RU2037642C1

RU2037642C1 - Float wave power station

Info

Publication number: RU2037642C1
Application number: RU9393043446A
Authority: RU
Inventors: Александр Архипович Темеев
Original assignee: Александр Архипович Темеев
Priority date: 1993-08-31
Filing date: 1993-08-31
Publication date: 1995-06-19

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: energy converter made up as a linear electric generator is mounted inside the vertical tight cylindrical housing. Windings of the armature are arranged along the housing. The inductor is constructed as an inertial mass with permanent magnets mounted for permitting vertical reciprocation by using flexible members. The top part of the housing is bounded by a semi-sphere whose radius is equal to the radius of the cylindrical part. The bottom part of the housing is bounded with a sphere of radius grater than the latter. The windings of the armature are secured to the inner side of the housing. The magnets are combined into the ring sections and mounted inside the armature windings. The dynamical inertial accumulator of energy with double- operated electromechanical drive is mounted at the bottom spherical part of the housing. The natural frequency of the inductor vibration is of the same order of the frequency of vibration in the water. EFFECT: enhanced efficiency. 6 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к производству электроэнергии, в частности производству экологически чистой электроэнергии без отрицательного воздействия на окружающую среду путем преобразования энергии морских волн и ветра. The invention relates to the production of electricity, in particular the production of clean electricity without negative impact on the environment by converting the energy of sea waves and wind.

Известны технические решения по созданию волновых электростанций, преобразующих энергию морских волн в электроэнергию. Наиболее близким к изобретению техническим решением является поплавковая волновая электростанция (ПВЭС) (Мак-Кормик М. Преобразование энергии волн. М. Энергоатомиздат, 1985, с. 102-103, рис. 511; Omholt T. A Wave Activated Electric Generator. Proceedings, Ocean'78, Marine Technology Conference, Washington, D.C. pp. 585-589, 1978), содержащая корпус поплавка и механический преобразователь энергии морских волн, совмещенный с электрогенератором. Known technical solutions for the creation of wave power plants that convert the energy of sea waves into electricity. Closest to the invention, the technical solution is a float wave power plant (PVES) (McCormick M. Transformation of wave energy. M. Energoatomizdat, 1985, pp. 102-103, Fig. 511; Omholt T. A Wave Activated Electric Generator. Proceedings, Ocean'78, Marine Technology Conference, Washington, DC pp. 585-589, 1978), comprising a float body and a mechanical sea-wave energy transducer combined with an electric generator.

Эффективность описанного технического решения существенно зависит от длин морских волн, скорости и направления их распространения. Эти параметры морских волн являются постоянно меняющимися, причем изменение их носит случайный характер. Кроме того, прототип не содержит накопитель энергии, который необходим для всякой энергомашины как устройство, повышающее эффективность его работы. The effectiveness of the described technical solution substantially depends on the wavelengths of the sea, the speed and direction of their propagation. These parameters of sea waves are constantly changing, and their change is random. In addition, the prototype does not contain the energy storage device, which is necessary for any energy machine as a device that increases its efficiency.

Известные технические решения не могут обеспечивать стабильное и эффективное производство электроэнергии путем преобразования в последнюю энергии морских волн, а устройства, создаваемые на их базе, не могут рассматриваться в качестве надежных элементов системы энергообеспечения экономики. Known technical solutions cannot ensure stable and efficient electricity production by converting the energy of sea waves into the latter, and devices created on their basis cannot be considered as reliable elements of the energy supply system of the economy.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и стабильности производства электроэнергии с помощью волновых электростанций, и тем самым повышение надежности волновых электростанций как элементов системы энергообеспечения экономики путем создания устройства, эффективно использующего энергию морских волн независимо от их длины, скорости и направления распространения, а также использующего энергию ветра над морской поверхностью. The technical result of the invention is to increase the efficiency and stability of electricity production using wave power plants, and thereby increase the reliability of wave power plants as elements of the energy supply system of the economy by creating a device that effectively uses the energy of sea waves regardless of their length, speed and direction of propagation, as well as using energy wind over the sea surface.

Непременным условием прогресса любого общества является достаточность производства электроэнергии, необходимая для обеспечения социально-экономического развития. По оценкам экспертов ЮНЕСКО значения энергии волн мирового океана, а также энергии ветров, дующих у поверхности океана, техническое использование которых известными типами электропреобразователей возможно в настоящее время, равны соответственно 10¹² и 5˙10¹³ Вт. Это позволяет волновым и ветровым электростанциям занять достойное место в энергосистемах государств.An indispensable condition for the progress of any society is the sufficiency of electricity production, necessary to ensure socio-economic development. According to UNESCO experts, the values of the energy of the waves of the oceans, as well as the energy of winds blowing at the surface of the ocean, the technical use of which by known types of electric converters is currently possible, are 10 ¹² and 5 и10 ¹³ W, respectively. This allows wave and wind power plants to take their rightful place in the energy systems of states.

Энергия, которой располагают массы воды при волновом движении в океанах и морях, огромна. Так, сравнительно небольшая волна высотой 4 м в расчете на один квадратный метр колеблющейся поверхности способна развить мощность более 10 кВт. Мощность потока ветра через площадку сечением 1 м² при скорости 12 м/с по порядку величины равна 1 кВт.The energy available to the masses of water during the wave motion in the oceans and seas is huge. So, a relatively small wave with a height of 4 m per one square meter of the vibrating surface can develop a power of more than 10 kW. The power of the wind flow through the platform with a cross-section of 1 m ² at a speed of 12 m / s is 1 kW in order of magnitude.

