ПАРУСНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, ПРЕОБРАЗУЮЩАЯ ЭНЕРГИЮ ПОТОКОВ ДВУХ СРЕД
SAILING POWER PLANT CONVERTING FLOW ENERGY OF TWO MEDIA

Изобретение относится к области судостроения и возобновляемой энергетики, в частности, к ветровым энергоустановкам морского базирования.
Ветроэнергетика является одной из самых быстро развивающихся отраслей возобновляемой энергетики. Ветроустановки ставят в местах с большим ветровым потенциалом, однако количество таких мест на суше лимитировано. Для решения проблемы лимита доступных площадей было предложено сооружать установки вдоль морского побережья. (renewnews.ru/info/technologyes/offschore-wind/ Прибрежная оффшорная ветряная энергетика) Наиболее распространенными являются установки, в которых преобразователем энергии ветра в электричество служит ветровое колесо с горизонтальной осью вращения, соединенное с электрогенератором, которое установливается на высокой башне, закрепленной на морском дне в прибрежной области. Недостатком таких установок является зависимость области их распространеия от глубины моря. Чтобы уменьшить эту зависимость были разработаны плавающие ветровые энергетические установки различного типа.
Наиболее близким, принятым за прототип, является вариант «Плавающая платформа для использования энергии ветра» (патент РФ 2675349). Плавающая платформа содержит два горизонтальных плавающих элемента, соединенных палаллельно друг другу с помощью крепежной конструкции. На платформе установлена вертикальная башня, на верхнем конце которой расположен преобразователь энергии ветра в электричество, выполненный в виде ветрового колеса с горизонтальной осью вращения, соединенный с электрогенератором. Электрический кабель от электрогенератора идет вниз к основанию башни. Плавающая платформа с помощью гибкого соединения, выполненного в виде троса или цепи, прикреплена к бую, оснащенному анкерным средством, выполненным в виде трех швартовых, закрепленных на морском дне. Крепление платформы с буем осуществляется через вращающееся средство, установленное на буе. Электрический кабель электрогенератора также подсоединен к бую через установленное на нем вращающее средство электропередачи, а затем идет вниз к морскому дну и далее к потребителю.
Установка работает следующим образом. При определенном направлении ветра платформа, прикрепленная к бую, разворачивается по ветру, при этом ветер вращает ветровое колесо и соединенный с ним электрогенератор. Вырабатываемое электрогенератром электричество по кобелю, идущему от генератора к основанию башни и далее бую, поступает к потребителю. При изменении направления ветра плавающая платформа вращается вокруг закрепленного на дне буя. Установленные на буе вращающиеся средства электропередачи и гибкого соединения платформы к бую препятствуют их скручиванию. Недостатком данной конструкции установки являются большие размеры преобразователя кинетической энергии ветра в электричество необходимые для выработки электроэнергии большой мощности, что усложняет сооружение установки из-за повышения требований к ее остойчивости. Большие размеры преобразователя энергии ветра обусловлены следующими причинами. Вращение электрогенератора создается моментами аэродинамических сил, действующих на каждую лопасть ветрового колеса. Из-за низкой плотности воздуха моменты этих сил увеличиваются за счет увеличения плеча силы, а не величины силы.
Задача изобретения - уменьшить размеры преобразователя кинетической энергии среды в электричество. Решить данную задачу помогает факт нахождения установки в двух средах - воздушной и водной - плотность которой примерно в тысячу раз больше воздушной. Если кинетическую энегию воздушного потока преобразовать в кинетическую энергию водного потока, то размеры преобразователя его энергии в электричество можно существенно уменьшить.
Технический результат достигается тем, что в энергетической установке, содержащей плавающую платформу и буй, закрепленный на морском дне в том месте, где снизу к бую идет электрический кабель, соединенный через расположенное на буе вращающее электрическое средство с плавающей платформой, выполненной в данном техническом решении в виде парусного катамарана с одной или несколькими мачтами, к корпусу которого снизу прикрепляется введенный в установку гидрогенератор, выполненный в виде винта и электрогенератора, соединенного с электрическим кабелем, идущим от катамарана к бую и оснащенному системой поплавков, удерживающих его над поверхностью воды.
Взаимодействие парусов катамарана с воздушным потоком приводит к образованию действующей на них аэродинамической силы, заставляющей катамаран двигаться в водной среде с определенной скоростью, в результате чего возникает водный поток, обтекающий корпус катамарана. Если к нему прикрепить гидрогенератор, то он будет вырабатывать электричество. Поскольку плотность воды примерно в тысячу раз больше плотности воздуха, то размеры преобразователя энергии искусственно создаваемого водного потока будут существенно меньше размеров преобразователя энергии воздушного потока.
Конструкция установки и ее работа поясняются схемами, изображенными на Фиг. 1-3. На Фиг. 1 а) и б) представлен парусный катамаран 1 с двумя мачтами, вид сбоку и сзади соответственно. Площадь парусов катамарана 1 может изменяться автоматически по синалу с пульта управления в зависимости от силы ветра. Гидрогенератор 2, выполненный в виде винта 3 и электрогенератора 4, прикреплен снизу к корпусу катамарана 1. Электрический кабель электрогенератора 4 соединен с электрическим кабелем 5, идущим от катамарана 1 к бую 6, как показано на Фиг. 2. Электрический кабель 5, идущий от катамарана 1 к бую 6 оснащен системой поплавков 7, удерживающих его над поверхности воды. Электрический кабель 5 соединяется с буем 6 через вращающее электрическое средство 8, а затем идет вниз к месту крепления буя 6 к морскому дну и далее к потребителю.
Установка работает следующим образом. Катамаран 1 приводится в район нахождения буя 6, где к нему крепится электрический кабель 5, идущий от катамарана 1. После этого устанавливаются паруса площадью, соответствующей силе ветра и катамаран 1, под действием аэродинамических сил, действующих на его паруса, отходит от буя 6, при этом с помощью стандартной («Судовые навигационные радиолокационные станции», Демиденко П.П., Одесса 2004, 163 с.), установленной на судне радиолокационной станции определяется положение катамарана 1 относительно буя 6. С учетом направления ветра и длины электрического кабеля 5 определяется курс катамарана по траектории его движения вокруг буя б.Эта траектория может быть представлена в виде равностороннего треугольника, одна из сторон которого перпендикулярна направлению ветра. Курс парусного судна вдоль этой стороны треугольника называется галфвинд, а курсы вдоль других двух сторон называются соответственно бейдевинд и бакштаг. При движении катамарана 1 возникает обтекающий его корпус водный поток, который вращает винт 3 гидрогенератора 2 и соединенного с ним электрогенератор 4. Вырабатываемое им электричество с помощью кабеля 5, идущего от катамарана 1 к бую 6, через вращающее электрическое средство 8 и электрический кабель 5, идущий от буя 6 к месту крепления его к морскому дну, поступает потребителю.
Таким образом, в данном техническом решении для уменьшения размеров преобразователя энергии среды в электричество кинетическая энергия воздушного потока преобразуется в кинетическую энергию водного потока.