АВТОНОМНАЯ ПАРУСНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
AUTONOMOUS SAILING POWER PLANT

Изобретение относится к области судостроения и возобновляемой энергетики, в частности, к ветровым установкам морского базирования.
Ветроэнергетика является одной из самых быстро развивающихся отраслей возобновляемой энергетики. В подавляющем большинстве случаев преобразование кинетической энергии ветра в электричество осуществляется с помощью установок, в которых преобразователь энергии воздушного потока выполнен в виде ветрового колеса и соединенного с ним электрогенератора, установленных на верху опорной башни. Недостатком таких установок являются большие размеры преобразователей энергии воздушного потока, обусловленные низкой плотностью воздуха.
Известен вариант решения проблемы уменьшения размеров преобразователя энергии с помощью парусных энергетических установок [1]. Уменьшить размеры преобразователя энергии позволяет факт нахождения парусной энергетической установки в двух средах: воздушной и водной, плотность которой примерно в тысячу раз больше воздушной.
Известная энергетическая установка реализует способ, заключающийся в использовании парусов для перемещения гидроэнергетического преобразователя по траектории максимальной энергоотдачи гидравлического потока в поверхностном слое океана, она содержит симметричный относительно носа и кормы катамаран с двумя мачтами, к корпусам которого снизу прикреплена крыльчатка гидрогенератора, соединенная с электрогенератором. С помощью электрического кабеля, оснащенного системой поплавков, электрогенератор соединен с буем через установленное на нем контактное поворотное устройство. Буй крепится с помощью груза на морском дне в том месте, куда подведен электрический кабель от внешнего потребителя электричества, вырабатываемого электрогенератором. На грузе установлено поворотное устройство, к которому крепится идущий от катамарана удерживающий трос.
Недостатком установки является отсутствие механизма автоматического управления движением катамарана по дуговой траектории в заданном угловом интервале при изменении направления ветра.
Целью предполагаемого изобретения является обеспечение надежного автоматического движения катамарана по дуговой траектории в заданном угловом интервале при любом направления ветра.
Поставленная цель достигается тем, что, на парусной энергетической установке, состоящей из симметричного относительно носа и кормы катамарана, на котором установлены мачты с системой изменения положения парусов, а снизу к корпусам катамарана прикреплена крыльчатка гидрогенератора, соединенного электрическим кабелем с балластом на морском дне в месте подводки кабеля от внешнего потребителя электроэнергии, закреплен флюгер, с контактами, подключенными к устройству управления, обеспечивающего поворот парусов при изменении направления ветра относительно корпуса катамарана.
Конструкция автономной парусной энергетической установки и ее работа поясняются чертежами, представленными на Фиг. 1-4. На Фиг. 1 изображен вариант симметричного катамарана, в котором оба корпуса 1 выполнены в виде трубы с коническими наконечниками на концах. На катамаране установлены мачты 2 с системами поворота парусов 3, которые могут быть выполнены, например, в виде стандартной системы управления положением парусов при плавании в автоматическом режиме. Системы поворота мачт 3а и 3б соединены с устройством управления 4, к которому подключены контакты флюгера 5. Снизу к корпусам катамарана крепится крыльчатка 6 гидрогенератора, который, как показано на Фиг. 2, соединен с помощью кабеля-троса 7, с грузом 8 на морском дне в месте подводки кабеля от внешнего потребителя электроэнергии, вырабатываемой гидрогенератором. На кабеле-тросе 7 удерживается и катамаран во время движения по поверхности океана.
Изначально, для соединения с катамараном, разъем кабеля-троса на вьюшке расположен на буе 9, находящимся в месте с балластом 8 в точке предполагаемых работ. В парусную энергетическую установку вводится автоматическое устройство подачи сигнала на изменение положения парусов в заданных точках дуговой траектории, показанное на Фиг. 3. Устройство включает флюгер 5, систему контактов, выполненную в виде контакта 10 на флюгере и контактов на стойках 11, расположенных с двух сторон флюгера 5, а также устройство управления 4 положением парусов 2, которое подключено к системе поворота мачт 3а и 3б. Схема блока 4 должна содержать датчик магнитного поля Земли 4а, чтобы исключить круговое вращение катамарана вокруг балластного груза 8 на дне, при частой перемене ветра. Изменение положения парусов может осуществляться с помощью стандартной системы автоматического управления, которая устанавливается на яхтах. Блок 4 формирует электрический сигнал на изменение положения парусов при касании контакта 10 на флюгере 5 с контактом на стойке 11. Известна также система изменения положения парусов с помощью поворота мачт, на которых жестко закреплены реи, как это делается на яхте «Мальтийский сокол» (Maltese Falcon) [2].