Акватории, которым присуща высокая штормовая активность, занимают огромные площади океанских пространств. Соответственно этому весьма значительна и совокупная энергия штормов. Учитывая это было бы заманчиво использовать разрушительную энергию этих явлений для целей созидания и жизнеустройства. Тем более что акватории с высокой штормовой активностью сами по себе являются местами весьма неудобными для обитания и деятельности человека. Предложенное техническое решение позволяет решить указанную задачу. The waters, which are characterized by high storm activity, occupy vast areas of ocean space. Accordingly, the total energy of the storms is very significant. Given this, it would be tempting to use the destructive energy of these phenomena for the purposes of creation and living arrangements. Moreover, water areas with high storm activity in themselves are very inconvenient places for human habitation and activity. The proposed technical solution allows to solve the specified problem.

Указанный технический результат решается тем, что в ПВЭС, содержащей корпус поплавка, механический преобразователь энергии морских волн и электрогенератор, корпус поплавка выполнен в виде герметичной капсулы цилиндрической формы, верхняя часть которой выполнена в виде полусферы радиуса, равного радиусу цилиндрической части корпуса, а нижняя часть капсулы выполнена в виде сферы, механический преобразователь энергии морских волн выполнен в виде упругого маятника, груз которого перемещается вдоль оси корпуса поплавка, в качестве упругих элементов используются либо пружины, выполненные из традиционных упругих материалов, либо нейтральные газы, электрогенератор выполнен в виде линейного электрогенератора, обмотки якоря которого размещены внутри корпуса поплавка вдоль его цилиндрической части, а индуктор выполнен в виде кольцевых секций постоянных магнитов, закрепленных на грузе маятника. Причем электростанция снабжена динамическим инерционным накопителем энергии с электромеханическим приводом двустороннего действия, при этом частота собственных колебаний маятника ω_мприблизительно равна частоте колебаний поплавка в воде ω_п.The specified technical result is solved in that in a PVES containing a float body, a mechanical transducer of sea wave energy and an electric generator, the float body is made in the form of a sealed cylindrical capsule, the upper part of which is made in the form of a hemisphere of radius equal to the radius of the cylindrical part of the body, and the lower part the capsule is made in the form of a sphere, the mechanical energy converter of the sea waves is made in the form of an elastic pendulum, the load of which moves along the axis of the float body, as elastically used either spring elements made of conventional elastic materials or neutral gases, electric generator is designed as a linear electric generator, the armature winding is arranged inside the float body along its cylindrical portion, and an inductor made in the form of annular sections of permanent magnets mounted on the pendulum loads. Moreover, the power plant is equipped with a dynamic inertial energy storage device with an electromechanical double-acting drive, while the frequency of the natural oscillations of the pendulum ω _{m is} approximately equal to the frequency of oscillations of the float in water ω _p .

ПВЭС может быть оснащена параметрическим осциллятором, установленным внутри корпуса поплавка, снабженным механизмом воздействия на характер колебательного движения маятника. PVES can be equipped with a parametric oscillator installed inside the float housing, equipped with a mechanism for influencing the nature of the oscillatory motion of the pendulum.

Кроме того, ПВЭС может быть снабжена дефлектором с флюгаркой, размещенными на внешней поверхности поплавка на верхней полусфере, тягой дефлектора и механизмом перемещения тяги дефлектора, установленными внутри корпуса поплавка. При этом она снабжена стабилизатором вертикальной и азимутальной устойчивости, выполненным в виде двух жестких взаимно перпендикулярных плоских панелей, закрепленных на наружной поверхности сферической части корпуса поплавка. In addition, the PVES can be equipped with a deflector with a fly-gun placed on the outer surface of the float on the upper hemisphere, a deflector rod and a mechanism for moving the deflector rod installed inside the float body. Moreover, it is equipped with a stabilizer of vertical and azimuthal stability, made in the form of two rigid mutually perpendicular flat panels mounted on the outer surface of the spherical part of the float body.

Выполнение механического преобразователя энергии морских волн в виде массивного упругого маятника заодно с электрогенератором, наряду с выполнением корпуса поплавка в виде осесимметричного, хорошо обтекаемого тела, плавающего на поверхности моря так, что его продольная ось всегда ориентирована вдоль направления местной вертикали, позволяет повысить эффективность и стабильность использования энергии волн и ветра, так как механический преобразователь энергии морских волн и форма поплавка обеспечивают работу электростанции при любых длинах, скоростях, интенсивностях и направлениях распространения морских волн. The implementation of the mechanical energy converter of the sea waves in the form of a massive elastic pendulum along with the electric generator, along with the design of the float body in the form of an axisymmetric, well streamlined body floating on the sea surface so that its longitudinal axis is always oriented along the local vertical direction, improves efficiency and stability use of wave and wind energy, since the mechanical transformer of the energy of sea waves and the shape of the float provide the power plant with any lengths, speeds, intensities and directions of propagation of sea waves.

