ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к области малой энергетики и может быть использовано для создания ветроэнергетических станций.
5
Известна ветроэнергетическая установка, содержащая ветровоспринимающие рабочие органы, установленные на кольцевом понтоне, и преобразователь энергии, кинематически связанный с понтоном (см. а.с. СССР №1719713, МКИ F03D 3/06, 1992 г.).
Недостаток этого решения выражается в усложнении передачи механической энергии на электрогенераторы, особенно при увеличении размеров колеса, что вызвано наличием сил радиального смещения понтона при его вращении. Таким образом, понтон эффективно взаимодействует только с теми генераторами, в направлении которых действует названная сила. Кроме того, необходимость сооружения кольцевого канала (или, по крайней мере, монтирования нескольких опорных элементов (ограничителей) по внешнему периметру понтона) существенно усложняет и удорожает монтаж установки.
Известна также ветроэнергетическая установка, содержащая преобразователь энергии, выполненный с возможностью преобразования энергии вращения, кольцевой понтон, размещенный с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, поворотные лопасти, установленные на кольцевом понтоне, выполненные с возможностью вращения вокруг вертикальных осей, гибкие тяги, связанные с кольцевым понтоном и со ступицей преобразователя энергии, установленной с возможностью вращения соосно с кольцевым понтоном, кинематический механизм, выполненный с возможностью передачи энергии вращения кольцевого понтона на приемный узел преобразователя энергии (патент РФ №2330989, МПК F03D 3/06, 2008 г.).
Недостаток этого решения выражается в больших гидродинамических потерях энергии и низкой производительности, поскольку плавучая платформа выполнена вращающейся.
6
Известна также ветроэнергетическая установка, содержащая лопасти, установленные на кольцевом понтоне, выполненном с возможностью вращения относительно вертикальной оси, преобразователь энергии, выполненный с возможностью преобразования энергии вращения, размещенный на платформе, охваченной кольцевым понтоном, кинематический механизм, выполненный с возможностью передачи энергии вращения кольцевого понтона на приемный узел преобразователя энергии (патент РФ №2118705, МКИ F03D 3/06, 1998 г.).
Недостаток прототипа заключается в невозможности размещения ветроэнергетической установки на глубоководном участке шельфа, так как платформа в известном решении выполнена стационарной.
Задача, на решение которой направлено заявляемое решение, выражается в снятии ограничений по месту размещения ветроэнергетической установки на водной поверхности.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в расширении возможных мест размещения ветроэнергетических установок за счет свободной поверхности шельфа морей с глубинами свыше 50 метров в зоне наиболее сильных и стабильных ветров с малой турбулентностью, что также обеспечивает увеличение выработки электроэнергии.
Поставленная задача решается тем, что ветроэнергетическая установка, содержащая лопасти, установленные на кольцевом понтоне, выполненном с возможностью вращения относительно вертикальной оси, преобразователь энергии, выполненный с возможностью преобразования энергии вращения, размещенный на надводной части платформы, охваченной кольцевым понтоном, кинематический механизм, выполненный с возможностью передачи энергии вращения кольцевого понтона на приемный узел преобразователя энергии, отличается тем, что платформа содержит оснащенную преобразователем энергии надводную часть, жестко связанную с плавучим основанием, погруженным ниже поверхности воды, при этом она снабжена средствами позиционирования в виде якорей, связанных с ней гибкими элементами, кроме того, плавучее основание снабжено не менее чем тремя полупогружными плавучими корпусами, жестко связанными с ним в подводной его части, размещенными равномерно с внешней стороны кольцевого понтона. При этом полупогружные водоизмещающие корпуса выполнены вытянутыми в направлении радиуса кольцевого понтона.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявляемого решения и существенных признаков аналогов и прототипа свидетельствуют о его соответствии критерию "новизна".
При этом признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак "… оснащенную преобразователем энергии надводную часть, жестко связанную с плавучим основанием, погруженным ниже поверхности воды, …" позволяет размещать ветроэнергетическую установку на участках шельфа с глубинами свыше 50 метров, где использование стационарной платформы является невозможным или нерентабельным.
Признак "… снабжена средствами позиционирования в виде якорей, связанных с ней гибкими элементами, …" позволяет обеспечить удержание плавучего основания от дрейфа по поверхности воды. А наличие гибких элементов облегчает работу конструкции при волнении и колебании уровня воды.
