Группа изобретении относится к возобновляемым источникам энергии, а именно: к волновой энергетике, и может быть использовано для энергоснабжения населения и производственных мощностей береговой зоны океанов, морей и больших водоемов.

В качестве аналога для системы управления плавучестью принята волновая электростанция, созданная в университете Упсалы (Швеция) (Crus, J. 2008. Ocean waves energy. Berlin, Germany, Springer, p. 235), в которой используется пружина для натяжения троса поплавка. Недостатком этой электростанции является то, что натяжение пружины не может изменяться с помощью системы управления в зависимости от размеров волн..

В качестве аналога для устройства преобразующего энергию волны в энергию вращательного движения выбрано устройство, использующее энергию волн для генерирования электричества (Патент US 2010/244451 А1. Ocean wave energy to electricity generator//Net M. Andoot, 30.09.2010). В этом устройстве используется заглубленная плавучесть, движение которой зависит от движения волн. Автор предлагает механическую систему, преобразующую повторяющееся движение волн во вращательное движение для генерирования электричества. Для передачи движения и момента в одном направлении используется храповой механизм. Недостатком устройства является то, что основная часть конструкции располагается на поверхности воды, тем самым подвержена большим разрушающим динамическим нагрузкам от действия волн. Преобразование энергии волны во вращательное движение производится через сложную систему рычагов и зубчатых передач, что снижает КПД всей электростанции.

Прототипом группы изобретения является волновая электростанция [K.S. Sholanov. Power plants (variants) on the basis of parallel manipulator. WG/ 2018/147716, 16.08.2018]. В прототипе предлагается подводная волновая электростанция (ПВлЭС), в которой для преобразования пространственных движений водных масс под водой в качестве первичного преобразователя энергии волн используется шести подвижный параллельный манипулятор, составленный из двухсторонних гидроцилиндрах. В этом ПВлЭС энергия воды преобразуется в механическую энергию движения штоков гидроцилиндров, которая затем преобразуются в энергию жидкости, приводящей во вращательное движение гидро двигатели. Валы гидродвигателей через обгонные муфты соединены с валом одной электрической машины, генерирующей электрический ток. Кроме того для управления плавучестью поплавка в ПВлЭС используется полый поплавок состоящий из двух полостей разделенных гибкой диафрагмой, одна из полостей (верхняя) представляет герметизированную емкость наполненную воздухом (газом), а другая (нижняя) наполняется по мере необходимости водой. Путем нагнетания воды в полость поплавка при сильных волнах уменьшается плавучесть, а путем выхлопа воды -увеличивается плавучесть при слабом волнении. Недостатком этой ПВлЭС является то, что она использует гидравлическую жидкость, которая не может сохранять в течении долгого времени герметичность соединений из-за агрессивного воздействия морской воды. Применение гидравлической жидкости приводит к нарушению экологии окружающей среды. Следующим недостатком прототипа является не эффективность системы управления путем изменения плавучести поплавка в зависимости от высоты волн. Это объясняется тем, что обычно поплавки имеют достаточно большие объемы. Для заполнения полости поплавка водой требуются гидронасосы с большой производительностью, с другой стороны процесс изменения плавучести может занять большое время. В некоторых случаях медленная реакция системы управления может привести к разрушению конструкции.

Технической задачей изобретения, связанного с преобразованием энергии движения водной массы во вращательное движение вала генератора электрического тока, является повышение производительности и коэффициента полезного действия ПВлЭС.

Технической задачей изобретения, связанное с управлением плавучестью поплавка является обеспечения требуемой производительности независимо от размеров вол и защита конструкции от разрушения при сильных волнах.

В данной группе изобретений предлагается управляемая подводная волновая электростанция имеющая в своем составе известные признаки: шести подвижный манипуляторный преобразователь SHOLKOR с шестью актуаторами (соединительными кинематическими цепями) соединенными с помощью цепных или гибких соединений между собой и с платформами; полый поплавок с аэродинамическим профилем сечения с помощью мачты крепится к верхней подвижной платформе манипулятора.

Для решения поставленной технической задачи повышения эффективности преобразования энергии движения водной массы во вращательное движение вала генератора электрического тока и устранения недостатков выявленных в аналогах и прототипе предлагается, изменить конструкцию выбранных актуаторов путем добавления в каждый актуатор две накрест расположенные реечные зубчатые передачи и обгонные муфты, связывающие шестерню каждой реечной передачи с выходным валом совершающим вращение в одном направлении. Такая конструкция актуаторов позволит преобразовать возвратно-поступательного движения штоков актуаторов во вращательные движения в одном направлении выходных валов, связанных с валами роторов электрических генераторов. Такая конструкция актуатора позволит повысить коэффициент полезного действия ПВлЭС.

Для решения поставленной технической задачи связанной с обеспечением требуемой производительности независимо от размеров волн, в конструкции каждого из шести актуаторов введены пружинные демпфирующие устройства, содержащие устройства для автоматического управления силой преднатяга пружин в зависимости от высоты волн. Применение демпфирующих устройств с возможностью изменения преднатяга пружин позволит увеличить силу преднатяга пружин при высокой волне. При этом упругие силы оказывают противодействие (гасят) излишнее воздействие динамики высокой волны на поплавок, тем самым предохраняют ПВлЭС от разрушения, сохраняя требуемую производительность. Наоборот, при слабых волнениях, преднатяг пружин уменьшается. При этом поплавок имеет возможность максимально использовать энергию волны одновременно обеспечивая требуемую производительность ПВлЭС.

