Изобретение относится к области применения робототехники для генерации электрической энергии от возобновляемых источников энергии в ветровой и волновой энергетике. И может быть использовано в качестве альтернативного источника энергии.

Известен преобразователь энергии ветра в электрическую энергию (патент US 20120068465 А1, Vertical axis wind turbine generator with sails// Freddy Dawoud, Annetta Yacoub, 03. 22, 20 Ϊ 2). Преобразователь энергии ветра имеет нижнее ^; закрепленное кольцо й верхнее подвижное кольцо, движущееся , совместно с чувствительными к ветру парусами. При этом подвижное кольцо может совершать движение вдоль вертикальной оси и вращаться вокруг этой оси. В данном преобразователе требуется постоянная настройка системы парусов, ^" кроме, того при преобразовании энергии ветра используется лишь часть энергии ветра, которая через систему парусов преобразуется в одно вращательное механическое движение.

Известно (Electrical design for a wave buoy, Sara Hoya Arija, Goteborg, Sweden 2011, http://e-archivo.uc3m.es/bitstream/handle/l0016/13027/), что в качестве преобразователей энергии волн применяются поплавковые преобразователи использующие движения водных масс лишь в вертикальном направлении.

Прототипом изобретения выбрана Волновая электростанция на базе параллельного манипулятора (WO/2017/003273. Волновая электростанция на базе параллельного манипулятора // Шоланов .С. 22.06.2016), в которой в качестве манипуляторного преобразователя энергии волн в механическую энергию используется схема строения параллельного манипулятора Sholkor (WO/2015/016692. Platform robot manipulator// K. Sholanov 05.02.2015). Недостатком такого манипуляторного преобразователя является наличие многозвенных сферических соединений, ресурс которых может быть ограничен при эксплуатации в условиях агрессивной водной среды. Применение гидравлического манипуляторного преобразователя ограничивает всевозможные варианты преобразование энергии волн в электрическую энергию обязательным применением системы промежуточной преобразовании механической энергии в энергию гидравлической жидкости.

Технической задачей настоящего изобретения является создание первичного преобразователя пространственного движения воздушной и водной массы в энергию поступательно движущихся тел, а также создание электростанций, использующих этот преобразователь для генерирования электрической энергии. В электростанциях, энергия волн (ветра) после первичного преобразователя преобразуется в электрическую энергию известными способами.

В данной группе изобретений предлагается шестиподвижный параллельный манипуляторный первичный преобразователь (ΙΠΙΤΜΠΠ) пространственного движения водной и воздушной массы имеющий в своем составе известные признаки: нижнюю неподвижную платформу и верхнюю подвижную платформу, связанную с чувствительным телом, которая воспринимает движение водных масс и воздушных потоков. Другие изобретения - электростанции, связаны единым замыслом, т.е. применением данного манипуляторного первичного преобразователя.

Для решения поставленной технической задачи создания первичного преобразователя энергии ветра и волн в организованную механическую энергию и устранения недостатков, выявленных в аналогах и прототипе предлагается ШПМ1Ш со схемой строения подобной манипулятору Sholkor, в которой с целью повышения ресурсов эксплуатации манипуляторного преобразователя вместо многозвенных сферических соединений из двух-, трех-, четырех звеньев предлагается использовать цепные соединения из круглых по сечению звеньев (колец) металлических или резинометаллических цепей, которые взаимно соединяются таким образом, что в кольцо, образующее вращательное соединение с платформой одевается: при двух звеном соединении - одно кольцо, образующее вращательное соединение со звеньями соединительной кинематической цепи (СКЦ); при трехзвенном соединении - два кольца, каждый из которых образует вращательное соединение со своими звеньями СКЦ; при четырехзвеннрм соединении - три кольца, каждый из которых образует вращательное соединение со своими звеньями СКЦ.

Предлагается другой вариант ШПМ1Ш, отлича щийся тем, что вместо многозвенных двух-, трех-, четырезвенных соединении предлагается

^■ Г ^' С ' использовать гибкие соединения из стальных тросов или канатов из прочных и гибких материалов. При этом при двухзвенных соединениях канат (трос), одним цельным концом образует вращательное соединение с платформой другим цельным концом образует вращательное соединение со звеньями СКЦ; при трехзвенном соединении - два каната одним обьединенным цельным концом образуют вращательное соединение с платформой, а другими цельными концами каждый канат образует вращательные соединения со звеньями разных СКЦ; при четырехзвенном соединении - три каната обьединенным цельным концом образуют вращательное соединение с платформой, а другими цельными концами три каната образуют вращательные соединения со звеньями трех СКЦ.