Выполнение упругого маятника таким, чтобы частота его собственных колебаний ω_м была приблизительно равна частоте колебаний поплавка в воде ω_п(ω_м≃ ω_п) с одной стороны, обеспечивает переход маятника в колебательное движение сразу же после перехода в колебательное движение поплавка, а с другой стороны, позволяет наиболее оптимально осуществлять механическое преобразование энергии волн любой интенсивности и тем самым повысить эффективность и стабильность работы предложенной электростанции.The execution of the elastic pendulum so that the frequency of its natural oscillations ω _m was approximately equal to the frequency of the float in the water ω _p (ω _m ≃ ω _p ) on the one hand, ensures the pendulum transitions into vibrational motion immediately after the transition to the oscillatory motion of the float, and on the other hand, it allows the most optimal mechanical conversion of wave energy of any intensity and thereby increase the efficiency and stability of the proposed power plant.

В качестве упругих элементов маятника используются как пружины, выполненные из традиционных упругих материалов, так и нейтральные газы. В последнем случае герметичная капсула поплавка разделяется грузом маятника как поршнем на верхнюю и нижнюю части (камеры), в которых газ, попеременно сжимаясь и расширяясь, оказывает на груз соответствующее периодическое воздействие (тем самым выполняя функции "газовых пружин"). As the elastic elements of the pendulum, both springs made from traditional elastic materials and neutral gases are used. In the latter case, the sealed capsule of the float is divided by the weight of the pendulum as a piston into the upper and lower parts (chambers), in which the gas, alternately compressing and expanding, exerts a corresponding periodic effect on the load (thereby performing the functions of "gas springs").

Динамический инерционный накопитель энергии (ИНЭ) позволяет создавать запас энергии в периоды неполной нагрузки электрогенератора, а в периоды максимальной нагрузки или морского затишья поддерживать его вращение. Использование ИНЭ также существенно повышает эффективность действия электростанции. Одновременно ИНЭ является хорошим стабилизатором вертикальной устойчивости всего поплавка. The dynamic inertial energy storage device (INE) allows you to create energy reserves during periods of partial load of the generator, and during periods of maximum load or sea lull to maintain its rotation. The use of INE also significantly increases the efficiency of the power plant. At the same time, INE is a good stabilizer of the vertical stability of the entire float.

Для компенсации аритмии, предотвращения срыва колебаний и поддержания устойчивости колебательного движения маятника в ПВЭС предусмотрено дополнительное периодическое воздействие на груз с помощью параметрического осциллятора. При использовании в качестве упругих элементов традиционных пружин параметрическое воздействие осуществляется путем смещения точки закрепления пружин с помощью кривошипа, фазы движения которого согласуются параметрическим осциллятором с определенными фазами движения груза маятника. Если в качестве упругих элементов используются "газовые пружины", то параметрическое воздействие осуществляется путем перепуска порций газа с помощью клапанов, установленных в соединительных трубопроводах между верхней и нижней газовыми камерами. При этом срабатывание клапанов синхронизуется с определенными фазами движения груза маятника с помощью системы управления. To compensate for arrhythmias, to prevent the breakdown of oscillations and to maintain the stability of the oscillatory motion of the pendulum, an additional periodic effect on the load is provided in the PVES using a parametric oscillator. When traditional springs are used as elastic elements, the parametric action is carried out by shifting the spring attachment points using a crank whose motion phases are matched by a parametric oscillator with certain phases of the pendulum load motion. If "gas springs" are used as elastic elements, then the parametric action is carried out by bypassing portions of gas using valves installed in the connecting pipelines between the upper and lower gas chambers. In this case, the actuation of the valves is synchronized with certain phases of the movement of the pendulum load using the control system.

Развитие колебаний поплавка осуществляется и за счет использования потоков ветра над поверхностью морей. С этой целью над верхней полусферой устанавливается дефлектор с флюгаркой. Направляющие элементы дефлектора меняют свое положение так, что действие воздушных масс всякий раз способствует увеличению смещения поплавка от положения равновесия и, как следствие, увеличению энергии колебаний ПВЭС. The development of oscillations of the float is carried out through the use of wind flows over the surface of the seas. For this purpose, a deflector with a fly lamp is installed above the upper hemisphere. The guiding elements of the deflector change their position so that the action of air masses each time increases the displacement of the float from the equilibrium position and, as a result, increases the vibrational energy of the PVES.

Для дополнительного обеспечения вертикальной устойчивости поплавка, а также для предотвращения раскрутки поплавка относительно его продольной оси на наружной поверхности сферической части поплавка устанавливается стабилизатор вертикальной и азимутальной устойчивости. To ensure vertical stability of the float, as well as to prevent the float from spinning relative to its longitudinal axis, a stabilizer of vertical and azimuthal stability is installed on the outer surface of the spherical part of the float.

Волновые электростанции, создаваемые на базе предложенного технического решения, могут рассматриваться в качестве эффективного, стабильного и надежного элемента общей многокомпонентной системы энергоснабжения государств. Wave power plants created on the basis of the proposed technical solution can be considered as an effective, stable and reliable element of the general multicomponent energy supply system of states.

На фиг. 1 показан ПВЭС, общий вид; на фиг. 2 ПВЭС с совмещенным механическим преобразователем энергии морских волн и электрогенератором в разрезе с двухпружинным маятником, с параметрическим осциллятором, дефлектором и стабилизатором; на фиг. 3 ПВЭС в разрезе с "газовыми пружинами". In FIG. 1 shows a PVES, general view; in FIG. 2 PVES with combined mechanical transducer of sea energy and an electric generator in the context of a two-spring pendulum, with a parametric oscillator, deflector and stabilizer; in FIG. 3 PVES in the context of "gas springs".

