МОРСКАЯ ПЛАВУЧАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
SEA FLOATING POWER PLANT

Изобретение относится к области судостроения, более конкретно - к средствам выработки электроэнергии, и касается вопроса обеспечения электроэнергией потребителей энергодефицитных регионов.
Известна морская плавучая ветровая электростанция (МПК F03D 11/04 с приоритетом от 08.03.2001, WO 02/073032 А1), которая представляет собой полые полупогружные колонны с соединительными элементами, одна из которых жестко или мягко соединена с одноточечным плавучим или стационарным швартовным причалом или турелью. На колоннах расположены опоры с размещенными на них ветровыми энергоагрегатами (ВЭА), количество которых может быть изменено для увеличения объема вырабатываемого электричества, а расстановка которых уменьшает возникновение взаимного влияния турбулентных потоков этих ВЭА - прототип.
Указанное сооружение обладает рядом недостатков, к числу которых относятся:
- большая стоимость из-за наличия швартовного причала или турели;
- значительные силы от течения и волнового дрейфа, вызванные существенным объемом погруженных в воду колонн и соединительных элементов, и, соответственно, усилия якорных лебедок и линий:
- малая начальная остойчивость, обусловленная площадью поперечного сечения колонн, пересекающих ватерлинию;
- большая осадка, затрудняющая строительство, перегон и эксплуатацию сооружения;
- отсутствие возможности использования других видов возобновляемых источников энергии: волнения, течения и солнца.
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение стоимости за счет снижения металлоемкости, сил от течения и волнового дрейфа с одновременным увеличением объема вырабатываемой энергии и повышения начальной остойчивости.
Для этого у морской плавучей электростанции (МПЭС), включающей корпус с формой полого равнобедренного треугольника в плане, по углам которого расположены опоры с размещенными на их верхних концах ВЭА, рубку управления и якорную систему удержания, в подводных частях ее корпуса выполнены сквозные вырезы, а высота надводного борта составляет не менее 0,01 наружной длины ее борта. Причем опоры ВЭА выполнены в виде мачт и расположены на верхней палубе, при этом высота размещения ВЭА на мачтах составляет не менее суммы длины их лопасти и наибольшей высоты волны, возможной в соответствующей акватории.
При этом длина сквозных вырезов подводной части корпуса превышает 0,5 наружной длины ее борта, а их высота составляет не менее 0,2 ее осадки.
Кроме того, МПЭС оснащена оборудованием для выработки электроэнергии за счет использования энергии волн, включающим волновые поплавки и гидравлический двигатель с электрогенератором, связанный с указанными поплавками трубопроводом высокого давления. Причем волновые поплавки выполнены и установлены на борту с возможностью их подъема над волной акватории.
Вместе с тем МПЭС имеет установку для выработки электроэнергии за счет использования энергии морского течения, включающей подводные генераторы, вращающиеся под действием течения и расположенные вне зоны действия волновых поплавков и якорной системы удержания.
Наряду с этим МПЭС оборудована установкой для выработки электроэнергии путем использования солнечной энергии, включающей солнечные панели, установленные на дополнительной палубе, расположенной над его верхней палубой на уровне, превышающем наибольшую высоту волны соответствующей акватории.
При этом ветровые и подводные генераторы, волновые и солнечные электроустановки оборудованы и соединены кабелями с рубкой для обработки и последующей передачи электроэнергии в береговую сеть по кабелю, состоящему из надводного, подводного и подземного участков.
Выполнение в подводных частях корпуса сквозных вырезов обеспечивает уменьшение сил от течения и волнового дрейфа, а следовательно, усилие якорной системы удержания, а также веса корпуса и систем.
Размеры вырезов приняты из условия обеспечения плавучести и остойчивости МПЭС, а также прочности закрепления опор под ВЭА и подводные генераторы.
Высота надводного борта на тихой воде принята из условия обеспечения безопасной работы временного персонала, осуществляющего ремонт и замену оборудования МПЭС, а также снижения веса корпуса и аппликаты центра тяжести (ЦТ).
Выполнение опор ВЭА в виде мачт и их размещение на верхней палубе МПЭС позволяют, по сравнению с колоннами в прототипе, существенно уменьшить их диаметр, вес и стоимость.
Выполнение высоты мачт не менее суммы наибольшей высоты волн акватории и длины лопасти ВЭА, при которых практически исключено касание волн лопастями ВЭА во время эксплуатации, позволяет уменьшить вес, стоимость и аппликату ЦТ мачт, а также упростить обслуживание ВЭА.
Для ограничения расходов на изготовление и ремонт волновых поплавков в воде находится только необходимый минимум деталей, а в рубке - гидравлический двигатель, электрический генератор и компьютерное управление волновыми поплавками. Для избежания повреждения поплавков при интенсивном волнении предусмотрен их подъем над волнами.
Ветровая и волновая установки могут действовать как одновременно, так и порознь.
Подводные генераторы, использующие энергию морских течений, расположены под корпусом на глубине, составляющей не менее суммы длины их лопасти и наибольшей полувысоты волны, возможной в соответствующей акватории.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг.1 схематически показана предлагаемая морская плавучая электростанция (вид сверху без дополнительной палубы), на фиг.2 - вид спереди и на фиг.3 - вид по стрелке А (см. фиг.1) на волновой поплавок.