На Фигуре 1 представлена подводная поплавковая волновая электростанция, в которой шести подвижный параллельный манипулятора Sholkor составлен из неподвижной платформы 1 и подвижной платформы 2 соединенных актуаторами 3-8 с помощью цепных или гибких соединений 9 как в прототипе. К верхней платформе жестко закреплена мачта 10 и парус 11 с аэродинамическим профилем сечения.

На Фигуре 2 представлен подвижная каретка 12, устанавливаемая из конструктивных соображений в трех актуаторах 3,5,8. В каретке размещены две накрест расположенные реечные передачи образованные рейками 13 и зубчатым колесом 14, а также рейкой 15 и зубчатым колесом 16. Зубчатое колесо 14 через обгонную муфту 17, а зубчатое колесо 16 через обгонную муфту 18 соединены с валом 19, расположенным на неподвижных опорах 20. К валу 20 крепится шкив 21.

На Фигуре 3 показана схема актуатора с механизмом изменения преднатяга и с подвижной кареткой. Механизм изменения преднатяга пружины 22 установлен между подвижной кареткой 12, движущейся по направляющим 23 и неподвижной верхней крышкой 24 При движении подвижных стоек 25 штока 26 относительно неподвижной пяты 29 по направляющим 23, высота пружин 22 изменяется в следствии упругой деформации. Управляемый серводвигатель 27 создает предварительную деформацию пружин 22, при котором возникает упругая сила преднатяга.

Принципа действия подводной волновой электростанции можно пояснить с помощью фигуры 1. Следует отметить, что здесь не соблюдены соотношения между геометрическими размерами. Фактически размер поплавка и высота мачты могут намного превосходить размеры манипулятора. Поплавок 11 захватывается водной массой и совершает сложные движения. Например, при набегании волны поплавок уходит вверх, а под действие Архимедова сил возвращается в исходное положение. Так как поплавок жестко соединен посредством мачты 10 с верхней платформой 2 манипулятора, то верхняя платформа приходит в движение относительно закрепленной ко дну неподвижной платформы 1. В шести подвижном манипуляторе Sholkor подвижная и неподвижная платформа соединены с помощью шести актуаторов 3-8 с переменной длиной. Актуаторы между собой и с платформами соединяются через цепные или тросовые соединения, приведенные в прототипе. Каждый актуатор располагается в изолированном от окружающей среды корпусе, т.е. защищен от коррозии.

Принцип действия устройства (фиг.2) связанного с преобразованием возвратно-поступательного движения штока под действием волн во вращательное движение выходного вала в одном направлении для соединения ротора генератора электрического тока. В том случае, когда каретка 12 со штоком актуатора движется вверх вместе с рейкой 13 , то, установленная на неподвижных опорах зубчатое колесо 14 за счет обгонной муфты 17 вращает вал 19 против часовой стрелки. При этом накрест расположенная рейка 15 вращает колесо 16 по часовой стрелке однако за счет обгонной муфты это вращение не передается на вал 19. Аналогично при движении штока вверх, вращение на вал 19 (в направлении против часовой стрелки) передается через колесо 18, а колесо 14 проворачивается, не передавая движение за счет наличия обгонной муфты 17. Таким образом возвратно - поступательное движение штока акутатора преобразуется во вращательное движение выходного вала в одном направлении.

Для пояснения принцип действия устройства для управления плавучестью поплавка представлена фигура 3, которая показывает изменения конструкции актуатора. Подвижный шток 25,26 акутатора соединен с подвижной платформой 2 манипулятора и движется в зависимости от гидродинамических сил. действующих на поплавок. С неподвижной платформой соединены верхняя крышка 24 и нижняя пята 29 с направляющими 23. Пружина 22, установленная между подвижными и неподвижными узлами актуатора, позволяет создавать постоянные силы упругости препятствующие движению штока, названные силами преднатяга. Величина этой силы, зависит от предварительной деформации пружины 22, которая устанавливается с помощью серводвигателя 27. Если высота волны большая, то сила преднатяга увеличивается для того, чтобы ограничить движение штока. Если высота волны небольшая, то сила преднатяга уменьшается до нуля. На фигуре 3 показан упрощенный чертеж измененной конструкции актуатора. Актуатор содержит узел системы отбора мощности, который преобразует вовратно-поступательное движения штока 26 во вращательное движение вала 19 соединенного с генератором 28, через гибкую передачу между шкивами 21 и 28. Также, как указывалось, на фигуре 3 показан узел из пружины 22 и серводвигателя 27 предназначенные для управления движением поплавка в зависимости от размеров волны. Преимущества данного актуатора также в том, что он может быть заключен в изолированном от окружающей морской среды в корпусе, за исключение штока 26 и стоек 25. Это предохраняет актуатор от агрессивного воздействия морской воды и увеличивает срок его эксплуатации.