ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к области малой энергетики и может быть использовано для создания ветроэнергетических станций.
Известна ветроэнергетическая установка с преобразователем энергии, установленным на плавучем основании (понтоне) (см., например, "WINDFLOAT: A Floating Foundation for Offshore Wind Turbines. Part 1: Design Basis and Qualification Process"/ Proceedings of the ASME 28th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE2009, Honolulu, USA).
Недостатками этого решения являются плохая стабильность углового положения установки на волнах и необходимость использования активной балластной системы для выравнивания плавучего основания при смене направления ветра, что приводит к существенным потерям энергии. При этом ветроэнергетическая установка обладает чрезмерно большой материалоемкостью из-за протяженного плавучего основания с балластной системой.
Известна ветроэнергетическая установка, содержащая преобразователь энергии, кольцевой понтон, снабженный системой поворотных вертикальных лопастей и посредством гибких тяг связанный со ступицей преобразователя энергии, установленного на дополнительном понтоне, с возможностью вращения вокруг которого размещен кольцевой понтон (патент РФ №2330786, Б.И. №22, 2008 г.)
Недостатками прототипа являются повышенные гидродинамические потери энергии из-за вращения дополнительного понтона, ограниченная мощность (крутящий момент не может превышать момент гидродинамического сопротивления дополнительного понтона), сложность конструкции и управления направлением перемещения установки, а также потери энергии на управление положением водяных лопастей-рулей.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое решение, выражается в повышении мощности и энергетической эффективности ветроэнергетической установки.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в снижении потерь энергии при работе ветроэнергетической установки, в достижении компенсации момента вращения ротора, в возможности маневрировать установкой без применения дополнительных устройств.
Поставленная задача решается тем, что ветроэнергетическая установка, содержащая преобразователь энергии, кольцевой понтон, снабженный системой поворотных вертикальных лопастей и посредством гибких тяг связанный со ступицей преобразователя энергии, установленного на дополнительном понтоне, с возможностью вращения вокруг которого размещен кольцевой понтон, отличается тем, что в составе установки использовано предпочтительно два одинаковых узла, каждый из которых содержит кольцевой и дополнительный понтоны, оборудован поворотными вертикальными лопастями и преобразователем энергии, при этом направления вращения кольцевых понтонов приняты противоположными, кроме того, дополнительные понтоны жестко связаны жесткой балкой, причем в состав установки введены водоизмещающие корпуса, жестко зафиксированные на линии, проходящую через центральную точку жесткой балки, предпочтительно на одинаковых расстояниях от нее.
Кроме того, расстояние между центрами дополнительных понтонов составляет от полутора до трех диаметров кольцевого понтона,, а расстояние между центрами водоизмещающих корпусов составляет от одного до двух от диаметров кольцевого понтона.
Кроме того, водоизмещающие корпуса выполнены вытянутыми вдоль линии, их соединяющей, а жесткая балка выполнена составной, проходящей через водоизмещающие корпуса.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствуют о его соответствии критерию «новизна».
При этом признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки "…в составе установки использовано предпочтительно два одинаковых узла, каждый из которых содержит кольцевой и дополнительный понтоны, оборудован поворотными вертикальными лопастями и преобразователем энергии, при этом направления вращения кольцевых понтонов приняты противоположными" и "…дополнительные понтоны жестко связаны жесткой балкой" позволяют повысить мощность плавучей ветроэнергетической установки, полностью исключить потери энергии на вращение дополнительных понтонов, а также управлять направлением перемещения установки путем относительного изменения моментов полезной нагрузки на преобразователях энергии отдельных узлов.
Признаки "… в состав установки введены водоизмещающие корпуса, жестко зафиксированные на линии, проходящую через центральную точку жесткой балки, предпочтительно на одинаковых расстояниях от нее " и "… расстояние между центрами водоизмещающих корпусов составляет от одного до двух диаметров кольцевого понтона" позволяют обеспечить стабильность углового положения ветроэнергетической установки при повороте вокруг линии, соединяющей центры кольцевых понтонов.