Для того, чтобы исключить местную подвижность, а именно: вращение СКЦ вокруг собственной оси - каждая пара звеньев одной СКЦ образует вращательное соединение ^" с цепным или канатным соединением только с одной стороны, а с другой стороны образует неподвижное соединение с канатом или кольцом. Дальнейшее преобразование энергии поступательного движения в электрическую энергию выполняется применением линейных электрогенераторов или с помощью известных преобразователей поступательного движения приводов СКЦ во вращательное движение вала ротора одного или нескольких электрических генераторов.

Для решения поставленной задачи создания электростанций использующей энергию ветра и устранения недостатков, выявленных в аналоге предлагается ветровая электростанция (ВЭС), содержащая преобразователь энергии ветра, имеющий нижнее неподвижное тело ^" и верхнее подвижное _. тело, движущееся, совместно с чувствительными к ветру телом, I в котором с целью повышения эффективности использования энергии пространственного движения воздушного потока применяется ШП Ш1. В качестве тела, чувствительного к ветру применяется тело (воздушный тор) - наполненная газом упругая оболочка в форме тора, с аэродинамическим профилем, т.е. сечение тора ¹ представляет ι фигуру подобную, например, сечению крыла самолета. Аэродинамический профиль при горизонтально действующем воздушном ' потоке создает; подъемную силу в вертикальном направлении. Воздушный тор крепится к верхней платформе первичного манипуляторного преобразователя так, чтобы все пространственные движения тора воспринимались подвижной и платформой. Воздушный тор имеет систему автоматического регулирования подьемной силой путем изменения обьема газа. Система регулирования включает, например, контроллер, интерфейс, датчики перемещения манипуляторного преобразователя, датчик давления сжатого воздуха, выпускной клапан газа, установленный в воздушном торе, компрессор для подкачки газа, емкость для газа, источник питания др.. . . J,L— >

Для решения поставленной задачи создания электростанции использующей энергию волн океанов и морей и устранения недостатков, выявленных в прототипе, предлагается подводная волновая электростанция

4 .

: Ή ' ^{' ' 1} ί \ (ПВлЭС), в которой для преобразования; пространственных движений водных масс на глубине используется шестиподвижный параллельный манипуляторный первичный преобразователь.

Для изменения подъемной силой поплавка, полое тело поплавка; ; с гидродинамическим профилем состоит из двух полостей разделенных гибкой диафрагмой, одна из полостей (верхняя) представляет герметизированную емкость наполненную воздухом (газом), а другая (нижняя) наполняется по мере необходимости водой и в ней размещаются автоматически управляемые клапаны забора и выброса воды.

Для решения поставленной задачи создания волновой электростанций для водоемов с малыми волнами (озерный вариант), где энергии поверхностных волн оказывается недостаточным для генерирования электрической энергии, предлагается ветроволновая электростанция (ВВлЭС), использующая энергию поверхностных волн и ветра одновременно. В качестве преобразователя энергии поверхностных волй и энергии ветра используется шестиподвижный параллельный манипуляторный первичный преобразователь, к ₍ верхней платформе которого закреплен полу заглубленный поплавок. К корпусу поплавка на требуемой высоте с помощью стержневой или иной конструкции жестко крепится воздушный тор, имеющий аэрогидродинамический профиль. При этом аэродинамический профиль воздушного тора создает силу в вертикальном направлении вниз от горизонтально действующего воздушного потока. ВВлЭС имеет систем автоматического управления подъемной силой как воздушного тора так и поплавка. ι

На чертеже (фигура 1) показана ' конструкция параллельного манипулятора Sholkor состоящая из верхней платформы 1 и нижней платформы 2 соединенных шестью соединительными кинематическими цепями 3 из двух звеньев, образующими поступательные приводные кинематические пары для обеспечения изменения длины СКЦ. СКЦ ,

образуют с платформами 1 и 2 и между собой многозвенные сферические соединения из двух звеньев -4, из трех звеньев -5 и четырех звеньев— 6, показанные на фигуре 1 и отдельно вынесенные.