ПВЭС содержит корпус 1 поплавка (фиг. 1), выполненный в виде герметичной капсулы цилиндрической формы, верхняя часть которой выполнена в виде полусферы 2 радиуса, равного радиусу цилиндрической части 3 корпуса поплавка, а нижняя часть корпуса поплавка выполнена в виде сферы 4. Внутри корпуса 1 размещен механический преобразователь энергии морских волн, выполненный заодно с линейным электрогенератором. Механический преобразователь энергии морских волн выполнен в виде упругого маятника. Упругий маятник, выполняемый в двух вариантах, состоит из груза 5 (фиг. 2) и упругих элементов. В первом варианте в качестве упругих элементов используются односторонние и двусторонние пружины 6, выполненные из традиционных упругих материалов, прикрепленные одним концом сверху или снизу или сверху и снизу к грузу 5 маятника, а другим концом к корпусу 1 поплавка. Во втором варианте в качестве упругих элементов используются нейтральные газы. В этом случае герметичная капсула поплавка разделяется грузом маятника как поршнем на верхнюю 7 (фиг. 3) и нижнюю 8 части (камеры), в которых газ, попеременно сжимаясь и расширяясь, оказывает на груз соответствующее периодическое воздействие, выполняя тем самым функции "газовых пружин". Индуктор 9 линейного электрогенератора выполнен из кольцевых секций постоянных магнитов, он является составной частью груза 5 маятника. Обмотки якоря 10 размещены внутри корпуса поплавка вдоль его цилиндрической части 3. PVES contains a float body 1 (Fig. 1), made in the form of a sealed cylindrical capsule, the upper part of which is made in the form of a hemisphere 2 of radius equal to the radius of the cylindrical part 3 of the float body, and the lower part of the float body is made in the form of a sphere 4. Inside the body 1 is a mechanical transducer of energy of sea waves, made integral with a linear electric generator. The mechanical energy converter of sea waves is made in the form of an elastic pendulum. An elastic pendulum, performed in two versions, consists of a load 5 (Fig. 2) and elastic elements. In the first embodiment, one-sided and two-sided springs 6 made of traditional elastic materials are used as elastic elements, attached at one end from above or below or from above and below to the load 5 of the pendulum, and the other end to the body 1 of the float. In the second embodiment, neutral gases are used as elastic elements. In this case, the sealed capsule of the float is divided by the weight of the pendulum as a piston into the upper 7 (Fig. 3) and lower 8 parts (chambers), in which the gas, alternately compressing and expanding, has a corresponding periodic effect on the load, thereby fulfilling the function of "gas springs " The inductor 9 of the linear generator is made of annular sections of permanent magnets, it is an integral part of the load of the 5 pendulum. The windings of the anchor 10 are placed inside the float body along its cylindrical part 3.

Конструктивно упругий маятник выполняется так, чтобы частота его собственных колебаний ω_м была примерно равна частоте колебаний капсулы поплавка в воде ω_п(ω_м≃ ω_п)
В нижней сферической части 4 корпуса поплавка установлен динамический ИНЭ 11 с электромеханическим приводом 12 двустороннего действия, предназначенным либо для электромашинной раскрутки маховика 13 ИНЭ, либо для генерации электроэнергии за счет вращательной энергии маховика 13.Structurally, the elastic pendulum is made so that the frequency of its own vibrations ω _{m is} approximately equal to the frequency of vibrations of the float capsule in water ω _p (ω _m ≃ ω _p )
In the lower spherical part 4 of the float body, a dynamic INE 11 is installed with a double-acting electromechanical drive 12, designed either for the electrically-driven unwinding of the INE flywheel 13, or for generating electricity due to the rotational energy of the flywheel 13.

ПВЭС оснащена параметрическим осциллятором 14, установленным внутри корпуса поплавка. В варианте конструкции ПВЭС с использованием в качестве упругих элементов маятника традиционных пружин параметрический осциллятор снабжен соединенной с грузом 5 маятника тягой 15 и кривошипно-шатунным механизмом, кривошип 16 которого одним концом прикреплен к внутренней поверхности корпуса 1 поплавка, а другим концом прикреплен к пружине 6. В варианте конструкции ПВЭС с использованием в качестве упругих элементов маятника "газовых пружин" параметрический осциллятор снабжен компрессором, перепускными клапанами 17 и 18, а также трубопроводами 19 и 20, посредством которых осуществляется перепуск порций газа для параметрического воздействия на груз 5 маятника. PVES is equipped with a parametric oscillator 14 installed inside the float housing. In the design variant of PVES using traditional springs as elastic elements of the pendulum, the parametric oscillator is equipped with a rod 15 connected to the load of the pendulum 5 and a crank mechanism, the crank 16 of which is attached at one end to the inner surface of the float body 1 and attached to the spring 6 with the other end. In the design variant of the PVES using “gas springs” as the elastic elements of the pendulum, the parametric oscillator is equipped with a compressor, bypass valves 17 and 18, as well as a pipeline mi 19 and 20, by means of which the portions of gas are bypassed for parametric impact on the load of the 5th pendulum.

