly rotates the power take-off shaft. Racks mounted on the base hold the shaft at a certain height and do not allow the shaft, fork and drum to move in the longitudinal direction.

Упругая спиральная пружина, КПД которой равен 0,96, верхним концом закреплена к корпусу храпового барабана, а нижним к валу отбора мощности. Барабан поворачивается и тянет за собой упругую спиральную пружину, которая передает крутящий момент на вал отбора мощности или сжимаясь накапливает избыточную механическую энергию. Конструкция вала отбора мощности предусматривает подсоединение к нему агрегатов и устройств потребляющих энергию вращения. Если вал отбора мощности МУПЭВ соединить с редуктором и через коробку передач, с валом гребного винта судна, то судно сможет передвигаться по воде, используя только энергию волны. Концы вала отбора мощности обработаны так, что на концах вала образованы одинаковые по длине, равные диаметру вала по ширине, разнонаправленные площадки, расположенные вдоль оси вала с отверстиями под крепление болтами. В данной конструкции левая площадка вала мощности предназначена для соединения с другой модульной установкой преобразования энергии волн.An elastic coil spring with an efficiency of 0.96 is fixed with the upper end to the ratchet drum body and the lower end to the power take-off shaft. The drum rotates and pulls an elastic coil spring, which transfers torque to the power take-off shaft or, when compressed, accumulates excess mechanical energy. The design of the power take-off shaft provides for the connection to it of units and devices consuming rotation energy. If the MUPEV power take-off shaft is connected to the gearbox and through the gearbox, with the ship’s propeller shaft, the ship will be able to move through the water using only wave energy. The ends of the power take-off shaft are machined so that at the ends of the shaft are formed equal in length, equal to the diameter of the shaft in width, multidirectional platforms located along the axis of the shaft with holes for bolting. In this design, the left platform of the power shaft is designed to connect with another modular installation of wave energy conversion.

Установка модулей в ряд друг за другом на общий вал отбора мощности ограничено только размерами судна. Для большей устойчивости судна модули симметрично размещают по правому и по левому борту. Каждый добавленный модуль суммирует общую мощность установки. При необходимости, соединение производят с помощью карданной передачи.Installing the modules in a row one after another on a common power take-off shaft is limited only by the dimensions of the vessel. For greater stability of the vessel, the modules are symmetrically placed on the starboard and port side. Each added module summarizes the total plant capacity. If necessary, the connection is made using a cardan drive.

Правая площадка вала отбора мощности предназначена для соединения с валом, на котором находится предохранительная муфта, далее расположен повышающий обороты редуктор, соединенный с ротором электрогенератора.The right platform of the power take-off shaft is designed to connect to the shaft on which the safety clutch is located, then the speed-increasing gearbox is connected to the rotor of the electric generator.

Предохранительная муфта предназначена для защиты от перегрузки предельной аккумулированной энергии пружин.The safety clutch is designed to protect against overloading the maximum accumulated energy of the springs.

Повышающий обороты редуктор позволяет поддерживать обороты вала оптимальные для работы электрогенератора.The revolving gearbox allows maintaining the shaft revolutions optimal for the operation of the electric generator.

Размещение МУПЭВ в электроэнергию внутри судна или в закрытом боксе, позволяет использовать установку, не опасаясь угрозы повреждения водой. Штанга, стойка и поплавок вынесены за борт судна через овальное отверстие в борту и закрыто гибким, гидроизолирующим рукавом который крепится фланцем к борту, а к штанге хомутом.Placing MUPEV into electricity inside the vessel or in a closed box allows you to use the installation without fear of the threat of water damage. The rod, strut and float are carried overboard through the oval hole in the board and are closed by a flexible, waterproof sleeve which is flange-mounted to the side and to the rod by a collar.

