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 платформе, охваченной кольцевым понтоном, кинематический механизм, выполненный с возможностью передачи энергии вращения кольцевого понтона на приемный узел преобразователя энергии, отличается тем, что платформа выполнена плавучей и снабжена средствами позиционирования, включающими как минимум шесть якорей, размещенных на дне, преимущественно попарно, связанных с платформой гибкими элементами так, что проекция на горизонтальную плоскость одного гибкого элемента ориентирована радиально к оси вращения кольцевого понтона, а проекция второго гибкого элемента ориентирована касательно, причем скрепленный с ним якорь смещен в сторону, противоположную направлению вращения кольцевого понтона относительно точки закрепления гибкого элемента на платформе. При этом якоря расположены вне пределов проекции платформы на дно. Кроме того, платформа содержит плавучее основание и снабженную преобразователем энергии надводную часть, связанную с плавучим основанием, полностью погруженным в воду, герметичными колоннами, длина которых больше суммы надводной высоты платформы и глубины зоны действия ветровых волн, при этом длина их поперечного сечения больше ширины, причем длинная ось их сечения ориентирована радиально к оси вращения кольцевого понтона, кроме того, расстояние от оси вращения кольцевого понтона до наиболее удаленного участка герметичной колонны меньше внутреннего радиуса кольцевого понтона. Кроме того, плавучему основанию платформы придана форма правильного многоугольника, при этом гибкие элементы прикреплены к плавучему основанию платформы в точках, максимально удаленных от оси вращения кольцевого понтона, предпочтительно размещенных на одинаковых расстояниях друг от друга. Кроме того, горизонтальные размеры плавучего основания платформы превышают соответствующие размеры ее надводной части.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявляемого решения и существенных признаков аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак «…платформа выполнена плавучей и снабжена средствами позиционирования, …» позволяет размещать ветроэнергетическую установку на участках шельфа с глубинами свыше 50 метров, где использование стационарной платформы является невозможным или нерентабельным.
Признаки, указывающие, что средства позиционирования включают «как минимум шесть якорей, размещенных на дне, преимущественно попарно, связанных с платформой гибкими элементами так, что проекция на горизонтальную плоскость одного гибкого элемента ориентирована радиально к оси вращения кольцевого понтона», позволяют обеспечить удержание плавучего основания от дрейфа по поверхности воды. А наличие гибких элементов облегчает работу конструкции при волнении и колебании уровня воды.
Признак «…а проекция второго гибкого элемента ориентирована касательно, причем скрепленный с ним якорь смещен в сторону, противоположную направлению вращения кольцевого понтона относительно точки закрепления гибкого элемента на платформе» обеспечивает надежную передачу крутящего момента, создаваемого ветром, с платформы на дно водоема, что предотвращает проворот платформы вокруг вертикальной оси и, тем самым, гарантирует работоспособность плавучей ветроэнергетической установки.
Расположение якорей вне пределов проекции платформы на дно обеспечивает уменьшение растягивающих усилий в гибких элементах и уменьшение массы якорей, а также улучшает стабильность положения плавучей ветроэнергетической установки.
Признаки третьего пункта формулы изобретения позволяют уменьшить влияние волн на перемещение плавучей ветроэнергетической установки, увеличить надежность за счет уменьшения волнового воздействия. При этом признак «…содержит … надводную часть, связанную с плавучим основанием, полностью погруженным в воду, герметичными колоннами…» обеспечивает вертикальную стабилизацию платформы, а признаки «…при этом длина их поперечного сечения больше ширины, причем длинная ось их сечения ориентирована радиально к оси вращения кольцевого понтона» позволяют увеличить массу присоединенной воды и, тем самым, уменьшить динамическую составляющую растягивающих усилий в гибких элементах и уменьшить массу якорей. Кроме того, признак «…расстояние от оси вращения кольцевого понтона до наиболее удаленного участка герметичной колонны меньше внутреннего радиуса кольцевого понтона» обеспечивает вращение кольцевого понтона относительно плавучей платформы.
Признаки четвертого пункта формулы изобретения позволяют увеличить массу присоединенной воды и, тем самым, уменьшить динамическую составляющую растягивающих усилий в гибких элементах и уменьшить массу якорей. Признак, указывающий на то, что « гибкие элементы прикреплены к плавучему основанию платформы в точках, максимально удаленных от оси вращения кольцевого понтона, предпочтительно размещенных на одинаковых расстояниях друг от друга», обеспечивает уменьшение статической составляющей растягивающих усилий в гибких элементах и уменьшение массы якорей.
Признак пятого пункта формулы изобретения обеспечивают уменьшение растягивающих усилий в гибких элементах и уменьшение массы якорей, а также улучшает стабильность положения плавучей ветроэнергетической установки.
На фиг.1 изображена ветроэнергетическая установка в горизонтальном виде, на фиг.2 - вид сверху и на фиг.3 - горизонтальный разрез по поверхности воды.
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, якоря 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, длинная ось 15 сечения герметичной колонны 14.
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 якоря 7 расположены вне пределов проекции платформы 1 на дно 8. Кроме того, 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, длина которых больше суммы надводной высоты платформы 1 и глубины зоны действия ветровых волн, при этом длина их поперечного сечения больше ширины, причем длинная ось 15 их сечения ориентирована радиально к оси вращения 6 кольцевого понтона 2, которая совпадает с вертикальной осью платформы 1. Плавучему основанию 12 платформы 1 придана форма правильного многоугольника, при этом гибкие элементы 9 и 10 прикреплены к платформе 1 в точках 11 плавучего основания 12, максимально удаленных от оси вращения 6 кольцевого понтона 2, предпочтительно размещенных на одинаковых расстояниях друг от друга. Кроме того, горизонтальные размеры плавучего основания 12 платформы 1 превышают соответствующие размеры ее надводной части и приближены к диаметру 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 на дно 8 устанавливают якоря 7 на существенном удалении за пределами проекции платформы 1 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 и герметичных колонн 14 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. Наклон гибких элементов 9 и 10 из-за удаленности якорей 7 от проекции платформы 1 на дно 8 позволяет уменьшить силы и массу якорей 7. 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 герметичных колонн 14.