ПВЭС снабжена дефлектором 21 с флюгаркой 22, размещенными на внешней поверхности поплавка на верхней полусфере 2, тягой 23 и механизмом 24 перемещения тяги 23 дефлектора 21, установленными внутри корпуса поплавка. Кроме того, ПВЭС снабжена стабилизатором вертикальной и азимутальной устойчивости, выполненным в виде двух жестких взаимно перпендикулярных плоских панелей 25, закрепленных на наружной поверхности сферической части 4 корпуса поплавка. The PVES is equipped with a deflector 21 with a flycar 22 located on the outer surface of the float on the upper hemisphere 2, a thrust 23 and a mechanism 24 for moving the thrust 23 of the deflector 21, installed inside the float body. In addition, the PVES is equipped with a stabilizer of vertical and azimuthal stability, made in the form of two rigid mutually perpendicular flat panels 25, mounted on the outer surface of the spherical part 4 of the float body.

Внутри капсулы расположен блок 26 автоматического управления, с помощью которого осуществляется управление работой всех блоков и узлов ПВЭС. В этом же блоке размещается электронный стабилизатор, позволяющий поддерживать в заданных пределах напряжение на выходе 27 электрогенератора при различных режимах работы ПВЭС. The automatic control unit 26 is located inside the capsule, with the help of which the operation of all units and units of the PVES is controlled. An electronic stabilizer is located in the same block, which allows maintaining the voltage at the output of the electric generator 27 at various limits under various operating conditions of the PVES.

ПВЭС работает следующим образом. PVES works as follows.

ПВЭС представляет собой устройство, с помощью которого энергия морских волн и потоков ветра над поверхностью моря преобразуется в электроэнергию. Под действием морской волны поплавок ПВЭС выводится из состояния покоя. Поплавок вместе со всем содержимым начинает совершать колебательные движения, находясь под действием силы притяжения Земли и Архимедовой силы. Частота колебания поплавка определяется массой ПВЭС и площадью поперечного сечения цилиндрической части корпуса поплавка:
ω_п=

(1) где М масса ПВЭС; ρ_в плотность морской волны; g ускорение свободного падения; S площадь поперечного сечения цилиндрической части корпуса поплавка.PVES is a device with which the energy of sea waves and wind flows above the surface of the sea is converted into electricity. Under the action of a sea wave, the PVES float is brought out of a state of rest. The float, together with all its contents, begins to oscillate, being under the influence of the Earth's gravitational force and Archimedean force. The oscillation frequency of the float is determined by the mass of the PVES and the cross-sectional area of the cylindrical part of the float body:
ω _p =

(1) where M is the mass of the PVES; ρ _{in the} density of the sea wave; g acceleration of gravity; S is the cross-sectional area of the cylindrical part of the float body.

Упругий маятник, находящийся внутри поплавка после перехода поплавка в колебательное движение, также переходит в движение, совершая вместе с поплавком вертикальные периодические перемещения. Через некоторое время после начала движения в такой системе устанавливается режим вынужденных колебаний с частотой ω_п.An elastic pendulum located inside the float after the float goes into oscillatory motion also goes into motion, making vertical periodic movements together with the float. Some time after the start of movement in such a system, the regime of forced oscillations with a frequency of ω _{p is established} .

Ввиду того, что конструктивно упругий маятник изготавливается так, чтобы частота его собственных колебаний была примерно равна частоте колебаний поплавка в воде ω_м≃ ω_п колебания упругого маятника в установившемся режиме могут рассматриваться как резонансные колебания в системе с произвольной зависимостью силы сопротивления от смещения и скорости осциллятора.Due to the fact that a structurally elastic pendulum is made so that the frequency of its natural oscillations is approximately equal to the frequency of oscillations of the float in water ω _m ≃ ω _{n, the} oscillations of the elastic pendulum in the steady state can be considered as resonance oscillations in a system with an arbitrary dependence of the resistance force on displacement and speed the oscillator.

В процессе колебательного движения индуктор 9, являясь составной частью груза 5, возбуждает индукционные токи в обмотках якоря 10 электрогенератора. В качестве электрогенератора используется линейный электромашинный генератор. In the process of oscillatory motion, the inductor 9, as an integral part of the load 5, excites induction currents in the windings of the armature 10 of the generator. A linear electric machine generator is used as an electric generator.

Таким образом, с помощью механического маятника и электрогенератора, находящихся внутри капсулы-поплавка, энергия морских волн преобразуется в электроэнергию. Thus, using a mechanical pendulum and an electric generator located inside the float capsule, the energy of the sea waves is converted into electricity.

Для повышения эффективности действия ПВЭС оснащена динамическим ИНЭ 11 (Бут Д.А. Алиевский Б.Л. Мизюрин С.Р. Васюкевич П.В. Накопители энергии. М. Энергоатомиздат, 1991, с. 400). Раскрутка маховика 13 ИНЭ либо наоборот преобразование энергии вращательного движения его в электроэнергию производится с помощью электромеханического привода 12 двустороннего действия. To increase the effectiveness of PVES, it is equipped with dynamic INE 11 (Booth D.A. Alievsky B.L. Mizyurin S.R. Vasyukevich P.V. Energy storage devices. M. Energoatomizdat, 1991, p. 400). Promotion of the flywheel 13 INE or vice versa, the conversion of the energy of its rotational motion into electricity is carried out using an electromechanical drive 12 double-acting.