На Фиг. 1 показан общий вид модульной установки преобразования энергии волн в электроэнергию, разрез А-А, Фиг. 2 - вид сбоку, Фиг. 3 - вид сверху разрез Б-Б (см. Фиг. 1)In FIG. 1 shows a general view of a modular installation for converting wave energy into electricity, section AA, FIG. 2 is a side view, FIG. 3 is a top view of a section bB (see Fig. 1)

Установка содержит основание 1, стойки 2 закреплены на основании 1, на стойках 2 лежит вал отбора мощности 3 закрепленный сверху крышкой 4 и 5. На валу проточены канавки, на которые надеты пружинные кольца 6 для фиксации вала 3 от продольного перемещения. Концы вала обработаны так, что на концах вала образованны одинаковые по размеру разнонаправленные площадки, расположенные вдоль оси вала, с местами под крепление болтами. Левая площадка с отверстиями предназначена для соединения с другим модулем волновой энергетической установки, что повышает суммарную мощность установки. Правая с резьбой под болты 7, для соединения с валом отбора мощности, на котором находится предохранительная муфта 8, далее расположен повышающий обороты редуктор 9 соединенный с валом электрогенератора 10. Вилка 11 (шатун) закрепленная крышками 12 и 13 на валу 3 свободно качается вверх вниз. Внутри вилки 11 на валу 3 установлен барабан, состоящий из корпуса 14 и крышки 15. Крышка барабана 15 выполнена в виде храпового колеса 16, которое закреплено болтами к корпусу 14. Внутри барабана 14 находиться лента спиральной пружины 17, верхний конец пружины закреплен на корпусе барабана 14 болтами 18, а другой конец пружины закреплен на валу 3 болтами 19. Под барабаном установлена стойка 20 закрепленная на основании 1. Внутри стойки 20 на оси 21 закреплена подпружиненная пружиной 22 собачка 23. Контактируя с храповым колесом 16, собачка 23 препятствует вращению корпуса барабана 14 в исходное состояние. Подпружиненная пружиной 24 собачка 25 установлена внутри вилки 11 на оси 26, контактируя с храповым колесом 16, вращает корпус барабана 14, поднятием вилки 11. На вилке 11 болтом 27 закреплена штанга 28. На конце штанги 28 в прорези на оси 29 установлен стержень 30, на который насажены поплавки 31 в виде полусфер разного размера. Место выхода штанги через борт судна выполнено в виде овального отверстия, с двух сторон герметично закрыто водонепроницаемыми эластичными рукавами, прикрепленными к борту фланцами, а на штанге закреплены хомутами.The installation contains a base 1, racks 2 are fixed on the base 1, on the racks 2 there is a power take-off shaft 3 fixed on top by a cover 4 and 5. Grooves are machined on the shaft, spring rings 6 are put on to fix the shaft 3 from longitudinal movement. The ends of the shaft are machined so that at the ends of the shaft are formed the same size, multidirectional areas located along the axis of the shaft, with places for fastening with bolts. The left platform with holes is designed to connect to another module of the wave power plant, which increases the total power of the plant. The right one with a thread for bolts 7, for connecting to the power take-off shaft, on which the safety clutch 8 is located, then there is a speed-increasing gear 9 connected to the shaft of the electric generator 10. The fork 11 (connecting rod) secured by covers 12 and 13 on the shaft 3 freely sways up and down . Inside the fork 11, a drum is installed on the shaft 3, consisting of a housing 14 and a cover 15. The drum cover 15 is made in the form of a ratchet wheel 16, which is bolted to the housing 14. Inside the drum 14 there is a coil of spring 17, the upper end of the spring is fixed to the drum body 14 by bolts 18, and the other end of the spring is fixed on the shaft 3 by bolts 19. Under the drum, a stand 20 is mounted on the base 1. Inside the stand 20, a dog 23 spring-loaded by a spring 22 is fixed on the axle 21. Contacting the ratchet wheel 16, the dog 23 prevents rotation drum housing 14 in the initial state. Spring-loaded dog 24, dog 25 is installed inside the yoke 11 on the axis 26, in contact with the ratchet wheel 16, rotates the drum housing 14 by lifting the yoke 11. The rod 28 is mounted on the yoke 11 with a bolt 27. At the end of the rod 28, a rod 30 is installed in the slot 28 on the axis 29, on which floats 31 are mounted in the form of hemispheres of different sizes. The place where the rod exits through the side of the vessel is made in the form of an oval hole, on both sides it is hermetically sealed with waterproof elastic sleeves attached to the side by flanges, and on the rod are fixed with clamps.

