Устройство для преобразования энергии волн в электрическую энергию

 

Использование: в конструкции электрических генераторов колебательного движения, использующих энергию волн. Сущность: статор 1 устройства выполнен в форме полого цилиндра, а подвижный элемент - в виде кольцевого поплавка 5, охватывающего статор 1 и установленного на его боковой поверхности с помощью предварительно закрученных и равномерно распределенных по окружности статора 1 отрезков троса 8, прикрепленных свободными концами к статору 1 вблизи одного из его торцов. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к конструкциям электрических генераторов колебательного движения, использующих энергию волн.

Известно устройство для преобразования энергии морских волн в электроэнергию, выполненное в виде электромашинного генератора, установленного с помощью катков на закрепленных на понтоне направляющих качения [1] Однако данное устройство характеризуется неудобством эксплуатации и некомпактной конструкцией. Кроме того, устройство имеет низкую эффективность преобразования колебательной энергии волн в электроэнергию вследствие малых скоростей и частот относительно смещений ротора и статора генератора при наклонах понтона.

Известны также конструкция электрических генераторов колебательного движения, использующих энергию, например, морских волн, содержащие дуговой статор с обмоткой и подвижный элемент в виде маятника с системой возбуждения, подвешенный на оси, совпадающей с продольной осью генератора [2, 3] Недостатком данных конструкций является низкая эффективность преобразования колебательной энергии волн в электроэнергию, что объясняется малыми амплитудами и частотами, а следовательно, и малыми линейными скоростями перемещений подвижного элемента относительно статора при раскачивании генератора на волнах, зависимостью скорости раскачивания от положения генератора в каждый момент времени относительно вектора ветроволновой нагрузки. Очевидно, что амплитуда наводимой в обмотке статора э.д.с. при раскачивании генератора на волнах за счет низкой частоты волн и при малой их интенсивности предельно мала, что обуславливает низкую эффективность использования энергии волн. Кроме того, данные конструкции имеют ограниченное применение, так как они находятся на плаву и должны быть упруго (с помощью, например, каната) связаны с дном водоема, причалом, транспортным средством и т.п. с возможностью передачи через упругие связи электрического сигнала генератора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является электрический генератор колебательного движения [2] содержащий дуговой сектор с обмоткой и подвижный элемент с системой возбуждения в виде постоянных магнитов, упруго соединенный со статором с возможностью относительного смещения.

Недостатком данного устройства является низкая эффективность преобразования колебательной энергии волн в электроэнергию и ограниченное применение (см. выше).

Изобретение направлено на повышение эффективности преобразования колебательной энергии волн в электроэнергию и расширение области применения устройства.

Это достигается тем, что устройство для преобразования энергии волн в электрическую энергию содержит статор, выполненный в виде полого цилиндра с обмоткой, и подвижный элемент с системой возбуждения в виде постоянных магнитов, выполненный в виде поплавка кольцеобразной формы, концентрично охватывающего статор, и установленного на его боковой поверхности с помощью предварительно закрученных и равномерно распределенных по окружности статора отрезков троса, прикрепленных свободными концами к статору вблизи одного из его торцов.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен общий вид устройства, совмещенный с осевым разрезом.