Признаки второго дополнительного пункта формулы изобретения позволяют снизить аэродинамическое взаимовлияние лопастей, расположенных на разных узлах ветроэнергетической установки, и позволяют обеспечить стабильность углового положения ветроэнергетической установки при повороте вокруг перпендикуляра к линии, соединяющей центры кольцевых понтонов.
Признак, указывающий, что "водоизмещающие корпуса выполнены вытянутыми вдоль линии, их соединяющей, а жесткая балка выполнена составной, проходящей через водоизмещающие корпуса", позволяет обеспечить стабильность углового положения ветроэнергетической установки при повороте вокруг вертикальной оси.
Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами. На фиг.1 представлена ветроэнергетическая установка в разрезе. На фиг.2 - вид ветроэнергетической установки сверху. На чертежах обозначено: 1 - центральная башня первого узла, 2 - кольцевая палуба первого узла, 3 - поворотные лопасти ветротурбины первого узла, 4 - гибкие тяги первого узла, 5 - ступица преобразователя энергии первого узла, 6 - кольцевой понтон первого узла, 7 - дополнительный понтон первого узла, 8 - центральная башня второго узла, 9 - кольцевая палуба второго узла, 10 - поворотные лопасти ветротурбины второго узла, 11 - гибкие тяги второго узла, 12 - ступица преобразователя энергии второго узла, 13 - кольцевой понтон второго узла, 14 - дополнительный понтон второго узла, 15 - элементы составной жесткой балки, 16 - водоизмещающие корпуса.
1
2
3
4
Точками О и O обозначены центры вращения кольцевых понтонов 6 и 13 соответственно. Точками О и О обозначены условные центры размещения водоизмещающих корпусов 16.
Ветроэнергетическая установка представляет собой два крупногабаритных плавучих ротора в виде кольцевых понтонов 6 и 13, которые оснащены поворотными лопастями 3 и 10 соответственно (приводы поворота лопастей условно не показаны). Надводные части кольцевых понтонов 6 и 13 (кольцевые палубы 2 и 9) связаны гибкими тягами 4 и 11 со ступицами 5 и 12 преобразователей энергии. Преобразователи энергии (условно не показаны) установлены в центральных башнях 1 и 8, размещенных на водной поверхности так, что они окружены кольцевыми понтонами 6 и 13 соответственно. Дополнительные понтоны 7 и 14 соединены в подводной части (ниже зоны действия поверхностных волн) посредством составной жесткой балки 15. На линии, проходящей через центральную точку жесткой балки 15 на одинаковых расстояниях от нее жестко зафиксированы водоизмещающие корпуса 16, вытянутые вдоль линии, их соединяющей.
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. За счет взаимодействия лопастей ветротурбин 3 и 10 с ветровыми потоками кольцевые понтоны 6 и 13 соответствующих узлов установки приводятся во вращение в противоположных направлениях. Через системы гибких тяг 4 и 11 вращаются ступицы 5 и 12 преобразователей энергии обоих узлов установки. Управляя моментом полезной нагрузки преобразователей первого и второго узлов, можно добиться как полной взаимной компенсации момента вращения роторов вокруг вертикальных осей, так и маневрирования установки без помощи дополнительных средств. Наличие жесткой балки 15, соединяющей дополнительные понтоны 7 и 14 первого и второго узлов установки обеспечивают значительную протяженность плавающей конструкции (значительно больше высоты дополнительных понтонов 7 и 14, сравнимую с диаметром ротора) и, как следствие, высокую продольную устойчивость установки. Наличие разнесенных на большой базе (также сравнимой с диаметром ротора) водоизмещающих корпусов 16 обеспечивает высокую поперечную устойчивость установки.
В результате реализации предлагаемого изобретения появляется возможность получать энергию ветра на глубоководных участках океана, гарантированно сохраняя работоспособность и структурную целостность ветроэнергетической установки при воздействии экстремальных ветровой и волновой нагрузок, характерных для открытых акваторий океана, в определенных пределах управлять перемещением и ориентацией установки, используя только узлы установки, непосредственно задействованные в преобразовании энергии.