В шестиподвижном параллельном ; манипуляторном первичном преобразователе, образованном по схеме взаимосоединения звеньев манипулятора Sholkor, указанные выше многозвенные сферические соединения из двух, трех и четырех звеньев заменяются соответственно на цепные соединения из двух звеньев цепи 7-8 и 9-10; трех звеньев цепи 7-8, 9- 10 и 11-12; четырех звеньев цепи 7-8, 9-10, 11-12 и 13-14, которые изображены на рисунках, соответственно а, Ъ, с фигуры 2. Следует отметить, что на рисунках а, Ъ, с фигуры 2 показано, что звено 8 соединения образует вращательную пару с платформой (нижней или верхней). Другие звенья 10,12,14 образуют вращательные пары с СКЦ.

Многозвенные сферические соединения из двух (4), трех (5) и четырех(б) звеньев возможно заменить соответственно на гибкие соединения с помощью троса (каната) 15 соединяющих два звена 16 и 17 (фигура 2,d); трех звеньев 16,17,18 (фигура 2,е), соединенных двумя канатами 15; четырех звеньев цепи 16,17,18,19 (фигура 2J) соединенных тремя канатами 15. При этом звено 16 образует с верхней или нижней платформой вращательную пару, звенья 17,18, 19 образуют вращательные пары с СКЦ.

I

На фигуре 3 показана схема ШПМПП с цепным соединением. Здесь приведены подвижная в виде обруча платформа 1 и неподвижная платформа 2 соединенные так, что каждая из шести соединительных кинематических цепей состоит из двух звеньев: ползуна 20 и направлярщей 21, образующих поступательную приводную кинематическую пару. Также каждые соединительные кинематические цепи имеют датчики перемещения с движком 22, перемещающимся вместе с ^* ползуном 20 относительно закрепленной к направляющей 21 панели 23. На фигуре 4 изображена схема ВЭС, которая состоит из шестиподвижного манипуляторного первичного преобразователя с верхней платформой 1 в виде обруча, нижней платформы 2 и шести СКЦ -3. К верхней платформе 1 крепится воздушный тор 24 представляющий упругую оболочку в форме тора наполненную веществом легче воздуха. По кабелю 25 передается электрический ток от электрогенераторов на силовой электронный блок 26, из которого ток передается на распределительную сеть по кабелю 27.

На фигуре 5 показан воздушный тор 24, а также его поперечной сечение 28 в виде аэродинамического профиля. С нижней стороны воздушный тор крепится к обручу 1 - верхней платформе манипуляторного первичного преобразователя. ^' ι

На фигуре 6 представлена ПВлЭС на базе первичного манипуляторного преобразователя состоящего из нижней платформы 2, шести СКЦ с поступательными парами -3 с изменяющейся длиной, верхней платформы 1 с поплавком 29 полностью погруженным в воду. На фигуре 6 показано, что по силовому кабелю 30 передается электрический ток от генераторов на силовой электронный блок 31 , из которого электрическая энергия передается на распределительную сеть по кабелю 32.

На фигуре _. 7 представлена ВВлЭС с первичным манипуляторным преобразователем энергии воды и воздушной массы в механическую энергию. Манипуляторный преобразователь состоящий из неподвижной 2 и подвижной 1 платформы, соединен шестью СКЦ с поступательными парами 3. К верхней платформе крепится полу затопленный поплавок 29, к которому на определенной высоте с помощью стержневой конструкции 33 крепится воздушный тор 24. Здесь приведены кабель ^л 30, блок силовой электроники 31, электрический кабель 32. Принцип действия первичного манипуляторного преобразователя основан на том, что под действием пространственных движений воздушных масс или волн верхняя платформа 1 перемещается относительно нижней неподвижной платформы 2 с шестью степенями свободы, изменяя при этом длины СКЦ с помощью поступательных приводных кинематических пар 3. Таким образом, энергия движения воздушных или водных масс преобразуется в механическую энергию поступательного движения, которое далее известными способами может быть преобразована в электрическую энергию. В первичном манипуляторном преобразователе сложные многозвенные сферические соединения манипулятора Sholkor (4,5,6 - фигура 1) заменены на цепные (фигура 2, а, Ъ, с) -или гибкие (фигура 2, d,e, ) соединения. В том, случае, когда не требуется^точность в позиционировании, эти соединения обеспечивают такие же подвижности, то и соответствующие многозвенные сферические соединения, но являются простыми по конструкции и надежными в эксплуатации, особенно в агрессивной водной среде. Для исключения избыточной местной подвижности вокруг собственной оси СКЦ в первичном манипуляторном преобразователе (фигура 3) имеют только по одному вращательному соединению на нижнем или верхнем конце. На всех шести СКЦ (фигура 3) устанавливаются датчики перемещения (22,23), информация с которых используется для управления подъемной силой чувствительного элемента (поплавка или воздушного тора) связанного с верхней платформой. ' ί

