Устройство для оценки волновых сил, действующих на волновой энергетический конвертер прибрежного волноэнергетического комплекса, и оценки эффективности преобразования энергии волнения в полезную работу

Изобретение относится к средствам для испытания гидротехнических сооружений, предназначенных для выработки электроэнергии, позволяющим оценить волновые силы и эффективность преобразования энергии волнения в полезную работу. Устройство содержит опору 1 на стойках, соединенную с рамой 2, установленной наклонно относительно стоек опоры, и соединенную с ней посредством основных тензометрических датчиков 3. На раме 2 с возможностью перемещения по направляющим 5 установлены понтоны 4, связанные штоком 6 с реечным механизмом, соединенным с валом генератора 13 через дополнительный вал посредством цепной передачи. Шток 6 состоит из двух частей, соединенных между собой дополнительным тензометрическим датчиком 7. Устройство снабжено измерительно-вычислительным комплексом 19, 20, связанным с основными и дополнительным тензометрическими датчиками и электронным блоком 17, имитирующим нагрузку от внешней электрической цепи, соединенным с генератором 13. На раме 2 устройства установлены ультразвуковые датчики перемещения 16 понтонов 4. Изобретение позволяет произвести как оценку волновых сил, действующих на волновой энергетический конвертер прибрежного волноэнергетического комплекса, так и оценку эффективности преобразования энергии волнения в полезную работу. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к средствам для испытания гидротехнических сооружений, предназначенных для выработки электроэнергии, а именно к устройству, позволяющему произвести как оценку волновых сил, которые действуют на волновой энергетический конвертер прибрежного волноэнергетического комплекса, так и оценку эффективности преобразования энергии волнения в полезную работу.

Известна установка конверсии волнения моря в электроэнергию, содержащая плавучее средство с противовесом, накопитель электроэнергии, механически контактирующие с плавучим средством элементы с положительной плавучестью и преобразователи колебаний волн моря в импульсы электрической энергии в составе подвижных механических элементов, импульсно контактирующихс пьезоэлектрическими преобразователями (RU 90849, кл. F03B 13/14, опубликовано 20.01.2010).

Также известна волновая установка для защиты побережья от штормов с одновременным производством электроэнергии, содержащая несколько линий опор, соединенных между собой несущей балкой, на которой установлены средства преобразования энергии волн в электроэнергию (RU 179012, кл. Е02В 9/00, опубликовано 25.04.2018).

Задача изобретения состояла в том, чтобы разработать испытательное устройство, которое позволяло бы оценить эффективность работы известных установок.

Названная задача решена в изобретении с помощью следующей совокупности признаков.

Устройство для оценки волновых сил, действующих на волновой энергетический конвертер прибрежного волноэнергетического комплекса, и оценки эффективности преобразования энергии волнения в полезную работу, содержит опору на стойках, соединенную с рамой, установленной наклонно относительно стоек опоры и соединенную с ней посредством основных тензометрических датчиков. На раме с возможностью перемещения по направляющим установлены понтоны, связанные штоком с реечным механизмом, соединенным с валом генератора через дополнительный вал посредством цепной передачи, при этом шток состоит из двух частей, соединенных между собой дополнительным тензометрическим датчиком. Устройство снабжено измерительно-вычислительным комплексом, связанным с основными и дополнительным тензометрическими датчиками и электронным блоком, имитирующим нагрузку от внешней электрической цепи, соединенным с генератором.

Реечный механизм устройства включает две зубчатые рейки с размещенными между ними и закрепленными на валу посредством обгонных муфт двумя шестернями.

На раме устройства установлен ультразвуковой датчик перемещения понтонов.

Устройство снабжено дополнительными ультразвуковыми датчиками для измерения параметров волнения, соединенными с измерительно-вычислительным комплексом.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена схема предложенного устройства; на фиг. 2 отдельно изображена схема механической передачи предложенного устройства; на фиг. 3 - схема, поясняющая работу тензометрических датчиков, установленных на опоре; на фиг. 4 изображено устройство в сборе (вид в изометрии).

Изображенное на фиг. 1 устройство включает опорную конструкцию 1, неподвижно установленную на дне опытного бассейна, оборудованного волнопродуктором, генерирующим волны различных параметров. На опорной конструкции 1 установлена рама 2, предназначенная для крепления специального оборудования. Рама 2 соединена с опорной конструкцией 1 посредством основных тензометрических датчиков усилий 3, предназначенных для оценки волновых сил, действующих на конструкцию волноэнергетического комплекса. Эти датчики измеряют вертикальные и горизонтальные силы, а также момент сил относительно поперечной оси.