Использование ИНЭ 11 в качестве энергетического буфера позволяет создавать запас энергии в периоды неполной нагрузки электрогенератора, а в периоды максимальной нагрузки или морского затишья поддерживать его вращение. Using INE 11 as an energy buffer allows you to create a supply of energy during periods of incomplete load of the electric generator, and during periods of maximum load or sea lull to maintain its rotation.

ИНЭ выполняет еще одну очень важную функцию. В связи с тем, что вращение маховика 13, выполненного в виде осесимметричного шарового сегмента большой массы, раскручиваемой до высоких угловых скоростей, характеризуется значительной величиной момента импульса, ИНЭ является хорошим стабилизатором вертикальной устойчивости всего поплавка. Это свойство поплавка весьма существенно, если учесть всевозможные боковые воздействия со стороны волн и потоков ветра. Вертикальную устойчивость поплавку придают также жесткие панели стабилизатора 25, которые устанавливаются взаимно перпендикулярно на наружной поверхности сферической части 4 корпуса поплавка. INE performs another very important function. Due to the fact that the rotation of the flywheel 13, made in the form of an axisymmetric spherical segment of a large mass, untwisted to high angular velocities, is characterized by a significant momentum, INE is a good stabilizer of the vertical stability of the entire float. This property of the float is very significant, taking into account all kinds of side effects from the waves and wind flows. The vertical stability of the float is also given by the rigid panels of the stabilizer 25, which are mounted mutually perpendicular to the outer surface of the spherical part 4 of the float body.

В процессе работы ПВЭС энергия колебаний упругого маятника расходуется на генерацию электроэнергии и работу против диссипативных сил. Это, естественно, влечет за собой уменьшение амплитуды маятника и частотное рассогласование колебаний маятника и вынуждающей силы. In the process of PVES operation, the vibrational energy of an elastic pendulum is spent on generating electricity and working against dissipative forces. This, of course, entails a decrease in the amplitude of the pendulum and a frequency mismatch of the oscillations of the pendulum and the driving force.

На параметры колебаний упругого маятника могут также оказывать влияние амплитудные и фазовые изменения параметров колебаний поплавка, связанные со стохастическим характером процесса волнообразования в море. The oscillation parameters of an elastic pendulum can also be affected by amplitude and phase changes in the parameters of the float oscillations associated with the stochastic nature of the wave formation process in the sea.

Для компенсации аритмии, предотвращения срыва колебаний и поддержания устойчивости колебательного движения маятника в ПВЭС предусмотрено дополнительное подвозбуждение колебаний упругого маятника с помощью параметрического осциллятора 14 (Мандельштам Л.И. Лекции по теории колебаний. М. Наука, 1972). В варианте ПВЭС с использованием в качестве упругих элементов маятника традиционных пружин это происходит путем смещения точки закрепления пружины 6 с помощью кривошипа 16, фазы движения которого согласуются параметрическим осциллятором 14 с определенными фазами движения груза 5 маятника. В варианте ПВЭС с использованием в качестве упругих элементов маятника "газовых пружин" параметрический осциллятор 14 снабжен компрессором, перепускными клапанами 17 и 18, а также трубопроводами 19 и 20, посредством которых осуществляется перепуск порций газа для параметрического воздействия на груз 5 маятника. To compensate for arrhythmias, to prevent stalling of oscillations and to maintain the stability of the oscillatory motion of the pendulum, an additional excitation of oscillations of the elastic pendulum with the help of a parametric oscillator 14 is provided in LES (14 Mandelstam L.I. Lectures on the theory of oscillations. M. Nauka, 1972). In the case of PVES using traditional springs as elastic elements of the pendulum, this occurs by shifting the fixing point of the spring 6 using a crank 16, the phases of motion of which are matched by a parametric oscillator 14 with certain phases of movement of the load 5 of the pendulum. In the case of PVES using “gas springs” as the elastic elements of the pendulum, the parametric oscillator 14 is equipped with a compressor, bypass valves 17 and 18, as well as pipelines 19 and 20, by which portions of gas are bypassed for parametric impact on the pendulum load 5.

Развитие колебаний поплавка может осуществляться и за счет использования энергии потоков ветра над поверхностью морей. С этой целью на наружной поверхности полусферы 2 установлен дефлектор 21 с флюгаркой 22. Направляющие элементы дефлектора 21 изменяют направление движения потоков ветра над поплавком, что приводит к появлению дополнительной вертикальной составляющей силы, действующей на капсулу. Тяга 23 с помощью механизма 24 перемещения дважды за период в зависимости от направления движения груза 5 маятника поворачивает направляющие элементы дефлектора 21, меняя тем самым направление движения отбрасываемых воздушных потоков. При этом действие воздушных масс всякий раз способствует увеличению смещения капсулы от положения равновесия и, как следствие, увеличению энергии колебаний ПВЭС. The development of oscillations of the float can also be carried out by using the energy of wind flows above the surface of the seas. To this end, on the outer surface of the hemisphere 2, a deflector 21 with a vane 22 is installed. The guiding elements of the deflector 21 change the direction of wind flows over the float, which leads to the appearance of an additional vertical component of the force acting on the capsule. The thrust 23 using the movement mechanism 24 twice per period, depending on the direction of movement of the load of the pendulum 5 rotates the guide elements of the deflector 21, thereby changing the direction of movement of the discarded air flows. In this case, the action of air masses each time increases the displacement of the capsule from the equilibrium position and, as a consequence, increases the vibrational energy of the PVES.