Принцип действия ВЭС (фигура 4) следующий: воздушный тор 24, представляющий упругую оболочку в форме тора с аэродинамическим профилем 28 (фигура 5), наполняется веществом легче воздуха и под действием воздушного потока приходит в движение, заставляя двигаться верхнюю платформу первичного манипуляторного преобразователя по ветру и вверх. При этом изменяются длины СКЦ -3,т.е. энергия ветра преобразуется в энергию шести поступательных движений, которые известными способами преобразуютс в электрическую энергию. Электрический ток от генераторов по кабелю 25 передается на концентратор (блок силовой электроники) 26 и далее по кабелю 27 к трансформатору или в электрораспределительную сеть. Если в конструкцию СКЦ встроен линейный электрогенатор, то при изменении длины СКЦ каждым генератором вырабатывается электрический ток. Для возврата подвижной платформы 1 первичного манипуляторного преобразователя в исходное положение могут использоваться энергия сжатого воздуха, упругие элементы, масса подвижной конструкции. В зависимости от силы ветра, автоматически регулируется подъемная сила воздушного тора; путем изменения объема газа, наполняющего воздушный тор. Система регулирования подъемной силой воздушного тора состоит из известных элементов: контроллер, интерфейс, датчики перемещения и давления манипуляторного преобразователя, выпускной клапан газа, установленный в воздушном торе, компрессор для подкачки газа, емкость для газа, источник питания и др. В исходном положении при отсутствии внешнего воздействия подъемная сила воздушного -тора уравновешивается действием упругого элемента (пружины) действующего на СКЦ или сжатым до нужного давления воздухом в пневмоцилиндре, шток которого соединен с СКЦ. При действии порыва ветра воздушный тор приходит в движение в напрвлении ветра и вверх за счет аэродинамической составляющей и удлиняет некоторые СКЦ, которые в свою очередь сжимают воздух в пневмоцилиндре или упругий элемент. Эти силы реакции стремятся возвратить СКЦ и подвижную платформу в исходное состояние. Ввиду того,' что силы действия воздушной массы (сила ветра) на воздушный тор могут изменяться по величине; и направлению, предусматривается автоматическое управление подъемной силой воздушный тора. При этом логика управления следующая: ^; в равновесном (исходном) состоянии сигналы от датчиков перемещений устанавливаются на ноль. При сильном ветре датчики перемещения будут показывать максимальную длину СКЦ. В ; этом случае, чтобы уменьшить

I ^{' "} - " " - ^{' '} ' " ' ' - ( ^{1 1} подъемную силу, автоматически срабатывает клапан, выпускающий газ из воздушного тора до тех пор, пока не будет достигнуто состояние ВЭС, когда показатели датчиков перемещений не будут достигать максимальных значений. Наоборот, например, при слабом ветре, будут незначительными отклонения показаний датчиков перемещений. В этом случае надо повысить чувствительность, т.е. подьемную силу воздушного тора пока не увеличится ход СКЦ. В этом случае в воздушный тор по гибкому шлангу подкачивается газ с помощью автоматически управляемого компрессора. Система автоматического управления также предотвращает появления резонансных явлений.