Специальное оборудование, закрепленное на раме 2, состоит из плавающих понтонов (рабочих органов) 4, выполненных с возможностью перемещения по закрепленным на раме 2 направляющим 5 и связанных штоками 6 с реечным механизмом. Штоки 6 состоят из 2-х частей, соединенных между собой дополнительными тензометрическими датчиками усилий 7.

Схематично изображенная на фиг. 2 механическая передача представляет собой реечный механизм, состоящий из 2-х зубчатых реек 8, которые при движении вращают две шестерни 9. Эти шестерни расположены на одном валу 10 и связанны с обгонными муфтами 11, установленными таким образом, чтобы при движении понтонов 4 на волне как вверх, так и вниз, вал вращался в одну сторону. Выходной конец вала связан цепной передачей 12 с генератором 13. Особенностью механической передачи является то, что между валом реечного механизма 10 и валом генератора имеется дополнительный вал 14 со сменным набором звездочек 15, предназначенным для цепной передачи и позволяющим изменять скорости вращения вала генератора и крутящий момент в зависимости от параметров волны.

Кроме того, на раме 2 устройства установлен ультразвуковой датчик перемещения 16 понтона 4, который в совокупности с тензометрическим датчиком усилий 7, установленным на штоке 6, при соответствующем сопротивлении генератора, обеспеченном специальным электронным блоком нагрузки 17, имитирующим внешнюю электрическую цепь, позволяет определить эффективность преобразования энергии волнения в полезную работу и мощность.

Для определения параметров волнения в состав устройства включены специальные ультразвуковые датчики 18, измеряющие параметры волнения, как в лабораторных, так и в натурных условиях.

В состав устройства также входит измерительно-вычислительный комплекс (ИВК), состоящий из аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 19 и персонального компьютера 20 (ПК), который позволяет ИВК получать информацию в числовом и графическом виде.

С помощью фиг. 3 поясняется работа тензометрических датчиков 3, где: Рн - сила напора волны, Рв - выталкивающая сила, Q1, Q2 и Q3 - реакции опор (тензометрических датчиков).

Силы Рн и Рв вызывают реакции в датчиках Q1, Q2 и Q3.

Для расчета опорной конструкции необходимо знать момент сил относительно поперечной (направлению движения волн) оси, проходящей через любую точку опорной конструкции. Например, выбираем ось, проходящую через шарнир O1.

Если выбираем ось, проходящую через шарнир O2, тогда момент Мо2 относительно этой оси будет равен сумме моментов сил Q1 и Q3.

Устройство работает следующим образом.

Волна толкает понтон 4 вверх по направляющей 5 рамы 2. Вниз понтон опускается за счет собственного веса. Усилие передается через шток 6 двум зубчатым рейкам 8, которые, перемещаясь, вращают соединенные с обгонными муфтами 11 шестерни 9. Обгонные муфты установлены так, что при вращении шестерен в одну сторону работает одна муфта, а при вращении в другую сторону - другая. Таким образом, при вращении шестерен как в одну, так и в другую сторону вал 10 вращается всегда в одну сторону. При этом тензометрические датчики 7 измеряют усилие F, толкающее шток, а ультразвуковые датчики 16 определяют величину перемещения понтона за один волновой период τ(скорость ν).

По этим данным определяется мощность N1 сопротивления движения понтона

.

Эффективность работы определяется коэффициентом

,

где N - мощность волны.

Для регулярной волны

,

h - высота волны, ρ - плотность жидкости, g - ускорение земного притяжения, В - ширина понтона.

Сопротивление движению понтона, а значит гашению волны и выработке электроэнергии, осуществляет генератор 13, ротор которого вращается от вала 10 реечного механизма посредством цепной передачи 12. С ростом скорости вращения ротора растет выработка электроэнергии и сопротивление движению понтона. С ростом мощности волны растет скорость перемещения понтона и, следовательно, скорость вращения ротора генератора. Однако при возрастании мощности волны скорость растет значительно медленнее мощности. Поэтому для увеличения съема электроэнергии на генераторе (увеличении кпд) осуществляется изменение передаточного числа цепной передачи за счет подбора звездочек 15 на дополнительном валу 14.

Таким образом, при возрастании мощности волны увеличивается скорость вращения ротора, а вместе с этим выработка электроэнергии и гашение волны, так, например, при высоте волны 0,2 м и периоде 1,822 с мощность волны равна 167,3 Вт.

Механическая мощность, определенная путем интегрирования за период произведения усилий в штанга и перемещений понтона, равна 56,9 Вт.