Управление работой и взаимодействием всех блоков и узлов ПВЭС осуществляется с помощью блока 26 автоматического управления. В этом блоке размещается электронный стабилизатор, позволяющий поддерживать в заданных пределах напряжение на выходе электрогенератора при различных режимах работы ПВЭС. The operation and interaction of all blocks and nodes of the PVES is controlled by the automatic control unit 26. This block accommodates an electronic stabilizer, which allows maintaining the voltage at the output of the generator in various limits under various operating modes of the PVES.

Проведем оценку параметров ПВЭС, используя обобщенные физические характеристики объектов природы и технических устройств. При оценке будем использовать произвольные и в то же время реально достижимые (не экстремальные) значения параметров. Вместе с тем будем полагать, что при технической проработке конструкции ПВЭС значения параметров могут быть изменены в лучшую сторону. We will evaluate the parameters of the PVES using the generalized physical characteristics of nature objects and technical devices. In the assessment, we will use arbitrary and at the same time realistically achievable (not extreme) parameter values. At the same time, we will assume that during the technical development of the PVES design, the parameter values can be changed for the better.

Для примера рассмотрим ПВЭС с выходной электрической мощностью Р 3 кВт при суммарном КПД η 0,8 и периоде колебаний Т 8 с. As an example, we consider a PVES with an output electric power of P 3 kW with a total efficiency of η 0.8 and an oscillation period of T 8 s.

Средняя энергия, которой должен располагать такой маятник, равна
E

3·10⁴ Дж
Приняв в качестве средней рабочей амплитуды колебаний маятника величину А= 5 м, оценим соответствующую массу груза маятника
m_г=

3,9·10³ кг
Если груз маятника выполнен из стали и имеет форму цилиндра диаметром D_г 0,8 м, то его высота равна
h_г=

≃ 1 м
Масса ПВЭС складывается из массы груза маятника m_г, массы маховика ИНЭ m_н 18˙10³ кг и массы всех агрегатов: электрогенератора, редуктора, механизмов и устройств, а также корпуса капсулы m_к 2,1˙10³ кг:
М m_г + m_н + m_к 24˙10³ кг.The average energy such a pendulum should have is

E

3 · 10 ⁴ J
Taking the value A = 5 m as the average working amplitude of the oscillations of the pendulum, we estimate the corresponding mass of the pendulum load
m _g =

3.9 · 10 ³ kg
If the load of the pendulum is made of steel and has the shape of a cylinder with a diameter of D _{g of} 0.8 m, then its height is
h _g =

≃ 1 m
The mass of PVES consists of the mass of the pendulum load m _g , the mass of the flywheel INE m _n 18˙10 ³ kg and the mass of all units: the electric generator, gearbox, mechanisms and devices, as well as the capsule body m _to 2.1˙10 ³ kg:
M m _g + m _n + m _to 24˙10 ³ kg.

Теперь, используя формулу (1), можно оценить диаметр цилиндрической части капсулы, выступающей из воды:
D_к=

≃ 1,4 м.Now, using formula (1), we can estimate the diameter of the cylindrical part of the capsule protruding from the water:
D _to =

≃ 1.4 m.

Объем подводной части капсулы должен быть порядка 24 м³. Приняв высоту цилиндрической части капсулы, находящейся в отсутствии колебаний под водой, равной h_цп 7 м, определим ее объем:
V_цп=

h_цп=

7

10,8 м
Объем сферической части корпуса, находящейся под водой
V_c 24,0 10,8 13,2 м³.The volume of the underwater part of the capsule should be about 24 m ³ . Having taken the height of the cylindrical part of the capsule, which is in the absence of vibrations under water, equal to h _cp 7 m, we determine its volume:
V _cp =

h _cp =

7

10.8 m
The volume of the spherical part of the body under water
V _c 24.0 10.8 13.2 m ³ .

Отсюда радиус сферы
R_с=

1,5 м
Пусть радиус сферообразного маховика ИНЭ равен R_м 1,4 м. Зная массу маховика, определим высоту шарового сегмента, форму которого имеет маховик ИНЭ. Эта высота оказывается равной h_сегм

0,805 м
Таким образом, параметры ПВЭС в рассмотренном примере следующие:
Мощность Р 3 кВт
Суммарная масса М 24˙10³ кг
Суммарная высота Н 21 м
Диаметр цилиндрической части капсулы D_к 1,4 м
Диаметр сферической подводной части капсулы D_с 3 м
В зависимости от назначения возможно создание ПВЭС как на малые (менее 1 кВт), так и на большие (более 1 кВт) выходные мощности. Маломощные ПВЭС могут найти применение в малотоннажных судах как вспомогательные источники тока. Мощные ПВЭС могут образовываться путем составления многомодульных связок из оптимальных по характеристикам ПВЭС. Суммарная электрическая выходная мощность таких связок может составлять десятки мегаватт.Hence the radius of the sphere
R _c =

1,5 m
Let the radius of the sphere-shaped INE flywheel be equal to R _m 1.4 m. Knowing the mass of the flywheel, we determine the height of the spherical segment, whose shape the INE flywheel has. This height is equal to h _seg

0.805 m
Thus, the parameters of the PVES in the considered example are as follows:
Power P 3 kW
Total weight M 24˙10 ³ kg
Total height N 21 m
The diameter of the cylindrical part of the capsule D _to 1.4 m
Diameter of spherical underwater part of capsule D _with 3 m
Depending on the purpose, it is possible to create PVES for both small (less than 1 kW) and large (more than 1 kW) output powers. Low-power PVES can be used in small-tonnage vessels as auxiliary current sources. Powerful PVES can be formed by compiling multi-module bundles from optimal PVES characteristics. The total electrical output power of such bundles can be tens of megawatts.