Принцип действия ПВлЭС (фигура 6) основан на том, что частицы воды на глубине в зависимости от движения волн на поверхности водоема (океан, море) совершают пространственные циклические движения, обладая большой энергией. Первичный манипуляторный преобразователь позволяет преобразовать эту энергию волн в механическую энергию поступательных движений. На поверхности моря, океана волны обладают большой разрушительной энергией приводящей к разрушению технических систем, поэтому ПВлЭС устанавливается на расчетной глубине на дне водоема. Принцип действия ПВлЭС основан на том, что движущаяся массы воды действуют на погруженный в воду поплавок 29 с аэрогидродинамическим профилем, связанный с платформой 1 1 манипулятора создает силы направленные по течению и вверх, вызывая изменение длин СКЦ -3. т.е. возвратно-поступательные движения относительно неподвижного основания - закрепленного ко дну водоема нижней платформы 2. Возвратно- поступательного движения шести приводов СКЦ преобразуются известными способами в электрическую энергию. Вырабатываемый электрогенераторами ток передается по кабелю -30 в силовой электронный блок 31 и далее по силовому кабелю 32 на трансформатор, расположенный на побережье. Механическая энергия возвратно-поступательных движений может также ю быть преобразована в электрическую энергию известными способами: непосредственно, через линейный генератор; через рабочую жидкость приводящий в движение вал электрогенератора; через различные механические преобразователи поступательного движения во вращательное движение вала одного или нескольких электрогенераторов.

Система автоматического управления подъемной силой поплавка ПВлЭС предназначена для повышения эффективности работы ПВлЭС при различной динамике волн. Для управления подьемной силой, поплавок делится на две полости: нижнюю, заполняемую водой и верхнюю - герметичную, заполненную газообразным веществом. Между этими полостями располагается гибкая диафрагма. Подъемная сила поплавка изменяется путем изменения обьема воды в нижней полости поплавка. При этом в нормальном рабочем режиме функционирования ПВлЭС объем поплавка и объемы полостей с водой и газом будут соответствовать расчетному, т.е. такому, что показания датчиков перемещений СКЦ будут отклоняться от нуля в ту или иную сторону в пределах допустимого. Иначе говоря, верхняя платформа с поплавком за цикл работы совершает полное движение от нижнего положения до верхнегоми наоборот. Если же. окажется, что по показаниям датчиков, длина СКЦ часто увеличивается на полную длину и не достигает минимального значения. Это наблюдается при слабых волнах. В этом случае системе автоматического управления необходимо уменьшить подъемную силу поплавка путем закачивания воды в полость поплавка с одновременным открытием клапана забора воды до установления нормального режима функционирования. При сильных волнах, наоборот, СКЦ не будет достигать максимально допустимых длин. В этом случае необходимо увеличить подьемную силу поплавка. Для этого выполняется сброс воды из полости поплавка путем выкачивания его гидронасосом или сбросом с помощью управляемых клапанов. Включения гидронасоса) >и открытие клапанов сброса производится автоматически до тех пор, пока ще

! I установится нормальный режим функционирования. Гибкая диафрагма позволяет изменять размеры полостей и вытесняет жидкость за счет сил давления сжатого воздуха.

Принцип действия озерного варианта электростанции - ветроволновой электростанции следующий: верхняя платформа первичного манипуляторного преобразователя связанная с полу затопленным поплавком 29 (фигура 7) и воздушным тором 24 двигаются под действием поверхностных волн и ветра. При этом воздушный тор устанавливается так, чтобы от действия горизонтального потока воздуха v возникала аэродинамическая сила F, направленная вниз (фигура 7). Воздушный тор в ВВлЭС занимает положение противоположное тому, которое занимает в ВЭС. Взаимодействие воздушного тора и поплавка происходит следующим образом: в исходном положении приводы СКЦ занимают среднее положение. Под действием ветра воздушный тор, например, уходит вниз, увлекая ?за собой поплавок, при этом длина СКЦ сокращается. В результате при дополнительном погружении поплавка в воду возникает дополнительная Архимедова сила, которая возвращает поплавок в исходное положение, изменяя при этом длину СКЦ. В результате взаимодействия воздушного тора движущегося под действием воздушного потока и поплавка, движущегося под действием воды, изменяются длины СКЦ и выполняются возвратно^-поступательные _. движения, которые известными способами преобразуются в электрическую -энергию. Вырабатываемый электрогенераторами электрический ток по кабелю 30 передается в блок силовой электроники 31 и, после преобразования, суммарный ток передается на побережье по кабелю 32, на трансформатор или распределительную сеты з. .

Система автоматического управления ВВлЭС выполняет управление подъемной силой воздушного тора и поплавка одновременно по указанному выше способу.