Модульная установка преобразования энергии волн в электроэнергию работает следующим образом.The modular installation of the conversion of wave energy into electricity works as follows.

Данная установка размещается внутри судна, МУПЭВ с правым расположением штанги вдоль правого борта, МУПЭВ с левым расположением штанги вдоль левого борта и закрепляется на основании 1. Через овальное отверстие в борту штанга 28 выводиться за пределы судна, таким образом, чтобы поплавок 31 в отсутствии волн лежал на поверхности воды, а штанга 28 занимала горизонтальное положение. Когда к борту судна подходит гребень волны, вода поднимает поплавок 31 вверх, вместе с ним поднимается конец штанги 28, при этом другой конец штанги 28 вместе с вилкой 11, свободно поворачиваются на валу 3, поднимая вверх собачку 25. Собачка 25 входит в зацепление с храповым колесом 16, поворачивает храповой барабан 14, который натягивает пружину 17 и аккумулирует механическую энергию. Через упругую спиральную пружину 17 потенциальная энергия передается на вал 3, затем на муфту 8, через повышающий обороты редуктор 9 на электрогенератор 10. Гребень волны отошел от поплавка 31, образовалась впадина. Штанга 28 и поплавок 31 под собственной тяжестью падают вниз, при этом собачка 25 свободно скользит по храповому колесу, а собачка 22 наоборот, входит в зацепление с храповым колесом 16, не давая храповому барабану 14 вернуться в исходное положение. Следующая волна поднимает поплавок и весь процесс повторяется.This installation is located inside the vessel, MUPEV with the right position of the rod along the starboard side, MUPEV with the left position of the rod along the left side and fixed on the base 1. Through the oval hole in the side of the rod 28 to be displayed outside the vessel, so that the float 31 in the absence of waves lying on the surface of the water, and the rod 28 was horizontal. When the wave crest approaches the side of the vessel, the water lifts the float 31 up, the end of the rod 28 rises with it, while the other end of the rod 28 together with the fork 11 freely rotates on the shaft 3, raising the dog 25. The dog 25 engages with ratchet wheel 16, turns the ratchet drum 14, which pulls the spring 17 and accumulates mechanical energy. Potential energy is transmitted through an elastic coil spring 17 to a shaft 3, then to a clutch 8, through a speed increasing gear 9 to an electric generator 10. The wave crest has moved away from the float 31, and a depression has formed. The rod 28 and the float 31 under their own weight fall down, while the dog 25 slides freely on the ratchet wheel, and the dog 22, on the contrary, engages with the ratchet wheel 16, preventing the ratchet drum 14 from returning to its original position. The next wave raises the float and the whole process repeats.

Claims

Модульная установка преобразования энергии волн, содержащая основание со стойками, поплавок на штанге, соединенный с валом отбора мощности, на котором установлена муфта, для соединения с электрогенератором, отличающаяся тем, что колебания рабочего тела передаются на вилку, внутри которой на общем валу с вилкой установлен храповой барабан, контактирующий зубьями с двумя собачками, одна установлена на вилке, другая на основании, а также спиральной пружиной внутри храпового барабана, верхний конец которой закреплен на корпусе храпового барабана, нижний конец закреплен на валу отбора мощности, на который нагружен редуктор, соединенный с электрогенератором.A modular installation of wave energy conversion, comprising a base with uprights, a float on a rod connected to a power take-off shaft on which the coupling is mounted, for connecting to an electric generator, characterized in that the vibrations of the working fluid are transmitted to the plug, inside of which, on the common shaft with the plug, is installed a ratchet drum in contact with the teeth of two dogs, one mounted on a fork, the other on the base, as well as a coil spring inside the ratchet drum, the upper end of which is fixed to the ratchet housing Habana, the lower end is fixed on PTO shaft, which is loaded gear which is connected to an electric generator.