Многомодульные связки ПВЭС могут располагаться в акваториях мирового океана с высокой штормовой или волнообразующей активностью, в местах мало или совсем непригодных для обитания человека или мореплавания. Положение этих связок может фиксироваться как путем прикрепления к элементам морского дна или объектам на берегу, так и с помощью буксировочных судов, перемещающих связки ПВЭС в акватории океанов с высокой штормовой или волнообразующей активностью. Наведение таких комплексов судно связка ПВЭС на штормовые акватории океанов может осуществляться с помощью метеорологических искусственных спутников Земли. Multimodular bundles of PVES can be located in the waters of the oceans with high storm or undulating activity, in places of little or no use for human habitation or navigation. The position of these ligaments can be fixed both by attaching to the seafloor elements or objects on the shore, or using towing vessels moving PVES ligaments in the oceans with high storm or undulating activity. Guidance of such complexes to the PVES bundle in the stormy waters of the oceans can be carried out using artificial meteorological satellites of the Earth.

Мощные многомодульные ПВЭС могут служить хорошей энергетической базой для создания экологически чистых объектов перерабатывающей промышленности морского и прибрежного базирования. На таких объектах можно осуществлять переработку морепродуктов, опреснять морскую воду или производить ее гидролиз, получать из морской воды необходимые для промышленного использования вещества и т.д. Причем все это возможно осуществить, не нанося вреда окружающей среде, путем освоения пространств, не пригодных для жизни человека, и использования "бросовых" первичных источников энергии, неприменимых с точки зрения традиционного энергопроизводства. Powerful multi-module PVES can serve as a good energy base for the creation of environmentally friendly processing facilities for the marine and coastal-based industries. At such facilities, it is possible to process seafood, desalinate sea water or hydrolyze it, obtain substances necessary for industrial use from sea water, etc. Moreover, all this can be done without harming the environment, through the development of spaces unsuitable for human life, and the use of "waste" primary sources of energy, not applicable from the point of view of traditional energy production.

К современным электростанциям наряду с энергоэкономическими предъявляются требования по экологической чистоте. В этом отношении большое значение имеет создание источников и преобразователей энергии, не оказывающих отрицательного воздействия на окружающую среду. Перспективными с этой точки зрения являются волновые и ветровые электростанции океанского и морского базирования. Наряду с такими достоинствами, как использование возобновляемых источников энергии и экологическая чистота, эти электростанции позволили бы свести к нулю не только факторы теплогазопылевого загрязнения, присущие тепловым электростанциям, но даже такие факторы загрязнения окружающей среды, создаваемые наземными ветроэлектростанциями, как шум и вибрация. Along with energy-efficient power plants, modern power plants are subject to environmental cleanliness requirements. In this regard, the creation of energy sources and converters that do not have a negative impact on the environment is of great importance. Promising from this point of view are the wave and wind power plants of the ocean and sea. Along with such advantages as the use of renewable energy sources and environmental friendliness, these power plants would make it possible to nullify not only the factors of heat and gas and dust pollution inherent in thermal power plants, but even such environmental pollution factors created by ground-based wind farms, such as noise and vibration.

Claims

1. FLOATING WAVE POWER PLANT, containing a vertically sealed cylindrical body, an energy converter placed therein, made in the form of a linear electric generator, the armature windings of which are located along the body, and the inductor is made in the form of an inertial mass with permanent magnets installed with the possibility of vertical reciprocating displacement by means of elastic elements, characterized in that the upper part of the body is bounded by a hemisphere with a radius equal to the radius of qilin of the lower part, and the lower sphere with a radius larger than the last one, the windings of the generator armature are mounted on the inner wall of the housing, and the magnets of the inductor are combined into ring sections and placed inside the armature windings, while a dynamic inertial energy storage unit with an electromechanical double-acting drive, and the frequency of natural oscillations of the inductor is commensurate with the characteristic frequency of oscillations of the body in water.

2. The power plant according to claim 1, characterized in that it is equipped with a parametric oscillator installed in the housing with a rod and a crank mechanism, while the elastic elements are made in the form of springs, and the crank is attached at one end to the inner wall of the housing and the other to the spring inductor.

3. The power plant according to claim 1, characterized in that the elastic elements are made in the form of cavities filled with a neutral gas.

4. Power plant according to paragraphs. 1 and 3, characterized in that it is equipped with a parametric oscillator installed in the housing, a compressor, bypass valves and pipelines for transferring gas from one cavity to another.

5. Power plant according to paragraphs. 1 to 4 characterized in that it is equipped with a deflector with a fly hanger located on the upper hemisphere and placed in the housing by a deflector rod with a movement mechanism.

6. Power plant according to paragraphs. 1 to 5, characterized in that it is equipped with two rigid vertical mutually perpendicular flat panels fixed on the outer surface of the lower sphere.