Электрическая мощность, определенная путем интегрирования, за период произведения тока и напряжения, равна 49 Вт. Таким образом КПД преобразования энергии волнения в механическую работу равен 56,9/167,3=0,34. КПД преобразования энергии волнения в электроэнергию равен 49/167,3=0,29.

На фиг. 4 дан пространственный вид устройство в сборе. Так, помещенная в опытный бассейн 21 (фиг. 1) опорная конструкция 1, состоит из горизонтальных балок 22, жестко соединенных с несколькими рядами вертикальных стоек 23. Рамы 2 с установленными на них с возможностью поступательного перемещения понтонами 4 установлены в каждом ряду стоек 23 и расположены под заданным наклоном к ним.

1. Устройство для оценки эффективности преобразования волновых сил, действующих на волновой энергетический конвертер прибрежного волноэнергетического комплекса, в полезную работу, содержащее опору на стойках, соединенную с рамой, установленной наклонно относительно стоек опоры, и соединенную с ней посредством основных тензометрических датчиков, при этом на раме с возможностью перемещения по направляющим установлены понтоны, связанные штоком с реечным механизмом, соединенным с валом генератора через дополнительный вал посредством цепной передачи, при этом шток состоит из двух частей, соединенных между собой дополнительным тензометрическим датчиком, а устройство снабжено измерительно-вычислительным комплексом, связанным с основными и дополнительным тензометрическими датчиками и электронным блоком, имитирующим нагрузку от внешней электрической цепи, соединенным с генератором, а на раме установлены ультразвуковые датчики перемещения понтонов.

2. Устройство по п.1, в котором реечный механизм включает две зубчатые рейки с размещенными между ними и закрепленными на валу посредством обгонных муфт двумя шестернями.

3. Устройство по п.1, которое снабжено дополнительными ультразвуковыми датчиками для измерения параметров волнения, соединенными с измерительно-вычислительным комплексом.



 

Похожие патенты:

Устройство относится к области волновой энергетики. Электрогенераторы с приводящими их в действие гидродвигателями размещены вне поплавков 3 и связаны с гидродвигателями масло проводными магистралями, а само устройство жестко связано с дном моря посредством основания в виде трубы с фланцем в средней части и перемычкой вверху.

Изобретение относится к производству электроэнергии путем преобразования энергии волн без отрицательного воздействия на окружающую среду. Предложена поплавковая волновая электростанция, которая содержит обтекаемый герметичный поплавок удлиненной формы, электрический генератор, ротор которого соединен с осью двух барабанов, на один из которых намотан трос, переброшенный через блок, установленный на кормовой части поплавка, и конец этого троса прикреплен к вертикальному маятнику, а на другой барабан намотан трос, переброшенный через блок, установленный на носовой части поплавка, при этом направление намотки тросов на барабаны противоположное, на конце троса, переброшенного через блок, установленный на носовой части поплавка, с помощью строп прикреплена по меньшей мере одна горизонтально расположенная пластина с противовесом, а на поплавке в носовой и кормовой частях закреплены демпферы, через которые проходят тросы, прикрепленные к маятнику и к горизонтально расположенной пластине с противовесом, и на каждом тросе ниже демпферов закреплены упоры.

Группа изобретений относится к технике получения энергии морских волн и одновременной защиты побережья от штормов. Плавучий рабочий орган волновой энергетической установки 8 выполнен в форме прямой призмы с основанием в виде равнобедренного треугольника, повернутого своей вершиной вниз, при этом угол при вершине треугольного основания призмы составляет 50-62°, а длина медианы, выходящей из вершины треугольного основания призмы, равна длине стороны основания треугольника, лежащего в основании призмы.

Изобретение относится к способам автономного получения пресной воды питьевого качества из влаги окружающего, морского, атмосферного воздуха. Способ включает забор и подачу атмосферного воздуха в генераторы энергии сжатого воздуха (1), охлаждение потока сжатого воздуха после генераторов (1) в конденсаторах (9) с осаждением и отбором влаги.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам для преобразования однонаправленного прерывистого движения во вращательное. Устройство для преобразования прямолинейного движения во вращательное содержит раму, вал с маховиком, обгонную муфту, гибкую связь и дополнительный вал.

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для выработки электроэнергии из колебательных движений различной природы. Преобразователь выполнен с возможностью преобразования волновой энергии в электроэнергию и содержит статор с витками электрической обмотки 4, снабженный контактными клеммами 5, и ротор 9 линейного генератора.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в оборудовании для передачи электропитания к подводным нагрузкам, расположенным далеко от надводных частей платформы или от берега, требующим передачи большой мощности.