На верхней палубе корпуса 1 морской плавучей электростанции размещены мачты 2 с ветровыми энергоагрегатами 3 (фиг.2), установленные так, что турбулентные потоки, вызванные этими агрегатами, не сталкиваются друг с другом. Указанные агрегаты имеют диаметр обметания 4 (фиг.2) и надводный участок кабеля 5 для передачи электроэнергии в рубку управления 6.
b
b
Корпус 1 соединен с якорной системой удержания, имеющей якорные линии 8 с якорями повышенной держащей силы 9, и через муфту 10 по подводному 11 и подземному участкам 12 кабеля с береговой электрической сетью (фиг.2). Корпус 1 имеет сквозные вырезы 13 (фиг.2, 3) длиной l, превышающей 0,5 наружной длины ее борта, и высотой d, составляющей не менее 0,2 ее осадки, а также надводный борт F от ватерлинии 14 (фиг.2, 3).
w
Высота мачт 2 выбрана таким образом, чтобы диаметр обметания 4 не касался наибольшей высоты волн, возможной в акватории h, а диаметр мачт - чтобы обеспечивалось восприятие сил и моментов от ветра, а также инерционных нагрузок, вызванных колебаниями МПЭС на волнении.
МПЭС оснащена оборудованием для выработки электроэнергии за счет использования энергии волн, включающим волновые поплавки 15, соединенные с трубопроводом высокого давления 7 с помощью трубопровода 16, проходящего по кронштейну 17, который соединен с гидроцилиндром 18 и шарниром 19 на верхнем своем конце (фиг.3). Рабочее тело, преимущественно гидравлическое масло 20 от каждого гидроцилиндра 18 имеет возможность поступления по магистральному трубопроводу 7 (фиг.3) на гидродвигатель 21, соединенный с электрогенератором 22 (фиг.1), которые размещены в рубке управления 6. Волновые поплавки 15 выполнены и установлены с возможностью их подъема над волнами. Для их подъема над волнами на необходимый угол α при интенсивном волнении предусмотрены кронштейны 17 с шарнирами 19 (фиг.3).
Кроме того, МПЭС оборудована установкой для выработки электроэнергии за счет использования энергии морского течения, в которой подводные генераторы 23 с диаметром обметания 24 лопастей 26 расположены на кронштейнах 25 под корпусом 1 таким образом, чтобы не мешать волновым поплавкам 15 и якорным линиям 8, а длина кронштейнов 25 составляет не менее суммы половины наибольшей высоты волны, возможной в акватории, и длины лопасти 26. По кронштейнам 25 проложены кабели 27 в рубку управления 6.
w
Наряду с этим МПЭС имеет установку для получения электроэнергии за счет использования солнечной энергии, включающей находящиеся на дополнительной палубе 28, расположенной над ватерлинией 14 на высоте h, солнечные панели 29. Палуба 28 размещена на пиллерсах 30, выдерживающих внешние нагрузки, солнечные панели соединены с рубкой управления 6 надводным кабелем 31.
Рубка управления 6 для обработки энергии, получаемой от упомянутых электроустановок 3, 15, 23 и 29, подключена к кабелю 11 для передачи электроэнергии в береговую сеть по кабелю 12.
Работа МПЭС осуществляется следующим образом. При слабом ветре начинается вращение лопастей ВЭА 3 на мачтах 2 и вырабатываемая электроэнергия передается по кабелю 5 в рубку управления 6, содержащую необходимое оборудование (на рисунках не показано) и расположенную на верхней палубе корпуса 1. При достижении максимально допустимой скорости ветра ВЭА стопорятся во избежание повреждения лопастей, редукторов и генераторов (на рисунках не показаны). Положение МПЭС в режиме выживания на заданном месте эксплуатации обеспечивается взаимодействием якорных линий 8 и якорей повышенной держащей силы 9. Уменьшение сил от течения и волнового дрейфа, определяющих нагрузки на якорные линии и якоря, обеспечивается благодаря выполненным в подводной части корпуса 1 вырезам 13 необходимых (указанных) размеров.
Прочность лопастей ВЭА обеспечивается тем, что их диаметр обметания 4 не касается волны наибольшей высоты, возможной в акватории.
При слабом волнении начинают перемещаться волновые поплавки 15, укрепленные на кронштейнах 17. Из-за перемещения поплавков 15 гидравлический цилиндр 18 проталкивает рабочее тело (гидравлическое масло) 20 по трубопроводу 16, расположенному на кронштейне 17, в магистральный трубопровод 7, который доставляет его в гидронасос 21, вращающий электрогенератор 22 (на фиг.1 показаны условно), размещенные в рубке управления 6.
При увеличении интенсивности волнения свыше заданной, во избежание повреждения поплавков 15, трубопровода 16 и гидроцилиндра 18, поворачиваются шарниры 19 и поднимают на необходимую высоту (под углом α) указанное оборудование.
Подводные генераторы 23 с диаметром обметания 24, установленные под корпусом 1 на кронштейнах 25, начинают работать при достаточной скорости течения. Вырабатываемая электроэнергия по кабелям 27 передается в рубку управления 6.
Электроэнергия, вырабатываемая солнечными панелями 29, расположенными на палубе 28, установленной над корпусом 1 на пиллерсах 30, по кабелям 31 передается в рубку управления 6.
После обработки в рубке управления 6 электроэнергия от ветровых и подводных генераторов, волновой и солнечной установок передается в береговую сеть через муфту 10 по подводному 11 и подземному 12 участкам кабеля.
Проведение испытаний модели предлагаемой электростанции на волнении показали, что амплитуды и ускорения различных видов качки существенно ниже, чем на судах и плавучих платформах близкого водоизмещения и размеров.
Выполненные технико-экономические расчеты подтвердили возможность обеспечения себестоимости электроэнергии ниже тарифов в ряде регионов России, а также получения приемлемых инвестиционных показателей при строительстве предлагаемой электростанции.
Предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить стоимость морской плавучей электростанции за счет снижения веса конструкций и систем удержания с одновременным увеличением объема вырабатываемой электроэнергии и повышением безопасности эксплуатации из-за большей начальной остойчивости, что выгодно отличает его от прототипа.