Признаки "… плавучее основание снабжено не менее чем тремя полупогружными плавучими корпусами, жестко связанными с ним в подводной его части, размещенными равномерно с внешней стороны кольцевого понтона, …" позволяют обеспечить удержание в допустимых пределах наклона плавучего основания платформы при действии ветра произвольного направления.
Признак второго пункта формулы изобретения позволяет увеличить массу присоединенной воды при колебаниях крутящего момента ветроэнергетической установки и тем самым уменьшить динамическую составляющую растягивающих усилий в гибких элементах и уменьшить массу якорей.
На фиг.1 изображена ветроэнергетическая установка в горизонтальном виде и на фиг.2 - вид сверху.
На чертежах показаны платформа 1, кольцевой понтон 2, кинематический механизм 3, приемный узел 4 преобразователя энергии, лопасть 5, вертикальная ось вращения 6 кольцевого понтона 2, якорь 7, дно водоема 8, гибкие элементы 9 и 10, точка 11 закрепления гибких элементов 9 и 10 к плавучему основанию 12 платформы 1, надводная часть 13 платформы 1, герметичная колонна 14, полупогружной водоизмещающий корпус 15.
Ветроэнергетическая установка содержит платформу 1, охваченную кольцевым понтоном 2, кинематический механизм 3, выполненный с возможностью передачи энергии вращения кольцевого понтона 2 на приемный узел 4 преобразователя энергии (преобразователь энергии полностью на чертежах не показан).
На кольцевом понтоне 2 установлены лопасти 5 и выполнен он с возможностью вращения относительно вертикальной оси 6.
Платформа 1 выполнена плавучей и снабжена средствами позиционирования, включающими как минимум шесть якорей 7, размещенных на дне 8, преимущественно попарно, связанных с платформой 1 гибкими элементами (тросами или цепями) 9 и 10 так, что проекция на горизонтальную плоскость одного гибкого элемента 9 ориентирована радиально к оси вращения 6 кольцевого понтона 2, а проекция второго гибкого элемента 10 ориентирована касательно, причем скрепленный с ним якорь 7 смещен в сторону, противоположную направлению вращения кольцевого понтона 2 относительно точки 11 закрепления гибких элементов 9 и 10 на плавучем основании 12. При этом платформа 1 содержит плавучее основание 12 и снабженную преобразователем энергии 4 надводную часть 13, связанную с плавучим основанием 12, полностью погруженным в воду, герметичными колоннами 14. Кроме того, платформа 1 содержит не менее трех полупогружных водоизмещающих корпусов 15, размещенных равномерно с внешней стороны кольцевого понтона 2 и жестко связанных с плавучим основанием 12 платформы в подводной его части. При этом полупогружные водоизмещающие корпуса 15 выполнены вытянутыми в направлении радиуса кольцевого понтона 2.
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.
Ветроэнергетическую установку транспортируют к месту размещения в сборе на плаву путем буксировки. В заданном месте шельфовой зоны устанавливают якоря 7 на дно 8. Прикрепляют якоря 7 гибкими элементами 9 и 10 к плавучему основанию 12 платформы 1 в точках 11. При этом гибкие элементы 9 через прикрепленные к ним якоря 7 обеспечивают стабильное положение платформы 1 в горизонтальной плоскости, а вытесняемый объем плавучего основания 12, герметичных колонн 14 и полупогружных водоизмещающих корпусов 15 обеспечивает стабильность вертикального положения платформы 1.
Ветровой поток, воздействующий на лопасти 5, создает крутящий момент, который через кинематический механизм 3 передается на приемный узел 4 преобразователя энергии, а с преобразователя энергии - на платформу 1. Этот крутящий момент уравновешивается моментом, создаваемым горизонтальными составляющими растягивающих сил в гибких элементах 10. При этом динамическая составляющая крутящего момента, возникающая из-за порывов ветра, сглаживается инерционностью платформы 1 и больших присоединенных масс воды, чему способствует некруговая форма плавучего основания 12 и вытянутая в радиальном направлении форма полупогружных водоизмещающих корпусов 15. Аэродинамическая сила в горизонтальной плоскости, передаваемая через кинематический механизм 3 на платформу 1, создает перекашивающий момент, приводит к некоторому наклону плавучего основания 12 и, следовательно, к частичному заглублению водоизмещающих корпусов 15 на подветренной стороне ветроэнергетической установки и частичному всплытию водоизмещающих корпусов 15 на ее наветренной стороне. Возникающая при этом разница архимедовых сил компенсирует перекашивающий момент, оставляя наклон платформы 1 в допустимых пределах.