Группа изобретений относится к кессонному волнолому и, в частности, к блоку кессонного волнолома, содержащему колебательный водяной столб. Блок 100 кессонного волнолома имеет наветренную и подветренную стороны 110 и 120 и содержит колебательный водяной столб.

Изобретение относится к генератору для генерирования энергии. Генератор (100) содержит плавучую платформу (1), приспособленную для частичного погружения в текучую среду, мачту (2), расположенную на платформе (1) и содержащую, по меньшей мере, один ветрогенератор (3), по меньшей мере, один первый аккумулятор энергии и один преобразователь.

Изобретение относится к области нетрадиционных и возобновляющихся источников энергии, а именно волновой энергии и преобразования ее в другие виды, преимущественно в электрическую.

Изобретение относится к области гидротехники и может быть использовано для поддержания постоянного уровня грунтовых вод в районе станционного узла гидроаккумулирующей электростанции (ГАЭС).

Конструкция относится к гидротехнике, а именно к водосбросам, и может быть использована для регулирования уровня воды в водоемах, грозящих наводнением, например на реках Зея, Амур и других подобных водоемах, а также для переброски паводковых вод из Зейского водохранилища в нижний бьеф, для достижения 310 метров Н.У.М.

Группа изобретений относится к технике получения энергии морских волн и одновременной защиты побережья от штормов. Плавучий рабочий орган волновой энергетической установки 8 выполнен в форме прямой призмы с основанием в виде равнобедренного треугольника, повернутого своей вершиной вниз, при этом угол при вершине треугольного основания призмы составляет 50-62°, а длина медианы, выходящей из вершины треугольного основания призмы, равна длине стороны основания треугольника, лежащего в основании призмы.

Гидроэлектростанция состоит из низконапорной плотины и серии гидрогенераторов. Плотина со стороны верхнего бьефа защищена железобетонной стеной в форме арок.

Изобретение относится к способам контроля целостности железобетонных гидротехнических резервуаров с помощью волоконно-оптической контрольно-измерительной аппаратуры и предназначено для определения местоположения повреждений в днище бассейнов суточного регулирования и контроля протечек через них.

Изобретение относится к области гидроэнергетики и конкретно к гидроэлектростанциям. Предлагаемое техническое решение заключается в искусственном сужении грунтовой перемычкой русла реки и создании концентрации кинетической энергии потока воды и дальнейшем использовании в работе вертикальной ярусной ковшевой гидротурбины.

Изобретение относится к конструкциям для получения электроэнергии из возобновляемых источников. Альтернативная гидроэлектростанция содержит водохранилище верхнего бьефа 2, конструкцию для его размещения на необходимой высоте, в которую включено здание с машинным залом, гидротурбину, устройство подвода воды к гидротурбине, ветродвигатель 7 с вертикальной осью вращения, водохранилище нижнего бьефа 1.

Группа изобретений относится к области гидроэнергетики и может быть использована для получения электрической энергии от использования гидравлических потоков, в том числе с малой скоростью движения воды.

Изобретение относится к области гидроэнергетики и конкретно к гидроэлектростанциям. Предлагаемое техническое решение речных ГЭС для малых и средних рек отличается тем, что устанавливаемые на них активные гидротурбины вырабатывают энергию за счет скоростного напора.

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям для выработки электроэнергии и одновременной защиты побережья от штормов. Волновой энергетический комплекс размещен в воде со свойствами электролита в зоне движения волн.

Изобретение относится к средствам для испытания гидротехнических сооружений, предназначенных для выработки электроэнергии, позволяющим оценить волновые силы и эффективность преобразования энергии волнения в полезную работу. Устройство содержит опору 1 на стойках, соединенную с рамой 2, установленной наклонно относительно стоек опоры, и соединенную с ней посредством основных тензометрических датчиков 3. На раме 2 с возможностью перемещения по направляющим 5 установлены понтоны 4, связанные штоком 6 с реечным механизмом, соединенным с валом генератора 13 через дополнительный вал посредством цепной передачи. Шток 6 состоит из двух частей, соединенных между собой дополнительным тензометрическим датчиком 7. Устройство снабжено измерительно-вычислительным комплексом 19, 20, связанным с основными и дополнительным тензометрическими датчиками и электронным блоком 17, имитирующим нагрузку от внешней электрической цепи, соединенным с генератором 13. На раме 2 устройства установлены ультразвуковые датчики перемещения 16 понтонов 4. Изобретение позволяет произвести как оценку волновых сил, действующих на волновой энергетический конвертер прибрежного волноэнергетического комплекса, так и оценку эффективности преобразования энергии волнения в полезную работу. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Наверх