Устройство для преобразования энергии волн в электрическую энергию состоит из статора 1 с обмоткой 2, выполненного в форме полого цилиндра, установленного в цилиндрическом немагнитном корпусе 3, герметично закрытом с торцов также немагнитными крышками 4, 5, и подвижного элемента (ротора), выполненного в виде пластмассового поплавка 6 кольцеобразной формы, концентрично охватывающего статор 3 и содержащего систему возбуждения в виде кольцевых постоянных магнитов 7, заармированных в тело поплавка 6. Поплавок 6 установлен на боковой поверхности статора 1 в корпусе 3 с помощью равномерно распределенных по окружности статора 1 отрезков троса 8. Отрезки троса 8 предварительно закручены в разные стороны и прикреплены одними концами к поплавку 6, а другими к одной из крышек 5 на торце статора 1 с помощью шпилек 9. На крышке 5 установлена колодка 10 для снятия э.д.с. наводимой в обмотке 2 статора 1, и стойка 11 с регулируемой длиной и отверстием для крепления всего устройства к несущему объекту (причалу, транспортному средству и т.п. ). В исходном положении устройства при закрученных отрезках троса 8 в разные стороны поплавок 6 повернут на угол, обеспечивающий состояние статического равновесия поплавка (сумма вращающих моментов, действующих на поплавок 6 со стороны тросов 8, равна нулю).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Устройство с помощью регулируемой по длине стойки 11 крепится к несущему объекту так, что нижняя торцевая поверхность поплавка 6 находится примерно на уровне поверхности воды при полном отсутствии волнения на воде. При возникновении минимального волнения на воде поплавок начинает двигаться, например, вверх, расстояние между точками крепления концов скрученных отрезков троса 8 уменьшается, при этом отрезки троса 8 начинают интенсивно раскручиваться-закручиваться, в итоге вся система тросов 8 с поплавком 6 принимает новое положение статического равновесия, и минимальное прямолинейное перемещение поплавка 6 вызывает огромное угловое перемещение поплавка, а соответственно значительные угловые скорости поворота магнитов 7 относительно статора 1 и значительные по амплитуде э.д.с. наводимые в обмотке 2. Данное движение поплавка можно сравнить с движением палки, прикрепленной к средней части троса, концы которого, предварительно закрученные в разные стороны, периодически растягивают и ослабляют. Для упругих передаточных механизмов подобного типа передаточные отношения между угловыми и линейными перемещениями достигают величин порядка 1 5 об/мм, то есть линейные перемещения поплавка 6 на единицы миллиметров вызывают его угловые перемещения, измеряемые числом оборотов, и, следовательно, значительные угловые скорости. При этом за период колебания волны (довольно значительный) поплавок 6 совершит целую серию линейных и угловых колебаний с высокой собственной частотой, определяемой массой поплавка 6 и крутильно-продольной жесткостью тросов 8. Таким образом, низкочастотные колебания волн даже с минимальной амплитудой порождают одновременные сложные продольно-крутильные колебания поплавка 6 с большой угловой амплитудой и высокой частотой. Наличие таких колебаний естественно обуславливает значительные линейные смещения магнитов 7 относительно статора 1 с обмоткой 2 и соответственно значительный уровень э.д.с. наводимой в обмотке 2. Это резко увеличивает эффективность преобразования колебательной энергии волн в электрическую энергию. Кроме того, предлагаемое устройство может быть применено практически в любых условиях: работает при любых интенсивностях волн; может быть установлено как на подвижном, так и на неподвижном объектах; эффективность его действия не зависит от направления вектора ветроволновой нагрузки. Основная часть устройства со статором и токоприемным устройством (обмотка 2 и колодка 10) неподвижна, что исключает необходимость в гибких электропроводящих связях. Колебания поплавка 6 снизу и сверху ограничены крышками 4, 5. Подбором данного расстояния между крышками 4, 5 (максимальным ходом поплавка 6), жесткостью пружин 8, углом их исходного закручивания, а также электромагнитными параметрами конструкции легко регулируется ориентировочный уровень э.д.с. наводимой в обмотке 2 при эталонной амплитуде колебаний волн. Устройство будет работать при любой интенсивности колебаний волн, включая и полный штиль. Для этого регулировкой длины стойки 11 в исходном состоянии поплавок 6 несколько погружают в воду, при этом отрезки троса 8 за счет всплытия поплавка 6 в исходном состоянии несколько сжаты, и поплавок занимает определенное угловое положение статического равновесия. Естественно, что даже при полном штиле существуют колебания уровня водной поверхности по крайней мере в доли миллиметра. За счет данных колебаний происходят линейно-крутильные колебания поплавка относительно положения статического равновесия.

Необходимо подчеркнуть следующее. Если в известных устройствах колебания подвижного элемента происходят с периодичностью волн, то есть достаточно редко, то в предлагаемом устройстве даже после случайного единичного волнового возмущения возникают свободные линейнокрутильные колебания выведенной из состояния статического равновесия упругой колебательной системы, продолжающиеся до нового прихода системы в исходное состояние равновесия.

Формула изобретения

Устройство для преобразования энергии волн в электрическую энергию, содержащее статор с обмоткой и подвижный элемент с системой возбуждения в виде постоянных магнитов, упруго соединенный со статором c возможностью относительного смещения, отличающееся тем, что статор выполнен в форме полого цилиндра, а подвижный элемент в виде поплавка кольцеобразной формы, концентрично охватывающего статор и установленного на его боковой поверхности с помощью предварительно закрученных и равномерно распределенных по окружности статора отрезков торса, прикрепленных свободными концами к статору вблизи одного из его торцов.

РИСУНКИ

Рисунок 1