Введение флюгера 10 позволяет задавать на дуговой траектории точки изменения положения парусов, определяемые относительно направления ветра, поскольку угол смещения катамарана на дуговой траектории а равен углу разворота катамарана по отношению к направлению ветра, который определяется угловым положением флюгера относительно корпуса катамарана, как это видно из схемы, представленной на Фиг. 4.
Установка работает следующим образом. Катамаран приводится к бую 9 с подветренной стороны, где идущий от буя электрический кабель-трос 7 подключается к гидрогенератору 6, а катамаран крепится к удерживающему кабель-тросу 7 так, чтобы трос был натянут, и катамаран находился под углом 90 градусов к направлению ветра (Т. 0 на Фиг. 4). После этого паруса устанавливаются под углом 45 градусов. Под действием аэродинамических сил, действующих на паруса, катамаран начинает двигаться по дуговой траектории, при этом катамаран разворачивается относительно направления ветра. Когда катамаран придет в точку 1 (Фиг. 4), в которой он разворачивается на заданный угол а, контакт 10 на флюгере 5 замкнет контакт И на одной из стоек, в результате, с блока управления 4 на изменение положения парусов (Фиг. 3) в систему изменения поворота парусов поступит сигнал, по которому паруса поворачиваются на угол 90 градусов, и катамаран начнет двигаться по дуговой траектории в противоположном направлении. Когда катамаран придет в точку Т. 2, симметричную точки Т. 1 (Фиг. 4), контакт на флюгере 10 замкнет контакт 11 на противоположной стойке, в результате по сигналу с блока формирования сигнала на изменение положения парусов, паруса повернутся на угол 90 градусов, и катамаран поплывет в обратном направлении. Поскольку флюгер 5 указывает направление ветра, а положение точек Т. 1 и Т. 2 определяется по угловому положению флюгера 5 относительно корпусов катамарана, то при изменении направления ветра дуговая траектория движения катамарана будет изменяться так, что угловое положение точек Т. 1 и Т. 2 на дуговой траектории относительно направления ветра будет всегда равно углу а.
При движении катамарана образуется обтекающий его водный поток, который вращает крыльчатку генератора, вырабатывающего электричество. С помощью кабеля-троса 7, вырабатываемое гидрогенератором электричество передается внешнему потребителю энергии.
Для проверки работоспособности предлагаемой конструкции автономной парусной энергетической установки были проведены исследования на экспериментальной установке, включающей бассейн, генератор ветрового потока и макет катамарана, симметричного относительно носа и кормы, на котором была установлена система изменения положения парусов и автоматическое устройство подачи сигнала на изменение положения парусов в заданных точках дуговой траектории. Поворот парусов осуществлялся в результате поворота мачт, на которых были жестко закреплены паруса. Мачты поворачивались с помощью электромотора с редуктором приблизительно на угол 90 градусов. Сигнал на изменение положения парусов подавался устройством управления положением парусов, питающимся от автономного бортового источника электропитания. Эксперименты показали работоспособность предлагаемой конструкции автономной парусной энергетической установки [3].
Источники информации, использованные при составлении заявки:
Патенты:
1. Патент РФ: RU 2 745 173 С1 кл. В63 В 35/44, 2020
Статьи:
2. Perkins Т., Dijkstra G., Roberts G. D. The Maltese Falcon: The realisation //Proceedings of the 14th International HISWA Symposium on Yacht Design and Yacht Construction. 2004.
Монографии:
3. Чекарев K.B., Залиханов A.M., Дегтярев K.C. Парусные энергетические установки // в коллективной монографии «География возобновляемых источников энергии» М.: ИД «Энергия», 2021. С. 180-197.